Вперше світло виникає з нічого, коли надзвичайно потужні лазери зустрічаються з квантовим вакуумом. Вчені з Оксфордського університету змоделювали спосіб викликати світло, ніби з повітря. Їхня робота досить захоплива, оскільки вона спирається на одне з найдивніших передбачень квантової фізики, яке полягає в тому, що порожній простір насправді не є порожнім.
Використовуючи потужне комп’ютерне моделювання, команда відтворила невловиме явище, коли інтенсивні лазерні промені порушують так званий квантовий вакуум, спричиняючи реальні, спостережувані ефекти, такі як створення світла без будь-яких атомів, пилу чи фізичної матерії.
Це досягнення свідчить про те, що у безмежній порожнечі космосу існує прихований танець частинок, які ми не можемо побачити чи доторкнутися. Щобільше, це перший крок до маніпулювання самим вакуумом. Автори дослідження стверджують, що це може мати далекосяжні наслідки для фізики високих енергій, передових лазерних систем та нашого розуміння реальності.
Створення світла з нічого
Щоб зрозуміти, чого досягли дослідники, спочатку потрібно забути те, що ви, на вашу думку, знаєте про вакуум. У класичній фізиці вакуум — це просто порожня коробка — без повітря, без частинок, без світла. Однак квантова фізика стверджує протилежне. Навіть найпорожніший простір наповнений швидкоплинними віртуальними частинками, особливо парами електронів і позитронів, які мерехтять, з’являються та зникають за лічені миті. «Квантовий вакуум заповнений енергетичними коливаннями, з яких виникають віртуальні електрон-позитронні пари», – зазначають автори дослідження.
Ці пари зазвичай неспостерігаються, але за певних умов вони можуть взаємодіяти з реальною енергією та проявляти себе. Саме це й намагалися змоделювати дослідники. Вони використовували потужну програму під назвою OSIRIS для запуску складних 3D-моделювань; уявіть собі її як віртуальну лабораторію, де правила квантової фізики детально розкриваються.
Їхньою метою було відтворити теоретичне явище, яке називається вакуумним чотирихвильовим змішуванням. Ось як це працює: коли кілька променів лазерного світла (три в цьому випадку) перетинаються у вакуумі, віртуальні частинки в цьому просторі можуть поляризуватися під дією інтенсивної енергії. Ця поляризація дозволяє лазерним променям змішуватися та формувати нові світлові хвилі, навіть якщо жодного матеріалу не додано. Це ніби нове світло народжується з поля невидимих, мерехтливих частинок.
У симуляції використовувалися лазери рівня петаватів, які є одними з найпотужніших променів, які коли-небудь уявляли. Петават – це мільйон мільярдів ват, або приблизно сумарна потужність десяти трильйонів лампочок. Хоча дослідники не запускали справжні лазери в лабораторії, вони провели детальне симуляції, яке показало, що станеться, якщо вони це зроблять, і те, що вони виявили, було приголомшливим.
Лазерні промені могли, через квантовий вакуум, змінювати напрямок, змішувати і навіть створювати нове світло — щось, що ніколи раніше не спостерігалося безпосередньо. Ще одним цікавим результатом було вакуумне подвійне променезаломлення. У звичайній оптиці подвійне променезаломлення виникає, коли світло заломлюється або розщеплюється під час проходження через кристал.
Однак у цьому випадку кристал був лише вакуумом, спотвореним лазерною енергією. Поляризація світла змінювалася, оскільки віртуальні частинки (електрони та позитрони) розтягувалися та оберталися під дією інтенсивних полів. Цей дивний оптичний ефект (вакуумне двопроменезаломлення) був передбачений десятиліття тому, але досі ніколи не демонструвався, навіть у симуляціях.
Порожнеча може пояснити багато таємничих концепцій
Якщо фізичні експерименти будуть успішними, поточна дослідницька робота може допомогти вченим вивчати фізику за межами Стандартної моделі, включаючи природу темної енергії, структуру простору-часу та те, як світло та матерія взаємодіють при екстремальних енергіях. Це може навіть призвести до технологій, які контролюють світло з безпрецедентною точністю.
Однак квантові ефекти, змодельовані тут, неймовірно делікатні та їх важко спостерігати в шумному лабораторному середовищі. Крім того, дослідники говорять про лазери, настільки потужні, що можуть випаровувати більшість матеріалів, тому знадобиться деякий час, перш ніж вчені знайдуть відповідну установку для проведення таких експериментів. Саме це робить такі симуляції такими цінними. Вони допомагають вченим звузити коло необхідних умов, перш ніж проводити дорогі та ризиковані експерименти.
Автори дослідження тепер сподіваються застосувати свій віртуальний підхід для вивчення більш екзотичних форм імпульсів та шаблонів лазерного променя. Їхні симуляції слугуватимуть дороговказом для майбутніх експериментів і, можливо, допоможуть нам навчитися перетворювати ніщо в космосі на щось, починаючи з променя світла. Дослідження опубліковане в журналі Communications Physics.