虚空中的波动量子物理学中真空并不是空的,EditSprings,艾德思

 在量子物理学中,真空并不是空的,而是浸没在电磁场的微小波动中.直到最近,还不可能直接研究这些真空波动.苏黎世联邦理工学院研究人员开发了一种方式,可以让他们详细描述波动的特征.真空并不是真正的空——至少不是根据量子物理定律.根据量子力学,真空中充满了所谓的真空量子涨落.例如,这些是电磁场的小扰动,随着时间的推移平均为零,但可能会在短时间内偏离它.苏黎世联邦理工学院量子电子学研究所的杰罗姆·费斯特教授和同事们现在成功地 首次直接 描述了这些真空波动的特征.

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博科园:在费尔斯特实验室毕业的博士生/是在科学期刊<自然>上发表这项研究的第一作者Ileana-Cristina Benea-Chelmus说:电磁场的真空波动有明显结果,其中之一就是原子可以自发发光.然而,乍一看,直接测量它们似乎是不可能的.传统光探测器,如光电二极管,是基于光粒子-因此能量-被探测器吸收的原理.然而,真空代表了一个物理系统的最低能量状态,因此不能再从真空中提取能量.

光电检测

因此,研究人员决定直接测量波动的电场.为此,他们使用了一种基于所谓 电光效应 的探测器.探测器由晶体组成,其中光波的偏振(即振荡方向)可以由电场旋转——例如,由真空波动的电场旋转.这样,电场就会在光波的偏振方向上留下一个可见痕迹.两个非常短的激光脉冲持续了十亿分之一秒,在两个不同点和稍微不同的时间通过晶体,然后测量它们的偏振度.通过这些测量,最终可以计算出晶体中瞬时电场之间的时空关系.为了证实这样测量的电场实际上来自真空波动而不是热黑体辐射,研究人员将整个测量仪器冷却到-269摄氏度.

电磁场真空起伏(彩色线)可以通过它们对两束激光(红色)的影响来测量,这两束激光通过晶体传播.图片:ETH Zurich 在如此低的温度下,基本上没有热辐射的光子留在设备内部,所以无论剩下的电场波动是什么,都必须来自真空.尽管如此,测量到的信号是绝对微小的,不过必须最大限度地发挥测量非常小的领域实验能力.另一个挑战是使用电光探测器测量电磁波动的频率在太赫兹范围内,也就是说,大约每秒几千亿次的振荡.在实验中,ETH科学家们仍然成功地测量了量子场,其分辨率在时间和空间上都低于光的振荡周期.

测量真空量子涨落

研究人员希望在未来能够用该方式测量更多奇异的真空波动情况.根据理论计算,在光子和物质之间存在强相互作用的情况下(例如,在光学腔内),真空中应该充满大量所谓的虚光子,由Faist和合作者开发的方式应该能够测试这些理论预测.

博科园-科学科普｜研究/来自: 苏黎世联邦理工学院 参考期刊文献:<自然> DOI: 10.1038/d41586-019-01083-z DOI: 10.1038/s41586-019-1083-9 博科园-传递宇宙科学之美

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