Получив эти результаты, исследователи из области сверхбыстрых явлений и фотоники опираются на свои более ранние открытия, опубликованные в октябре 2015 года в научном журнале Science, где они продемонстрировали прямое обнаружение сигналов из чистого небытия. Этот важный научный прогресс может позволить решить проблемы, с которыми физики бились долгое время, начиная от более глубокого понимания квантовой природы излучения и заканчивая исследованиями привлекательных свойств материалов, таких как высокотемпературная сверхпроводимость.
Новые результаты опубликованы 19 января 2017 года в текущем онлайн-выпуске научного журнала Nature.Это фундаментальное открытие стало возможным благодаря ведущей в мире методике оптических измерений, разработанной командой Альфреда Лейтенсторфера. Специальная лазерная система генерирует ультракороткие световые импульсы продолжительностью всего несколько фемтосекунд и, таким образом, короче половины цикла света в исследуемом спектральном диапазоне.
Одна фемтосекунда соответствует миллионной миллиардной доли секунды. Чрезвычайная чувствительность метода позволяет обнаруживать электромагнитные колебания даже при отсутствии интенсивности, то есть в полной темноте.
Теоретически существование этих «вакуумных флуктуаций» следует из принципа неопределенности Гейзенберга. Альфреду Лейтенсторферу и его команде удалось впервые непосредственно наблюдать эти флуктуации в среднем инфракрасном диапазоне частот, где ранее не работали даже традиционные подходы к квантовой физике.Концептуальная новизна экспериментов заключается в том, что вместо методов частотной области, используемых до сих пор, физики из Констанца получили доступ к квантовой статистике света непосредственно во временной области. В выбранный момент времени амплитуды электрического поля измеряются напрямую вместо анализа света в узкой полосе частот.
Изучение различных моментов времени приводит к появлению характерных шумовых паттернов, которые позволяют делать подробные выводы о временном квантовом состоянии света. Поскольку лазерный импульс распространяется вместе с исследуемым квантовым полем, физики Констанца могут, так сказать, остановить время.
В конечном счете, пространство и время, то есть «пространство-время», ведут себя в этих экспериментах абсолютно одинаково, что указывает на релятивистскую по своей сути природу электромагнитного излучения.Поскольку новый метод измерения не должен ни поглощать измеряемые фотоны, ни усиливать их, можно напрямую обнаруживать электромагнитный фоновый шум вакуума и, следовательно, также контролируемые отклонения от этого основного состояния, созданные исследователями. «Мы можем анализировать квантовые состояния, не изменяя их в первом приближении», — говорит Альфред Лейтенсторфер. Высокая стабильность технологии Констанца является важным фактором для квантовых измерений, поскольку фоновый шум их ультракоротких лазерных импульсов чрезвычайно низок.Управляя вакуумом с помощью сильно сфокусированных фемтосекундных импульсов, исследователи придумали новую стратегию генерации «сжатого света» — в высшей степени неклассического состояния поля излучения.
Скорость света в определенном отрезке пространства-времени намеренно изменяется с помощью интенсивного импульса фемтосекундного лазера. Эта локальная модуляция скорости распространения «сжимает» вакуумное поле, что равносильно перераспределению вакуумных флуктуаций. Альфред Лейтенсторфер графически сравнивает этот механизм квантовой физики с пробкой на автомагистрали: с определенного момента некоторые машины едут медленнее.
В результате за этими машинами образуется затор, а перед этой точкой плотность движения будет снижаться. Это означает: когда амплитуды колебаний в одном месте уменьшаются, в другом они увеличиваются.
В то время как амплитуды флуктуаций положительно отклоняются от шума вакуума при увеличении скорости света во времени, замедление приводит к удивительному явлению: уровень измеряемого шума ниже, чем в состоянии вакуума, то есть в основном состоянии пустого пространства.Однако простая иллюстрация с движением на автомагистрали быстро достигает своих пределов: в отличие от этой картины "классической физики", где количество автомобилей остается постоянным, амплитуды шума изменяются совершенно по-другому с увеличением ускорения и замедления пространства-времени. . В случае умеренного «сжатия» картина шума распределяется вокруг уровня вакуума довольно симметрично. Однако с увеличением интенсивности спад неизбежно приближается к нулю. Избыточный шум, который накапливается через несколько фемтосекунд, напротив, увеличивается нелинейно — прямое следствие характера принципа неопределенности как алгебраического продукта.
Это явление можно приравнять к возникновению в высшей степени неклассического состояния светового поля, при котором, например, всегда одновременно возникают два фотона в одном и том же объеме пространства и времени.Эксперимент, проведенный в Констанце, поднимает множество новых вопросов и обещает впереди интересные исследования. Затем физики стремятся понять фундаментальные ограничения своего чувствительного метода обнаружения, который оставляет квантовое состояние, казалось бы, нетронутым. В принципе, любой экспериментальный анализ квантовой системы в конечном итоге нарушит ее состояние.
В настоящее время для получения результата необходимо выполнить большое количество индивидуальных измерений: 20 миллионов повторений в секунду. Физики пока не могут с уверенностью сказать, является ли это так называемым «слабым измерением» в традиционных терминах квантовой теории.Новый экспериментальный подход к квантовой электродинамике — лишь третий метод изучения квантового состояния света. Теперь возникают фундаментальные вопросы: каков именно квантовый характер света?
Что такое фотон на самом деле? Что касается последнего вопроса, то это многое ясно для физиков Констанца: вместо квантованного пакета энергии это скорее мера локальной квантовой статистики электромагнитных полей в пространстве-времени.