Группа учёных из Оксфордского университета (University of Oxford) и Высшего технического института в Лиссабоне (Instituto Superior Técnico in Lisbon) создала самую точную симуляцию квантовых эффектов в вакууме. Им впервые удалось на модели показать, как «из ничего» возникает свет. Модель готовит почву для экспериментов, которые смогут подтвердить давнюю теорию о том, что вакуум — это не пустота, а источник виртуальных частиц.
Источник изображения: Zixin (Lily) Zhang
Согласно современным представлениям, все элементарные частицы и весь наш осязаемый и неосязаемый мир — это проявления квантовых полей. По сути, все частицы во Вселенной являются виртуальными. В частности, вакуум постоянно порождает электронно-позитронные пары, которые возникают и исчезают слишком быстро, чтобы их можно было зафиксировать современными приборами. Учёные лишь недавно подошли к созданию лазеров мощностью 100 и более петаватт, способных воздействовать на мир на столь фундаментальном уровне, что даже вакуум (квантовые поля) начнёт реагировать.
Работа британских и португальских исследователей поможет экспериментально зафиксировать эти явления. Симулятор смог воспроизвести эффект, известный как четырёхволновое смешение в вакууме. Vacuum four-wave mixing (FWM) — это нелинейный оптический процесс, происходящий в вакууме при взаимодействии четырёх электромагнитных волн на квантовом уровне. В отличие от классического FWM, которое обычно происходит в средах с выраженной нелинейностью, например в кристаллах или газах, вакуумное FWM обусловлено квантово-электродинамическими (КЭД) эффектами, такими как виртуальные электронно-позитронные пары, возникающие в силу принципа неопределённости Гейзенберга.
Эксперимент в симуляции был основан на воспроизведении эффекта фотон-фотонного рассеяния. Два лазерных луча мощностью в сотни петаватт (на иллюстрации показаны зелёным цветом) пересекались в одной точке с поляризационным лазером меньшей мощности (красным). Точнее, этот лазер поляризовал вакуум, создавая условия для рассеяния фотонов на виртуальных частицах. В результате возникал четвёртый луч (фиолетовый на иллюстрации), обладающий отличными от исходного излучения характеристиками — длиной волны и уровнем энергии. При этом соблюдались законы сохранения энергии и импульса.
Представленная модель впервые обеспечила симуляцию с временным разрешением. Для постановки натурного эксперимента требуется соблюдение множества сверхточных параметров — по ориентации, фокусировке и другим характеристикам пересекающихся лучей. Модель показала, как именно нужно это реализовать и где наблюдать результат. Желающие получить Нобелевскую премию по физике могут погрузиться в статью о симуляции, опубликованную в журнале Communications Physics.