Ученые из Оксфордского университета впервые в мире осуществили трехмерное моделирование в реальном времени, демонстрирующее взаимодействие мощных лазеров с «квантовым вакуумом» — состоянием, ранее считавшимся абсолютной пустотой, но в соответствии с квантовой физикой, буквально насыщенным виртуальными парами электрон-позитронов. Современная работа, которая была опубликована в журнале Communications Physics, проливает свет на одно из самых загадочных явлений квантовой электродинамики — вакуумное четырехволновое смешение. В этом процессе три лазерных импульса взаимодействуют в кажущемся пустым пространстве, порождая четвертый лазерный луч, что можно сравнить с рождением света из темноты.
«Проект не просто теоретического характера — он предполагает решительный шаг в направлении экспериментального подтверждения явлений, ранее существовавших лишь на бумаге», — объясняет профессор Питер Норрейс, один из соавторов исследования.
Актуальность этой работы усиливается благодаря разработке нового поколения ультрамощных лазеров, таких как британский Vulcan 20-20, проект ELI в Европе, и китайские установки SEL и SHINE, которые вскоре будут запущены. Эти устройства впервые позволят наблюдать взаимодействие фотонов друг с другом в лабораторных условиях — нечто, что раньше считалось невозможным.
Моделирование было проведено с помощью усовершенствованной версии программного пакета OSIRIS, предоставив исследователям «трехмерное окно во времени» для наблюдения за происходящими процессами в квантовом вакууме. «Теперь мы можем видеть, как свет взаимодействует с тем, что считалось абсолютной пустотой», — объясняет аспирантка и соавтор исследования Зи Син Чжан.
Эти модели позволят ученым точнее планировать эксперименты, обращая внимание на такие детали, как геометрия лазерных пучков и синхронизация импульсов. Более того, такие симуляции открывают новые возможности в поиске частиц, таких как аксионы и частицы с долей элементарного заряда, которые могут сильно продвинуть наши знания о темной материи.
«Это начало новой эпохи в фундаментальной физике», — заявил профессор Луис Силва, ведущий автор исследования. — «Совмещение ультрамощных лазеров, современных методов детектирования и передовых моделей открывает невиданные ранее горизонты в изучении материи и природы вакуума».
На фоне этого исследования, стоит отметить, что недавно гигантская планета, вращающаяся вокруг маленькой звезды, бросила вызов всем существующим научным теориям.