Светлина от тъмнината на нищото: учени доказаха квантовата теория

Иследователи от Оксфордския университет и Висшия технологичен институт в Лисабон проведоха 3D симулации в реално време, показващи как интензивните лазерни лъчи взаимодействат с квантовия вакуум - пространство, което не е наистина празно, а е изпълнено с краткотрайни двойки електрон-позитрон. Тяхната работа, публикувана в Communications Physics, предлага поглед отблизо към това, което се случва, когато светлината изглежда, че идва от „тъмнината“ - нещо, което изглежда като магия от гледна точка на класическата физика.

С помощта на усъвършенствана версия на софтуера за симулация OSIRIS (съкращение от Outdoor Scene and InfraRed Image Simulation) екипът пресъздава явление, наречено вакуумно четиривълново смесване. При този процес електромагнитните полета от три силни лазерни импулса поляризират виртуалните частици във вакуума, като карат фотоните да отскачат един от друг - в резултат на което се получава четвърти лазерен лъч.

Това, което прави работата навременна, е глобалното разпространение на многопетватови лазерни системи, които могат да генерират изключително силни електромагнитни полета. Съоръжения като Vulcan 20-20 в Обединеното кралство, ELI в Европа, SHINE и SEL в Китай, заедно с двулъчевия лазер OPAL (оптичен параметричен усилвател) в САЩ, се очаква да достигнат нивата на мощност, необходими за наблюдаване на тези редки квантови ефекти в реални експерименти, пише hicomm.bg.

Те тестваха лазерни импулси с равнинни вълни и гаусови импулси и установиха, че резултатите от тях съвпадат добре със съществуващите теории. За случая на четиривълново смесване те използват три Гаусови лъча и успяват да проследят формирането на четвъртия лъч с течение на времето. Симулацията показала и малко астигматизъм - когато изходният лъч не е с идеална форма - и дала ясни измервания за това колко дълго е продължило взаимодействието и колко голяма е била засегнатата област.

„Компютърната ни програма ни дава 3D прозорец с времево разрешаване към квантовите вакуумни взаимодействия, които преди това бяха недостъпни“, казва водещият автор Зисин Джан, докторант в Оксфорд. „Като приложихме нашия модел към експеримент с разсейване на три лъча, успяхме да уловим пълния спектър от квантови подписи, заедно с подробна информация за областта на взаимодействие и ключовите времеви мащаби.“

Екипът сравнява резултатите си с по-прости модели и данни от миналото, за да се увери, че всичко е наред. Очаква се тези инструменти да помогнат на учените да проектират експерименти в реални условия, с по-голям контрол върху времето, формата и посоката на лазера.

Проф. Луис Силва, съавтор от Висшия технически институт и гостуващ професор в Оксфорд, заявява: „Нашият нов изчислителен метод, приложен в OSIRIS, ще подпомогне значително широк спектър от планирани експерименти в най-модерните лазерни съоръжения. Комбинацията от свръхинтензивни лазери, най-модерно откриване, авангардно аналитично и числено моделиране са основата за нова ера във взаимодействията между лазери и материя, която ще открие нови хоризонти за фундаменталната физика“.

За да направят симулациите си по-точни, изследователите са използвали полукласически цифров солвер, базиран на Лагранжа на Хайзенберг-Ойлер. Този подход им позволи да моделират два основни квантови ефекта на вакуума и да проверят резултатите си спрямо известните прогнози за вакуумното двулъчево пречупване - явление, при което светлината се разцепва или измества при преминаване през силно електромагнитно поле.

Те тестваха лазерни импулси с равнинни вълни и гаусови импулси и установиха, че резултатите от тях съвпадат добре със съществуващите теории. За случая на четиривълново смесване те използват три Гаусови лъча и успяват да проследят формирането на четвъртия лъч с течение на времето. Симулацията показала и малко астигматизъм - когато изходният лъч не е с идеална форма - и дала ясни измервания за това колко дълго е продължило взаимодействието и колко голяма е била засегнатата област.

„Компютърната ни програма ни дава 3D прозорец с времево разрешаване към квантовите вакуумни взаимодействия, които преди това бяха недостъпни“, казва водещият автор Зисин Джан, докторант в Оксфорд. „Като приложихме нашия модел към експеримент с разсейване на три лъча, успяхме да уловим пълния спектър от квантови подписи, заедно с подробна информация за областта на взаимодействие и ключовите времеви мащаби.“

Екипът сравнява резултатите си с по-прости модели и данни от миналото, за да се увери, че всичко е наред. Очаква се тези инструменти да помогнат на учените да проектират експерименти в реални условия, с по-голям контрол върху времето, формата и посоката на лазера.

Проф. Луис Силва, съавтор от Висшия технически институт и гостуващ професор в Оксфорд, заявява: „Нашият нов изчислителен метод, приложен в OSIRIS, ще подпомогне значително широк спектър от планирани експерименти в най-модерните лазерни съоръжения. Комбинацията от свръхинтензивни лазери, най-модерно откриване, авангардно аналитично и числено моделиране са основата за нова ера във взаимодействията между лазери и материя, която ще открие нови хоризонти за фундаменталната физика“.