Фізики створили світло з нічого, але лише в квантовій симуляції

Ця модель відкриває шлях до експериментів, які можуть підтвердити давню теорію про те, що вакуум не є порожнім, а є джерелом віртуальних частинок, розповідає 24 Канал з посиланням на ZMEScience.

Квантовий вакуум: не порожнеча, а джерело частинок

Згідно з сучасними уявленнями, усі елементарні частинки та весь наш матеріальний і нематеріальний світ є проявами квантових полів. По суті, усі частинки у Всесвіті є віртуальними, а вакуум постійно генерує пари електрон-позитрон, які з’являються та зникають занадто швидко, щоб їх можна було виявити сучасними приладами.

Лише нещодавно вчені наблизилися до створення лазерів потужністю 100 петават і більше, здатних впливати на світ на такому фундаментальному рівні, що навіть вакуум (квантові поля) починає реагувати.

Симуляція чотири хвильового змішування у вакуумі

Робота британських та португальських дослідників допоможе експериментально зафіксувати ці явища. Їхній симулятор відтворив ефект, відомий як чотири хвильове змішування у вакуумі (Vacuum Four-Wave Mixing, FWM), який є нелінійним оптичним процесом, що відбувається у вакуумі при взаємодії чотирьох електромагнітних хвиль на квантовому рівні.

На відміну від класичного FWM, що зазвичай відбувається в середовищах із вираженою нелінійністю, таких як кристали чи гази, вакуумне FWM спричинене ефектами квантової електродинаміки (QED), зокрема віртуальними парами електрон-позитрон, що виникають через принцип невизначеності Гейзенберга.

Як працювала симуляція

Експеримент у симуляції базувався на відтворенні ефекту розсіювання фотон-фотон. Два лазерні промені потужністю у сотні петават (зелені на ілюстрації) перетиналися в одній точці з лазером поляризації меншої потужності (червоний).

Цей лазер поляризував вакуум, створюючи умови для розсіювання фотонів на віртуальних частинках, у результаті чого виник четвертий промінь (фіолетовий на ілюстрації) з іншими характеристиками – довжиною хвилі та рівнем енергії. При цьому дотримувалися закони збереження енергії та імпульсу.

Значення моделі для майбутніх експериментів

Представлена модель стала першою симуляцією з часовою роздільною здатністю, що показала, як саме потрібно налаштувати експеримент з ультраточними параметрами – орієнтацією, фокусом та іншими характеристиками променів, які перетинаються.

Модель чітко вказала, як це реалізувати та де спостерігати результат, що може стати основою для реальних експериментів. Дослідники, які прагнуть отримати Нобелівську премію з фізики, можуть ознайомитися з деталями симуляції в статті, опублікованій у журналі Communications Physics.