Щоб пустка перестала бути пусткою
Вакуум - це місце, де, навіть якщо ви його не бачите, багато чого відбувається. Однак, щоб точно з’ясувати, для чого потрібно стільки енергії, що донедавна вченим здавалося неможливим зазирнути у світ віртуальних частинок. Коли одні люди зупиняються в такій ситуації, інші неможливо спонукати їх спробувати.
Згідно з квантовою теорією, порожній простір заповнений віртуальними частинками, які пульсують між буттям і небуттям. Вони також абсолютно непомітні - якщо ми не маємо чогось потужного, щоб їх знайти.
«Зазвичай, коли люди говорять про вакуум, вони мають на увазі щось абсолютно порожнє», — сказав фізик-теоретик Маттіас Марклунд з Технологічного університету Чалмерса в Гетеборзі, Швеція, у січневому номері NewScientist.
Виявляється, лазер може показати, що він зовсім не такий порожній.
Електрон у статистичному сенсі
Віртуальні частинки — математичне поняття в квантових теоріях поля. Це фізичні частинки, які виявляють свою присутність через взаємодії, але порушують принцип оболонки маси.
Віртуальні частинки з'являються в роботах Річарда Фейнмана. Згідно з його теорією, кожна фізична частинка насправді є конгломератом віртуальних частинок. Фізичний електрон насправді є віртуальним електроном, який випромінює віртуальні фотони, які розпадаються на віртуальні пари електрон-позитрон, які, у свою чергу, взаємодіють з віртуальними фотонами — і так до нескінченності. «Фізичний» електрон — це постійний процес взаємодії віртуальних електронів, позитронів, фотонів і, можливо, інших частинок. «Реальність» електрона — це статистичне поняття. Неможливо сказати, яка частина цього набору справді справжня. Відомо лише, що сума зарядів усіх цих частинок призводить до заряду електрона (тобто, простіше кажучи, на один віртуальний електрон має бути більше, ніж віртуальних позитронів) і що сума мас всі частинки створюють масу електрона.
Електрон-позитронні пари утворюються у вакуумі. Будь-яка позитивно заряджена частинка, наприклад, протон, притягне ці віртуальні електрони і відштовхне позитрони (за допомогою віртуальних фотонів). Це явище називається поляризацією вакууму. Електрон-позитронні пари обертаються протоном
вони утворюють невеликі диполі, які змінюють поле протона своїм електричним полем. Таким чином, електричний заряд протона, який ми вимірюємо, є зарядом не самого протона, а всієї системи, включаючи віртуальні пари.
Лазер у вакуум
Причина, по якій ми віримо в існування віртуальних частинок, сягає основ квантової електродинаміки (КЕД), розділу фізики, який намагається пояснити взаємодію фотонів з електронами. З тих пір, як ця теорія була розроблена в 30-х роках, фізики задавалися питанням, як впоратися з проблемою частинок, які математично необхідні, але їх неможливо побачити, почути або відчути.
QED показує, що теоретично, якщо ми створимо досить сильне електричне поле, то віртуальні супроводжуючі електрони (або складові статистичний конгломерат, званий електроном) виявлять свою присутність, і їх можна буде виявити. Необхідна для цього енергія повинна досягати і перевищувати межу, відому як межа Швінгера, за якою, як це образно виражено, вакуум втрачає свої класичні властивості і перестає бути «порожнім». Чому це не так просто? Згідно з припущеннями, необхідна кількість енергії має бути стільки ж, скільки загальна енергія, що виробляється всіма електростанціями світу – ще в мільярд разів.
Річ, здається, поза межами нашої досяжності. Однак, як виявилося, не обов’язково, якщо використовувати лазерну техніку ультракоротких оптичних імпульсів високої інтенсивності, розроблену в 80-х роках минулорічними лауреатами Нобелівської премії Жераром Муру та Донною Стрікленд. Сам Муру відкрито сказав, що гіга-, тера- і навіть петаватна потужність, досягнута в цих лазерних супершотах, створюють можливість зламати вакуум. Його концепції були втілені в проекті Extreme Light Infrastructure (ELI), підтриманому європейськими фондами та розробленому в Румунії. Поблизу Бухареста є два 10-петаватні лазери, які вчені хочуть використовувати для подолання межі Швінгера.
Однак, навіть якщо нам вдасться подолати енергетичні обмеження, результат — і те, що зрештою з’явиться на очах фізиків — залишається дуже невизначеним. У випадку віртуальних частинок методологія дослідження починає давати збій, і розрахунки більше не мають сенсу. Простий розрахунок також показує, що два лазери ELI генерують занадто мало енергії. Навіть чотири об’єднані пакети все ще в 10 XNUMX разів менше, ніж необхідно. Проте вчених це не бентежить, оскільки вони вважають цю магічну межу не різкою одноразовою межею, а поступовою зоною змін. Тому вони сподіваються на якісь віртуальні ефекти навіть з меншими дозами енергії.
У дослідників є різні ідеї щодо того, як посилити лазерні промені. Одним з них є досить екзотична концепція відображення та підсилення дзеркал, які рухаються зі швидкістю світла. Інші ідеї включають посилення променів шляхом зіткнення променів фотонів з електронними променями або зіткнення лазерних променів, які, як кажуть, хочуть здійснити вчені з Китайського дослідницького центру екстремального світла в Шанхаї. Великий коллайдер фотонів або електронів – нова і цікава концепція, яку варто звернути увагу.
