Ученые впервые «включили свет» в вакууме. Пустота совсем не пуста

Согласно квантовой теории поля, даже в полной пустоте возникают и исчезают виртуальные частицы, включая пары электронов и позитронов. В этой «бурлящей» среде квантового вакуума происходит то, что раньше казалось невозможным: фотоны начинают взаимодействовать друг с другом.

Свет из пустоты: вакуумное четырехволновое смешение

Исследование сосредоточено на редком нелинейном процессе, известном как вакуумное четырехволновое смешение (vacuum four-wave mixing), который был предсказан в квантовой электродинамике. Ученые смоделировали ситуацию, в которой три мощных лазерных импульса сходятся в одной точке. Их объединенные электромагнитные поля настолько сильны, что начинают воздействовать на виртуальные частицы в вакууме, вызывая фотон-фотонное рассеяние — редкое явление в квантовой механике.

В результате появляется четвертый фотон, который не был частью исходных лучей. Это означает, что свет возникает из «ничего», что является важным предсказанием теоретической физики, впервые подтвержденным в численном эксперименте.

Шаг в подтверждении квантовой реальности

«Это не просто теоретическое исследование — это значимый шаг к экспериментальному подтверждению квантовых эффектов, которые до этого времени оставались в основном гипотетическими», — отметил профессор Питер Норрейс, один из авторов исследования из Оксфордского университета.

Исследование проходит на фоне активного развития нового поколения лазерных установок, которые могут достигать необходимых для воспроизведения квантовых феноменов интенсивностей. К таким установкам относятся Vulcan 20-20 в Великобритании, станция SHINE и Station for Extreme Light (SEL) в Китае, а также европейская инфраструктура ELI.

Особое внимание уделяется проекту OPAL 25 PW в Университете Рочестера (США), где фотон-фотонное рассеяние включено в число трех ключевых экспериментов. Это может привести к экспериментальному подтверждению одного из основных аспектов квантовой теории поля.

OSIRIS нового поколения: будущее численной физики

Достижения стали возможны благодаря обновленной версии OSIRIS — передового программного обеспечения для численного моделирования взаимодействия лазеров с веществом и плазмой, которое используется в прикладной физике и междисциплинарных исследованиях.

«Наша программа позволяет видеть взаимодействия в квантовом вакууме с временным разрешением в полном 3D, что было недоступно ранее», — пояснила ведущая автор исследования, Зиксин (Лили) Чжан, аспирант кафедры физики Оксфорда.

Ученые смоделировали рассеяние трех лазерных пучков, получив полный спектр квантовых сигналов и возможность отслеживать эволюцию взаимодействий во времени. Это включает в себя тонкие эффекты, вызванные геометрическими асимметриями пучков, и создает условия для разработки реалистичных экспериментальных протоколов, включая синхронизацию импульсов и фокусировочные формы, включая летящие фокусы и экзотические конфигурации.

В поисках новой физики и темной материи

Это исследование не только проверяет теории, но и может помочь в поиске частиц темной материи, таких как аксионы и миллизаряженные частицы, существование которых предсказано расширенными моделями физики, но до сих пор не подтверждено.

«Широкий спектр запланированных экспериментов на современных лазерных установках будет в значительной степени поддержан нашим новым вычислительным методом», — отметил профессор Луис Силва (Instituto Superior Técnico, Университет Лиссабона), соавтор статьи и приглашенный профессор Оксфорда. — Сочетание мощных лазеров, передовых детекторов и численного моделирования открывает новые горизонты для фундаментальной физики».