真空一点都不空 充满量子能量和粒子(图)


真空一点都不空,它实际上是充满了量子能量和粒子(图片来源:Adobe Stock) 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,
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