在量子物理學(xué)中，真空并不是空的，而是浸沒在電磁場(chǎng)的微小波動(dòng)中。直到最近，還不可能直接研究這些真空波動(dòng)。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院研究人員開發(fā)了一種方法，可以讓他們?cè)敿?xì)描述波動(dòng)的特征。真空并不是真正的空——至少不是根據(jù)量子物理定律。

根據(jù)量子力學(xué)，真空中充滿了所謂的真空量子漲落。例如，這些是電磁場(chǎng)的小擾動(dòng)，隨著時(shí)間的推移平均為零，但可能會(huì)在短時(shí)間內(nèi)偏離它。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院量子電子學(xué)研究所的杰羅姆·費(fèi)斯特教授和同事們現(xiàn)在成功地首次直接描述了這些真空波動(dòng)的特征。

博科園：在費(fèi)爾斯特實(shí)驗(yàn)室畢業(yè)的博士生、是在科學(xué)期刊《自然》上發(fā)表這項(xiàng)研究的第一作者Ileana-Cristina?Benea-Chelmus說：電磁場(chǎng)的真空波動(dòng)有明顯結(jié)果，其中之一就是原子可以自發(fā)發(fā)光。然而，乍一看，直接測(cè)量它們似乎是不可能的。傳統(tǒng)光探測(cè)器，如光電二極管，是基于光粒子-因此能量-被探測(cè)器吸收的原理。然而，真空代表了一個(gè)物理系統(tǒng)的最低能量狀態(tài)，因此不能再?gòu)恼婵罩刑崛∧芰俊?/p>

光電檢測(cè)

因此，研究人員決定直接測(cè)量波動(dòng)的電場(chǎng)。為此，他們使用了一種基于所謂電光效應(yīng)的探測(cè)器。探測(cè)器由晶體組成，其中光波的偏振(即振蕩方向)可以由電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)——例如，由真空波動(dòng)的電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)。這樣，電場(chǎng)就會(huì)在光波的偏振方向上留下一個(gè)可見痕跡。兩個(gè)非常短的激光脈沖持續(xù)了十億分之一秒，在兩個(gè)不同點(diǎn)和稍微不同的時(shí)間通過晶體，然后測(cè)量它們的偏振度。通過這些測(cè)量，最終可以計(jì)算出晶體中瞬時(shí)電場(chǎng)之間的時(shí)空關(guān)系。為了證實(shí)這樣測(cè)量的電場(chǎng)實(shí)際上來自真空波動(dòng)而不是熱黑體輻射，研究人員將整個(gè)測(cè)量?jī)x器冷卻到-269攝氏度。

在如此低的溫度下，基本上沒有熱輻射的光子留在設(shè)備內(nèi)部，所以無論剩下的電場(chǎng)波動(dòng)是什么，都必須來自真空。盡管如此，測(cè)量到的信號(hào)是絕對(duì)微小的，不過必須最大限度地發(fā)揮測(cè)量非常小的領(lǐng)域?qū)嶒?yàn)?zāi)芰?。另一個(gè)挑戰(zhàn)是使用電光探測(cè)器測(cè)量電磁波動(dòng)的頻率在太赫茲范圍內(nèi)，也就是說，大約每秒幾千億次的振蕩。在實(shí)驗(yàn)中，ETH科學(xué)家們?nèi)匀怀晒Φ販y(cè)量了量子場(chǎng)，其分辨率在時(shí)間和空間上都低于光的振蕩周期。

測(cè)量真空量子漲落

研究人員希望在未來能夠用該方法測(cè)量更多奇異的真空波動(dòng)情況。根據(jù)理論計(jì)算，在光子和物質(zhì)之間存在強(qiáng)相互作用的情況下(例如，在光學(xué)腔內(nèi))，真空中應(yīng)該充滿大量所謂的虛光子，由Faist和合作者開發(fā)的方法應(yīng)該能夠測(cè)試這些理論預(yù)測(cè)。

博科園-科學(xué)科普｜研究/來自:?蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院

參考期刊文獻(xiàn):《自然》

DOI:?10.1038/d41586-019-01083-z

DOI:?10.1038/s41586-019-1083-9

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