Впервые напрямую измерены квантовые флуктуации электромагнитного поля в вакууме

Рис. 1. Схема электрооптического измерения терагерцового поля

Рис. 1. Схема электрооптического измерения терагерцового поля. Слева красным показан терагерцовый импульс, зелёным — сверхкороткий оптический импульс. Жёлтая пластинка EOX — электрооптический кристалл, в котором происходит взаимодействие импульсов. Остальная часть схемы предназначена для измерения изменившейся поляризации оптического импульса. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Группа учёных из Констанцского университета (Германия) утверждает, что им впервые удалось напрямую измерить квантовые флуктуации вакуума, существующие даже в отсутствие каких-либо полей или частиц. Измерение было проведено электрооптическим методом, применяемым для измерения электрических полей инфракрасного и терагерцового диапазонов. Результаты измерений опубликованы в журнале Science.

Существование квантовых флуктуаций вакуума — одно из главных следствий квантовой природы окружающего нас мира. Оно может быть объяснено на основе принципа неопределённости Гейзенберга. Обычно этот принцип формулируется для положения частицы в пространстве и её скорости (импульса). Принцип гласит, что существует фундаментальное ограничение на возможность одновременного абсолютно точного определения этих характеристик частицы. Чем точнее мы хотим измерить её положение, тем меньше точность нашего знания о её скорости, и наоборот.

Принцип Гейзенберга, однако, применим и для других объектов, в частности, для электромагнитных волн. Согласно одному из следствий этого принципа, не могут быть абсолютно точно одновременно измерены в данной точке пространства электрическое и магнитное поля. Это означает, что даже в абсолютной пустоте, то есть в вакууме, где оба поля должны быть равны нулю, хотя бы одно из них всегда отлично от нуля. С точки зрения измерительной техники, это приводит к существованию шумов, представляющих собой случайным образом флуктуирующие электрическое и магнитное поля.

Теоретические оценки показывают, что величина квантовых флуктуаций электромагнитного поля очень мала и зависит от размеров измерительных приборов и от диапазона частот, в котором ведётся наблюдение. Это, однако, не помешало измерить их косвенными методами. Первыми это сделали в 1947 году Уиллис Лэмб и Роберт Резерфорд (см.: W. E. Lamb Jr., R. C. Retherford, 1947. Fine structure of the Hydrogen atom by a microwave method, правильное теоретическое обоснование чуть позже в том же году дал Ханс Бете, см.: H. A. Bethe, 1947. The Electromagnetic Shift of Energy Levels). Они изучали спектр излучения атома водорода и обнаружили небольшое расщепление двух энергетических уровней, которые должны были бы по стандартной теории иметь одну и ту же энергию. Это расщепление получило название лэмбовский сдвиг. Измеренная величина лэмбовского сдвига с огромной точностью совпала с величиной, предсказанной теоретически, исходя из существования квантовых флуктуаций.

Однако и в эксперименте Лэмба и Резерфорда, и в более поздних экспериментах, например по наблюдению так называемого эффекта Казимира (заключающегося в том, что две параллельно расположенные в абсолютном вакууме проводящие плоскости должны притягиваться друг к другу из-за резонансного взаимодействия с квантовыми флуктуациями), флуктуации измерялись опосредованно — через их влияние на другие объекты.

В свежей работе экспериментаторы из Констанцского университета (Германия) предприняли попытку измерить электрическое поле квантовых флуктуаций напрямую. Осуществить задуманное удалось методом электрооптического стробирования, применяемым для изучения электромагнитных волн инфракрасного и терагерцового диапазона, основанном на применении электрооптического кристалла и сверхкоротких импульсов оптического диапазона.

Метод состоит в пропускании через электрооптический кристалл двух наложенных друг на друга исследуемых импульсов — длинноволнового и оптического (рис. 1). При этом импульсы на входе имеют взаимно перпендикулярные поляризации, и длительность оптического импульса должна быть значительно меньше периода длинноволнового излучения. В этом случае на длине оптического импульса электрическое поле изучаемого импульса остаётся практически постоянным.

В электрооптическом кристалле при наличии внешнего электрического поля происходит анизотропное изменение показателя преломления. То есть кристалл становится двулучепреломляющим для оптического излучения, поэтому его поляризация в кристалле начинает изменяться, превращаясь из линейной в эллиптическую. При этом чем сильнее электрическое поле исследуемого импульса в той точке, где располагался оптический импульс, тем больше и величина эллиптичности вышедшего из кристалла оптического импульса. Поэтому, определяя эллиптичность, можно измерить величину электрического поля.

