Каб пустата перастала быць пустатой

Пустэча - гэта месца, дзе, нават калі вы яе не бачыце, многае адбываецца. Аднак, каб высветліць, што менавіта трэба, патрабуецца столькі энергіі, што да нядаўняга часу навукоўцам здавалася немагчымым зазірнуць у свет віртуальных часціц. Калі адны ў такой сітуацыі спыняюцца, для іншых немагчымае становіцца стымулам паспрабаваць.

Згодна з квантавай тэорыяй, пустая прастора запоўнена віртуальнымі часціцамі, якія пульсуюць паміж быццём і небыццём. Іх таксама немагчыма выявіць - калі ў нас не было чагосьці магутнага, каб іх знайсці.

"Звычайна, калі людзі кажуць пра вакуум, яны маюць на ўвазе нешта абсалютна пустое", - сказаў фізік-тэарэтык Маціяс Марклунд з Тэхналагічнага ўніверсітэта Чалмерса ў Гётэборгу, Швецыя, у студзеньскім нумары NewScientist.

Аказваецца, лазер можа паказаць, што там не ўсё так пуста.

Электрон у статыстычным сэнсе

Віртуальныя часціцы - гэта матэматычнае паняцце ў квантавых тэорыях поля. Гаворка ідзе пра фізічныя часціцы, якія праяўляюць сваю прысутнасць праз узаемадзеянне, але яны парушаюць прынцып масавай абалонкі.

Віртуальныя часціцы з'яўляюцца ў працах Рычарда Фейнмана. Згодна з яго тэорыяй, кожная фізічная часціца насамрэч з'яўляецца кангламератам віртуальных часціц. Фізічны электрон - гэта фактычна віртуальны электрон, які выпраменьвае віртуальныя фатоны, якія распадаюцца на віртуальныя пары электрон-пазітрон, якія, у сваю чаргу, узаемадзейнічаюць з віртуальнымі фатонамі, і гэтак далей да бясконцасці. «Фізічны» электрон - гэта працяглы працэс узаемадзеяння паміж віртуальнымі электронамі, пазітронамі, фатонамі і, магчыма, іншымі часціцамі. «Рэальнасць» электрона - гэта статыстычнае паняцце. Немагчыма сказаць, якая часціца з гэтага мноства сапраўды рэальная. Вядома толькі, што сума зарадаў усіх гэтых часціц дае зарад электрона (гэта значыць, прасцей кажучы, віртуальнага электрона павінна быць на адзін больш, чым віртуальных пазітронаў) і што сума мас усіх часціц стварае масу электрона.

Электрон-пазітронныя пары ўтвараюцца ў вакууме. Любая станоўча зараджаная часціца, такая як пратон, будзе прыцягваць гэтыя віртуальныя электроны і адштурхваць пазітроны (праз віртуальныя фатоны). Гэта з'ява называецца палярызацыяй вакууму. Электрон-пазітронныя пары, якія верцяцца пратонам

яны ўтвараюць невялікія дыполі, якія змяняюць поле пратона сваім электрычным полем. Такім чынам, электрычны зарад пратона, які мы вымяраем, з'яўляецца не зарадам самога пратона, а зарадам усёй сістэмы, уключаючы віртуальныя пары.

Лазер у пустэчу

Прычына, па якой мы верым у існаванне віртуальных часціц, узыходзіць да асноў квантавай электрадынамікі (КЭД), раздзела фізікі, які спрабуе растлумачыць узаемадзеянне фатонаў з электронамі. З таго часу, як тэорыя была распрацавана ў 30-х гадах, фізікі задаваліся пытаннем, як вырашыць праблему часціц, існаванне якіх матэматычна неабходна, але іх нельга ўбачыць, пачуць або адчуць.

КЭД паказвае, што тэарэтычна, калі мы створым дастаткова моцнае электрычнае поле, то віртуальныя электроны-спадарожнікі (або якія складаюць статыстычны кангламерат, які называецца электронам) выявяць сваю прысутнасць і іх можна будзе выявіць. Неабходная для гэтага энергія павінна дасягнуць і перавысіць мяжу, званую мяжой Швингера, за якой, вобразна кажучы, вакуум губляе свае класічныя ўласцівасці і перастае быць «пустым». Чаму гэта не так проста? Таму што неабходная колькасць энергіі, паводле здагадак, павінна быць столькі ж, колькі сумарная энергія, якую вырабляюць усе электрастанцыі свету, - разоў у мільярд больш.

Справа, здаецца, недасяжная. Як высвятляецца, неабавязкова, калі мы выкарыстоўваем лазерную тэхніку ультракароткіх аптычных імпульсаў высокай інтэнсіўнасці, распрацаваную ў 80-х гадах мінулагоднімі лаўрэатамі Нобелеўскай прэміі Жэрарам Муру і Доннай Стрыкленд. Сам Муру адкрыта казаў, што гіга-, тэра- і нават петаватныя магутнасці, дасягнутыя ў гэтых лазерных звышздымках, ствараюць шанец парушыць вакуум. Яго канцэпцыі былі ўвасоблены ў праекце Extreme Light Infrastructure (ELI), які падтрымліваецца еўрапейскімі фондамі і распрацаваны ў Румыніі. Каля Бухарэста ёсць два лазеры магутнасцю 10 петават, з дапамогай якіх навукоўцы хочуць пераадолець мяжу Швінгера.

Але нават калі энергетычныя абмежаванні будуць парушаны, вынік - і тое, што ў канчатковым выніку ўбачаць фізікі - застаецца вельмі нявызначаным. У выпадку з віртуальнымі часціцамі метадалогія даследавання пачынае даваць збой, і разлікі перастаюць мець сэнс. Просты разлік таксама паказвае, што два лазеры ELI выпрацоўваюць занадта мала энергіі. Нават чатыры сумешчаных пучка - усё роўна ў 10 XNUMX разоў менш, чым трэба. Аднак навукоўцаў гэта не адчайвае, бо яны лічаць гэтую магічную мяжу не рэзкай аднаразовай мяжой, а паступовай зонай змяненняў. Такім чынам, яны спадзяюцца на некаторыя віртуальныя эфекты нават пры меншых дозах энергіі.

У даследчыкаў ёсць розныя ідэі для ўзмацнення лазерных прамянёў. Адзін з іх - даволі экзатычная канцэпцыя адлюстравання і ўзмацнення люстэркаў, якія рухаюцца са хуткасцю святла. Іншыя ідэі ўключаюць у сябе ўзмацненне прамянёў шляхам сутыкнення пучкоў фатонаў з пучкамі электронаў або сутыкненнем лазерных прамянёў, чым, як кажуць, займаюцца навукоўцы з кітайскага даследчага цэнтра Станцыі экстрэмальнага святла ў Шанхаі. Вялікі фатонны або электронны калайдэр - новая і цікавая канцэпцыя, якую варта паглядзець.