Ученые успешно смоделировали странное явление, при котором «свет, кажется, рождается из тьмы»
Ученые из Оксфордского университета впервые создали трехмерные симуляции в реальном времени, демонстрирующие необычный квантовый эффект: при пересечении трех высокоэнергетических лазеров в вакууме возникает дополнительный луч света, словно появляющийся из полной темноты.
Это явление, известное как четырехволновое смешение в вакууме, ранее предсказывалось теоретически, но теперь впервые смоделировано в трех измерениях с учетом условий вакуума. Если эксперименты подтвердят результаты симуляций, это может помочь в поиске гипотетических частиц, таких как аксионы и миллизаряженные частицы, которые также рассматриваются как кандидаты на роль темной материи.
«Это не просто академический интерес — это важный шаг к экспериментальному подтверждению квантовых эффектов, которые до сих пор оставались в основном теоретическими», — пояснил профессор Питер Норрис, соавтор исследования.
Как темнота порождает свет?
Согласно классическим представлениям, вакуум — это пустое пространство. Однако квантовая физика утверждает, что вакуум заполнен виртуальными парами электронов и позитронов. В 2022 году ученые уже продемонстрировали аналогичный эффект, создав аналоги частиц и античастиц «из ничего».
Одна из теорий предполагает, что при определенных условиях пары электрон-позитрон могут поляризоваться, вызывая столкновения фотонов. Как отмечают исследователи из Оксфорда, эти каскады фотон-фотонного рассеяния и приводят к возникновению света «из темноты».
Чтобы смоделировать этот процесс, команда совместно с Институтом высотехнических исследований Лиссабонского университета разработала три «виртуальных» лазерных луча высокой энергии. Согласно теории, суммарное электромагнитное поле трех мощных лазерных импульсов, сфокусированных в одной точке, должно вызывать каскадное рассеяние фотонов, порождая свет в вакууме.
После серии расчетов на усовершенствованной версии программного пакета OSIRIS, предназначенного для моделирования сложных взаимодействий лазеров с материей и плазмой, ученые сравнили результаты с теоретическими предсказаниями. Оказалось, что симуляции полностью соответствуют теории, демонстрируя «загадочный феномен, при котором свет возникает из темноты».
«Наша модель позволила нам в деталях изучить квантовые эффекты, включая временные и пространственные характеристики взаимодействий, которые раньше были недоступны», — рассказала ведущий автор исследования, аспирантка Оксфорда Зиксин (Лили) Чжан.
Новые лазеры помогут подтвердить эффект экспериментально
Пока команда работает над более сложными симуляциями, экспериментальное подтверждение их результатов может появиться в ближайшие годы. В мире начинают работу новые сверхмощные лазерные установки, такие как европейский проект Extreme Light Infrastructure (ELI), британский Vulcan 20-20, китайские Station for Extreme Light (SEL) и SHINE, а также американский OPAL.
По словам соавтора исследования, профессора Луиса Сильвы из Лиссабонского университета, эти установки смогут проверить предсказания ученых, а новые вычислительные методы помогут в планировании экспериментов.
«Сочетание сверхмощных лазеров, современных детекторов и передового моделирования открывает новую эру в изучении взаимодействия лазеров с материей, что расширит наши знания в области фундаментальной физики», — заключил Сильва.
не только углубляет понимание квантовых эффектов, но и прокладывает путь к новым открытиям в физике высоких энергий.