Флуктуации вакуума впервые измерили напрямую

Группа учёных из Университета Констанцы в Германии утверждает, что им впервые удалось напрямую задетектировать квантовые флуктуации вакуума. Работа опубликована в журнале

, кратко о ней сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию N+1.

Свои измерения учёные проводили в терагерцовом диапазоне электромагнитных волн, лежащем между инфракрасным излучением и микроволнами. Для этого использовался один из стандартных электрооптических методов с применением сверхкоротких оптических импульсов. Этот метод позволил впервые получить от квантовых флуктуаций сигнал напрямую,без усиления.

Квантовые флуктуации вакуума представляют собой одно из фундаментальных свойств нашего мира и являются следствием принципа неопределённости Гейзенберга. Согласно этому принципу, электрическое и магнитное поля не могут быть одновременно точно равны нулю даже в абсолютной пустоте в отсутствии каких-либо волн. Это приводит к тому, что в вакууме существуют так называемые виртуальные фотоны, которые проявляют себя как электромагнитный шум.

О существовании квантовых флуктуаций было известно давно, и ещё в 1947 году они были экспериментально измерены Уиллисом Лэмбом и Эрнестом Резерфордом по их влиянию на спектр излучения атома водорода. Однако и этот, и последующие эксперименты регистрировали виртуальные фотоны косвенными методами - через их опосредованное влияние на другие физические объекты.

В настоящей работе была предпринята попытка измерить электромагнитный шум, вызванный квантовыми флуктуациями, напрямую. Для этого экспериментаторы применили один из популярных методов измерения электромагнитных полей терагерцового диапазона.

Метод основан на пропускании через специальный кристалл, называемый электрооптическим, относительно длинного терагерцового импульса и сверхкороткого оптического импульса (см. рис.). Если длительность оптического импульса значительно меньше периода терагерцовой волны, то величина терагерцового электрического поля на его длине остаётся практически постоянной.

Электрооптический кристалл является двулучепреломляющей средой для оптического импульса. Это означает, что при его прохождении оптический импульс меняет свою поляризацию. Принцип измерения основан на том факте, что электрическое поле терагерцового импульса изменяет свойства кристалла, увеличивая изменение поляризации у оптического импульса. Причём, чем больше электрическое поле, тем больше изменение поляризации. Таким образом, измерив поляризацию оптического импульса на выходе из системы, можно определить величину электрического поля терагерцового импульса в той точке, в которой располагался относительно него оптический импульс.

Квантовые флуктуации, однако, не образуют никакого определённого импульса и всегда случайны. Более того, они не являются единственным источником шума. В частности, существенно больший вклад вносит дробовой эффект, связанный с тем, что оптический импульс состоит из отдельных частиц - фотонов, число которых попадающих в детектор также немного флуктуирует. Чтобы решить эту проблему, экспериментаторы проводили измерения сначала со сверхкоротким импульсом, а затем изменяли его или значительно удлиняя, или делая более широким. В обоих случаях в объёме, который занимал изменённый импульс укладывалось большое количество квантовых флуктуаций терагерцового диапазона (см. рис.), так что при их сложении они в среднем всегда давали нуль, то есть шум от виртуальных фотонов пропадал, а дробовой шум оставался. Проводя большое количество измерений и сравнивая их усреднённые результаты, учёные надеялись увидеть разницу между случаями изначального и изменённого импульсов, которая и была бы свидетельством наличия квантовых флуктуаций.

В результате экспериментов эта разница, действительно, была измерена и составила около 4 %. Эта цифра с неплохой точностью совпала с теоретическими оценками учёных, согласно которым разница должна была составить 4,7 %.

Ключевым фактором, позволившим получить этот результат, стало использование предельно короткого оптического импульса. Его длительность составила всего 5,8 фемтосекунд (фемто- означает 10

). Это означает, что такой импульс содержит всего лишь около 1,5 оптических длин волн. Если бы импульс был длиннее, сигнал от квантовых флуктуаций был бы слабее, и их детектирование было бы невозможно.

Следует, однако, отметить, что опубликованная работа была принята другими учёными неоднозначно. В частности, по мнению Стива Ламоро (Steve Lamoreaux) из Йельского университета, измеренные флуктуации могли быть вызваны и самим электрооптическим кристаллом, в котором проводились измерения. Ламоро известен тем, что первым с достаточно высокой точностью измерил одно из самых необычных проявлений квантовых флуктуаций - открытый Хендриком Казимиром эффект притяжения двух параллельно расположенных металлических пластинок в вакууме.