Enkele van de grootste onbeantwoorde vragen over de aard van het universum hebben betrekking op licht, het vacuüm (d.w.z. ruimte waar noch materie noch straling bestaat), en hun relatie met de tijd. Vroeger, natuurkundigen en filosofen hebben zich beziggehouden met een verscheidenheid aan complexe vragen, bijvoorbeeld, wat is de aard van het vacuüm, en hoe is de voortplanting van licht verbonden met het verstrijken van de tijd?

Onderzoekers van de Universiteit van Konstanz hebben onlangs een onderzoek uitgevoerd naar de kwantumtoestanden van licht en vacuümfluctuaties, evenals hun wisselwerking met de tijd. hun papier, gepubliceerd in Natuurfysica , introduceert een nieuw theoretisch kader om de kwantumtoestanden van zowel licht als vacuüm op ultrakorte tijdschalen te beschrijven.

De studie van de onderzoekers richt zich op "geperst licht, " die in wezen bestaat uit lichtimpulsen met herverdeelde of 'geperste' elektromagnetische fluctuaties. Kizmann en zijn collega's konden het bestaan ​​van een directe afhankelijkheid tussen de elektromagnetische velden van licht of vacuüm en tijd onthullen.

"Rond 2015 onze collega's Professor Alfred Leitenstorfer en zijn groep, ook van de Universiteit van Konstanz, waren de eersten die experimenteel aantoonden dat de vacuümfluctuaties van licht direct kunnen worden gemeten, " Matthias Kizmann, een van de onderzoekers die het onderzoek uitvoerde, vertelde Phys.org. "Vanaf dat moment, we waren geïnteresseerd in het ontwikkelen van een nieuwe theorie om vacuümfluctuaties te beschrijven die plaatsvinden over een zeer korte duur. Dit bracht ons bij de vraag of vacuümfluctuaties ook op zeer korte tijdsduren kunnen worden gemanipuleerd om zogenaamd uitgeknepen licht te genereren."

In hun krant de onderzoekers beschrijven de interactie tussen een sterk veld dat een "pomp" -veld wordt genoemd, en het elektromagnetische vacuüm in een niet-lineair kristal. Als gevolg van deze interactie, het veld herverdeelt de vacuümfluctuaties in de tijd, resulterend in tijdsintervallen waarin deze fluctuaties worden versterkt of onderdrukt. Dit proces staat bekend als knijpen.

"Gebruikelijk, men moet het hele elektrische veld berekenen om de resulterende effecten te beschrijven, maar nu hebben we gevonden hoe we het knijpen kunnen beschrijven als een verandering in de stroom van tijd, Kizmann legde uit. "Squeezed staten behoren tot een bredere klasse van zogenaamde niet-klassieke staten van licht. Dit soort toestanden vertonen verschillende fascinerende en nieuwe kenmerken in tegenstelling tot meer klassiek laserlicht. Als zodanig, niet-klassieke lichttoestanden spelen een belangrijke rol bij de ontwikkeling van toekomstige technologieën op het gebied van kwantuminformatie of kwantumspectroscopie."

Kizmann en zijn collega's hebben interessante observaties verzameld die beschrijven hoe licht en vacuüm gerelateerd zijn aan tijd. Ze ontwikkelden een fysiek model dat kan worden gebruikt om kwantumtoestanden van het elektromagnetische veld voor zowel licht als vacuüm op ultrakorte tijdschalen te beschrijven. Hun paper schetst ook hoe het elektromagnetische veld in een vacuüm, bekend als vacuümfluctuaties, gemanipuleerd kan worden.

Eigenlijk, licht bestaat uit golven, of oscillerende elektrische en magnetische velden. In de 19de eeuw, mensen geloofden dat in het donker, deze velden zijn gelijk aan nul. Kwantum theorie, echter, stelt dat een donkere lege ruimte in feite niet helemaal leeg is, omdat het kleine schommelingen bevat die aanleiding geven tot lichte bewegingen in de velden, vacuümfluctuaties genoemd. Van deze fluctuaties is bekend dat ze worden herverdeeld van de ene variabele naar de andere (bijvoorbeeld van elektrische naar magnetische velden), dat is het knijpen van het vacuüm.

"We hebben onderzocht hoe de vacuümfluctuaties in de tijd kunnen worden gemanipuleerd en hebben ontdekt dat we fluctuaties ook van het ene moment naar het andere kunnen herverdelen, "Guido Burkard, hoofdonderzoeker voor het onderzoek, vertelde Phys.org. "Het blijkt dat de stroom van tijd zoals gezien vanaf de lichtpuls kan worden gewijzigd in een niet-lineair optisch materiaal, en deze verandering in de stroom van tijd is direct gerelateerd aan de verandering in fluctuaties."

De waarnemingen verzameld door Kizmann, Burkard en hun collega's vertonen enkele overeenkomsten met de relativiteit van de tijd in de relativiteitstheorie. In hun krant ze trekken een analogie tussen de kwantummechanica en de relativiteitstheorie, twee gebieden in de natuurkunde waar eerdere studies vaak moeite mee hadden om met elkaar te verzoenen. Hun observaties en de analogie die ze presenteerden, zouden uiteindelijk ons ​​huidige begrip van de relatie tussen kwantumfysica en relativiteitstheorie kunnen verbeteren. De onderzoekers geloven ook dat ultrakorte pulsen van samengeperst kwantumlicht binnenkort in het laboratorium kunnen worden aangetoond en waargenomen.

"We denken dat toestanden van kwantumlicht van minuutduur tot één femtoseconde (10 ^-15 seconden) zal binnenkort worden gerealiseerd en experimenteel worden gekarakteriseerd, "Andrey Moskalenko, een andere onderzoeker die bij het onderzoek betrokken was, vertelde Phys.org. "Dan kunnen ze worden gebruikt als een nieuw kwantuminstrument in ultrasnelle spectroscopie, indringende processen in de materie op zulke korte duur. Dit zou toegang geven tot een momenteel verborgen maar zeer belangrijke overvloed aan ultrasnelle verschijnselen, die de belangrijkste eigenschappen van nieuwe kwantumapparaten bepalen."

De studie biedt fascinerende nieuwe inzichten over de kwantumtoestanden van licht en vacuüm, en hun relatie met de tijd. De theorie die ze ontwikkelden zou uiteindelijk het gebruik van tijdsafhankelijke kwantumtoestanden van licht in kwantumoptica en kwantuminformatietoepassingen kunnen vergemakkelijken. In hun toekomstige werk, de onderzoekers zijn van plan dit onderwerp verder te onderzoeken, onderzoek naar de relatie tussen de kleine bewegingen die plaatsvinden in een vacuüm en een fenomeen dat kwantumverstrengeling wordt genoemd.

"We zijn benieuwd hoe deze herverdelingen van kwantumfluctuaties verband houden met kwantumverstrengeling, het fenomeen dat kwantumcomputers van brandstof voorziet en een bron is voor veilige kwantumcommunicatie., "Zei Burkard. "We zouden ook graag willen weten hoe het meten (d.w.z. 'kijken naar') de vacuümvelden deze fluctuaties beïnvloedt, en hoe geperste toestanden kunnen worden gebruikt voor ultrasnelle spectroscopie."

© 2019 Wetenschap X Netwerk