Свет, исходящий из вакуумных трубок. Источник: Роб Робинетт / CC BY-SA 4.0
В ходе новаторского исследования физики продемонстрировали, что свет может возникать из того, что кажется «пустотой», воплощая в жизнь давнее предсказание квантовой теории.
С помощью передовых методов моделирования исследователи из Оксфордского университета и португальского Высшего технического института показали, как мощные лазерные лучи могут возмущать космический вакуум и вызывать появление видимого света из, казалось бы, «ничего».
Эта симуляция стала первым случаем, когда учёные визуализировали это явление в реальном времени и в трёх измерениях. Результаты подтверждают, что даже вакуум, который долгое время считался пустым, наполнен невидимыми короткоживущими частицами, которые то появляются, то исчезают.
Физики говорят, что полученные результаты не только расширяют границы теории, но и открывают возможности для экспериментальных исследований на будущих мощных лазерных установках.
В результате столкновения лазеров в вакууме возникает свет
Команда учёных из Оксфорда смоделировала редкое взаимодействие, известное как четырёхволновое смешение в вакууме. В ходе моделирования сходятся три сфокусированных лазерных импульса. Их совокупная энергия воздействует на виртуальные частицы в вакууме, вызывая появление четвёртого луча света. Это явление, при котором свет в буквальном смысле появляется из темноты. До сих пор этот процесс обсуждался только теоретически.
«Это не просто научное любопытство — это важный шаг на пути к экспериментальному подтверждению квантовых эффектов, которые до сих пор были в основном теоретическими», — сказал профессор Питер Норрис, соавтор исследования и физик из Оксфорда.
Исследование проводится в то время, когда по всему миру готовится к запуску новое поколение сверхмощных лазеров. К ним относятся британский Vulcan 20-20, европейская инфраструктура экстремального света (ELI), а также китайские SHINE и Station for Extreme Light (SEL).
Ожидается, что каждая из этих установок будет генерировать энергию, достаточную для изучения взаимодействия света со светом в лабораторных условиях, чего раньше никогда не наблюдалось. Один из таких экспериментов уже проводится в лаборатории OPAL Рочестерского университета в США, где с помощью двух 25-петаваттных лазеров пытаются вызвать фотон-фотонное рассеяние.
Усовершенствованные методы моделирования открывают новые горизонты в квантовом пространстве
Для проведения исследования команда использовала расширенную версию OSIRIS — специализированного инструмента для моделирования взаимодействия лазерных лучей с материей и вакуумом. Полученные результаты дают детальное представление о квантовых эффектах с временным разрешением и предоставляют важные данные для учёных, разрабатывающих реальные тесты.
Ведущий автор исследования Цзысинь (Лили) Чжан, докторант физического факультета Оксфордского университета, сказал, что эта модель даёт представление о том, чего не может дать одна лишь теория. «Наша компьютерная программа позволяет нам наблюдать за взаимодействием квантового вакуума в трёхмерном пространстве с разрешением во времени, что ранее было невозможно», — сказал Чжан.
Моделирование не только помогает в проведении будущих экспериментов, но и может способствовать поиску неизвестных частиц, таких как аксионы и миллизаряженные частицы, которые являются возможными кандидатами на роль тёмной материи. Показывая, как незначительные изменения в настройке лазерного луча могут повлиять на результаты, модель помогает исследователям оптимизировать конструкцию с беспрецедентной точностью.
Теперь физики, которым удалось получить свет из «ничего», на шаг приблизились к доказательству того, что космический вакуум таит в себе больше секретов, чем предполагалось ранее.