在量子物理学中，真空并不是空的，而是浸没在电磁场的微小波动中。直到最近，还不可能直接研究这些真空波动。苏黎世联邦理工学院研究人员开发了一种方法，可以让他们详细描述波动的特征。真空并不是真正的空——至少不是根据量子物理定律。根据量子力学，真空中充满了所谓的真空量子涨落。例如，这些是电磁场的小扰动，随着时间的推移平均为零，但可能会在短时间内偏离它。苏黎世联邦理工学院量子电子学研究所的杰罗姆·费斯特教授和同事们现在成功地首次直接描述了这些真空波动的特征。
博科园：在费尔斯特实验室毕业的博士生、是在科学期刊《自然》上发表这项研究的第一作者Ileana-CristinaBenea-Chelmus说：电磁场的真空波动有明显结果，其中之一就是原子可以自发发光。然而，乍一看，直接测量它们似乎是不可能的。传统光探测器，如光电二极管，是基于光粒子-因此能量-被探测器吸收的原理。然而，真空代表了一个物理系统的最低能量状态，因此不能再从真空中提取能量。
光电检测
因此，研究人员决定直接测量波动的电场。为此，他们使用了一种基于所谓电光效应的探测器。探测器由晶体组成，其中光波的偏振(即振荡方向)可以由电场旋转——例如，由真空波动的电场旋转。这样，电场就会在光波的偏振方向上留下一个可见痕迹。两个非常短的激光脉冲持续了十亿分之一秒，在两个不同点和稍微不同的时间通过晶体，然后测量它们的偏振度。通过这些测量，最终可以计算出晶体中瞬时电场之间的时空关系。为了证实这样测量的电场实际上来自真空波动而不是热黑体辐射，研究人员将整个测量仪器冷却到-269摄氏度。
电磁场真空起伏(彩色线)可以通过它们对两束激光(红色)的影响来测量，这两束激光通过晶体传播。图片：ETH Zurich
在如此低的温度下，基本上没有热辐射的光子留在设备内部，所以无论剩下的电场波动是什么，都必须来自真空。尽管如此，测量到的信号是绝对微小的，不过必须最大限度地发挥测量非常小的领域实验能力。另一个挑战是使用电光探测器测量电磁波动的频率在太赫兹范围内，也就是说，大约每秒几千亿次的振荡。在实验中，ETH科学家们仍然成功地测量了量子场，其分辨率在时间和空间上都低于光的振荡周期。
测量真空量子涨落
研究人员希望在未来能够用该方法测量更多奇异的真空波动情况。根据理论计算，在光子和物质之间存在强相互作用的情况下(例如，在光学腔内)，真空中应该充满大量所谓的虚光子，由Faist和合作者开发的方法应该能够测试这些理论预测。
