Tyhjiön kvanttifluktuaatioita

Kuinka tyhjä on tyhjiö?

Kvanttifysiikan mukaan ei kovinkaan tyhjä. Werner Heisenbergin 1920-luvulla kehittämän epätarkkuusperiaatteen mukaan sähkö- ja magneettikentät eivät koskaan voi samanaikaisesti kadota tyystin. 

Siksi jopa "täydellisessä" tyhjiössä ja pilkkopimeässä tapahtuu pieniä sähkömagneettisia fluktuaatioita, joiden ansiosta tyhjiö ei ole täydellinen.

Suoraa havaintoa tästä vähäisestä väreilystä on pidetty mahdottomuutena, joten tutkijat ovat joutuneet tyytymään epäsuoriin mittauksiin, esimerkiksi virittyneistä atomeista lähtevän spontaanin emission ja alkuräjähdyksen seurauksena syntyneiden maailmankaikkeuden rakenteiden tarkasteluun.

Konstanzin yliopistossa on nyt onnistuttu tekemään mahdottomasta mahdollista. Alfred Leitenstorferin johtama tutkijaryhmä on pystynyt mittaamaan tyhjän avaruuden perustilan ominaisuuksia.

"Huipputarkkuuden ansiosta pystyimme havaitsemaan ensimmäisen kerran, että meitä ympäröivät kaiken aikaa sähkömagneettisten tyhjiöfluktuaatioiden kentät", toteaa Leitenstorfer.

"Mittauksessamme oli tieteellisesti yllättävää ja kiehtovaa, että pystyimme tarkastelemaan suoraan kvanttijärjestelmän perustilaa muuttamatta sitä."

Yksi kvanttifysiikan ongelmia ja samalla perusasioita on, että hiukkasmaailman mittakaavassa mittaukset vaikuttavat mitattaviin asioihin.

Tyhjiön fluktuaatioita voidaan ajatella kvanttikentän värähtelynä, jonka jakauma on satunnainen. Se muuttuu kaiken aikaa, mutta saadut lukemat värähtelyjen voimakkuudesta kasvavat, kun mittauksessa käytetty aikaväli ja matka pienenevät.

 

Fluktuaatioiden mittalaitteisto

 

Kokeessa tyhjiön sähkömagneettisten kenttien luotaamiseen käytettiin hyvin lyhyitä valopulsseja. Mittalaitteisto rakentui elektro-optisesta kiteestä, joka oli sijoitettu kahden kullalla päällystetyn paraboloidipeilin väliin. 

Peilien avulla laajakaistaiset "valokentät" keskitettiin ja säteenjakajan avulla ainoastaan femtosekunnin eli sekunnin tuhannesbiljoonasosan mittaiset valopulssit yhdistettiin kvanttikenttiin. Laitteiston tarkkuutta rajoittivat enää ainoastaan kvanttifysikaaliset tekijät. 

Tutkimuksesta kerrottiin Konstanzin yliopiston uutissivuilla ja se on julkaistu Science-tiedelehdessä (maksullinen).

Kuvat: University of Konstanz