在量子真空中(quantum vacuum),沒有人能夠聽見你在尖叫。
根據量子力學,真空一點都不空,它實際上是充滿了量子能量和粒子,在一轉眼間閃爍地出現和消失。這些奇怪的訊號,被稱為量子波動(quantum fluctuation)。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。在我們想要解開什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,帶著儘可能最低的能量,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,並且充滿著粒子與反粒子對,隨機地出現和消失。
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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。
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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。
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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。
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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,量子波動的分布會改變,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’:
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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。
(责任编辑:文恩)
(文章来源:网络转载)
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September 8, 2024