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真空不是空的充滿量子能量和粒子(圖)

發表：2021-07-19 06:06

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根據量子力學，真空一點都不空。（示意圖/圖片來源：Adobe stock）

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）。

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，以及我們對它的瞭解，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）的測不准原理（uncertainty principle），指出有關對於量子粒子的瞭解是有一個極限。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。

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，借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，但是借由「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，這個團隊不是借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瞭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，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。」

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。

責任編輯:陳剛

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