Ученые смогли воспроизвести эффекты квантового вакуума в лабораторных условиях.

Благодаря использованию современных методов вычислительного моделирования, команда исследователей под руководством Оксфордского университета впервые в истории смогла наблюдать в режиме реального времени провела трехмерное моделирование того, как интенсивные лазерные лучи изменяют «квантовый вакуум» — состояние, которое раньше считалось пустым, но которое, как предсказывает квантовая физика, наполнено виртуальными электронно-позитронными парами. Результаты опубликованы в журнале Communications Physics.

Воссоздание этого необычного явления, предсказанного квантовой физикой и известного как четырехволновое смешение в вакууме, кажется поразительным. Согласно этой концепции, совместное электромагнитное поле, создаваемое тремя сфокусированными лазерными импульсами, способно поляризовать виртуальные электронно-позитронные пары, присутствующие в вакууме. В результате фотоны начинают взаимодействовать, как бильярдные шары, и формируется четвертый лазерный луч, что демонстрирует генерацию света из вакуума. Изучение подобных эффектов может быть ценным для исследования новых физических явлений при экстремально высоких интенсивностях.

Читайте также:  Инженерию живых систем обсудят в МГУ 8-10 ноября

«Это выходит далеко за рамки простого академического интереса — это значительный прогресс в направлении экспериментальной проверки квантовых эффектов, которые ранее существовали преимущественно в теории», — отметил соавтор исследования профессор Питер Норрейс.

Эта работа стала особенно актуальной в связи с началом эксплуатации нового поколения высокомощных лазеров. Эти установки позволят достичь необходимой мощности для экспериментальной проверки взаимодействия фотонов друг с другом в лабораторных условиях. Для моделирования использовалась обновленная версия OSIRIS — программного пакета, предназначенного для имитации воздействия лазерных импульсов на вещество или плазму.

Зиксин Чжан, ведущий автор работы, отметила: «Наша компьютерная программа предоставляет трехмерное представление квантового взаимодействия вакуума, которое до этого было недоступно. Используя нашу модель для анализа эксперимента с трехлучевым рассеянием, мы смогли зарегистрировать полный спектр квантовых характеристик и детально исследовать область взаимодействия, а также определить основные временные рамки. После тщательной проверки моделирования мы можем сосредоточиться на более сложных исследовательских задачах, таких как изучение экзотических структур лазерных пучков и импульсов с летающей фокусировкой».

Читайте также:  Разработана молекула, имитирующая фотосинтез

Эти модели имеют решающее значение, поскольку они предоставляют экспериментаторам сведения о факторах, определяющих создание точных и реалистичных испытаний, включая характеристики лазеров и длительность импульсов. Моделирование также расширяет возможности исследования, позволяя изучить динамику этих взаимодействий в реальном времени и оценить влияние незначительных геометрических отклонений в пучке на конечный результат.

Команда полагает, что этот инструмент пригодится не только для планирования будущих экспериментов с высокоэнергетическими лазерами, но и может оказаться полезным при поиске признаков гипотетических частиц, например аксионов и миллизарядных частиц, которые рассматриваются как возможные компоненты темной материи.

Читайте также:  Ученые изучают распространение микробов в коралловых рифах с помощью новых методов.

Профессор Луис Сильва, один из соавторов исследования, отметил, что новый вычислительный метод, интегрированный в OSIRIS, позволит существенно упростить проведение широкого круга экспериментов на самых современных лазерных комплексах. Объединение сверхинтенсивных лазеров, современных методов детектирования, передового аналитического и численного моделирования станет основой для новой эры в изучении взаимодействия лазера с веществом, открывая перспективные направления в фундаментальной физике».

[Фото: Zixin (Lily) Zhang / Oxford University]