У квантовій фізиці вакуум не порожній, а радше занурений у крихітні коливання електромагнітного поля. Донедавна неможливо було вивчити ці вакуумні коливання безпосередньо. Однак тепер дослідники з ETH Zurich розробили метод, який дозволяє їм детально характеризувати коливання.
Порожнеча насправді не порожня - у всякому разі, за законами квантової фізики. Вакуум, в якому класично має бути «ніщо», наповнений так званими вакуумними флуктуаціями згідно з квантовою механікою. Це, наприклад, невеликі відхилення електромагнітного поля, які з часом усереднюються до нуля, але можуть на короткий час відхилятися від нього. Жером Фаїст, професор Інституту квантової електроніки ETH в Цюріху, і його співробітники вперше змогли охарактеризувати ці коливання вакууму.
«Вакуумні флуктуації електромагнітного поля мають чітко видимі наслідки і, серед іншого, відповідальні за той факт, що атом може мимовільно випромінювати світло», - пояснюють вчені. "Однак виміряти їх безпосередньо на перший погляд здається неможливим. Традиційні детектори світла, такі як фотодіоди, засновані на тому принципі, що легкі частинки - і, отже, енергія - поглинаються детектором. Однак з вакууму, який являє собою найнижчий рівень. енергетичного стану фізичної системи, подальша енергія не може бути витягнута ".
Електрооптичне виявлення
Тому Жером Файст і його колеги вирішили виміряти електричне поле флуктуацій безпосередньо. Для цього вони використовували детектор на основі так званого електрооптичного ефекту. Детектор складається з кристала, в якому поляризація (тобто напрямок коливань) світлової хвилі може обертатися електричним полем, наприклад електричним полем флуктуацій вакууму.
Таким чином, це електричне поле залишає видиму мітку у формі зміненого напрямку поляризації світлової хвилі. Два дуже коротких лазерних імпульсу, тривалість яких становить одну тисячну частки мільярдної секунди, пропускаються через кристал у двох різних точках і в дещо різний час, а потім вимірюються їх поляризації. З цих вимірювань можна зрештою обчислити просторові та часові кореляції між миттєвими електричними полями в кристалі.
Щоб переконатися, що вимірені електричні поля дійсно виникають через флуктуації вакууму, а не через теплове випромінювання чорного тіла, дослідники охолодили весь вимірювальний прилад до -269 градусів за Цельсієм. При таких низьких температурах, по суті, всередині апарату не залишаються фотони теплового випромінювання, так що будь-які коливання електричного поля повинні виходити з вакууму.
«Тим не менш, виміряний сигнал абсолютно крихітний, - визнає професор Файст, - і нам дійсно довелося максимально використовувати наші експериментальні можливості вимірювання дуже маленьких полів». За його словами, інша проблема полягає в тому, що частоти електромагнітних коливань, вимірені за допомогою електрооптичного детектора, лежать у терагерцевому діапазоні, тобто близько декількох тисяч мільярдів коливань на секунду. У своєму експерименті вченим з ETH все ж вдалося виміряти квантові поля з роздільною здатністю, яка нижче циклу коливань світла як у часі, так і в просторі.
Дослідники сподіваються, що в майбутньому вони зможуть виміряти ще більш екзотичні випадки вакуумних коливань, використовуючи свій метод. При наявності сильних взаємодій між фотонами і речовиною, які можуть бути досягнуті, наприклад, всередині оптичних порожнин, згідно з теоретичними розрахунками, вакуум повинен бути заповнений безліччю так званих віртуальних фотонів. Метод, розроблений Фаїстом і його співробітниками, повинен дозволити перевірити ці теоретичні передбачення.