Свет из "ничего": как ученые заглянули в квантовый вакуум

Изображение Luis Dalvan via Pexels

Ученые из Оксфордского университета и Instituto Superior Tecnico (Лиссабон) совершили прорыв, создав 3D-модель взаимодействия мощнейших лазерных лучей с квантовым вакуумом. Квантовый вакуум – это не просто пустота, а пространство, наполненное постоянно возникающими и исчезающими парами частиц, электронов и позитронов. Результаты их работы, опубликованные в журнале Communications Physics, позволяют нам увидеть, как свет появляется буквально из "темноты", что с точки зрения классической физики кажется настоящим чудом.

Используя продвинутую версию программы OSIRIS (предназначенную для моделирования сцен на открытом воздухе и инфракрасных изображений), исследователи воссоздали процесс, известный как "вакуумное четырехволновое смешение". В этом процессе мощные лазерные импульсы воздействуют на виртуальные частицы в вакууме, заставляя фотоны взаимодействовать друг с другом и создавать четвертый лазерный луч.

Квантовые эффекты – это реально

"Это не просто научное любопытство. Это важный шаг к тому, чтобы экспериментально подтвердить квантовые эффекты, которые до сих пор существовали в основном в теории", – объясняет профессор Питер Норрейс из физического факультета Оксфорда.

Важность этого исследования обусловлена тем, что сейчас в мире активно разрабатываются лазерные системы, способные генерировать невероятно мощные электромагнитные поля. Ожидается, что такие установки, как Vulcan 20-20 в Великобритании, ELI в Европе, SHINE и SEL в Китае, а также OPAL в США, достигнут мощности, достаточной для наблюдения этих редких квантовых эффектов в реальных экспериментах.

Моделирование с высокой точностью

Чтобы добиться максимальной точности, ученые использовали полуклассический численный решатель, основанный на лагранжиане Гейзенберга-Эйлера. Этот подход позволил им смоделировать два ключевых квантовых эффекта вакуума и проверить, соответствуют ли их результаты известным предсказаниям для вакуумного двулучепреломления. Вакуумное двулучепреломление – это когда свет расщепляется или меняет направление при прохождении через очень сильное электромагнитное поле.

Они протестировали как плоские, так и гауссовы лазерные импульсы и убедились, что их результаты совпадают с существующими теориями. В случае с четырехволновым смешением они использовали три гауссовых луча и смогли проследить, как формируется четвертый луч. Моделирование также показало небольшие искажения луча и позволило точно измерить, как долго длилось взаимодействие и насколько велика была область воздействия.

Что это значит для нас?

"Наша программа позволяет нам заглянуть в трехмерное пространство квантовых вакуумных взаимодействий в реальном времени, чего раньше мы не могли сделать", – говорит ведущий автор исследования Цзисинь Чжан, докторант Оксфорда. "Применив нашу модель к эксперименту с рассеянием трех лучей, мы смогли зафиксировать полный спектр квантовых сигнатур, а также получить подробную информацию об области взаимодействия и ключевых временных рамках".

Ученые сравнили свои результаты с более простыми моделями и данными прошлых исследований, чтобы убедиться в их достоверности. Ожидается, что эти инструменты помогут исследователям разрабатывать реальные эксперименты, более точно контролируя параметры лазерного излучения.

Профессор Луис Силва из Instituto Superior Técnico и Оксфордского университета отмечает: "Наш новый метод моделирования, реализованный в OSIRIS, значительно облегчит проведение экспериментов на самых передовых лазерных установках. Сочетание мощнейших лазеров, современных детекторов, передового анализа и численного моделирования открывает новую эру в изучении взаимодействия лазеров с веществом и позволяет нам расширить горизонты фундаментальной физики".

Этот инструмент моделирования также может помочь в поиске новых частиц, таких как аксионы и миллизаряженные частицы, которые считаются главными кандидатами на роль темной материи.

Источник: Oxford University, Nature

Эта статья была создана с использованием искусственного интеллекта и проверена редактором.

Мнение редакции MSReview: Это исследование открывает новые возможности для понимания фундаментальных законов физики и предоставляет мощный инструмент для экспериментов в квантовой физике. Возможность моделировать вакуумные взаимодействия позволит ученым более эффективно исследовать темную материю и другие загадочные явления Вселенной.