在量子物理學中，真空並不是空的，而是浸沒在電磁場的微小波動中。直到最近，還不可能直接研究這些真空波動。蘇黎世聯邦理工學院研究人員開發了一種方法，可以讓他們詳細描述波動的特徵。真空並不是真正的空——至少不是根據量子物理定律。根據量子力學，真空中充滿了所謂的真空量子漲落。例如，這些是電磁場的小擾動，隨著時間的推移平均為零，但可能會在短時間內偏離它。蘇黎世聯邦理工學院量子電子學研究所的傑羅姆·費斯特教授和同事們現在成功地首次直接描述了這些真空波動的特徵。
博科園：在費爾斯特實驗室畢業的博士生、是在科學期刊《自然》上發表這項研究的第一作者Ileana-Cristina Benea-Chelmus說：電磁場的真空波動有明顯結果，其中之一就是原子可以自發發光。然而，乍一看，直接測量它們似乎是不可能的。傳統光探測器，如光電二極體，是基於光粒子-因此能量-被探測器吸收的原理。然而，真空代表了一個物理系統的最低能量狀態，因此不能再從真空中提取能量。
光電檢測
因此，研究人員決定直接測量波動的電場。為此，他們使用了一種基於所謂電光效應的探測器。探測器由晶體組成，其中光波的偏振(即振蕩方向)可以由電場旋轉——例如，由真空波動的電場旋轉。這樣，電場就會在光波的偏振方向上留下一個可見痕跡。兩個非常短的雷射脈衝持續了十億分之一秒，在兩個不同點和稍微不同的時間通過晶體，然後測量它們的偏振度。通過這些測量，最終可以計算出晶體中瞬時電場之間的時空關係。為了證實這樣測量的電場實際上來自真空波動而不是熱黑體輻射，研究人員將整個測量儀器冷卻到-269攝氏度。
電磁場真空起伏(彩色線)可以通過它們對兩束雷射(紅色)的影響來測量，這兩束雷射通過晶體傳播。圖片：ETH Zurich在如此低的溫度下，基本上沒有熱輻射的光子留在設備內部，所以無論剩下的電場波動是什麼，都必須來自真空。儘管如此，測量到的信號是絕對微小的，不過必須最大限度地發揮測量非常小的領域實驗能力。另一個挑戰是使用電光探測器測量電磁波動的頻率在太赫茲範圍內，也就是說，大約每秒幾千億次的振蕩。在實驗中，ETH科學家們仍然成功地測量了量子場，其解析度在時間和空間上都低於光的振蕩周期。
測量真空量子漲落
研究人員希望在未來能夠用該方法測量更多奇異的真空波動情況。根據理論計算，在光子和物質之間存在強相互作用的情況下(例如，在光學腔內)，真空中應該充滿大量所謂的虛光子，由Faist和合作者開發的方法應該能夠測試這些理論預測。
博科園-科學科普｜研究/來自: 蘇黎世聯邦理工學院參考期刊文獻:《自然》DOI: 10.1038/d41586-019-01083-zDOI: 10.1038/s41586-019-1083-9博科園-傳遞宇宙科學之美
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