Konstanz Üniversitesi'nden Prof.Alfred Leitenstorfer liderliğinde bir ekip tarafından, kuantum fiziğine yepyeni bir deneysel erişim yolunda önemli bir adım atıldı. Araştırmacılar, boşluğun (vakumun) elektriksel alanının nasıl manipüle edilebileceğini ve böylece boş uzayın taban durumundan (bu ancak ışığın kuantum kuramı bağlamında kavranabiliyor) sapmalar üretilebileceğini gösterdi.

Ultra-hızlı görüngüler ve fotonik alanından çalışmalar yapan aynı ekip, 2015 yılında saf hiçlikteki sinyalleri yani kuantum çalkalanmalarını doğrudan algılamayı başarmıştı. Nature dergisinde yayımlanan yeni çalışmalarından elde ettikleri veriler ile şimdi bunu bir adım ileri taşımış oldular. (Bkz. Boşluktan Gelen Sinyaller Doğrudan Algılandı)

Bu bilimsel ilerleme sayesinde, fizikçiler için uzun süredir uğraştıkları kimi problemlerin çözülmesi umudu doğdu.; ışınımın kuantum doğasının derinlemesine anlaşılması ve böylece yüksek sıcaklıkta süperiletkenlik özelliğinin incelenebilmesi gibi.

Deneyler Nasıl Yapıldı?

Leitenstorfer'ın ekibinin geliştirdiği benzersiz bir optik ölçüm tekniği, bu önemli başarıyı olanaklı kıldı. Özel bir lazer sistemi, sadece birkaç femtosaniye süren ve dolayısıyla incelenen izgesel bölgedeki ışığın bir çevriminin yarısından kısa olan ultra-kısa ışık atımları üretti. Bir femtosaniye, br saniyenin milyarda birinin milyonda birine denk. Yöntemin aşırı duyarlı oluşu, bütünüyle karanlıkta bile elektromanyetik çalkalanmaların algılanmasını sağlıyor. Kuramsal olarak bu "vakum çalkalanmaları" Heisenberg Belirsizlik İlkesi'nin bir sonucu. Ekip, işte bu çalkalanmaları, ilk kez olarak kızılötesi frekans aralığında doğrudan gözlemlemeyi başarmıştı.

Deneylerin kavramsal yeniliği şu ki, şimdiye dek kullanılan frekans alanı (İng. frequency-domain) tekniklerinin yerine, ışığın kuantum istatistiğine doğrudan zaman alanında (İng. time domain) erişiyor. Işığı dar bir frekans bandında analiz etmek yerine, zamanda seçilen bir noktada elektrik alan genlikleri doğrudan ölçülüyor. Farklı zaman noktalarının incelenmesi, ışığın zamana bağlı (İng. temporal) kuantum durumu hakkında ayrıntılı çıkarımlara olanak tanıyan karakteristik gürültü desenleri ile sonuçlanıyor.

Lazer atımı, incelen kuantum alanı ile birlikte yayılırken, Konstanz fizikçileri zamanı adeta durma noktasına getiriyor. Nihayetinde, uzay ve zaman, yani uzay-zaman, bu deneylerde mutlak biçimde eşdeğer davranıyor; bu da elektromanyetik ışınımın içsel görelilikcil doğasının bir işareti.

Yeni ölçüm tekniğinin, ölçülecek fotonları soğurması ya da yükseltmesi (İng. amplify) gerekmediğinden, boşluğun elektromanyetik arka alan gürültüsünü ve ayrıca araştırmacılar tarafından yaratılmış olan taban durumundan kontrollü sapmaları da doğrudan algılamak mümkün.

"Kuantum durumlarını, ilk yaklaştırmada değiştirmeden analiz edebiliyoruz," diyor Leitenstorfer. Konstanz teknolojisinin yüksek stabilliği, kuantum ölçümleri için önemli bir faktör; çünkü ultra-kısa lazer atımlarının arka alan gürültüsü aşırı düşük.

