Na física quântica, um vácuo não está vazio, mas sim mergulhado em pequenas flutuações do campo eletromagnético. Até recentemente, era impossível estudar essas flutuações de vácuo diretamente. Pesquisadores da ETH Zurich desenvolveram um método que permite caracterizar as flutuações em detalhes.

O vazio não é realmente vazio - não de acordo com as leis da física quântica, a qualquer custo. O vácuo, em que classicamente não deve haver "nada, "está repleta das chamadas flutuações do vácuo, de acordo com a mecânica quântica. Essas são pequenas excursões de um campo eletromagnético, por exemplo, essa média chega a zero com o tempo, mas pode desviar-se dela por um breve momento. Jérôme Faist, professor do Instituto de Eletrônica Quântica da ETH em Zurique, e seus colaboradores agora conseguiram caracterizar essas flutuações de vácuo diretamente pela primeira vez.

"As flutuações do vácuo do campo eletromagnético têm consequências claramente visíveis, e entre outras coisas, são responsáveis ​​pelo fato de que um átomo pode emitir luz espontaneamente, "explica Ileana-Cristina Benea-Chelmus, um recém-formado Ph.D. estudante no laboratório Faist e primeiro autor do estudo publicado recentemente na revista científica Natureza . "Para medi-los diretamente, Contudo, parece impossível à primeira vista. Os detectores tradicionais de luz, como os fotodiodos, baseiam-se no princípio de que as partículas de luz - e, portanto, a energia - são absorvidas pelo detector. Contudo, do vácuo, que representa o estado de menor energia de um sistema físico, nenhuma energia adicional pode ser extraída. "

Detecção eletro-óptica

Faist e seus colegas, portanto, decidiram medir o campo elétrico das flutuações diretamente. Para esse fim, eles usaram um detector baseado no chamado efeito eletro-óptico. O detector consiste em um cristal em que a polarização (a direção da oscilação, isto é) de uma onda de luz pode ser girada por um campo elétrico - por exemplo, pelo campo elétrico das flutuações do vácuo. Desta maneira, esse campo elétrico deixa uma marca visível na forma de uma direção de polarização modificada da onda de luz. Dois pulsos de laser muito curtos com duração de uma fração de um milésimo de um bilionésimo de segundo são enviados através do cristal em dois pontos diferentes e em momentos ligeiramente diferentes, e depois, suas polarizações são medidas. A partir dessas medidas, as correlações espaciais e temporais entre os campos elétricos instantâneos no cristal podem finalmente ser calculadas.

Para verificar se os campos elétricos assim medidos realmente surgem das flutuações do vácuo e não da radiação térmica do corpo negro, os pesquisadores resfriaram todo o aparelho de medição até -269 graus centígrados. Em temperaturas tão baixas, essencialmente nenhum fóton da radiação térmica permanece dentro do aparelho, de modo que todas as flutuações do campo elétrico que sobraram devem vir do vácuo. "Ainda, o sinal medido é absolutamente minúsculo, "O professor da ETH Faist admite, "e realmente tivemos que maximizar nossas capacidades experimentais de medição de campos muito pequenos." De acordo com Faist, outro desafio é que as frequências das flutuações eletromagnéticas medidas usando o detector eletro-óptico estão na faixa de terahertz, isso é, em torno de alguns milhares de bilhões de oscilações por segundo. Em seu experimento, os cientistas da ETH ainda conseguiram medir campos quânticos com uma resolução que está abaixo de um ciclo de oscilação da luz no tempo e no espaço.

Medindo flutuações de vácuo exóticas

Os pesquisadores esperam que no futuro eles sejam capazes de medir casos ainda mais exóticos de flutuações de vácuo usando seu método. Na presença de fortes interações entre fótons e matéria, que pode ser alcançado, por exemplo, dentro das cavidades ópticas, de acordo com cálculos teóricos, o vácuo deveria ser preenchido com uma multidão dos chamados fótons virtuais. O método desenvolvido por Faist e seus colaboradores deve permitir testar essas previsões teóricas.