Современные лазерные технологии позволяют ученым буквально заглянуть в «пустой» вакуум Вселенной — и, как оказалось, он вовсе не так пуст, как кажется. Новое исследование, проведенное специалистами из Оксфордского университета и Высшего технического института Португалии, впервые продемонстрировалов реальном времени трехмерное моделирование возбуждения квантового вакуума с помощью сверхмощных лазеров.
Согласно квантовой теории поля, даже в полной пустоте постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы, включая пары электронов и позитронов. Именно в этой «бурлящей» квантовой среде и происходит то, что ранее считалось невозможным: фотоны начинают взаимодействовать друг с другом.
Свет из ничего: эффект четырехволнового смешения в вакууме
В центре исследования — редчайший нелинейный процесс, называемый вакуумным четырехволновым смешением (vacuum four-wave mixing), предсказанный в рамках квантовой электродинамики. Ученые смоделировали сценарий, в котором три интенсивных сфокусированных лазерных импульса сходятся в одной точке. Их комбинированные электромагнитные поля настолько мощны, что начинают толкать виртуальные частицы в вакууме, вызывая фотон-фотонное рассеяние — редкое и фундаментальное явление в квантовой механике.
Результат? Появляется четвертый фотон, не входивший ни в один из исходных лучей. Иными словами, свет рождается из «ничего» — ключевое предсказание теоретической физики, теперь впервые воспроизведенное в численном эксперименте.
Шаг к подтверждению квантовой реальности
«Это не просто академическое любопытство — это важный шаг на пути к экспериментальному подтверждению квантовых эффектов, которые до сих пор были в основном теоретическими», — отметил соавтор исследования, профессор Питер Норрейс с кафедры физики Оксфордского университета.
Исследование проходит на фоне активного запуска нового поколения экстремальных лазерных установок, способных достигать интенсивностей, необходимых для воспроизведения этих квантовых феноменов в лабораторных условиях. Среди них — Vulcan 20-20 в Великобритании, станция SHINE и Station for Extreme Light (SEL) в Китае, а также европейская инфраструктура ELI.
Особое значение имеет проект OPAL 25 PW в Университете Рочестера (США), где фотон-фотонное рассеяние включено в список трех флагманских экспериментов. Это может привести к экспериментальному подтверждению одного из фундаментальных аспектов квантовой теории поля.
OSIRIS нового поколения: численная физика будущего
Ключом к достижению результата стала модернизированная версия OSIRIS — передового программного пакета для численного моделирования взаимодействия лазеров с веществом и плазмой, используемого в прикладной физике и интердисциплинарных исследованиях.
«Наша программа позволяет наблюдать за взаимодействиями в квантовом вакууме с временным разрешением, в полном 3D. Ранее это было недоступно», —
пояснила ведущая автор исследования, Зиксин (Лили) Чжан, докторант кафедры физики Оксфорда.
Ученые смоделировали рассеяние трех лазерных пучков, получив полный спектр квантовых сигнатур и возможность отслеживать эволюцию взаимодействий во времени. Это включает тонкие эффекты, вызванные геометрическими асимметриями пучков, и позволяет разрабатывать реалистичные протоколы экспериментов, включая синхронизацию импульсов и формы фокусировки, включая летящие фокусы и экзотические конфигурации.
В поисках новой физики и темной материи
Исследование не ограничивается проверкой теорий. Его результаты могут сыграть роль в охоте за частицами темной материи — например, аксионами и миллизаряженными частицами, чье существование предсказывается расширенными моделями частичной физики, но до сих пор не подтверждено.
«Широкий спектр запланированных экспериментов на самых современных лазерных установках будет в значительной степени поддержан нашим новым вычислительным методом, — отметил профессор Луис Силва (Instituto Superior Técnico, Университет Лиссабона), соавтор статьи и приглашенный профессор Оксфорда. — Сочетание мощных лазеров, передовых детекторов и численного моделирования открывает путь к новой эре фундаментальной физики».