Undersøgelse af kvantevakuum:Trafikprop i tomt rum

Et vigtigt skridt i retning af en helt ny eksperimentel adgang til kvantefysik er blevet taget på University of Konstanz. Forskerteamet under ledelse af professor Alfred Leitenstorfer har nu vist, hvordan man manipulerer det elektriske vakuumfelt og dermed genererer afvigelser fra tomrums grundtilstand, som kun kan forstås i sammenhæng med kvanteteorien om lys.

Med disse resultater, forskerne fra området ultrahurtige fænomener og fotonik bygger på deres tidligere fund, offentliggjort i oktober 2015 i det videnskabelige tidsskrift Videnskab , hvor de har demonstreret direkte påvisning af signaler fra ren ingenting. Disse væsentlige videnskabelige fremskridt kan gøre det muligt at løse problemer, som fysikere har kæmpet med i lang tid, lige fra en dybere forståelse af strålingens kvantekarakter til forskning i attraktive materialegenskaber såsom høj temperatur superledningsevne. De nye resultater offentliggøres den 19. januar 2017 i det aktuelle online -nummer af det videnskabelige tidsskrift Natur .

En verdensførende optisk måleteknik, udviklet af Alfred Leitenstorfers team, gjort denne grundlæggende indsigt mulig. Et specielt lasersystem genererer ultrakorte lysimpulser, der kun varer få femtosekunder og dermed er kortere end en halv cyklus af lys i det undersøgte spektralområde. Et femtosekund svarer til en milliontedel af en milliarddel af et sekund. Metodens ekstreme følsomhed muliggør påvisning af elektromagnetiske udsving selv i mangel af intensitet, det er, i fuldstændigt mørke. Teoretisk set eksistensen af ​​disse "vakuumudsving" følger af Heisenbergs Usikkerhedsprincip. Alfred Leitenstorfer og hans team lykkedes at observere disse udsving direkte for første gang og i det mellem-infrarøde frekvensområde, hvor selv konventionelle tilgange til kvantefysik ikke tidligere har virket.

Den konceptuelle nyhed i eksperimenterne er, at i stedet for de hidtil anvendte frekvensdomæneteknikker, fysikerne fra Konstanz fik adgang til kvantestatistikker over lys direkte i tidsdomænet. På et valgt tidspunkt, elektriske feltamplituder måles direkte i stedet for at analysere lys i et smalt frekvensbånd. At studere forskellige tidspunkter resulterer i karakteristiske støjmønstre, der giver mulighed for detaljerede konklusioner om lysets tidsmæssige kvantetilstand. Når laserimpulsen udbreder sig sammen med kvantefeltet, der undersøges, Konstanz -fysikerne kan, så at sige, få tiden til at stoppe. Ultimativt, tid og rum, det er "rum-tid", opfører sig absolut ækvivalent i disse eksperimenter - en indikation af den i sig selv relativistiske karakter af elektromagnetisk stråling.

Da den nye måleteknik hverken behøver at absorbere de fotoner, der skal måles, eller forstærke dem, det er muligt direkte at registrere vakuumets elektromagnetiske baggrundsstøj og dermed også de kontrollerede afvigelser fra denne jordtilstand, skabt af forskerne. "Vi kan analysere kvantetilstande uden at ændre dem i den første tilnærmelse", siger Alfred Leitenstorfer. Konstanz -teknologiens høje stabilitet er en vigtig faktor for kvantemålingerne, da baggrundsstøjen fra deres ultrakorte laserpulser er ekstremt lav.

Ved at manipulere vakuumet med stærkt fokuserede femtosekundpulser, forskerne kommer med en ny strategi for at generere "presset lys", en meget ikke -klassisk tilstand af et strålingsfelt. Lysets hastighed i et bestemt segment af rumtid ændres bevidst med en intens puls af femtosekundlaseren. Denne lokale modulering af formeringshastigheden "klemmer" vakuumfeltet, hvilket svarer til en omfordeling af vakuumudsving. Alfred Leitenstorfer sammenligner denne kvantefysiks mekanisme grafisk med en trafikprop på motorvejen:fra et bestemt tidspunkt af, nogle biler går langsommere. Som resultat, trafikpropper sætter ind bag disse biler, mens trafiktætheden vil falde foran dette punkt. Det betyder:når udsving amplituder falder på ét sted, de øges i en anden.

Mens fluktuationsamplituderne positivt afviger fra vakuumstøjen ved midlertidigt stigende lyshastighed, en afmatning resulterer i et forbløffende fænomen:niveauet af målt støj er lavere end i vakuumtilstand - det vil sige grundtilstanden i det tomme rum.

Den enkle illustration med trafikken på en motorvej, imidlertid, når hurtigt sine grænser:i modsætning til dette "klassiske fysik" -billede, hvor antallet af biler forbliver konstant, støjamplituderne ændrer sig helt anderledes med stigende acceleration og deceleration af rumtid. I tilfælde af en moderat "klemning", støjmønsteret fordeles ret symmetrisk omkring vakuumniveauet. Med stigende intensitet, imidlertid, faldet mætter uundgåeligt mod nul. Den overskydende støj, der akkumuleres et par femtosekunder senere, i modsætning, stiger ikke -lineært - en direkte konsekvens af Usikkerhedsprincippets karakter som et algebraisk produkt. Dette fænomen kan sidestilles med genereringen af ​​en meget ikke-klassisk tilstand af lysfeltet, hvori, for eksempel, altid dukker to fotoner op samtidigt i samme rumfang og tid.

Eksperimentet udført i Konstanz rejser adskillige nye spørgsmål og lover spændende undersøgelser på vej. Næste, fysikerne sigter mod at forstå de grundlæggende grænser for deres følsomme detektionsmetode, der efterlader kvantetilstanden tilsyneladende intakt. I princippet, hver eksperimentel analyse af et kvantesystem ville i sidste ende forstyrre dens tilstand. I øjeblikket, stadig et stort antal individuelle målinger skal udføres for at opnå et resultat:20 millioner gentagelser i sekundet. Fysikerne kan endnu ikke med sikkerhed sige, om det er en såkaldt "svag måling" i konventionelle termer af kvanteteori.

Den nye eksperimentelle tilgang til kvanteelektrodynamik er kun den tredje metode til undersøgelse af lysets kvantetilstand. Nu opstår der grundlæggende spørgsmål:Hvad er egentlig lysets kvantekarakter? Hvad er egentlig en foton? Med hensyn til det sidste spørgsmål, så meget er klart for Konstanz-fysikerne:i stedet for en kvantiseret energipakke er det snarere et mål for de lokale kvantestatistikker for elektromagnetiske felter i rumtid.