Kvantinės tuštumos tyrinėjimas: kaip iš „tuščios“ erdvės gali atsirasti šviesa

Kvantinės tuštumos fenomenas: šviesa iš nieko

Mokslininkai pasiekė svarbų laimėjimą kvantinės fizikos srityje – pažangūs kompiuteriniai modeliavimai parodė, kad realią šviesą galima išgauti vakuume, panaudojant itin galingus lazerius. Šį tyrimą atliko Oksfordo universiteto ir Lisabonos universiteto mokslininkų grupės, kurios atveria naujas įžvalgas apie šviesos ir materijos atsiradimą iš, atrodytų, visiškos tuštumos, taip iš esmės praplėsdamos mūsų supratimą apie kvantinę elektrodinamiką (QED).

Mokslinis kontekstas: kvantinė tuščios erdvės prigimtis

Dažnai vakuumas laikomas visišku niekiu. Vis dėlto kvantinė lauko teorija atskleidžia, kad tuščia erdvė iš tiesų yra aktyvi terpė, pilna trumpalaikių „virtualiųjų dalelių“, kurios nuolat atsiranda ir išnyksta. Šie kvantiniai svyravimai kyla iš energijos laukų, lemiančių visas visatos sąveikas – įskaitant elektromagnetinį lauką, kuris yra esminis šviesos ir fotonų savybėms. Fizikai jau seniai kėlė hipotezę, kad esant ekstremalioms sąlygoms, virtualiosios dalelės gali virsti tikromis ir sukurti apčiuopiamus reiškinius, tokius kaip fotonai.

Neįmanomo simuliavimas: itin intensyvių lazerių panaudojimas

Tyrėjai naudojo pusiau klasikinį lygčių sprendiklį – skaitmeninį įrankį, galintį modeliuoti kvantinius efektus trimatėje erdvėje realiuoju laiku. Jų modeliai analizavo situaciją, kai trys itin didelės galios lazerio spinduliai, kiekvienas perduodant petavatų lygio energiją per kelias sekundės dalis, susikerta vakuume. Simuliacijose prognozuotas keturių bangų sumaišymo (angl. four-wave mixing) procesas: trijų lazerio pluoštų sukuriamas stiprus elektromagnetinis laukas pakeičia kvantinį vakuumą, priversdamas virtualiuosius fotonus pavirsti apčiuopiamu ir fiksuojamu ketvirtu šviesos spinduliu.

„Tai ne tik teorinis smalsumas – tai didelis žingsnis link eksperimentinio kvantinių efektų patvirtinimo, kurie iki šiol buvo tik teoriniai“, – komentavo profesorius Peter Norreys iš Oksfordo universiteto, vienas iš vadovaujančių tyrėjų. Šie rezultatai leidžia teorijas paversti realiomis galimybėmis, parodydami, kad kvantinius ženklus netrukus bus galima stebėti laboratorijoje.

Keturias bangas sumaišančios sąveikos ir fotonų sklaida: naujos fizikos atrakinimas

Pagrindinis šio tyrimo fenomenas – fotonų sąveika per keturių bangų sumaišymą. Įprastomis sąlygomis šviesos dalelės – fotonai – tarpusavyje ne sąveikauja. Tačiau kvantinė elektrodinamika prognozuoja, kad pakankamai stipriam elektromagnetiniam laukui susidarius, pavyzdžiui, susiliejant itin intensyviems lazeriams, fotonai gali išsiblaškyti vienas nuo kito. Dešimtmečius mokslininkai siekė šį efektą užfiksuoti eksperimentuose, tačiau tai pasirodė daug sudėtingiau nei manyta.

Pagrindinė tyrimo autorė Zixin Zhang aiškina: „Pritaikius mūsų modelį trijų spindulių sąveikos eksperimentui, mums pavyko detalizuotai užfiksuoti visus kvantinius požymius ir išanalizuoti sąveikos sritį bei svarbiausius laiko intervalus.“ Šios simuliacijos ne tik patvirtina teorines prognozes, bet ir suteikia tikslius parametrus būsimiems eksperimentams, kas atveria kelius proveržiams kvantinėje optikoje ir vakuumo fizikoje.

Aukštos galios lazerių eksperimentų ribos ir perspektyvos

Šie rezultatai paremti tik modeliavimu, bet naujos kartos lazerių technologijos žada išskirtines galimybes kvantiniams eksperimentams. Rumunijoje veikianti Extreme Light Infrastructure (ELI) laboratorija turinti pažangiausius galingus lazerius, jau siekia 10 petavatų galios. Tuo metu JAV, Ročesterio universiteto EP-OPAL projektas siekia sukurti lazerio spindulius, galinčius pasiekti net 25 petavatus, kad būtų atlikti fotonų-fotonų sklaidos eksperimentai. Kinijoje, SHINE centras įgyvendina ambicingą tikslą pasiekti rekordinius 100 petavatų, taikant laisvųjų elektronų lazerio technologiją.

Šiuos projektus vienija tai, kad stipriems elektromagnetiniams laukams generuoti naudojami gryni fotonų srautai, taip sumažinant kitų dalelių triukšmą. Tokia „švari“ eksperimentinė aplinka gali suteikti aiškiausius įrodymus, kad šviesa gali atsirasti iš vakuumo – pagrindžiant, jog kažkas tikrai gali kilti iš to, kas ilgą laiką buvo laikoma nieku.

Išvada

Šis novatoriškas modeliavimas suteikia išskirtinį aiškumą kvantinės fizikos prognozei: šviesa gali būti sukurta vakuume stiprių lazerių sąveikos dėka. Augant galios lygiui pasaulio lazerių laboratorijose, galimybė tiesiogiai išvysti šviesą, iššokančią iš kvantinės tuštumos, tampa realybe, keičiant mūsų supratimą apie erdvę, energiją ir visatos sandarą.