制造“压缩”状态的示意图。超短“泵场”被送入非线性晶体中，对真空形成“压缩”效果。泵场的不同区域在晶体内重新分布（加速或减速），E0场（真空波动幅度）强度随之增强或减弱。
涉及宇宙本质的某些悬而未决的重大问题多与光、真空以及它们与时间的关系有关联。此前，物理学家和哲学家们已经解决了各种各样的复杂问题，例如真空的本质是什么？光的传播如何与时间的流失建立联系？
phys.org网站7月10日报道，德国康斯坦茨大学（University of Konstanz）的研究人员Matthias Kizmann等最近进行的研究，探索了光和真空波动的量子态，以及它们与时间的相互作用。他们在《自然?物理学》杂志中介绍了一种新的理论框架，描述了超短时间尺度上光和真空的量子态。Kizmann等的研究重点是“压缩光”，它本质上是由具有重新分布特征或“压缩”电磁波动的光脉冲形成的。Kizmann及其同事认为，光或真空的电磁场与时间之间存在着直接的依存关系。Kizmann在接受phys.org网站采访时谈道：“大约在2015年时，Alfred Leitenstorfer教授的团队首次通过实验证明了光的真空波动可以被直接测定。从那时起，我们就对建立一种新的理论来描述短时间内发生的真空波动产生了极大的兴趣。它让我们想到这样一个问题，即真空波动是否可以在很短时间内被操控，从而产生压缩光？”
Kizmann等在论文中阐述了“泵场”强度与非线性晶体中的电磁真空之间的相互作用。在这种相互作用之下，泵场在时间上重新分布了真空波动，导致其在不同的时间间隔上要么被增强，要么被抑制。整个过程被称为“压缩”。Kizmann解释说：“通常，科学家必须通过计算整个场来描述其产生的影响，但我们发现了利用时间流的变化来描述‘压缩’的方法。压缩态属于非经典光态的更广泛类别，与经典激光相比，压缩态表现出更加引人关注的新特性。因此，非经典光态在未来量子信息或量子光谱学等领域中有可能会扮演非常重要的角色。”Kizmann及其同事收集了很多有趣的观察结果，并建立了一个物理模型，以描述超短时间尺度上的光和真空电磁场的量子态。他们在论文中还概述了如何在真空中操控电磁场（真空涨落）。
从本质上讲，光主要包含波、振荡电场和磁场。19世纪时，人们认为黑暗中的场强为零。然而，量子理论认为，黑暗的真空空间实际上并非真正意义上的“虚空”，它还包含了一些微小的波动。这些波动会引发轻微运动，即真空波动。科学家们已经知道，真空波动会从一个变量重新分布到另一个变量（例如从电场到磁场），即真空压缩。研究首席Guido Burkard解释说：“我们已经研究了如何在时间上控制真空波动的情况，发现了可以将波动从一个时间节点重新分配到另一个时间节点的结论。事实证明，由光脉冲看到的时间流可以在非线性光学材料中得到修正，而这种时间流的变化与波动的变化直接相关。”Burkard等的观测结果与相对论中的时间相对论有部分相似之处。虽然量子力学和相对论在过去的物理学研究中常常“难以调和”，但他们依然根据观测结果将两者进行了类比。Burkard等的发现最终有望深化科学家们对量子物理学和相对论之间关系的理解。Burkard等还认为，可能不久后研究人员就能在实验室中验证并观测压缩量子光的超短脉冲。
在今后的工作中，研究人员计划进一步分析真空中的轻微运动与量子纠缠之间的关系。Burkard说：“量子涨落的重新分布是如何与量子纠缠建立关系的？对此我们非常好奇。量子纠缠既是量子计算机的‘动力’，也是安全量子通信的重要资源。因此，我们迫切希望找到测量与应用方法。”
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编译：雷鑫宇
审稿：西莫
责编：唐林芳
期刊来源：《自然?物理学》、《科学》、《物理评论快报》、
期刊编号：1745-2473、0036-8075、0031-9007
原文链接：
https://phys.org/news/2019-07-vacuum-fluctuations-perspective.html
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