Ученые смоделировали появление луча света из пустоты вакуума: как им это удалось

Об этом пишет The Debrief.

Это явление, известное как четырехволновое смешение в вакууме, на протяжении десятилетий было теоретическим предсказанием в квантовой физике. Теперь исследователи из Оксфордского университета успешно смоделировали этот эффект в трехмерных моделях в реальном времени, приблизив эту концепцию к экспериментальной проверке.

У Фокус.Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и увлекательные новости из мира науки!

Исследование, опубликованное в журнале Communications Physics, было проведено под руководством докторанта Зиксина Чжана и профессора Питера Норрейса из физического факультета Оксфордского университета. В сотрудничестве с Instituto Superior Técnico при Лиссабонском университете команда использовала усовершенствованную версию симуляционной платформы OSIRIS для моделирования взаимодействия интенсивных лазерных лучей с квантовым вакуумом.

Их симуляции продемонстрировали, что когда три высокоэнергетических лазерных импульса пересекаются в точной фокальной точке, они могут поляризовать виртуальные электрон-позитронные пары, которые, согласно квантовой теории, заполняют вакуум. Эта поляризация приводит к рассеиванию фотонов, в результате чего появляется четвертый лазерный луч — процесс, при котором свет, казалось бы, возникает из темноты.

Квантовая электродинамика предполагает, что вакуум не является действительно пустым, а представляет собой бурлящее поле переходных виртуальных частиц. Под воздействием сильных электромагнитных полей, таких как те, которые создаются мощными лазерами, эти виртуальные частицы могут влиять на поведение фотонов, приводя к нелинейным взаимодействиям, таким как рассеяние фотонов. Этот эффект аналогичен столкновению бильярдных шаров, когда траектории фотонов изменяются из-за взаимодействий, опосредованных поляризованным вакуумом.

Если оно будет подтверждено экспериментально, четырехволновое смешение в вакууме может стать новым методом исследования последнего и гипотетических частиц, таких как аксионы и частицы с миллизарядом, которые являются кандидатами на роль таинственной темной материи. Кроме того, понимание этих взаимодействий может привести к прогрессу в физике высокоинтенсивных лазеров и разработке новых технологий, основанных на манипулировании квантовым вакуумом.

Перспектива экспериментального подтверждения подкрепляется разработкой лазерных установок нового поколения, способных достигать необходимых интенсивностей. Среди установок, которые могут проверить эти прогнозы — Extreme Light Infrastructure (ELI) в Европе с ее многопетаваттными лазерными системами и британский проект Vulcan 20-20, направленный на модернизацию лазера Vulcan до 20 петаватт. Эти мощные лазеры могут воссоздать условия, смоделированные командой из Оксфорда, что позволит непосредственно наблюдать свет, исходящий из квантового вакуума.

Интересным аспектом моделирования является чувствительность явления к времени и форме лазерных импульсов. Регулируя эти параметры, исследователи могут контролировать эффективность и характеристики генерируемого света, что дает им универсальный инструмент для изучения эффектов квантового вакуума. Такой уровень контроля может иметь решающее значение для разработки экспериментов по обнаружению тонких сигналов, указывающих на новую физику за пределами Стандартной модели.

Стандартная модель - это основополагающая теория в физике частиц, которая описывает взаимодействие всех известных фундаментальных частиц и сил, за исключением гравитации. Она включает в себя такие частицы, как кварки, электроны и нейтрино, а также такие понятия, как электромагнетизм, сильные и слабые ядерные силы.

Таким образом, успешное моделирование четырехволновое смешение в вакууме является важным шагом на пути к пониманию и использованию его свойств. С появлением сверхмощных лазерных установок возможность наблюдения света, исходящего из пустого пространства, переходит из области теоретических спекуляций в область экспериментальной реальности, открывая новые возможности для исследований в области фундаментальной физики.

Также Фокус писал об обнаружении космических дисков, формирующих планеты. Уникальными снимками небесных объектов поделились ученые, выделив природу необычных форм некоторых из них, что может помочь науке определять вероятность появления будущих планет.