Измерение эллиптичности проводится стандартным оптическим методом: излучение пропускается сначала через четвертьволновую пластинку, которая меняет его поляризацию на практически круговую, а затем через двулучепреломляющий кристалл, в котором происходит пространственное разделение импульса на два со взаимно перпендикулярными поляризациями. Эти два луча попадают на два фотодиода, между которыми измеряется разность генерируемого фототока. По этой разности и восстанавливается эллиптичность прошедшего оптического импульса.

Подчеркнём, что успешность измерения электрических полей этим методом напрямую зависит от того, насколько короток оптический импульс. В работе использовался импульс инфракрасного света длительностью всего 5,8 фемтосекунд (1 фемтосекунда = 10−15 секунды), это составило всего 1,5 периода световой волны. Этим импульсом измерялись поля с периодом от 8 до 25 фемтосекунд (длиной волны от 2,5 до 7,5 микрон).

Идея работы заключается в том, что даже в отсутствие длинноволнового излучения квантовые флуктуации электрического поля будут приводить к изменению поляризации оптического импульса, которое можно измерить и тем самым определить величину флуктуирующего электрического поля. Квантовые флуктуации, однако, носят случайный характер и проявляют себя в виде шумов. Это означает, что если повторять эксперимент много раз, то измеренное поле будет случайным образом меняться. В среднем оно будет равно нулю, но можно измерить его среднеквадратичное отклонение от нуля.

Проблема заключается в том, что квантовые флуктуации являются не единственным источником шума. Более того, есть более сильные его источники. В частности, в обсуждаемой работе намного больший вклад в шум давал так называемый дробовой шум: из-за квантовой природы света количество регистрируемых фотонов оптического импульса случайным образом меняется от выстрела к выстрелу. Оценки показывают, что в условиях обсуждаемого эксперимента дробовой шум приводил в среднем к отклонениям измеренного поля на величину около 65 В/см, в то время как квантовые флуктуации ожидалась в среднем на уровне 20 В/см.

Чтобы побороть эту проблему, в эксперименте сравнивались между собой случаи, когда присутствует только дробовой шум, и когда присутствует также и шум от квантовых флуктуаций. При этом сравнивалось среднеквадратичное отклонение измеренного поля от нулевого значения. По оценкам, разница между двумя случаями должна была составить величину всего лишь около 4,7%.

Чтобы реализовать случай, когда шум от квантовых флуктуаций отсутствует, экспериментаторы использовали увеличение размера оптического импульса на основе двух различных техник. В первой из них они удлиняли оптический импульс почти в 20 раз, до 100 фемтосекунд, а во втором — смещали электрооптический кристалл из точки фокуса так, что в месте расположения кристалла значительно возрастала ширина импульса (рис. 2). В результате в обоих подходах импульс становился значительно больше размера измеряемых флуктуаций, и суммарный вклад от них равнялся практически нулю (конечно, в вакууме присутствуют флуктуации любого размера, но можно показать, что чем больше их размер, тем меньший вклад они дадут в измеряемый сигнал).

Рис. 2. Иллюстрация принципа усреднения сигнала от квантовых флуктуаций при уширении пучка

Рис. 2. Иллюстрация принципа усреднения сигнала от квантовых флуктуаций при уширении пучка. Если кристалл находится в фокусе импульса, то ширина пучка мала и в него попадает приблизительно одна флуктуация. Если же кристалл отдаляется от фокуса, то ширина пучка увеличивается, и в него попадает много флуктуаций, которые друг друга компенсируют, давая в сумме практически нуль. Изображение из обсуждаемой статьи в Science

Оба метода показали, что среднеквадратичное отклонение измеренного поля от нулевого значения, действительно, уменьшается, если шум от квантовых флуктуаций удаляется, и измеренное уменьшение в обоих подходах составило величину около 4%, что достаточно хорошо совпадает с теоретическими оценками.

В заключение отметим, что, хотя результат измерений совпал для двух подходов, использованный метод не лишён недостатков, которые могут поставить корректность эксперимента под вопрос. В частности, не принимавший участия в эксперименте физик Стив Ламоро (Steve Lamoreaux) из Йельского университета отметил, что измеренные флуктуации могли быть вызваны тепловыми шумами в самом электрооптическом кристалле, в котором проводились измерения. Ламоро известен тем, что в 1997 году одним из первых с достаточно высокой точностью измерил упоминавшийся выше эффект Казимира.

Как бы то ни было, опубликованная работа должна дать толчок к новым экспериментальным попыткам измерить квантовые флуктуации напрямую. Проведённые с большей аккуратностью, они покажут, действительно ли учёные из Констанцского университета зарегистрировали квантовые флуктуации или измеренный ими сигнал имеет более прозаичное происхождение.

Источник: C. Riek et al. Direct sampling of electric-field vacuum fluctuations // Science. 2015. Published Online 1 October. DOI: 10.1126/science.aac9788.

