Исследователи из Оксфордского университета совершили прорыв, создав первые в мире трёхмерные симуляции в реальном времени, которые наглядно демонстрируют удивительный квантовый феномен. Их моделирование показывает, что при пересечении трёх мощных лазерных лучей в абсолютном вакууме возникает дополнительный луч света, буквально рождающийся из полной темноты.
Это явление, известное как вакуумное четырёхволновое смешение, было предсказано теоретически, но теперь впервые смоделировано в трёх измерениях с учётом всех условий вакуума. Экспериментальное подтверждение этого эффекта может стать ключом к поиску гипотетических частиц, таких как аксионы и миллизаряженные частицы, которые рассматриваются как возможные составляющие тёмной материи.
«Это исследование выходит за рамки чисто академического интереса. Оно представляет собой важнейший шаг на пути к экспериментальной проверке квантовых эффектов, которые до сих пор оставались лишь на страницах учебников», — подчеркивает профессор Питер Норрис, соавтор работы.
Как пустота может излучать свет?
С точки зрения классической физики, вакуум — это абсолютная пустота. Однако квантовая механика рисует иную картину: вакуум представляет собой «кипящий бульон» из постоянно рождающихся и аннигилирующих виртуальных пар частиц и античастиц, таких как электроны и позитроны. В 2022 году учёные уже демонстрировали схожий принцип, создавая аналоги частиц «из воздуха».
Согласно одной из теорий, в мощных электромагнитных полях эти виртуальные пары могут поляризоваться, что приводит к столкновениям фотонов.
Обратите внимание: Астрономы обнаружили необычный пульсар.
Как поясняют оксфордские исследователи, именно эти каскады рассеяния фотонов друг на друге и позволяют свету материализоваться «из ниоткуда».Чтобы смоделировать этот процесс, команда совместно с Институтом Плато Лиссабонского университета создала три виртуальных высокоэнергетических лазерных луча. Теория гласит, что объединённые электромагнитные поля трёх интенсивных импульсов, сфокусированных в одной точке, должны инициировать каскад рассеяния фотонов, порождая свет в вакууме.
Учёные провели серию расчётов с помощью усовершенствованной версии программного пакета OSIRIS, изначально созданного для моделирования сложного взаимодействия лазеров с веществом и плазмой. Результаты моделирования идеально совпали с теоретическими предсказаниями, окончательно подтвердив реальность «таинственного феномена света, рождающегося из тьмы».
«Наша модель открывает беспрецедентные возможности для детального изучения квантовых эффектов, включая временные и пространственные характеристики взаимодействий, что раньше было недоступно», — отметила Зиксин (Лили) Чжан, аспирантка Оксфорда и ведущий автор исследования.
Экспериментальная проверка на новом поколении лазеров
Пока команда работает над более сложными симуляциями, их выводы могут получить экспериментальное подтверждение уже в ближайшие годы. По всему миру запускаются новые сверхмощные лазерные установки, такие как европейский проект Extreme Light Infrastructure (ELI), британский Vulcan 20-20, китайские Station for Extreme Light (SEL) и SHINE, а также американский OPAL.
По словам профессора Луиса Силвы из Лиссабонского университета, соавтора исследования, эти установки позволят проверить прогнозы учёных, а новые вычислительные методы помогут оптимально спланировать эксперименты.
«Сочетание сверхмощных лазеров, современных детекторов и передовых моделей открывает новую эру в изучении взаимодействия лазерного излучения с материей и углубляет наше понимание фундаментальных законов физики», — резюмировал Силва.
Эта работа не только углубляет понимание квантовой природы вакуума, но и прокладывает путь к потенциально революционным открытиям в физике высоких энергий и космологии.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.