科学家通过物理实验表明可从真空中检测到光子(组图)

自从阿尔伯特·爱因斯坦的广义相对论提出黑洞存在的可能性后，黑洞的确切性质就受到了挑战。其中最著名的发现是英国物理学家斯蒂芬·霍金的预测，即一些粒子实际上是在黑洞的边缘发射出来的。

物理学家还探索了真空的工作原理。在20世纪70年代初，当霍金在描述光如何能够逃脱黑洞的引力时，加拿大物理学家威廉·恩鲁提出，一个加速足够快的光电探测器可以在真空中“看到”光。来自达特茅斯学院的一项新研究通过详细说明一种产生和检测以前被认为是无法观察到的光的方法，推进了这些理论。



“从日常意义上讲，这些发现似乎令人惊讶地表明有能力从空旷的真空中产生光，”达特茅斯学院埃莉诺和A.凯尔文-史密斯杰出物理学教授、该研究的高级研究员Miles Blencowe说。“本质上，我们从无到有创造了一些东西；想到这一点就非常酷。”在经典物理学中，真空被认为是没有物质、光和能量。在量子物理学中，真空则是充满了波动存在的光子。然而，这种光几乎不可能被测量。

爱因斯坦广义相对论的一个部分，即“等效原理”，在霍金对辐射黑洞的预言和恩鲁对加速光电探测器见光的预言之间建立了联系。“等效原理”说的是，重力和加速度在根本上是不可区分的。在一个没有窗户的加速电梯里的人将无法确定他们是被重力、惯性力，还是被两者作用。

因此，如果黑洞的引力能够在真空中创造光子，那么加速度也可以。

由于科学已经证明观察真空中的光是可能的，达特茅斯学院的团队开始寻找一种切实可行的方法来检测光子。



达特茅斯学院的研究理论预测快速加速的钻石膜中基于氮的缺陷可以进行检测。在拟议的实验中，含有氮基光探测器的邮票大小的合成钻石被悬挂在一个创造真空的超冷金属盒中。这层膜就像一个拴住的蹦床，以巨大的速度被加速。

研究论文解释说，由此产生的腔体真空的光子生产是集体增强和可测量的，当探测器数量超过一个临界值时，真空光子生产经历了一个从正常阶段到"一个增强的类似超日照的倒置发光阶段"的相变。

"钻石的运动产生光子，"博士后研究员王晖说，他在达特茅斯学院读研究生时撰写了这篇理论论文。"从本质上讲，你所需要做的就是猛烈地摇晃一些东西，足以产生纠缠的光子。"

达特茅斯学院的论文研究了使用多个光子探测器--钻石缺陷--来放大膜的加速度并提高检测灵敏度。振荡钻石也允许实验在一个可控的空间内以强烈的加速率进行。


"我们的工作是第一次探索当有许多加速的光电探测器而不是一个时会发生什么，"Blencowe说。"我们发现了从真空中创造光的量子增强放大效应，其中许多加速探测器的集体效应比单独考虑它们更大。"

为了证实检测到的光子来自真空而不是周围环境，研究小组证明了该理论观察到的"纠缠光"，这是量子力学的一个明显特征，不能来源于外部辐射。

"钻石检测到的光子是成对产生的，"研究人员说。"这种成对的、纠缠的光子的产生，证明了光子是在真空中产生的，而不是来自其他来源。"


在真空中观察光的建议并不具有直接的适用性，但研究小组希望它能像其他理论研究一样，增加对物理力量的理解，为社会作出贡献。特别是，这项工作可能有助于通过爱因斯坦的等价原理，对霍金关于辐射黑洞的预测进行实验说明。

"作为像我们这样的理论家的部分责任和快乐是把想法提出来，"Blencowe说。"我们正试图表明，做这个实验是可行的，以测试一些直到现在还异常困难的东西。"

该团队制作的一个技术动画描述了该实验创造光子的过程。检测到的光存在于微波频率中，所以人眼是看不到的。 阅读原文