В Оксфорде впервые показали, как появляется свет из «ничего»

Фото из открытых источников

Физики из Оксфордского университета провели уникальное численное моделирование, которое позволило в реальном времени и в трехмерном формате наблюдать, как мощные лазерные импульсы взаимодействуют с квантовым вакуумом — средой, которая ранее считалась полной пустотой. Результаты этого исследования опубликованы в журнале Communications Physics.

С точки зрения квантовой теории, вакуум не является абсолютной пустотой, а представляет собой пространство, наполненное виртуальными частицами, которые возникают и исчезают за доли секунды. Именно в такой среде ученым удалось воспроизвести одно из фундаментальных предсказаний квантовой электродинамики — так называемое вакуумное четырехволновое смешение.

Суть явления заключается в том, что три интенсивных лазерных луча, сталкиваясь в области вакуума, порождают четвертый луч, то есть происходит генерация света из «ничего» — без участия привычной материи. Этот эффект ранее существовал только в расчетах, однако новая модель открывает путь к его экспериментальному наблюдению. По словам профессора Питера Норрейса, одного из авторов работы, речь идет не о теоретической спекуляции, а о реальном приближении к проверке фундаментальных положений физики в лабораторных условиях.

Моделирование осуществлялось с использованием усовершенствованной версии симулятора OSIRIS, которая позволила ученым получить «трехмерное окно во времени» на происходящее в квантовом вакууме. Как отметила аспирантка Зи Син Чжан, это стало возможным благодаря высокой точности расчетов, позволяющей отслеживать мельчайшие изменения в поведении лазерных импульсов и структуры вакуума.

Полученные данные уже сейчас помогают в проектировании будущих экспериментов на сверхмощных лазерных установках, таких как британский Vulcan 20-20, европейский ELI, а также китайские SEL и SHINE. Эти лазеры обладают мощностями, которых ранее не существовало, и могут позволить наблюдать редкие квантовые процессы, например, столкновения фотонов друг с другом. Подобные взаимодействия света со светом — один из самых маловероятных, но крайне интересных эффектов, подтверждение которых станет весомым вкладом в понимание природы света и пространства.

Кроме того, такие симуляции могут оказаться полезными в поиске новых частиц, в том числе аксионов и гипотетических частиц с дробным зарядом — потенциальных составляющих темной материи. Как отмечает профессор Луис Силва, ведущий автор проекта, объединение передовых вычислительных моделей, мощных лазеров и высокочувствительных детекторов открывает новые горизонты для фундаментальных исследований материи и структуры самой Вселенной.