Учёные утверждают, что впервые измерили квантовые флуктуации напрямую

Группа учёных из Университета Констанцы в Германии утверждает, что им впервые удалось напрямую измерить квантовые флуктуации вакуума, существующие даже в отсутствии каких-либо полей или частиц. Измерение было проведено электрооптическим методом, применяемым для определения профиля импульсов инфракрасного и терагерцового диапазонов. Результаты измерений опубликованы в журнале Science.

Существование квантовых флуктуаций вакуума является одним из главных следствий квантовой природы окружающего нас мира. Их существование 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 вакууме, где оба поля должны быть равны нулю, хотя бы одно из них всегда отлично нуля. С точки зрения измерительной техники это приводит к существованию шумов, представляющих собой случайным образом флуктуирующие электрическое и магнитное поля.

Величина квантовых флуктуаций электромагнитного поля, однако, очень мала и зависит от наблюдаемой частоты и размеров измерительных приборов. 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. Измеренная величина расщепления, получившего название лэмбовского сдвига, с огромной точностью совпало 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 предприняли попытку измерить электрическое поле квантовых флуктуаций напрямую. Осуществить задуманное удалось хорошо известным методом изучения электромагнитных волн инфракрасного и терагерцового диапазона. Метод основан на применении электрооптического кристалла и сверхкоротких импульсов оптического диапазона. Его главным преимуществом является то, что он позволяет определять распределение не только интенсивности, но и полного электрического поля.

Метод основан на пропускании через электрооптический кристалл наложенных друг на друга исследуемого длинноволнового и оптического импульсов (см. рис. 1). При этом импульсы на входе имеют взаимноперпендикулярные 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. Величина эллиптичности вышедшего из кристалла оптического импульса пропорциональна величине электрического поля исследуемого импульса в той точке, где располагался оптический импульс.

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 взаимноперпендикулярными поляризациями. Эти два луча попадают на два фотодиода, между которыми измеряется разность генерируемого фототока. По этой разности и восстанавливается эллиптичность прошедшего оптического импульса.

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.
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.

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 отсутствии 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 случайми 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 совное 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 (см. 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. 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.
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.

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 заключении отметим, что несмотря на то, что 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 университета Констанцы зарегистрировали квантовые флуктуации или измеренный ими сигнал имеет более прозаичное происхождение.


Это авторская версия статьи, опубликованной на сайте «Элементы».

comments powered by Disqus