Можно ли увидеть, как свет буквально возникает из пустоты? Совместная команда из Оксфордского университета и Института передовых технологий в Лиссабоне провела уникальное трёхмерное моделирование в реальном времени, показывающее, что вакуум вовсе не пуст. На самом деле пространство заполнено кратковременно существующими электронно-позитронными парами, которые способны взаимодействовать с мощными лазерными импульсами.
Результаты работы опубликованы в журнале Communications Physics. Исследование проливает свет на явление, которое ранее рассматривалось лишь теоретически: взаимодействие фотонов через поляризацию виртуальных частиц вакуума. То, что происходит в этом процессе, невозможно объяснить законами классической физики и выглядит как магия — свет появляется там, где его не было.
Что такое вакуумное четырёхволновое смешение
Главный результат исследования — моделирование явления, известного как вакуумное четырёхволновое смешение. Если объяснить простыми словами, три мощных лазерных импульса, сталкиваясь в пространстве, создают электромагнитные поля, которые возбуждают виртуальные частицы. Эти частицы заставляют фотоны отскакивать друг от друга, что приводит к появлению четвёртого лазерного луча.
Профессор Питер Норрис из Оксфорда подчёркивает:
«Наше исследование приближает нас к экспериментальному подтверждению квантовых эффектов, которые десятилетиями оставались лишь на уровне теории. Мы сможем впервые наблюдать прямое взаимодействие света с вакуумом».
Сверхмощные лазеры – инструмент будущего
Для того чтобы такие эффекты можно было наблюдать, необходимы установки с мощностью в несколько петаватт. Именно поэтому исследование так актуально — по всему миру строятся новые лазерные комплексы, способные достичь этой мощности. Среди них Vulcan 20-20 в Великобритании, европейская установка ELI (Extreme Light Infrastructure), китайские проекты SHINE и SEL, а также система OPAL в США.
Эти лазеры создают электромагнитные поля колоссальной силы, сравнимые с теми, что встречаются вблизи нейтронных звёзд. Именно с их помощью можно будет напрямую наблюдать редкие квантовые эффекты в лабораторных условиях.
Как проводилось моделирование
Исследователи использовали обновлённую версию программы OSIRIS, которая обычно применяется для расчёта взаимодействий лазеров с плазмой. В неё был встроен полуклассический решатель, учитывающий принципы квантовой механики и неопределённости Гейзенберга.
Команда проверила различные сценарии, включая плоские электромагнитные волны и короткие лазерные импульсы. Модель позволила получить трёхмерное изображение процессов с временным разрешением, которое ранее было недоступно.
Ведущий автор исследования Цзысинь Чжан отметил:
«Применяя модель трёхлучевого рассеяния, мы смогли зафиксировать полный спектр квантовых сигнатур, а также детально рассмотреть область взаимодействия и временные масштабы».
Почему это важно для науки
Подобные исследования открывают новую страницу в физике. Взаимодействие света с вакуумом — это фундаментальное явление, которое до сих пор не наблюдалось напрямую. Если удастся провести экспериментальное подтверждение, это станет событием масштаба открытия бозона Хиггса.
Кроме того, данная работа может помочь в поиске новых частиц, таких как аксионы и миллизаряженные частицы, которые считаются возможными кандидатами на роль тёмной материи. Модели, подобные OSIRIS, дают учёным возможность планировать эксперименты с максимальной точностью — от выбора параметров лазера до времени импульса.
Возможные применения
Хотя сейчас речь идёт о фундаментальной науке, результаты подобных исследований могут привести к технологическим прорывам. История физики показывает, что теории, казавшиеся «чистой абстракцией», часто становились основой для технологий, изменяющих мир. Лазеры, транзисторы и оптоволокно — яркие примеры.
В будущем такие исследования могут помочь в разработке новых источников когерентного света, систем квантовой передачи данных, методов сверхточного измерения или даже способов управления светом в условиях, которые сегодня кажутся невозможными.
Следующий шаг – реальные эксперименты
Сейчас главная задача учёных — разработать экспериментальную установку, способную воспроизвести эффекты, полученные в симуляции. По словам исследователей, для этого необходимо синхронизировать три мощных лазера, настроить их фазы и форму импульсов так, чтобы можно было зафиксировать рождение четвёртого луча.
Питер Норрис резюмирует:
«Мы находимся на пороге новой эры в квантовой оптике. В ближайшие годы мы сможем наблюдать, как свет взаимодействует сам с собой в вакууме — напрямую, без посредников».