測量真空的漲落
在大多數人的想象中，真空是絕對的「空」，沒有物質或光。然而，在量子世界中，即使是這個「空」的空間，也會經歷漲落或變化。這種在量子尺度上出現在真空中的漲落，就好比是平靜的大海中突然掀起的波浪。但一直以來，科學家無法直接觀測量子漲落，只能間接地觀測到它所產生的影響。
歐洲X射線自由電子鐳射裝置（歐洲XEFL）擁有目前世界上最大的X射線鐳射器。現在，一些物理學家正在準備利用這個強大的鐳射裝置，以一種新穎的方法來驗證這些真空中的漲落。第一次實驗計劃於2024年啟動。
世界上最大的X射線鐳射器——歐洲XFEL。（圖/European XFEL/Jan Hosan）
為了能提高實驗的有效性，來自德國德累斯頓-羅森多夫赫爾姆霍茲中心（HZDR）的一個研究團隊在《物理評論D》雜誌上發表了一篇新的論文中，為提高實驗的成功幾率提交了一系列新的實驗方案。
用兩次閃光代替一次
新提出的實驗方案的基本原理是，用超強的鐳射向不鏽鋼的真空腔室發射短暫而強烈的閃光，其目的是操縱腔室內的真空漲落，使它們可以神奇地改變來自歐洲XEFL的X射線閃光的偏振，或者說使其振盪方向發生偏轉。
一開始，他們提出的概念是將一個光學鐳射閃光發射到真空腔內，並使用專門的測量技術來記錄它是否改變了X射線閃光的偏振。但這樣做存在一個問題，那就是信號非常微弱，可能只有萬億分之一的X射線光子會改變偏振。如果是這樣的話，目標信號就可能低於目前的測量極限，使得這一事件在未被發現的情況下從裂縫中消失。
因此，研究團隊提出了一個新的方案：同時向真空腔室發射兩個光學鐳射脈衝，而非一個。兩道閃光會在腔體中發生碰撞，而歐洲XFEL的X射線脈衝則被設定為可以精確地射向這兩道閃光的碰撞點。這時，碰撞的鐳射閃光可以像晶體一樣，影響X射線脈衝。
我們知道，當X射線在穿過晶體時，會發生衍射，或者說發生偏轉。研究人員認為，而由兩個碰撞的鐳射閃光所製造出的短暫存在的「光晶體」，應該也能改變XFEL的X射線脈衝的偏振，使它稍微偏轉。
進一步檢驗基礎物理學
研究人員希望，這種方法可以增加實際測量到這一效應的機會。他們已經對兩個鐳射在腔室中碰撞的不同角度進行了計算，而實驗將證明哪種情況將是最合適、最有效的。
另外，研究人員還指出，如果射入腔內的是兩束有著不同波長的鐳射，那麼成功的幾率甚至可能進一步改善。這將允許X射線閃光的能量也略有變化，這同樣有助於提高測量的成功幾率。不過，這種方案目前在技術上更具有挑戰性，可能要在更晚些的時候才能實現。
未來，如果實驗成功，那麼物理學的基本理論之一——量子電動力學（QED），將在一個迄今未被驗證的領域得到證明。但如果實驗結果與理論出現偏差，則意味著宇宙中可能存在新的、此前未知的新粒子——比如被稱為軸子的超輕幽靈粒子。這將明確指示物理學家，還存在未知的物理學定律。
#創作團隊：
編譯：小雨
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.hzdr.de/db/Cms?pNid=99&pOid=70692
#圖片來源：
封面圖&首圖：wir_sind_klein / Pixabay
