Используя компьютерное моделирование, физики показали, как сверхмощные лазеры могут вызвать появление света из «ничего» — за счет квантовых флуктуаций в пустом пространстве.
Исследователи из Оксфордского университета впервые смоделировали в трехмерном пространстве в реальном времени процесс образования света в квантовом вакууме. Это явление предсказано теоретически, но до сих пор не наблюдалось в экспериментах.
Классическая физика считает вакуум абсолютной пустотой, однако квантовая теория утверждает, что даже в идеальном вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы — пары электронов и позитронов. Именно с этим фоном взаимодействуют экстремально мощные лазеры.
Ученые смоделировали явление вакуумного четырехволнового смешения. В этом процессе три сфокусированных лазерных луча с мощностью свыше 1 петаватта формируют общее электромагнитное поле, способное поляризовать виртуальные частицы вакуума.
Моделирование показало, что при таких условиях фотоны начинают рассеиваться друг на друге — как бильярдные шары. Это приводит к рождению четвертого лазерного луча, отличающегося по направлению и частоте. Таким образом, происходит образование нового света из квантовых флуктуаций.
Физики также смоделировали эффект вакуумного двупреломления, то есть изменения поляризации света при прохождении через вакуум, искаженный мощными электромагнитными полями. В обычной оптике подобный эффект наблюдается в кристаллах, но здесь его вызывает само пространство, «деформированное светом».
Проектируемые в Боритании проект Vulcan 20-20, европейская инициатива «Экстремальная световая инфраструктура», китайские станции SEL и SHINE, а также американская установка OPAL 25 PW в Университете Рочестера достигнут уровней мощности, достаточных для потенциального подтверждения фотон-фотонного рассеяния в лабораторных условиях.
Строящиеся лазерные установки, такие как британский проект Vulcan 20-20, европейская инициатива ELI, китайские станции SEL и SHINE, а также американский комплекс OPAL 25 PW, по расчетам, достигнут мощностей, достаточных для подтверждения фотон-фотонного рассеяния — фундаментального эффекта, до сих пор остававшегося чисто теоретическим.
Моделирование дает ученым подробные данные о формах лазерных импульсов, их синхронизации и влиянии асимметрии на результаты. Оно также показывает, как развиваются эти процессы во времени — что критически важно для подготовки и интерпретации будущих экспериментов.
