باز هم صحبت از نور است! این بار در یک آزمایش، روش جدیدی برای دستیابی آزمایشگاهی به دنیای کوانتومی، امکان پذیر شده است. محققان دانشگاه کنستانس آلمان در این آزمایش، نشان دادند که چکونه می توان میدان خلا کوانتومی را دستکاری کرد. با ذستکاری میدان خلا، می توان انحراف از حالت پایه فضای خالی را درک کرد و این موضوعی است که تنها می توان آن را در چارچوب نظریه کوانتومی نور، درک کرد. نتایج این مقاله، دیروز در ژورنال معتبر نیچر منتشر شد. با دیپ لوک همراه باشید…
این پژوهش جدید بر پایه کاری که همین تیم در اکتبر ۲۰۱۵ در زمینه پدیده های فوق سریع و فوتونیک انجام دادند، و نتیجه آن در ژورنال ساینس منتشر شد، انجام دادند. در آن آزمایش، دانشمندان سیگنال هایی را در “عدم” یا “هیچ” تشخیص دادند. این پیشرفت علمی، می تواند به حل مسائلی که فیزیکدانان مدت ها با آنها، دست و پنجه نرم می کردند کمک کند؛ مسائلی از درک عمیق تر ماهیت کوانتومی تابش تا تحقیق روی ویژگی های جذابی مانند ابررسانایی دمای بالا.
ابن آزمایش به کمک یک تکنیک اندازه گیری نوری بسیار مهم، امکان پذیر شد. یک سیستم لیزر ویژه، پالس های نوری فوق کوتاهی را تولید می کند که فقط چند فمتوثانیه طول عمر دارند و بنابراین کوتاه تر از نصف چرخه نور در محدوده طیفی مورد بررسی هستند (یک فمتوثانیه معادل یک میلیونیوم یک میلیاردم یک ثانیه است). این روش می تواند افت و خیزهای الکترومغناطیسی با شدت صفر، یعنی در تاریکی کامل را اندازه گیری کند. از لحاظ نظری، اصل عدم قطعیت هایزنبرگ می گوید خلا کوانتومی آنطور که ما از واژه خلا انتظار داریم، عدم نیست، بلکه دارای افت و خیز است. حالا دانشمندان موفق شدند برای نخستین بار این افت و خیزها را به طور مستقیم در محدوده فرکانس های مادون قرمز میانه، مشاهده کنند.
ایده نوینی که در این آزمایش، به کار رفته این است که به جای روش های مبتنی بر فرکانس، به طور مستقیم از آمارهای کوانتومی نور در حوزه زمان، استفاده کنیم. در این تکنیک، دانشمندان در یک لحظه از زمان، به جای تجزیه تحلیل نور در یک نوار فرکانس باریک، دامنه های میدان الکتریکی را به طور مستقیم، اندازه گیری می کنند. با مطالعه زمان های مختلف، الگوهای مشخصه ای بدست می آیند که به کمک آنها می توان حالت کوانتومی نور را مشخص کرد. فضا و زمان یا همان فضا-زمان، به طور کاملا یکسانی در این آزمایش ها عمل می کنند، که نشانه ای از ماهیت نسبیتی تابش الکترومغناطیس است.
این تکینک جدید برای اندازه گیری فوتون ها، به جذب یا تقویت آنها نیاز ندارد؛ بنابراین دانشمندان می توانند نوفه پس زمینه الکترومغناطیسی خلا را به طور مستقیم آشکارسازی کرده و بنابراین انحراف از حالت پایه را کنترل کنند. پایداری بالای تکتولوژی کنستانس، ویژگی مهمی برای اندازه گیری های کوانتومی است، زیرا نوفه پس زمینه پالس های لیزر فوق کوتاه، به شدت کم است.
با دستکاری خلا با پالس های فمتوثانیه ای بشدت متمرکز، محققان از یک روش جدید برای تولید نور فشرده (یک حالت بشدت غیرکلاسیکی یک میدان تابش) استفاده کردند. به این منظور، دانشمندان به کمک یک پالس شدید لیزر فمتوثانیه ای، سرعت نور را در بخش معینی از فضا-زمان، تغییر دادند. با این تغییر محلی سرعت انتشار، میدان خلا فشرده شده؛ و در نتیجه، افت و خیزهای خلا، دوباره توزیع شدند. دانشمندان این مکانیسم کوانتومی را با ترافیک در یک بزرگراه، مقایسه می کنند: ترافیک از یک نقطه معین، آغاز می شود و پشت سر این نقطه، ازدحام ترافیک دیده می شود، در حالیکه تراکم ترافیک در جلوی این نقطه، کاهش می یابد؛ یعنی وقتی دامنه افت و خیزها در یک مکان، کاهش می یابد، تراکم آنها در مکان دیگر، افزایش می یابد.
اگرچه با افزایش سرعت نور، دامنه افت و خیز نسبت به نوفه خلا، بیشتر می شود، اما با کم کردن سرعت نور، یک پدیده عجیب رخ می دهد: سطح نوفه اندازه گیری شده از حالت خلا، (یعنی حالت پایه فضای خالی) کمتر می شود! این پدیده را می توان معادل با تولید دو فوتون به طور همزمان در یک نقطه یکسان از فضا-زمان دانست. در این آزمایش، سوالات جدید و در نتیجه زمینه های تحقیقاتی هیجان انگیزی، به وجود آمد: مثلا یک فوتون، دقیقا چیست؟ فیزیکدانان این پژوهش می گویند: به جای آنکه یک فوتون را به صورت یک بسته کوانتیزه از یک انرژی، درنظر بگیریم، بهتر است آن را اندازه گیری آمارهای کوانتومی محلی میدان های الکترومغناطیسی در فضا-زمان قلمداد کنیم.
گفتگو۱ دیدگاه
بازگشت افتخار آمیزو دیگرباره اتر(اثیر) با نام جدید خلا کوانتومی را به دنیای فیزیک ذرات تبریک عرض میکنیم .