Колебания в вакууме

В квантовой физике вакуум не пуст, а скорее погружен в крошечные колебания электромагнитного поля. До недавнего времени невозможно было изучить эти вакуумные колебания непосредственно. Однако теперь исследователи из ETH Zurich разработали метод, который позволяет им детально характеризовать колебания.

Пустота на самом деле не пустая — во всяком случае, по законам квантовой физики. Вакуум, в котором классически должно быть «ничто», наполнен так называемыми вакуумными флуктуациями согласно квантовой механике. Это, например, небольшие отклонения электромагнитного поля, которые со временем усредняются до нуля, но могут на короткое время отклоняться от него. Жером Фаист, профессор Института квантовой электроники ETH в Цюрихе, и его сотрудники впервые смогли охарактеризовать эти колебания вакуума.

«Вакуумные флуктуации электромагнитного поля имеют четко видимые последствия и, среди прочего, ответственны за тот факт, что атом может самопроизвольно излучать свет», — объясняют ученые. «Однако измерить их напрямую на первый взгляд кажется невозможным. Традиционные детекторы света, такие как фотодиоды, основаны на том принципе, что легкие частицы — и, следовательно, энергия — поглощаются детектором. Однако из вакуума, который представляет собой самый низкий уровень. энергетического состояние физической системы, дальнейшая энергия не может быть извлечена «.

Электрооптическое обнаружение

Поэтому Жером Файст и его коллеги решили измерить электрическое поле флуктуаций напрямую. Для этого они использовали детектор на основе так называемого электрооптического эффекта. Детектор состоит из кристалла, в котором поляризация (то есть направление колебаний) световой волны может вращаться электрическим полем, например электрическим полем флуктуаций вакуума.

Таким образом, это электрическое поле оставляет видимую метку в форме измененного направления поляризации световой волны. Два очень коротких лазерных импульса, длительность которых составляет одну тысячную доли миллиардной секунды, пропускаются через кристалл в двух разных точках и в несколько разное время, а затем измеряются их поляризации. Из этих измерений можно в конечном итоге вычислить пространственные и временные корреляции между мгновенными электрическими полями в кристалле.

Чтобы убедиться, что измеренные электрические поля действительно возникают из-за флуктуаций вакуума, а не из-за теплового излучения черного тела, исследователи охладили весь измерительный прибор до -269 градусов по Цельсию. При таких низких температурах, по существу, внутри аппарата не остаются фотоны теплового излучения, так что любые оставшиеся колебания электрического поля должны исходить из вакуума.

«Тем не менее, измеренный сигнал абсолютно крошечный, — признает профессор Файст, — и нам действительно пришлось максимально использовать наши экспериментальные возможности измерения очень маленьких полей». По его словам, другая проблема заключается в том, что частоты электромагнитных колебаний, измеренные с помощью электрооптического детектора, лежат в терагерцовом диапазоне, то есть около нескольких тысяч миллиардов колебаний в секунду. В своем эксперименте ученым из ETH все же удалось измерить квантовые поля с разрешением, которое ниже цикла колебаний света как во времени, так и в пространстве.

Исследователи надеются, что в будущем они смогут измерить еще более экзотические случаи вакуумных колебаний, используя свой метод. При наличии сильных взаимодействий между фотонами и веществом, которые могут быть достигнуты, например, внутри оптических полостей, согласно теоретическим расчетам, вакуум должен быть заполнен множеством так называемых виртуальных фотонов. Метод, разработанный Фаистом и его сотрудниками, должен позволить проверить эти теоретические предсказания.

Ileana-Cristina Benea-Chelmus et al. Electric field correlation measurements on the electromagnetic vacuum state, Nature (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1083-9