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真空不是空的充满量子能量和粒子(图)

发表：2021-07-19 06:06

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根据量子力学，真空一点都不空。（示意图/图片来源：Adobe stock）

在量子真空中（quantum vacuum），没有人能够听见你在尖叫。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）。

几十年来，只有这些波动的间接证据。但回到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。”

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。

责任编辑:陈刚

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