Артем Коржиманов


11
Показать комментарии (11)
Свернуть комментарии (11)

  • busmaster  | 16.10.2015 | 08:36 Ответить
    ...
    >>В работе использовался импульс инфракрасного света длительностью всего 5,8 фемтосекунд (1 фемтосекунда = 10−15 секунды), это составило всего 1,5 периода световой волны.

    а как может быть дробный период световой волны - не может же лететь половина фотона?
    Ответить
    • napa3um > busmaster | 16.10.2015 | 13:56 Ответить
      Насколько я понимаю, у квантовой частицы волна задаёт распределение плотности вероятности обнаружения этой частицы в той или иной точке пространства (волны де Бройля). Т.е., волна не заранее "нарезается" законами природы на частицы, а лишь в момент взаимодействия этой волны с другой волной. Во время интерпретации эффектов взаимодействия этих волн, грубо говоря, и рождается "корпускулярная" терминология в стиле "две частицы столкнулись".

      Допустим, в многоэтажном доме в каждой квартире проживает, в среднем, 1.5 человека. Но посетив любую квартиру мы обнаружим в ней, всё-таки, целое число людей. Правда, если бы дом с людьми был квантовым объектом, то в его квартирах не существовало бы людей "заранее", они возникали бы там лишь при открытии двери с вероятностью, вытекающей из "длины волны" дома, равной в данном примере 1.5. И обнаруженные люди были бы неотличимы ни друг от друга, ни от исследователя, открывающего двери в поисках людей. И, в рамках данной метафоры, параметры квантовых объектов могли бы быть такими, что исследователь бы никогда не смог открыть дверь, за которой не было человека, такое событие было бы просто невозможно зарегистрировать физически (т.к. и сам исследователь в виде корпускулярного объекта мог бы появиться только в интерпретации эффектов взаимодействия волны плотности вероятности открытия конкретной двери исследователем и волны плотности вероятности обнаружения квартиранта за этой дверью).

      (Поправьте, если моя дилетантская интерпретация некорректна.)
      Ответить
      • VladNSK > napa3um | 16.10.2015 | 14:36 Ответить
        Прекрасная аналогия. Мне понравилась. Но я не физик, так что за точность ручаться никак не могу.
        Ответить
    • Olle > busmaster | 16.10.2015 | 15:19 Ответить
      Важно понимать разницу между длиной волны светового пучка и его интенсивностью (амплитудой). Грубо говоря, для монохроматического пучка среднее количество фотонов пропорционально амплитуде, поэтому импульс длительностью в 1.5 периода волны может нести сколько угодно фотонов, в зависимости от амплитуды.

      Более строго, световой пучок характеризуется световым потоком (можно определить как количестве фотонов в секунду в случае монохроматического импульса). Для короткого монохроматического импульса количество фотонов будет тогда равно суммарному световому потоку за время существенно большее длительности импульса (интеграл от светового потока по времени). Это определение даст целое число фотонов в любом режиме, включая квантовый, когда количество фотонов в импульсе мало (вплоть до одного).
      Ответить
      • Gli4i > Olle | 16.10.2015 | 18:16 Ответить
        Для завершения картины стоит ещё отметить, что число фотонов и фаза пучка также связаны соотношением неопределённостей. Чем больше фотонов, тем точнее определима фаза.
        Ответить
    • Kyu > busmaster | 22.10.2015 | 13:55 Ответить
      Длина импульса - величина абстрактная, поскольку обычно в качестве таковой берется "ширина импульса на половине амплитуды". К фотонам это не имеет никакого отношения.
      Ответить
  • Skeptiс  | 16.10.2015 | 21:34 Ответить
    обсуждать тут нечего. всё сказал "не принимавший участия в эксперименте физик Стив Ламоро".
    в корзину.
    Ответить
  • dims  | 18.10.2015 | 23:39 Ответить
    Во время всего чтения была мысль, что шумит сам кристалл. Непонятно, как можно проигнорировать такую возможность?
    Ответить
    • tetrapack > dims | 22.10.2015 | 06:01 Ответить
      Кристалл, должно быть, шумит в совсем другом диапазоне. На два порядка меньше по частоте, 10^13 Гц. Если вы под шумом подразумеваете фононы.
      Ответить
  • PavelS  | 22.10.2015 | 08:24 Ответить
    Скажу честно, по сути статьи ничего не понял, и объяснять пожалуй не стоит. Но вопрос такой. Являются ли эти флуктуации частью "стандартной модели", а если да - то разве "стандартная модель" не отлажена по 100 раз на коллайдерах? В чем новизна?
    Ответить
    • Kyu > PavelS | 22.10.2015 | 13:56 Ответить
      Макроскопический масштаб.
      Ответить
Написать комментарий

Другие новости


Элементы

© 2005-2017 «Элементы»