Фотоны сталкиваются в пустоте: квантовое моделирование создает свет из ничего
С точки зрения квантовой физики, даже вакуум не является по-настоящему пустым: он наполнен виртуальными частицами — парами электронов и позитронов, которые непрерывно появляются и исчезают, оставляя за собой почти неуловимые следы. Благодаря вычислительной модели на базе ПО OSIRIS физикам удалось заглянуть в этот загадочный мир и визуализировать, как с квантовым вакуумом взаимодействуют мощные лазеры, вызывая экзотические явления, о существовании которых ученые раньше могли лишь предполагать.
Одним из таких феноменов стало так называемое вакуумное четырехволновое смешение — явление, при котором три лазерных луча, которые пересекаются в одной точке, поляризуют виртуальные частицы вакуума. Это приводит к тому, что фотоны — элементарные частицы света — начинают отталкиваться друг от друга, словно бильярдные шары, и рождают четвертый луч света буквально из темноты. Впервые в истории удалось в динамике смоделировать этот процесс, и он может стать не только подтверждением фундаментальных положений квантовой электродинамики, но и потенциальным инструментом поиска новой физики за пределами известных моделей.
Руководитель проекта, профессор физического факультета Оксфорда Питер Норрейс отметил, что речь идет не просто о любопытной абстракции, а о реальном шаге к экспериментальному подтверждению эффектов, которые десятилетиями существовали лишь в виде теоретических предсказаний. Тем более что сейчас начинается новая эра лазерных технологий: установки наподобие британского Vulcan 20−20, европейской Extreme Light Infrastructure и китайских SEL и SHINE обещают уже вскоре достичь беспрецедентной мощности, необходимой для реализации подобных экспериментов. В США, на лазерной установке OPAL при Университете Рочестера, изучение фотон-фотонного рассеяния уже включено в число ключевых проектов.
Мы на пороге новой эпохи в исследовании взаимодействия света и материи. Комбинация сверхмощных лазеров, точнейших методов определения и инновационного моделирования дает нам шанс не только подтвердить свои старые гипотезы, но и найти новые фундаментальные принципы, на которых зиждется наша Вселенная.Луиш Силвасоавтор работы, приглашенный профессор Оксфорда
Модель, разработанная учеными, позволяет не просто фиксировать результат, но и детально отслеживать развитие квантовых процессов во времени и пространстве. Это дает физикам возможность учитывать реальную геометрию лазерных импульсов, их временные характеристики, а также минимальные искажения, способные повлиять на результат. Это значит, что новый инструмент не только помогает планировать будущие эксперименты на самых современных лазерных комплексах, но и позволяет ученым искать новые, гипотетические частицы, например, аксионы или частицы с дробным зарядом — вероятные компоненты загадочной темной материи.
Ранее ученые выяснили, что происходит при потере квантовой физической информации.
