真空非空! 物理學家掌控「完全虛空」中的能量

【正見新聞網2017年01月29日】

幾十年來,只有這些波動的間接證據。但回到2015年,研究人員聲稱直接偵測到這些理論波動。現在,同一個團隊表示,他們已經進一步掌控到真空本身,並且在虛空中偵測到這些奇怪訊號的變化。

我們正在這裡進入高等物理學領域。但是這個實驗真正重要的是,如果這些結果被證實,那麼研究人員可能剛剛解開了一種方法,來觀察、探測和測試量子領域,而不會有所干擾。

這是很重要的,因為量子力學最大的問題之一,以及我們對它的了解,是每一次在測量和觀察一個量子系統時,它就會被摧毀。在我們想要解開甚麼是真正的量子世界時,這不是一個好兆頭。

首先,讓我們以傳統的方式來思考真空。由於空間完全沒有物質,帶着儘可能最低的能量,沒有粒子,以及沒有任何事物來干擾純物理學。

但是一項量子力學最基本原理的副產品,海森堡(Heisenberg)的測不準原理(uncertainty principle),指出有關對於量子粒子的了解是有一個極限。因此,真空不再是空的,它實際上以自己奇怪的能量在嗡嗡地叫,並且充滿着粒子與反粒子對,隨機地出現和消失。

這些量子波動更像是"虛擬"粒子,而不是實質物質。所以,通常你是無法偵測到它們。但是,儘管它們是看不見的,如同在量子世界中的大多數事物,它們巧妙地影響真實世界。

這些量子波動會隨機產生可以影響電子的波動電場,回到1940年代,這是科學家第一次間接展示它們的存在。

然後,在2015年,來自德國康斯坦茨大學(University of Konstanz)的艾佛烈·萊滕施托費爾(Alfred Leitenstorfer)所領導的團隊聲稱,藉由觀察對光波的影響,他們直接偵測到這些波動。這些結果發表在科學(Science)期刊。

為了做到這點,他們發射一個只維持幾飛秒(飛秒是百萬分之十億分之秒)的超短雷射脈衝進入真空,然後能夠看到光極化的巧妙變化。他們表示這些變化是由量子波動直接造成的。

這是一個持續在爭論的聲稱,但是藉由’擠壓’真空,研究人員現在把他們的實驗帶到一個新的階段,並且表示能夠觀察到在量子波動中奇怪變化的結果。

這不僅僅是這些量子波動存在的進一步證據,還表明他們已經提出一種方法來觀察在量子世界中的實驗,但不會弄亂結果;通常這樣做是會破壞量子態。

萊滕施托費爾說:“我們能夠在第一次概算中,分析量子態而不會有所改變。”

通常在你尋找量子波動對單獨一個光粒子的影響時,你必須偵測那個光粒子,或是把它放大,以便於看到影響。然而這樣做會移除留在那個光子上的’量子標記(quantum signature)’,類似於這個團隊在2015年所做的實驗。

這次,這個團隊不是藉由吸收和放大光的光子,而是改為研究在時域上的光,來詳細察看在量子波動中的變化。

這聽起來很怪異,但在真空、空間和時間,都是以相同的方式表現。因此,利用檢查一個光子來更加了解其他光子是有可能的。

這樣做時,這個團隊發現當他們在’擠壓’真空時,有點像是在擠壓氣球,而且會在真空中重新分配這些奇怪的量子波動。

在某些點,波動的聲音變得比未壓縮真空的背景’噪音’還大聲,而在某些部分,它們反而更安靜。

萊滕施托費爾把這點和交通堵塞做比較,當在後面的汽車變多時,在那一點前面的汽車密度會再度減少。

在一定程度上,同樣的情況在真空中發生。當真空在一個地方被擠壓時,量子波動的分佈會改變,結果是它們可以加速或減速。

這種影響可以在時域上測量。你可以在下面的圖表看到波動被標示在時空上。中間的隆起是在真空中的’擠壓’:

如同你可以看見,擠壓的結果,波動中有一些光點。

但也發生一些怪異的事情,在某些地方的波動看起來好像降到低於背景的噪音程度,低於空白空間的基態(ground state of empty space),科學家把它稱作一個"令人驚訝的現象(astonishing phenomenon)“。

一份新聞稿解釋:“由於新的測量技術既不用吸收待測的光子,也不用放大它們,所以直接偵測真空的電磁背景噪音是有可能的;因此,也可以直接偵測由研究人員從這個基態產生的受控制偏離。

這個團隊現在正在測試他們的技術究竟有多精確,以及他們可以從這當中學到多少。

即使這些結果到目前為止是令人印象深刻的,仍然有可能這個團隊可能只是做到所謂的弱測量(weak measurement),一種不干擾量子態的測量,但實際上沒有告訴研究人員非常多有關量子系統。

如果能夠使用這項技術學到更多,他們想要繼續使用它來探測’光的量子態’。這是光在量子能級(quantum level)看不見的行為,而我們只是剛剛開始要理解。

這項研究發表於自然(Nature)期刊。

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