“從無到有”：科學家透過物理實驗表明可從真空中檢測到光子

自從阿爾伯特·愛因斯坦的廣義相對論提出黑洞存在的可能性後，黑洞的確切性質就受到了挑戰。其中最著名的發現是英國物理學家斯蒂芬·霍金的預測，即一些粒子實際上是在黑洞的邊緣發射出來的。物理學家還探索了真空的工作原理。在20世紀70年代初，當霍金在描述光如何能夠逃脫黑洞的引力時，加拿大物理學家威廉·恩魯提出，一個加速足夠快的光電探測器可以在真空中“看到”光。來自達特茅斯學院的一項新研究透過詳細說明一種產生和檢測以前被認為是無法觀察到的光的方法，推進了這些理論。

“從日常意義上講，這些發現似乎令人驚訝地表明有能力從空曠的真空中產生光，”達特茅斯學院埃莉諾和A.凱爾文-史密斯傑出物理學教授、該研究的高階研究員Miles Blencowe說。“本質上，我們從無到有創造了一些東西；想到這一點就非常酷。”

在經典物理學中，真空被認為是沒有物質、光和能量。在量子物理學中，真空則是充滿了波動存在的光子。然而，這種光幾乎不可能被測量。

愛因斯坦廣義相對論的一個部分，即“等效原理”，在霍金對輻射黑洞的預言和恩魯對加速光電探測器見光的預言之間建立了聯絡。“等效原理”說的是，重力和加速度在根本上是不可區分的。在一個沒有窗戶的加速電梯裡的人將無法確定他們是被重力、慣性力，還是被兩者作用。

因此，如果黑洞的引力能夠在真空中創造光子，那麼加速度也可以。

由於科學已經證明觀察真空中的光是可能的，達特茅斯學院的團隊開始尋找一種切實可行的方法來檢測光子。

達特茅斯學院的研究理論預測快速加速的鑽石膜中基於氮的缺陷可以進行檢測。在擬議的實驗中，含有氮基光探測器的郵票大小的合成鑽石被懸掛在一個創造真空的超冷金屬盒中。這層膜就像一個拴住的蹦床，以巨大的速度被加速。

研究論文解釋說，由此產生的腔體真空的光子生產是集體增強和可測量的，當探測器數量超過一個臨界值時，真空光子生產經歷了一個從正常階段到"一個增強的類似超日照的倒置發光階段"的相變。

"鑽石的運動產生光子，"博士後研究員王暉說，他在達特茅斯學院讀研究生時撰寫了這篇理論論文。"從本質上講，你所需要做的就是猛烈地搖晃一些東西，足以產生糾纏的光子。"

達特茅斯學院的論文研究了使用多個光子探測器--鑽石缺陷--來放大膜的加速度並提高檢測靈敏度。振盪鑽石也允許實驗在一個可控的空間內以強烈的加速率進行。

"我們的工作是第一次探索當有許多加速的光電探測器而不是一個時會發生什麼，"Blencowe說。"我們發現了從真空中創造光的量子增強放大效應，其中許多加速探測器的集體效應比單獨考慮它們更大。"

為了證實檢測到的光子來自真空而不是周圍環境，研究小組證明了該理論觀察到的"糾纏光"，這是量子力學的一個明顯特徵，不能來源於外部輻射。

"鑽石檢測到的光子是成對產生的，"研究人員說。"這種成對的、糾纏的光子的產生，證明了光子是在真空中產生的，而不是來自其他來源。"

在真空中觀察光的建議並不具有直接的適用性，但研究小組希望它能像其他理論研究一樣，增加對物理力量的理解，為社會作出貢獻。特別是，這項工作可能有助於透過愛因斯坦的等價原理，對霍金關於輻射黑洞的預測進行實驗說明。

"作為像我們這樣的理論家的部分責任和快樂是把想法提出來，"Blencowe說。"我們正試圖表明，做這個實驗是可行的，以測試一些直到現在還異常困難的東西。"

該團隊製作的一個技術動畫描述了該實驗創造光子的過程。檢測到的光存在於微波頻率中，所以人眼是看不到的。