Физичари са Универзитета у Оксфорду успешно су симулирали како светлост узајмно делује са празним простором – феномен који је некада припадао искључиво свету научне фантастике.
Симулације су рекреирале необичну појаву коју предвиђа квантна физика, где се чини да светлост настаје из таме. Открића отварају пут за експерименталну потврду чудних квантних феномена у реалним условима улазком нових ласерских технологија. Резултати су објављени у часопису Communications Physics.
Моделовање квантног вакума у реалном времену
Користећи напредне рачунарске моделе, истраживачки тим са Универзитета у Оксфорду, у сарадњи са Институтом Instituto Superior Técnico Универзитета у Лисабону, постигао је прве симулације у реалном времену и у три димензије како интензивни ласерски зраци мењају „квантни вакум” – стање које се некада сматрало празним, али које квантна физика описује као простор испуњен виртуелним паровима електрона и позитрона.
Четвороталасно мешање у вакуму
Симулације су рекреирале необичан феномен познат као четвороталасно мешање у вакууму. Ова појава подразумева да комбиновано електромагнетно поље три фокусирана ласерска зрака може поларисати виртуелне електрон-позитрон парове у вакууму, што доводи до тога да фотони међусобно одскачу попут билијарских кугли – генеришући четврти ласерски зрак у процесу који личи на „стварање светлости из таме”.
Ови догађаји могли би послужити као сонда за откривање нове физике при изузетно високим интензитетима.
Велики корак ка експерименталној потврди
„Ово није само академска радозналост – ово је велики корак ка експерименталној потврди квантних ефеката који су до сада били претежно теоријски,” изјавио је коаутор студије, професор Питер Норис са Физичког факултета Универзитета у Оксфорду.
Ласерске технологије нове генерације
Овај рад стиже у правом тренутку, с обзиром на то да нова генерација ултра-снажних ласера почиње са радом. Објекти као што су британски Vulcan 20-20, европски пројекат Extreme Light Infrastructure (ELI), као и кинески Station for Extreme Light (SEL) и SHINE, достићи ће снаге довољне за потенцијалну лабораторијску потврду расејања фотона на фотону по први пут.
Расејање фотона на фотону већ је изабрано као један од три водећа експеримента у оквиру OPAL ласерске установе са два снопа снаге 25 петавата при Универзитету у Рочестеру у САД.
Симулације су спроведене коришћењем напредне верзије софтвера OSIRIS, који моделира интеракције између ласерских зрака и материје или плазме.
Прозор у невидљиве квантне процесе
Главни аутор, докторанд Зикин Џанг са Физичког факултета Универзитета у Оксфорду, истакао је: „Наш рачунарски програм нам пружа тродимензионални, временски разрешен прозор у квантне интеракције у вакууму које су до сада биле недоступне.
Применом нашег модела на експеримент расејања три зрака, успели смо да обухватимо читав спектар квантних потписа, као и детаљан увид у регион интеракције и кључне временске скале. Након темељног тестирања симулације, сада можемо да се посветимо сложенијим и истраживачким сценаријима – укључујући егзотичне структуре зрака и flying-focus импулсе.”
Планирање будућих експеримената
Ови модели пружају кључне податке које експериментатори користе за прецизно планирање стварних тестова, укључујући реалистичне облике ласера и тајминг импулса.
Симулације такође откривају нова сазнања, попут тога како се ове интеракције развијају у реалном времену и како суптилне асиметрије у геометрији зрака могу утицати на исход.
Према речима тима, овај алат не само да ће помоћи у планирању будућих експеримената са ласерима високе енергије, већ би могао и да допринесе потрази за хипотетичним честицама као што су аксиони и millicharged честице – потенцијалним кандидатима за тамну материју.
Нова ера фундаменталне физике
Коаутор студије, професор Луис Силва са Института Instituto Superior Técnico Универзитета у Лисабону и гостујући професор физике на Универзитету у Оксфорду, додаје: „Широк спектар планираних експеримената на најнапреднијим ласерским постројењима биће значајно унапређен нашим новим рачунарским методом имплементираним у софтверу OSIRIS.
Комбинација ултра-интензивних ласера, најсавременије детекције, и врхунског аналитичког и нумеричког моделовања представља темељ нове ере у интеракцији ласера и материје која ће отворити нове хоризонте у фундаменталној физици.”