Fizičari sa Univerziteta u Oksfordu uspešno su simulirali kako svetlost uzajmno deluje sa praznim prostorom – fenomen koji je nekada pripadao isključivo svetu naučne fantastike.
Simulacije su rekreirale neobičnu pojavu koju predviđa kvantna fizika, gde se čini da svetlost nastaje iz tame. Otkrića otvaraju put za eksperimentalnu potvrdu čudnih kvantnih fenomena u realnim uslovima ulazkom novih laserskih tehnologija. Rezultati su objavljeni u časopisu Communications Physics.
Modelovanje kvantnog vakuma u realnom vremenu
Koristeći napredne računarske modele, istraživački tim sa Univerziteta u Oksfordu, u saradnji sa Institutom Instituto Superior Técnico Univerziteta u Lisabonu, postigao je prve simulacije u realnom vremenu i u tri dimenzije kako intenzivni laserski zraci menjaju „kvantni vakum” – stanje koje se nekada smatralo praznim, ali koje kvantna fizika opisuje kao prostor ispunjen virtuelnim parovima elektrona i pozitrona.
Četvorotalasno mešanje u vakumu
Simulacije su rekreirale neobičan fenomen poznat kao četvorotalasno mešanje u vakuumu. Ova pojava podrazumeva da kombinovano elektromagnetno polje tri fokusirana laserska zraka može polarisati virtuelne elektron-pozitron parove u vakuumu, što dovodi do toga da fotoni međusobno odskaču poput bilijarskih kugli – generišući četvrti laserski zrak u procesu koji liči na „stvaranje svetlosti iz tame”.
Ovi događaji mogli bi poslužiti kao sonda za otkrivanje nove fizike pri izuzetno visokim intenzitetima.
Veliki korak ka eksperimentalnoj potvrdi
„Ovo nije samo akademska radoznalost – ovo je veliki korak ka eksperimentalnoj potvrdi kvantnih efekata koji su do sada bili pretežno teorijski,” izjavio je koautor studije, profesor Piter Noris sa Fizičkog fakulteta Univerziteta u Oksfordu.
Laserske tehnologije nove generacije
Ovaj rad stiže u pravom trenutku, s obzirom na to da nova generacija ultra-snažnih lasera počinje sa radom. Objekti kao što su britanski Vulcan 20-20, evropski projekat Extreme Light Infrastructure (ELI), kao i kineski Station for Extreme Light (SEL) i SHINE, dostići će snage dovoljne za potencijalnu laboratorijsku potvrdu rasejanja fotona na fotonu po prvi put.
Rasejanje fotona na fotonu već je izabrano kao jedan od tri vodeća eksperimenta u okviru OPAL laserske ustanove sa dva snopa snage 25 petavata pri Univerzitetu u Ročesteru u SAD.
Simulacije su sprovedene korišćenjem napredne verzije softvera OSIRIS, koji modelira interakcije između laserskih zraka i materije ili plazme.
Prozor u nevidljive kvantne procese
Glavni autor, doktorand Zikin Džang sa Fizičkog fakulteta Univerziteta u Oksfordu, istakao je: „Naš računarski program nam pruža trodimenzionalni, vremenski razrešen prozor u kvantne interakcije u vakuumu koje su do sada bile nedostupne.
Primenom našeg modela na eksperiment rasejanja tri zraka, uspeli smo da obuhvatimo čitav spektar kvantnih potpisa, kao i detaljan uvid u region interakcije i ključne vremenske skale. Nakon temeljnog testiranja simulacije, sada možemo da se posvetimo složenijim i istraživačkim scenarijima – uključujući egzotične strukture zraka i flying-focus impulse.”
Planiranje budućih eksperimenata
Ovi modeli pružaju ključne podatke koje eksperimentatori koriste za precizno planiranje stvarnih testova, uključujući realistične oblike lasera i tajming impulsa.
Simulacije takođe otkrivaju nova saznanja, poput toga kako se ove interakcije razvijaju u realnom vremenu i kako suptilne asimetrije u geometriji zraka mogu uticati na ishod.
Prema rečima tima, ovaj alat ne samo da će pomoći u planiranju budućih eksperimenata sa laserima visoke energije, već bi mogao i da doprinese potrazi za hipotetičnim česticama kao što su aksioni i millicharged čestice – potencijalnim kandidatima za tamnu materiju.
Nova era fundamentalne fizike
Koautor studije, profesor Luis Silva sa Instituta Instituto Superior Técnico Univerziteta u Lisabonu i gostujući profesor fizike na Univerzitetu u Oksfordu, dodaje: „Širok spektar planiranih eksperimenata na najnaprednijim laserskim postrojenjima biće značajno unapređen našim novim računarskim metodom implementiranim u softveru OSIRIS.
Kombinacija ultra-intenzivnih lasera, najsavremenije detekcije, i vrhunskog analitičkog i numeričkog modelovanja predstavlja temelj nove ere u interakciji lasera i materije koja će otvoriti nove horizonte u fundamentalnoj fizici.”
