В глубинах космоса есть места, где нет ни звезд, ни пыли, ни атомов. Кажется, что это абсолютное ничто. Но физики убеждены: даже там пространство бурлит невидимой жизнью. Они собираются ударить по этой пустоте мощнейшими лазерами в истории и посмотреть, что скрывается внутри. Если задумка сработает, человечество впервые увидит призрачные частицы, которые могут объяснить тайну темной энергии и переписать основы физики.
Долгое время пустоту считали своего рода небытием. Но в XX веке квантовая теория разрушила это представление. Вакуум оказался не пустым, а наполненным «виртуальными частицами» — микроскопическими всплесками энергии, которые появляются и исчезают быстрее, чем успевает их заметить любой прибор.
Эти частицы невозможно потрогать, но они необходимы для квантовой электродинамики (QED) — теории, объясняющей, как свет взаимодействует с электроном. Еще в 1930-е годы физики заметили, что расчеты сходятся только в том случае, если учитывать все возможные траектории частиц, даже те, которые невозможно реализовать в реальности. Так возникла идея виртуальных частиц — математически необходимых, но как будто «нереальных».
Ученые давно догадываются: если создать электрическое поле достаточной мощности, виртуальные частицы можно вырвать в реальность. Этот порог энергии называют пределом Швингера — по имени Нобелевского лауреата Джулиана Швингера.
Сегодня у человечества появился инструмент, который способен приблизиться к этому пределу — гигантский лазерный комплекс Extreme Light Infrastructure (ELI) в Румынии.
Ничто, которое не пусто
Представьте точку в космосе, удаленную от Земли на многие световые годы. Там нет ни звездных туманностей, ни одиноких атомов, ни крошечных пылинок. Кажется, что перед нами абсолютная пустота. Но квантовая физика говорит: даже это пространство наполнено бесконечно малым движением.
Виртуальные частицы существуют всегда, но их нельзя обнаружить напрямую. Они возникают парами: электрон и его антиматериальный близнец позитрон, мгновенно сталкиваются и исчезают. Чтобы увидеть их, нужен источник энергии, способный буквально «разорвать» вакуум.
Что такое предел Швингера
Порог, при котором пустота перестает быть пустотой, и виртуальные частицы вырываются наружу, физики называют пределом Швингера. Для этого нужно сконцентрировать в объеме размером с атом энергию, сравнимую с миллиардом мощностей всех электростанций Земли.
Задача звучит безумно. Но если энергию накопить и высвободить ее мгновенно в форме света, теоретически можно достичь этой точки. Именно поэтому на сцену выходят лазеры.
От первых лазеров до гигантов
Первые лазеры были далеки от таких возможностей. Физики долго искали материалы, которые выдержали бы огромные нагрузки. Прорыв случился в 1985 году, когда Жерар Муру и Донна Стрикленд нашли способ растягивать лазерные импульсы, а потом сжимать их обратно. Этот метод позволил многократно усилить мощность без разрушения устройства. За эту технологию ученые получили Нобелевскую премию по физике в 2018 году.
Муру пошел дальше. Он задался вопросом: если лазеры можно сделать столь мощными, то можно ли с их помощью достичь предела Швингера? Так родился проект Extreme Light Infrastructure.
Лазерный гигант Европы
В 2005 году Европейский союз поддержал идею создания комплекса лазеров невероятной мощности. Бюджет превысил 850 миллионов евро. Проект развернули сразу на трех площадках, а одна из главных находится под Бухарестом в Румынии. Там установили два лазера мощностью десять петаватт каждый. Это одни из самых мощных лазеров на планете.
Физики постепенно повышают их мощность, приближаясь к пределу Швингера. Но дело не только в виртуальных частицах. Эти эксперименты могут помочь разобраться в самой загадочной субстанции во Вселенной — темной энергии. Она ускоряет расширение космоса, но ее природа до сих пор неизвестна. Некоторые ученые считают, что темная энергия связана с энергией виртуальных частиц вакуума.
Неожиданные загадки
Если лазерам удастся превратить виртуальные частицы в реальные, это откроет новое окно в космологию. Но экспериментаторы не исключают побочных эффектов. Например, лавины электронно-позитронных пар. В 2010 году команда Муру подсчитала, что новые частицы могут начать закручиваться вокруг лазерного луча и порождать новые пары, создавая каскадный эффект. Такое явление интересно астрофизикам, но оно мешает достичь настоящего предела Швингера.
Теоретики нашли выход. Сергей Буланов, работающий в Чехии, показал: если сделать лазер не круговой, а линейно поляризованный, лавину удастся сдержать. Это значит, что достижение предела все же возможно.
Лазеры будущего
Сегодня ученые ищут разные способы повысить интенсивность света. Одна идея — пересекать несколько лазерных лучей, усиливая мощность в месте их встречи. Другая — использовать «летающее зеркало»: волну в плазме электронов, движущуюся почти со скоростью света, которая сжимает длину волны отраженного луча. Буланов уже провел первые эксперименты, подтверждающие работоспособность концепции.
Есть и альтернативные подходы. В 2018 году группа Стюарта Мэнглза в Лондоне столкнула лазерный импульс с пучком электронов. Это увеличило энергию взаимодействия и позволило наблюдать процесс, в котором электроны испускают фотоны, поглощая сразу множество других фотонов. Такой режим работы находится на грани возможностей QED и тоже ведет к пределу Швингера.
Космические параллели
Лазеры ELI помогут объяснить вспышки гамма-лучей и быстрые радиовсплески — загадочные явления, которые астрономы фиксируют в небе. Иногда такие вспышки ярче Солнца в тысячи раз. Ученые подозревают, что их источником могут быть плазмы из электронов и позитронов. Лазеры способны создать такие плазмы в лаборатории и позволить исследовать их поведение.
Что за пределом теории
Квантовая электродинамика невероятно точна в расчетах взаимодействий фотонов и электронов. Но за пределом Швингера теория перестает работать. Траектории виртуальных частиц становятся слишком запутанными, и формулы теряют смысл. Что произойдет дальше — открытый вопрос. Именно поэтому физики с таким нетерпением ждут первых экспериментов.
Post Scriptum
Гигантские лазеры в Румынии — это не просто очередная установка. Это шанс впервые заглянуть за кулисы мироздания. Если виртуальные частицы станут реальными, мы сможем лучше понять темную энергию, происхождение космических вспышек и даже границы самой квантовой теории.
Жерар Муру уверен, что человечество найдет способ достичь предела Швингера. Его слова звучат как вызов: «Мы обязательно придумаем, как это сделать». И если он прав, ближайшие годы станут для физики временем, когда «ничто» перестанет быть пустотой.
-----
Смотрите нас на youtube. Еще больше интересных постов на научные темы в нашем Telegram.
Заходите на наш сайт, там мы публикуем новости и лонгриды на научные темы. Следите за новостями из мира науки и технологий на странице издания в Google Новости