探索奇异的量子涨落

  测量真空的涨落  

在大多数人的想象中，真空是绝对的“空”，没有物质或光。然而，在量子世界中，即使是这个“空”的空间，也会经历涨落或变化。这种在量子尺度上出现在真空中的涨落，就好比是平静的大海中突然掀起的波浪。但一直以来，科学家无法直接观测量子涨落，只能间接地观测到它所产生的影响。

欧洲X射线自由电子激光装置（欧洲XEFL）拥有目前世界上最大的X射线激光器。现在，一些物理学家正在准备利用这个强大的激光装置，以一种新颖的方法来验证这些真空中的涨落。第一次实验计划于2024年启动。

世界上最大的X射线激光器——欧洲XFEL。（图/European XFEL/Jan Hosan）

为了能提高实验的有效性，来自德国德累斯顿-罗森多夫赫尔姆霍兹中心（HZDR）的一个研究团队在《物理评论D》杂志上发表了一篇新的论文中，为提高实验的成功几率提交了一系列新的实验方案。

  用两次闪光代替一次 

新提出的实验方案的基本原理是，用超强的激光向不锈钢的真空腔室发射短暂而强烈的闪光，其目的是操纵腔室内的真空涨落，使它们可以神奇地改变来自欧洲XEFL的X射线闪光的偏振，或者说使其振荡方向发生偏转。

一开始，他们提出的概念是将一个光学激光闪光发射到真空腔内，并使用专门的测量技术来记录它是否改变了X射线闪光的偏振。但这样做存在一个问题，那就是信号非常微弱，可能只有万亿分之一的X射线光子会改变偏振。如果是这样的话，目标信号就可能低于目前的测量极限，使得这一事件在未被发现的情况下从裂缝中消失。

因此，研究团队提出了一个新的方案：同时向真空腔室发射两个光学激光脉冲，而非一个。两道闪光会在腔体中发生碰撞，而欧洲XFEL的X射线脉冲则被设定为可以精确地射向这两道闪光的碰撞点。这时，碰撞的激光闪光可以像晶体一样，影响X射线脉冲。

我们知道，当X射线在穿过晶体时，会发生衍射，或者说发生偏转。研究人员认为，而由两个碰撞的激光闪光所制造出的短暂存在的“光晶体”，应该也能改变XFEL的X射线脉冲的偏振，使它稍微偏转。

  进一步检验基础物理学 ‍

研究人员希望，这种方法可以增加实际测量到这一效应的机会。他们已经对两个激光在腔室中碰撞的不同角度进行了计算，而实验将证明哪种情况将是最合适、最有效的。

另外，研究人员还指出，如果射入腔内的是两束有着不同波长的激光，那么成功的几率甚至可能进一步改善。这将允许X射线闪光的能量也略有变化，这同样有助于提高测量的成功几率。不过，这种方案目前在技术上更具有挑战性，可能要在更晚些的时候才能实现。

未来，如果实验成功，那么物理学的基本理论之一——量子电动力学（QED），将在一个迄今未被验证的领域得到证明。但如果实验结果与理论出现偏差，则意味着宇宙中可能存在新的、此前未知的新粒子——比如被称为轴子的超轻幽灵粒子。这将明确指示物理学家，还存在未知的物理学定律。