Sıkıştırılmış Işık ve Sıkışan Trafik

Boşluğu, güçlü biçimde odaklanmış femtosaniyelik atımlarla manipüle ederek, araştırmacılar "sıkıştırılmış ışık" (İng. squeezed light) üretmek için yeni bir strateji bulmuş oldu. Sıkıştırılmış ışık, bir ışınım alanının yüksek ölçüde klasik olmayan bir durumu. Uzay-zamanın belli bir parçasında ışığın hızı, femtosaniyelik lazerin yoğun atımı ile kasıtlı olarak değiştiriliyor. Yayılımın hızının bu yerel modülasyonu, boşluk alanını "sıkıştırıyor", ki bu da boşluk çalkalanmalarının yeniden dağılımı ile aynı anlama geliyor.

Leitenstorfer, kuantum fiziğinin bu mekanizmasını, grafik olarak bir otoyoldaki trafik sıkışıklığına benzetiyor: Belirli bir noktadan itibaren bazı arabalar yavaşlar. Sonuç olarak, bu araçların arkasında tıkanıklık oluşurken, o noktanın önünden itibaren ise trafik yoğunluğunda azalma olur. Bunun anlamı şu: Çalkalanma genlikleri bir yerde azalınca, başka bir yerde artar.

Işığın hızı zamana bağlı olarak artarken, çalkalanma genlikleri boşluk gürültüsünden pozitif sapmalar yapar. Işık yavaşlarken ise çok şaşırtıcı bir görüngü gerçekleşir: Ölçülen gürültü düzeyi, boşluk durumundan (yani boş uzayın taban durumundan) daha düşük olur.

Otoyoldaki trafik ile benzetim kumak kısa sürede limitine erişir: Çok sayıda arabanın sabit kaldığı bu "klasik fizik" tablosundan farklı olarak, gürültü genlikleri uzay-zamanın artan ve azalan hızları ile bütünüyle farklı şekilde değişir.

Hafif bir "sıkıştırma" durumunda, gürültü deseni boşluk düzeyi çevresinde oldukça simetrik dağılır. Yoğunluk arttıkça, düşüş kaçınılmaz olarak sıfıra gider. Birkaç femtosaniye sonra biriken fazlalık gürültü ise tersine non-lineer artar; ki bu cebirsel bir çarpım olarak, Belirsizlik İlkesi'nin doğrudan bir sonucudur. Bu görüngü, ışık alanının yüksek düzeyde klasik olmayan bir durumuna eşitlenebilir. Örneğin aynı uzay-zaman hacminde eşzamanlı olarak hep iki foton  belirdiğinde olduğu gibi.

Konstanz'da yapılan deney, çok sayıda yeni soru ve umut doğurdu. Fizikçilerin bundan sonraki hedefi, kuantum durumuna dokunmuyor gibi görünen algılama yöntemlerinin limitlerini anlamak. İlkesel olarak, bir kuantum sistemin her deneysel analizi, nihayetinde durumunu değiştirir. Şu anda sonuç elde etmek için çok sayıda tekil ölçümün yapılması gerekiyor: Saniyede 20 milyon yineleme. Fizikçiler henüz kesin olarak bunun "zayıf ölçüm" olup olmadığını söyleyemiyor.

Kuantum elektrodinamiğine bu yeni deneysel yaklaşım, ışığın kuantum doğasının incelenebileceği üçüncü yöntem oldu. Buradan şu temel soru çıkıyor: Işığın kuantum karakteri tam olarak nedir? Foton tam olarak nedir? İkinci soru ile ilgili olarak, Konstanz fizikçileri daha net konuşabiliyor: Kuantize olmuş bir enerji paketinden ziyade, uzay-zamandaki elektromanyetik dalgaların yerel kuantum istatistiğinin bir ölçüsü.

---

Kaynaklar:

• Konstanz Üniversitesi, "Traffic jam in empty space"
  <https://www.uni-konstanz.de/en/university/news-and-media/current-announcements/press-releases/press-releases-in-detail/verkehrsstau-im-nichts/>


• Science Daily, "Traffic jam in empty space"
  <https://www.sciencedaily.com/releases/2017/01/170118132244.htm>


• Science Alert, "Physicists say they've manipulated 'pure nothingness' and observed the fallout"
  <http://www.sciencealert.com/physicists-say-they-ve-managed-to-manipulate-pure-nothingness>

İlgili Makale: C. Riek, P. Sulzer, M. Seeger, A.S. Moskalenko, G. Burkard, D.V. Seletskiy, A. Leitenstorfer: "Subcycle Quantum Electrodynamics". Nature, Advance online publication. DOI: 10.1038/nature21024

---