Физика высоких энергий является одним из самых актуальных направлений современной науки. Возросшие возможности ученых по созданию полей большой напряженности позволяют наблюдать эффекты, о которых раньше можно было только предполагать.
За более чем полвека развития лазерной техники ученые научились получать колоссальные плотности энергии и стали наблюдать нелинейные эффекты не только в оптических средах, но и в вакууме.
Что такое физический вакуум
Физический вакуум — это особая материальная среда, в которой отсутствуют наблюдаемые частицы, а напряженности физических полей в среднем равны нулю.
Под наблюдаемыми частицами физики подразумевают материальные объекты, обладающие определенным набором параметров: массой, энергией, импульсом и т.д. Причем их энергия и импульс должны быть связаны между собой через соотношение Эйнштейна, то есть лежать на массовой поверхности.
Существование физического вакуума было доказано с помощью таких явлений, как эффект Казимира, аномальный магнитный момент электрона и другие. Но полной модели этой среды до сих пор нет. Для описания физических основ возможности появления частиц из вакуума рассмотрим две наиболее популярные: флуктуационную и Дирака.
Флуктуационная модель физического вакуума
Согласно соотношениям неопределенности Гейзенберга, мы не можем одновременно знать положение частицы и ее импульс или определить изменение ее энергии за известный промежуток времени.
Однако это не означает, что не существует так называемых виртуальных частиц, возникающих на малых расстояниях и промежутках времени с нарушением законов сохранения энергии и импульса. У этих частиц нарушена связь между энергией и импульсом, что приводит к их выходу за пределы массовой поверхности.
В рамках этой модели физический вакуум представляет собой постоянно «кипящую» субстанцию из рождающихся и гибнущих виртуальных частиц.
Модель Дирака
В рамках модели Дирака допускается существование отрицательного корня в решении соотношения Эйнштейна для энергии и импульса частиц. В классическом рассмотрении переход частицы в состояние с отрицательной энергией невозможен, и этот корень отбрасывается как нефизический. Квантовая физика допускает такой переход за счет квантового скачка через запрещенную область.
Когда все состояния с отрицательной энергией заполнены, образуется так называемое море Дирака. Для частиц с полуцелым спином (фермионов) такая сверхплотная заселенность допустима. Реальные частицы представляют собой возбуждения над морем Дирака, и при его полной заселенности переход из состояния с положительной энергией в состояние с отрицательной невозможен.
Процесс рождения частиц из вакуума
Сильные электромагнитные поля способны влиять на интенсивность флуктуаций вакуума и, следовательно, на плотность виртуальных частиц. Фотоны могут выбить фермионы из моря Дирака, что приводит к рождению электрон-позитронной пары. Этот эффект был теоретически обоснован Джулианом Швингером в 1951 году.
Под воздействием сильного электрического поля энергетическая щель между областью отрицательных энергий и областью наблюдаемых значений скашивается, формируя потенциальный барьер треугольной формы.
В квантовой механике описывается явление, когда частица с некоторой вероятностью может проникнуть через потенциальный барьер (туннельный эффект).
Расчеты показали, что вероятность этого события невелика, и для получения наблюдаемого эффекта нужны электрические поля с напряженностью выше 10 в 16 степени В/см. Эту величину назвали пределом Швингера. В пересчете на интенсивность электромагнитного поля, формируемого лазером, эта величина составляет 10 в 29 степени Вт/см2.
В 50-е годы XX века настолько высокие энергии были недостижимы, но в наши дни ситуация поменялась. В лабораториях появились петаваттные (10 в 15 степени Ватт) лазеры, способные генерировать импульсы длительностью 10-15 с. В частности, исследователям из Центра релятивистских лазерных исследований в республике Корея на лазере CoReLS удалось получить интенсивность 10 в 23 степени Вт/см2.
Схема лазерной установки
Для получения настолько высоких интенсивностей лазерного излучения необходимо тщательно контролировать волновой фронт. Также критически важно получить пятно лазерного излучения с как можно меньшим, близким к дифракционному, размером.
Контроль волнового фронта в установке корейских ученых осуществлялся с помощью датчиков Шака-Гартмана на двух позициях: перед импульсным компрессором и в камере с мишенью. Коррекцию осуществляли с помощью адаптивных зеркал.
С помощью внеосевого параболического зеркала удалось сфокусировать излучение в пятно диаметром 1,1 мкм, близкое к идеальному.
В результате измерений было обнаружено, что интенсивность излучения колеблется от 0,2·10 в 23 степени до 1,1·10 в 23 степени Вт/см2. Исследователи связывают это с колебаниями волнового фронта при распространении лазерного луча в воздухе и его наведении.
Что дает достижение корейских ученых
С одной стороны, достигнутая величина интенсивности лазерного излучения на шесть порядков ниже предела Швингера. С другой, эту величину можно снизить, используя встречные пучки и многоимпульсное воздействие. Согласно расчетам, исследование квантово-электродинамических явлений становится возможным уже при энергиях, превышающих 10 в 23 степени Вт/см2.
Конечно, говорить о полноценной генерации материи пока рано: исследователи только-только подходят к преодолению предела Швингера, и для этих целей используются установки, занимающие целое помещение.
Но дальнейшие исследования в этом направлении позволят лучше понять природу окружающего нас пространства или даже иначе взглянуть на процесс зарождения материи во Вселенной.
Источники:
- Смолянский С.А. Вакуумное рождение частиц в сильных электромагнитных полях. Соровский образовательный журнал, Том 7, № 2, 2001.
- Смолянский С.А. и др. Некоторые проблемы кинетического описания вакуумного рождения частиц в сильных полях. Вестник Самарского техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. Науки, № 2 (31), 2013.
- Jin Woo Yoon at all. Realization of laser intensity over 1023 W/cm2. Optica, Vol. 8 № 5, May 2021
Подписывайтесь на канал, чтобы не пропустить новых публикаций о современных исследованиях с помощью лазерных технологий.
