Существование вакуумных флуктуаций уже известно из теории, поскольку это следует из принципа неопределенности Гейзенберга, одного из основных столпов квантовой физики. Этот принцип гласит, что электрическое и магнитное поля никогда не могут исчезнуть одновременно.
Как следствие, даже полная темнота наполнена конечными колебаниями электромагнитного поля, представляющими основное квантовое состояние света и радиоволн. Однако до сих пор прямое экспериментальное доказательство этого основного явления считалось невозможным. Вместо этого обычно предполагается, что флуктуации вакуума проявляются в природе лишь косвенно. От спонтанного излучения света возбужденными атомами, например в люминесцентной лампе, чтобы влиять на структуру Вселенной во время Большого взрыва: это лишь некоторые из примеров, которые подчеркивают повсеместную роль, которую концепция флуктуаций вакуума играет в современном физическом описании мира.
Экспериментальная установка для измерения электрических полей с чрезвычайно высоким временным разрешением и чувствительностью теперь позволяет напрямую обнаруживать флуктуации вакуума, несмотря на все противоположные предположения. Ведущие в мире оптические технологии и сверхстабильные лазерные системы с ультракороткими импульсами обеспечивают ноу-хау, необходимое для этого исследования. Группа исследователей из Университета Констанца разработала эти технологии собственными силами, а также точное описание результатов, основанное на квантовой теории поля.
Временная точность, достигнутая в их эксперименте, находится в фемтосекундном диапазоне — миллионная миллиардная секунды. Чувствительность ограничена только принципами квантовой физики. «Эта исключительная точность позволила нам впервые увидеть, что мы постоянно окружены полями электромагнитных колебаний вакуума», — резюмирует Альфред Лейтенсторфер.«Что удивительно с научной точки зрения и особенно интригует в наших измерениях, так это то, что мы получаем прямой доступ к основному состоянию квантовой системы, не изменяя его, например, путем усиления до конечной интенсивности», — объясняет Лайтенсторфер.
Он сам был ошеломлен результатами исследования: «У нас было несколько лет бессонных ночей — пришлось исключить все возможности потенциально мешающих сигналов», — улыбается физик. «В целом мы обнаружили, что наш доступ к элементарным временным шкалам, короче периода колебаний исследуемых нами световых волн, является ключом к пониманию удивительных возможностей, которые открывает наш эксперимент».Европейский исследовательский совет поддерживает этот проект, выдав ему «Продвинутый грант ERC».