Nii et tühjus lakkab olemast tühjus
Vaakum on koht, kus, isegi kui te seda ei näe, juhtub palju. Et aga välja selgitada, mis täpselt nõuab nii palju energiat, et kuni viimase ajani tundus teadlastel võimatu virtuaalosakeste maailma vaadata. Kui mõned inimesed sellises olukorras peatuvad, on teistel võimatu julgustada neid proovima.
Kvantteooria järgi on tühi ruum täidetud virtuaalsete osakestega, mis pulseerivad olemise ja mitteolemise vahel. Nad on ka täiesti tuvastamatud – välja arvatud juhul, kui meil oli nende leidmiseks midagi võimsat.
"Tavaliselt, kui inimesed räägivad vaakumist, mõtlevad nad midagi, mis on täiesti tühi," ütles teoreetiline füüsik Mattias Marklund Göteborgi Chalmersi Tehnikaülikoolist ajakirja NewScientisti jaanuarinumbris.
Selgub, et laser suudab näidata, et see pole üldse nii tühi.
Elektron statistilises mõttes
Virtuaalsed osakesed on kvantväljateooriates matemaatiline mõiste. Need on füüsilised osakesed, mis avaldavad oma kohalolekut vastasmõju kaudu, kuid rikuvad massi kesta põhimõtet.
Virtuaalsed osakesed esinevad Richard Feynmani töödes. Tema teooria kohaselt on iga füüsiline osake tegelikult virtuaalsete osakeste konglomeraat. Füüsiline elektron on tegelikult virtuaalne elektron, mis kiirgab virtuaalseid footoneid, mis lagunevad virtuaalseteks elektron-positroni paarideks, mis omakorda interakteeruvad virtuaalsete footonitega – ja nii edasi lõputult. "Füüsiline" elektron on pidev interaktsiooni protsess virtuaalsete elektronide, positronite, footonite ja võib-olla ka muude osakeste vahel. Elektroni "reaalsus" on statistiline mõiste. Ei oska öelda, milline osa sellest komplektist päriselt on. Teada on vaid see, et kõigi nende osakeste laengute summa annab elektroni laengu (st lihtsamalt öeldes peab virtuaalseid elektrone olema üks rohkem kui virtuaalseid positroneid) ja et elektronide masside summa. kõik osakesed loovad elektroni massi.
Vaakumis tekivad elektron-positroni paarid. Iga positiivselt laetud osake, nt prooton, tõmbab neid virtuaalseid elektrone ligi ja tõrjub positroneid (virtuaalsete footonite abil). Seda nähtust nimetatakse vaakumpolarisatsiooniks. Prootoni poolt pööratud elektron-positroni paarid
moodustavad väikesed dipoolid, mis muudavad oma elektriväljaga prootoni välja. Prootoni elektrilaeng, mida me mõõdame, ei ole seega prootoni enda, vaid kogu süsteemi elektrilaeng, sealhulgas virtuaalsed paarid.
Laser vaakumisse
Põhjus, miks me usume, et virtuaalsed osakesed eksisteerivad, pärineb kvantelektrodünaamika (QED) alustest, füüsika harust, mis püüab selgitada footonite ja elektronide koostoimet. Alates selle teooria väljatöötamisest 30. aastatel on füüsikud mõelnud, kuidas tulla toime osakeste probleemiga, mis on matemaatiliselt vajalikud, kuid mida ei saa näha, kuulda ega tunda.
QED näitab, et kui loome piisavalt tugeva elektrivälja, siis teoreetiliselt näitavad virtuaalsed kaasnevad elektronid (või moodustavad statistilise konglomeraadi, mida nimetatakse elektroniks) nende olemasolu ja neid on võimalik tuvastada. Selleks vajalik energia peab jõudma ja ületama Schwingeri piirina tuntud piiri, mille ületamisel kaotab vaakum, nagu piltlikult väljendatakse, oma klassikalised omadused ja lakkab olemast "tühi". Miks see nii lihtne pole? Eelduste kohaselt peab vajaminev energiahulk olema sama palju kui kogu maailma kõigi elektrijaamade toodetud energia – veel miljard korda.
Asi tundub meile kättesaamatu. Nagu selgub, ei pruugi aga kasutada ülilühikeste ja suure intensiivsusega optiliste impulsside lasertehnikat, mille töötasid 80. aastatel välja eelmise aasta Nobeli preemia laureaadid Gérard Mourou ja Donna Strickland. Mourou ise on avalikult öelnud, et nende laseri supervõtete abil saavutatud giga-, tera- ja isegi petavatine võimsus loob võimaluse vaakum murda. Tema kontseptsioonid sisaldusid projektis Extreme Light Infrastructure (ELI), mida toetasid Euroopa fondid ja töötati välja Rumeenias. Bukaresti lähedal on kaks 10-petavatist laserit, mida teadlased soovivad kasutada Schwingeri piiri ületamiseks.
Kuid isegi kui meil õnnestub energiapiiranguid murda, jääb tulemus – ja see, mis lõpuks füüsikute silmis paistab – väga ebakindel. Virtuaalsete osakeste puhul hakkab uurimismetoodika alt vedama ja arvutustel pole enam mõtet. Lihtne arvutus näitab ka, et kaks ELI laserit toodavad liiga vähe energiat. Isegi neli kombineeritud kimpu on ikkagi 10 XNUMX korda vähem kui vaja. Teadlasi see aga ei heiduta, sest nad peavad seda maagilist piiri mitte järsuks ühekordseks piiriks, vaid järkjärguliseks muutumisalaks. Seega loodavad nad virtuaalseid efekte isegi väiksemate energiaannuste korral.
Teadlastel on erinevaid ideid laserkiirte tugevdamiseks. Üks neist on üsna eksootiline kontseptsioon peegeldavatest ja võimendavatest peeglitest, mis liiguvad valguse kiirusel. Teised ideed hõlmavad kiirte võimendamist footonkiirte kokkupõrkes elektronkiirtega või laserkiirte kokkupõrkega, mida Shanghais asuva Hiina ekstreemse valguse jaama uurimiskeskuse teadlased soovivad ellu viia. Suurepärane footonite või elektronide põrkur on uus ja huvitav kontseptsioon, mida tasub jälgida.
