3 Minuten
Kvantinės tuštumos tyrinėjimai: kaip iš „tuščios“ erdvės gimsta šviesa
Mokslininkai pasiekė svarbų proveržį kvantinės fizikos srityje – pažangiais kompiuteriniais modeliavimais jie pademonstravo, kad iš vakuumo galima išgauti realią šviesą, naudojant nepaprastai galingus lazerius. Šis bendras Oksfordo universiteto ir Lisabonos universiteto tyrimas atskleidžia naujas įžvalgas apie šviesos ir materijos kilmę iš to, kas atrodo visiška tuštuma, tuo pačiu kelia iššūkių mūsų esminiam kvantinės elektrodinamikos (QED) supratimui.
Mokslinis kontekstas: kvantinė tuštumos prigimtis
Tradiciškai vakuumas laikomas visišku tuštumu. Tačiau kvantinių laukų teorija rodo, kad tuščia erdvė nėra visai tuščia – čia nuolat kyla trumpalaikiai „virtualūs dalelės“, kurios akimirksniu atsiranda ir išnyksta. Tokie kvantiniai fluktuacijos – tai energijos laukų sąveikos, kurios grindžia visus visatos reiškinius, įskaitant elektromagnetinį lauką, atsakingą už šviesą ir fotonų elgseną. Fizikai jau seniai kėlė hipotezę, kad esant ypatingoms sąlygoms, virtualios dalelės gali būti pažadintos į realius reiškinius, pavyzdžiui, tikrus fotonus.
Neįmanomo modeliavimas: itin intensyvių lazerių taikymas
Tam, kad ištirtų šį reiškinį, tyrėjai pasitelkė pusiau klasikinį lygčių sprendiklį – skaitmeninį įrankį, modeliuojantį kvantinius efektus trimatėje erdvėje ir realiu laiku. Modeliavimo esmė buvo ištirti, kas nutinka, kai trys itin galingi lazerių impulsai, kiekvienas išspinduliuojantys petavatų galią per mažus sekundės trupmenis, susikerta vakuume. Modeliai numatė keturių bangų maišymo procesą: trijų lazerių sąveika sukuria pakankamai stiprų elektromagnetinį lauką, kuris pakeičia kvantinį vakuumą ir priverčia virtualius fotonus materializuotis kaip realų, aptinkamą ketvirtą lazerio spindulį.
Kaip pažymėjo Oksfordo universiteto fizikas ir tyrimo grupės vadovas profesorius Peter Norreys: „Tai ne tik teorinė smalsybė – tai pagrindinis žingsnis link eksperimentinio kvantinių efektų patvirtinimo, kurie iki šiol egzistavo tik teoriškai.“ Šie rezultatai leidžia ilgai kurtoms teorijoms pereiti į apčiuopiamą lygmenį ir rodo, kad kvantiniai efektai, anksčiau laikyti neaptinkamais, greitai gali tapti laboratorinių tyrimų objektu.
Keturios bangų sąveikos ir fotonų-fotonų sklaida: kelias į naują fiziką
Pagrindinis šio tyrimo reiškinys – fotonų-fotonų sklaida per keturių bangų maišymą. Standartinėmis sąlygomis fotonai, šviesos dalelės, tarpusavyje nesąveikauja. Tačiau kvantinė elektrodinamika prognozuoja, kad esant pakankamai dideliai energijai, kaip stiprus elektromagnetinis laukas, sukuriamas intensyvių lazerių, fotonai gali sklaidytis vieni į kitus. Nors mokslininkai šio efekto ieškojo dešimtmečius, tiesioginis eksperimentinis patvirtinimas išliko nepasiekiamas.
Pagrindinė straipsnio autorė Zixin Zhang paaiškino: „Modeliuodami trijų spindulių sąveiką, galėjome užfiksuoti visą spektrą kvantinių požymių ir detalizuoti sąveikos regioną bei svarbiausius laiko intervalus.“ Šie modeliai ne tik sustiprina teorines prognozes, bet ir leidžia tiksliai nustatyti eksperimentų parametrus – tai gali atverti duris proveržiams kvantinės optikos ir vakuumo fizikos srityse.
Aukštos galios lazerių eksperimentų perspektyvos
Nors dabartiniai rezultatai gauti tik iš modeliavimų, naujos kartos lazerių technologijos atsiradimas atveria unikalių galimybių kvantiniams eksperimentams. Rumunijoje veikiantis „Extreme Light Infrastructure“ (ELI) kompleksas turi pažangiausius didelės galios lazerius, šiuo metu pasiekiančius 10 petavatų impulsinius galios rekordus. Tuo tarpu JAV, Ročesterio universiteto EP-OPAL projektas siekia išgauti 25 petavatų spindulius, specialiai skiriamais fotonų-fotonų sklaidai. Kinijoje SHINE (Shanghai High repetition rate X-ray Free Electron Laser and Extreme Light Facility) planuoja pasiekti net 100 petavatų galios naudodama laisvųjų elektronų lazerių technologiją.
Šiuos projektus išskiria tai, kad kuriami itin gryni fotonų spinduliai, leidžiantys generuoti reikiamus elektromagnetinius laukus be trukdžių dėl kitų dalelių. Tokie eksperimentai gali pirmą kartą aiškiai pademonstruoti šviesos generavimą iš vakuumo – įrodydami, kad kažkas gali atsirasti iš to, kas buvo laikoma niekuo.
Išvados
Šis revoliucinis modeliavimas suteikia naują aiškumą kvantinei prognozei: galingų lazerių sąveika leidžia sukurti šviesą iš vakuumo, o teorija tampa patikrinta moksline realybe. Didėjant lazerių galioms ir pasauliui siekiant įgyvendinti vis ambicingesnius eksperimentus, galimybė tiesiogiai stebėti šviesos gimimą iš kvantinės tuštumos tampa vis artimesnė. Tai kardinaliai pakeis mūsų supratimą apie erdvę, energiją ir Visatos sandarą.
Kommentare