根据量子力学,真空一点都不空,它实际上是充满了量子能量和粒子,在一转眼间闪烁地出现和消失。这些奇怪的讯号,被称为量子波动(quantum fluctuation)。在量子真空中(quantum vacuum),没有人能够听见你在尖叫。

 

几十年来,只有这些波动的间接证据。2015年,研究人员声称直接侦测到这些理论波动。现在,同一个团队表示,他们已经进一步掌控到真空本身,并且在虚空中侦测到这些奇怪讯号的变化。

 

我们正在这里进入高等物理学领域。但是这个实验真正重要的是,如果这些结果被证实,那么研究人员可能刚刚解开了一种方法,来观察、探测和测试量子领域,而不会有所干扰。

 

这是很重要的,因为量子力学最大的问题之一,以及我们对它的了解,是每一次在测量和观察一个量子系统时,它就会被摧毁。在我们想要解开什么是真正的量子世界时,这不是一个好兆头。

 

首先,让我们以传统的方式来思考真空。由于空间完全没有物质,带着尽可能最低的能量,没有粒子,以及没有任何事物来干扰纯物理学。

 

但是一项量子力学最基本原理的副产品,海森堡(Heisenberg)的测不准原理(uncertainty principle),指出有关对于量子粒子的了解是有一个极限。因此,真空不再是空的,它实际上以自己奇怪的能量在嗡嗡地叫,并且充满着粒子与反粒子对,随机地出现和消失。

 

这些量子波动更像是“虚拟”粒子,而不是实质物质。所以,通常你是无法侦测到它们。但是,尽管它们是看不见的,如同在量子世界中的大多数事物,它们巧妙地影响真实世界。

 

这些量子波动会随机产生可以影响电子的波动电场,回到1940年代,这是科学家第一次间接展示它们的存在。

 

然后,在2015年,来自德国康斯坦茨大学(University of Konstanz)的艾佛烈・莱滕施托费尔(Alfred Leitenstorfer)所领导的团队声称,借由观察对光波的影响,他们直接侦测到这些波动。这些结果发表在科学(Science)期刊。

 

为了做到这点,他们发射一个只维持几飞秒(飞秒是百万分之十亿分之秒)的超短雷射脉冲进入真空,然后能够看到光极化的巧妙变化。他们表示这些变化是由量子波动直接造成的。

 

这是一个持续在争论的声称,但是借由“挤压”真空,研究人员现在把他们的实验带到一个新的阶段,并且表示能够观察到在量子波动中奇怪变化的结果。

 

这不仅仅是这些量子波动存在的进一步证据,还表明他们已经提出一种方法来观察在量子世界中的实验,但不会弄乱结果;通常这样做是会破坏量子态。

 

莱滕施托费尔说:“我们能够在第一次概算中,分析量子态而不会有所改变。”

 

通常在你寻找量子波动对单独一个光粒子的影响时,你必须侦测那个光粒子,或是把它放大,以便于看到影响。然而这样做会移除留在那个光子上的“量子标记(quantum signature)”,类似于这个团队在2015年所做的实验。

 

这次,这个团队不是借由吸收和放大光的光子,而是改为研究在时域上的光,来详细察看在量子波动中的变化。

 

这听起来很怪异,但在真空、空间和时间,都是以相同的方式表现。因此,利用检查一个光子来更加了解其他光子是有可能的。

 

这样做时,这个团队发现当他们在“挤压”真空时,有点像是在挤压气球,而且会在真空中重新分配这些奇怪的量子波动。

 

在某些点,波动的声音变得比未压缩真空的背景“噪音”还大声,而在某些部分,它们反而更安静。

 

莱滕施托费尔把这点和交通堵塞做比较,当在后面的汽车变多时,在那一点前面的汽车密度会再度减少。

 

在一定程度上,同样的情况在真空中发生。当真空在一个地方被挤压时,量子波动的分布会改变,结果是它们可以加速或减速。

 

这种影响可以在时域上测量,挤压的结果,波动中有一些光点。

 

但也发生一些怪异的事情,在某些地方的波动看起来好像降到低于背景的噪音程度,低于空白空间的基态(ground state of empty space),科学家把它称作一个“令人惊讶的现象(astonishing phenomenon)”。

 

一份新闻稿解释:“由于新的测量技术既不用吸收待测的光子,也不用放大它们,所以直接侦测真空的电磁背景噪音是有可能的;因此,也可以直接侦测由研究人员从这个基态产生的受控制偏离。”

 

这个团队现在正在测试他们的技术究竟有多精确,以及他们可以从这当中学到多少。

 

即使这些结果到目前为止是令人印象深刻的,仍然有可能这个团队可能只是做到所谓的弱测量(weak measurement),一种不干扰量子态的测量,但实际上没有告诉研究人员非常多有关量子系统。

 

如果能够使用这项技术学到更多,他们想要继续使用它来探测“光的量子态”。这是光在量子能级(quantum level)看不见的行为,而我们只是刚刚开始要理解。

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 (图片来源:Adobe Stock

 

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