量子力学によれば、何もない空間は何もありません。代わりに、存在したり消えたりする量子粒子で渦巻いています。現在、物理学者のチームは、それらの変動を乱したり増幅したりすることなく直接測定したと主張しています。しかし、新しい実験が正確に何を測定するのかは不明であると言う人もいます。これは、量子力学の有名な不確実性原理に由来する現象に適している可能性があります.
「真空変動の間接的な影響を観察した多くの実験があります」と、現在の研究には関与していないニューメキシコ州のロスアラモス国立研究所の理論家であるディエゴ・ダルビットは言います。 「この[新しい実験]が正しければ、[ゆらぎの]場そのものを初めて直接観測することになるでしょう。」
不確定性原理のおかげで、真空は粒子と反粒子のペアが出現したり消滅したりしてうなりを上げています。それらには、他の多くの中で、電子-陽電子対と光子対が含まれており、これらは独自の反粒子です。通常、これらの「仮想」粒子を直接キャプチャすることはできません。しかし、いくつかの不気味なギリシャの合唱のように、それらは「現実の」世界に微妙な影響を及ぼします.
たとえば、仮想光子が存在したり消えたりすると、ランダムに変動する電場が生成されます。 1947 年、物理学者は、電場が水素原子内の電子のエネルギー レベルをシフトし、その結果、原子が放出する放射線のスペクトルをシフトすることを発見しました。 1年後、オランダの理論家ヘンドリック・カシミールは、磁場が2つの近接した金属板に微妙な力を加え、それらを互いに圧迫すると予測した.これは、電場がプレートの表面で消滅しなければならないためです。そのため、電場の特定の波状の波紋のみがプレート間に収まります。対照的に、より多くの波紋が外側からプレートを押すことができ、正味の力を発揮します。カシミール効果は 1997 年に観測されました。
しかし今、クラウディウス・リーク、アルフレッド・ライテンシュトルファー、およびドイツのコンスタンツ大学の同僚は、光波への影響を図表化することにより、それらの電場変動を直接観察したと言います。この実験は、長い光パルスとはるかに短い光パルスを、結晶を通して同時に発射することによって研究するために開発された技術に基づいています (図を参照)。より長い「ポンプ」パルスは水平に分極されます。つまり、その中の電場は横に振動します。短い「プローブ」パルスは、垂直方向に分極されます。ただし、結晶の特性はその中の電場に依存するため、ポンプ ビームによってプローブ ビームの偏光が変化し、楕円パターンをトレースして結晶から出てきます。パルスのタイミングを調整することで、研究者は分極効果を利用して、ポンプ波の電場の小刻みな動きをマッピングできます。
しかし、真空のゆらぎ自体が結晶に影響を与えるため、プローブパルスの分極に影響を与えるとライテンスドルファーは言う。そこで、真空場のゆらぎを測定するために、「プローブパルスを入れるだけで、他には何も入れませんでした」。平均して、唯一のプローブパルスの偏光は垂直のままでした。しかし、何度も試行を繰り返すうちに、それはわずかに変化し、そのノイズは真空の変動の兆候であったとチームは述べています.
各パルスの光子数のランダムな変動、つまり「ショット ノイズ」によって偏光も変化するため、効果を特定するのは簡単なことではありません。この 2 つを区別するために、物理学者はパルスの持続時間と幅を変化させますが、パルス内の光子の数は変化させません。ショットノイズは一定に保たれるべきですが、パルスが大きくなるにつれて量子ゆらぎからのノイズは縮小するはずです。研究者たちは、ノイズに数パーセントの変化が見られました。これは、真空の変動による影響であると考えられています。
しかし、一部の物理学者は、新しい実験が実際に何を測定しているのか疑問に思っています。研究者らは、結晶の変動する光学特性が真空の変動を反映していると仮定していると、イェール大学の物理学者であり、カシミール効果を最初に観察した 1 人である Steve Lamoreaux は述べています。しかし、結晶の光学特性の変化には、熱変動などの他の原因がある可能性があると彼は言います。 「材料特性はそれ自体で変動します」と彼は言うので、「これらの変動を真空だけにどのように帰することができるでしょうか?」
さらに、ライテンシュトルファーのグループは、そのような変動を直接調査した最初のグループではありません。 2011 年、現在カナダのウォータールー大学の物理学者であるクリストファー ウィルソンとその同僚は、Nature で報告しました。 彼らは真空のゆらぎを汲み上げ、それらを実際の光子に変えました。原理的には、ミラーを光速に近い速度で前後に加速することで実現できます。ウィルソンは、より実用的なアナログを使用しました:小さな超伝導空洞の有効長を電子的に変更できるシステムです。 Leitenstorfer は、この新しい実験は、変動を増幅する必要がないという点で、ウィルソンの実験とは異なると述べています。ウィルソンは、「それが違いであることには同意しますが、それが根本的なものだとは思いません.」
Leitenstorfer は、新しい研究が以前の取り組みよりも質的に進歩したと主張しています。 「空間と時間で変動する真空の電場振幅を直接測定することで、他の誰よりもはるかに大きな一歩を踏み出したことは明らかです」と彼は言います。他の人はそれについてあまり確信が持てないようです.
