Сигналы из пустоты

Каковы свойства вакуума, абсолютной пустоты? До сих пор физики предполагали, что невозможно получить прямой доступ к характеристикам основного состояния пустого пространства. Теперь команде физиков под руководством профессора Альфреда Лайтенсторфера (Alfred Leitenstorfer) из Университета города Констанц (Германия) удалось сделать именно это.

Они продемонстрировали первое прямое наблюдение так называемых вакуумных флуктуаций, используя короткие световые импульсы совместно с высокоточными оптическими методами измерений. Продолжительность их световых импульсов была короче, чем половина периода света в исследуемом спектральном диапазоне. Согласно квантовой физике, эти флуктуации существуют даже в полной темноте, когда интенсивность света и радиоволн полностью исчезает.

Существование вакуумных флуктуаций уже известно из теории, как это следует из принципа неопределенности Гейзенберга, одного из основных в квантовой физике. Этот принцип гласит, что электрические и магнитные поля никогда не могут одновременно обращаться в нуль. Как следствие, даже полная темнота наполнена конечными флуктуациями электромагнитного поля, представляющих основное квантовое состояние света и радиоволн. Тем не менее, до сих пор прямое экспериментальное доказательство этого базового явления не считалось возможным. Вместо этого обычно предполагалось, что флуктуации вакуума проявляются в природе лишь косвенно. От спонтанного испускания света возбужденными атомами, например, в люминесцентной лампе до влияний на структуру Вселенной во время Большого взрыва – это лишь некоторые из примеров, которые выдвигают на первый план вездесущую роль, которую концепция вакуумных флуктуаций играет в современном физическом описания мира.

Экспериментальная установка для измерения электрических полей с чрезвычайно высоким временным разрешением и чувствительностью теперь сделала возможным непосредственное обнаружение флуктуаций вакуума, несмотря на все противоречащие предположения. Передовые оптические технологии и ультракороткие импульсные лазерные системы высокой стабильности обеспечили ноу-хау, необходимое для этого исследования. Исследовательская группа из Университета города Констанц разработала эти технологии самостоятельно, а также предоставила точное описание результатов на основе квантовой теории поля. Временная точность, достигнутая в их эксперименте, лежит в фемтосекундном диапазоне. Чувствительность ограничивается только принципами квантовой физики. «Эта предельная точность позволила нам увидеть впервые, что мы постоянно окружены полями электромагнитных флуктуаций вакуума» - подвел итоги Альфред Лайтенсторфер.

«Что является с научной точки зрения удивительным и особенно интригующим в наших измерениях, так это то, что мы получили прямой доступ к основному состоянию квантовой системы без его изменения, например, с помощью усиления конечной интенсивности», - объяснил Лайтенсторфер. Он сам был ошеломлен результатами исследования: «У нас было несколько лет иногда бессонных ночей, чтобы исключить все возможные потенциально мешающие сигналы, - пошутил физик. - В итоге мы обнаружили, что наш доступ к элементарным временным масштабам, меньшим периода колебаний световых волн, с помощью которых мы проводили исследования, является ключом к пониманию удивительных возможностей, которые открывает наш эксперимент».

Вакуумные колебания можно рассматривать как мерцания квантового светового поля даже в полной темноте. Положительные (красный) и отрицательные (синий) области случайным образом распределены в пространстве, и они постоянно меняются на высокой скорости, аналогично черно-белому шуму на экране телевизора без входа сигнала