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物理学家是如何测量虚空的?_大学那些事儿

作者: 杨超月 发布时间: 2019年10月09日 21:44:53

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对于一些渴望窥探宇宙秘密的物理学家来说,测量构成虚空的微小波光谱是他们几十年来努力奋斗的目标。尽管完成这项工作十分困难,苏黎世联邦理工学院的物理学家还是取得了令人惊叹的成果。他们巧妙地利用激光脉冲诠释了真空的量子本质,在人类探测虚空的道路上树立了一个里程碑。

我们的宇宙本质上是坎坷不平的,它就像一张等待绘制的新画布,具有一种能够露出现实的纹理。对此,我们无法接触,只能探测。我们所认为的没有物质和辐射的绝对虚空,其实是一个充斥着无限可能性的领域,也是粒子的发源地。换句话说,虚空并非真的空无一物,而是充斥着可能性。每个基本粒子都有一个分配的场,等待足够的能量来决定其用于实现存在的关键属性。

在这里,小编必须要说一下海森堡的“不确定性原理”,因为它揭示了粒子的奇怪本性——随着一些可能性的增加,另一些则必须收缩,例如:当测量出一个粒子的精确位置时,它的动量就是无法确定的。在海森堡之后,厄尔·肯纳德和赫尔曼·威尔也证明了粒子的这种与生俱来的本性。这种不确定性,不仅适用于粒子,也同样适用于它们将被填充的空属性。宇宙画布之所以看上去没有纹理,是因为在较长的时间粒度内,一个空间中的平均能量为零,而一旦我们专注于某一细微的时刻,就可能找到一些能量的痕迹~它们如同一潭死水中偶尔泛起的涟漪,微小而随机地出现,而我们却无法精确地测量。

苏黎世联邦理工学院量子电子研究所的物理学家解释说,电磁场的真空涨落存在可见的后果,例如原子自发光现象,然而,传统的光探测器是基于对光电子的吸收原理的,而我们无法从处于最低能量状态的真空中获取能量。因此,研究人员放弃使用探测器去直接测量虚空的能量,而是设计了一种新的方法来寻找光子极化过程中发生的小概率能量转移特征。他们发射了两个长度仅为万亿分之一秒的激光脉冲,令二者在不同的时间和位置穿过一个超低温晶体,以此弄清晶体原子的间隙是如何影响光的。由于测得的信号非常小,研究人员需要做多达一万亿次的比较方能确认测量结果的有效性。幸运的是,最终的测量结果已能让他们确定出基态电磁场的精细光谱。

无独有偶,另一组物理学家正在尝试限制虚空在室温下的噪音,以改善引力波探测器LIGO的功能。那么,虚空的噪音又是什么呢?那是整个宇宙随着量子涨落而发出的“声音”。当这种背景噪音与用来测量时空微小扭曲的科学仪器发生相互作用时,我们就能够测量它了。

当宇宙粒子与LIGO这样的探测器相互作用时,会产生所谓的“量子辐射压力”,如果可以测量出虚空的声音,我们就能确定LIGO观测结果中的量子辐射压力,从而把背景噪音从测量结果中去掉,这样,我们将能够更加准确地搜寻黑洞了。

通常,需要在超低温的环境下才能检测出量子辐射压力,但现在,路易斯安那州立大学的研究人员在室温下检测到了这种量子压力。该项研究成果对于LIGO之类的科学设备具有重大意义,这意味着:当用LIGO监听黑洞产生的信号时,我们能够更好地消除其中的宇宙的背景噪音,这将有利于获得更精确的结果。在多年努力之下,人类现在终于有能力去窥探那神秘的虚空了,这对于科学乃至人类的发展都具有非凡的意义,小编在此为那些孜孜不倦的科学家们喝彩!目前,这两项研究成果均已发布在近期的《自然》杂志上。

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