Учені змоделювали появу променя світла з порожнечі вакууму: як їм це вдалося

Про це пише The Debrief.

Це явище, відоме як чотирьоххвильове змішання у вакуумі, протягом десятиліть було теоретичним передбаченням у квантовій фізиці. Тепер дослідники з Оксфордського університету успішно змоделювали цей ефект у тривимірних моделях у реальному часі, наблизивши цю концепцію до експериментальної перевірки.

У Фокус.Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найцікавіші новини зі світу науки!

Дослідження, опубліковане в журналі Communications Physics, було проведене під керівництвом докторанта Зіксіна Чжана і професора Пітера Норрейса з фізичного факультету Оксфордського університету. У співпраці з Instituto Superior Técnico при Лісабонському університеті команда використовувала вдосконалену версію симуляційної платформи OSIRIS для моделювання взаємодії інтенсивних лазерних променів із квантовим вакуумом.

Важливо Гіперзаплутаність: фізики помістили атоми в унікальний стан, це змінить технології

Їхні симуляції продемонстрували, що коли три високоенергетичні лазерні імпульси перетинаються в точній фокальній точці, вони можуть поляризувати віртуальні електрон-позитронні пари, які, згідно з квантовою теорією, заповнюють вакуум. Ця поляризація призводить до розсіювання фотонів, унаслідок чого з'являється четвертий лазерний промінь — процес, за якого світло, здавалося б, виникає з темряви.

Квантова електродинаміка припускає, що вакуум не є дійсно порожнім, а являє собою вируюче поле перехідних віртуальних частинок. Під впливом сильних електромагнітних полів, таких як ті, що створюють потужні лазери, ці віртуальні частинки можуть впливати на поведінку фотонів, призводячи до нелінійних взаємодій, таких як розсіювання фотонів. Цей ефект аналогічний зіткненню більярдних куль, коли траєкторії фотонів змінюються через взаємодії, опосередковані поляризованим вакуумом.

Якщо воно буде підтверджено експериментально, чотирьоххвильове змішання у вакуумі може стати новим методом дослідження останнього і гіпотетичних частинок, таких як аксіони і частинки з міллізарядом, які є кандидатами на роль таємничої темної матерії. Крім того, розуміння цих взаємодій може призвести до прогресу у фізиці високоінтенсивних лазерів і розробці нових технологій, заснованих на маніпулюванні квантовим вакуумом.

Перспектива експериментального підтвердження підкріплюється розробкою лазерних установок нового покоління, здатних досягати необхідних інтенсивностей. Серед установок, які можуть перевірити ці прогнози — Extreme Light Infrastructure (ELI) в Європі з її багатопетаватними лазерними системами і британський проєкт Vulcan 20-20, спрямований на модернізацію лазера Vulcan до 20 петават. Ці потужні лазери можуть відтворити умови, змодельовані командою з Оксфорда, що дасть змогу безпосередньо спостерігати світло, що виходить із квантового вакууму.

Цікавим аспектом моделювання є чутливість явища до часу та форми лазерних імпульсів. Регулюючи ці параметри, дослідники можуть контролювати ефективність і характеристики генерованого світла, що дає їм універсальний інструмент для вивчення ефектів квантового вакууму. Такий рівень контролю може мати вирішальне значення для розробки експериментів з виявлення тонких сигналів, що вказують на нову фізику за межами Стандартної моделі.

Стандартна модель — це основоположна теорія у фізиці частинок, яка описує взаємодію всіх відомих фундаментальних частинок і сил, за винятком гравітації. Вона охоплює такі частинки, як кварки, електрони і нейтрино, а також такі поняття, як електромагнетизм, сильні і слабкі ядерні сили.

Таким чином, успішне моделювання чотирьоххвильового змішання у вакуумі є важливим кроком на шляху до розуміння і використання його властивостей. З появою надпотужних лазерних установок можливість спостереження світла, що виходить з порожнього простору, переходить з області теоретичних спекуляцій в область експериментальної реальності, відкриваючи нові можливості для досліджень у галузі фундаментальної фізики.

Раніше Фокус писав про те, чи існує звук у космосі. У деяких фантастичних фільмах звучить фраза, що ніхто не почує ваш крик у космосі. Але чи правда це?

Також Фокус писав про виявлення космічних дисків, що формують планети. Унікальними знімками небесних об'єктів поділилися вчені, виділивши природу незвичайних форм деяких із них, що може допомогти науці визначати ймовірність появи майбутніх планет.