Taigi ta tuštuma nustoja būti tuštuma
Vakuumas – tai vieta, kur, net jei jo nematai, daug kas nutinka. Tačiau išsiaiškinti, kas tiksliai reikalauja tiek energijos, kad dar visai neseniai mokslininkams atrodė neįmanoma pažvelgti į virtualių dalelių pasaulį. Kai vieni žmonės tokioje situacijoje sustoja, kiti negali paskatinti jų pabandyti.
Remiantis kvantine teorija, tuščia erdvė užpildyta virtualiomis dalelėmis, kurios pulsuoja tarp būties ir nebūties. Jie taip pat visiškai neaptinkami – nebent turėtume ką nors galingo, kad juos surastume.
„Paprastai, kai žmonės kalba apie vakuumą, jie turi galvoje kažką, kas visiškai tuščia“, – sakė fizikas teorinis Mattiasas Marklundas iš Chalmerso technologijos universiteto Geteborge (Švedija) sausio mėnesio „NewScientist“ numeryje.
Pasirodo, lazeris gali parodyti, kad jis visai ne toks tuščias.
Elektronas statistine prasme
Virtualios dalelės yra matematinė kvantinio lauko teorijų sąvoka. Tai yra fizinės dalelės, kurios išreiškia savo buvimą sąveikaujant, tačiau pažeidžia masės apvalkalo principą.
Virtualios dalelės atsiranda Richardo Feynmano darbuose. Pagal jo teoriją, kiekviena fizinė dalelė iš tikrųjų yra virtualių dalelių konglomeratas. Fizinis elektronas iš tikrųjų yra virtualus elektronas, skleidžiantis virtualius fotonus, kurie skyla į virtualias elektronų-pozitronų poras, kurios savo ruožtu sąveikauja su virtualiais fotonais – ir taip be galo. „Fizinis“ elektronas yra nuolatinis virtualių elektronų, pozitronų, fotonų ir galbūt kitų dalelių sąveikos procesas. Elektrono „tikrovė“ yra statistinė sąvoka. Neįmanoma pasakyti, kuri šio rinkinio dalis yra tikrai tikra. Žinoma tik tai, kad visų šių dalelių krūvių suma lemia elektrono krūvį (t. y. paprasčiau tariant, turi būti vienu virtualiu elektronu daugiau nei virtualių pozitronų) ir kad masių suma visos dalelės sukuria elektrono masę.
Vakuume susidaro elektronų-pozitronų poros. Bet kuri teigiamai įkrauta dalelė, pvz., protonas, pritrauks šiuos virtualius elektronus ir atstums pozitronus (naudojant virtualius fotonus). Šis reiškinys vadinamas vakuumine poliarizacija. Elektronų-pozitronų poros, sukamos protonu
jie sudaro mažus dipolius, kurie savo elektriniu lauku keičia protono lauką. Todėl mūsų matuojamas protono elektrinis krūvis yra ne paties protono, o visos sistemos, įskaitant virtualias poras, krūvis.
Lazeris į vakuumą
Priežastis, dėl kurios manome, kad egzistuoja virtualios dalelės, siekia kvantinės elektrodinamikos (QED) – fizikos šakos, kuri bando paaiškinti fotonų sąveiką su elektronais – pagrindus. Nuo tada, kai ši teorija buvo sukurta praėjusio amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje, fizikai galvojo, kaip išspręsti dalelių, kurios matematiškai būtinos, bet kurių negalima pamatyti, girdėti ar pajausti, problemą.
QED rodo, kad teoriškai, jei sukursime pakankamai stiprų elektrinį lauką, virtualūs lydintieji elektronai (arba sudarydami statistinį konglomeratą, vadinamą elektronu) atskleis jų buvimą ir bus galima juos aptikti. Tam reikalinga energija turi pasiekti ir viršyti ribą, vadinamą Schwinger riba, kurią peržengus, kaip vaizdžiai išreiškiama, vakuumas praranda savo klasikines savybes ir nustoja būti „tuščias“. Kodėl tai nėra taip paprasta? Remiantis prielaidomis, reikalingas energijos kiekis turi būti tiek, kiek bendra visų pasaulio elektrinių pagaminama energija – dar milijardą kartų.
Dalykas atrodo mums nepasiekiamas. Tačiau, kaip paaiškėja, nebūtinai, jei naudojama itin trumpų, didelio intensyvumo optinių impulsų lazerinė technika, kurią devintajame dešimtmetyje sukūrė praėjusių metų Nobelio premijos laureatai Gérardas Mourou ir Donna Strickland. Pats Mourou atvirai pasakė, kad giga, tera ir net petavatų galios, pasiekiamos šiuose lazerio superšūviuose, sukuria galimybę pralaužti vakuumą. Jo koncepcijos buvo įkūnytos Ekstremalios šviesos infrastruktūros (ELI) projekte, remiamame Europos fondų ir plėtojamo Rumunijoje. Netoli Bukarešto yra du 80 pevatų galios lazeriai, kuriuos mokslininkai nori panaudoti Schwinger ribai įveikti.
Tačiau net jei mums pavyks sulaužyti energijos apribojimus, rezultatas – ir tai, kas galiausiai pasirodys fizikų akims – lieka labai neaišku. Virtualių dalelių atveju tyrimo metodika ima žlugti, o skaičiavimai nebetenka prasmės. Paprastas skaičiavimas taip pat rodo, kad du ELI lazeriai generuoja per mažai energijos. Net keturi kombinuoti paketai vis tiek yra 10 XNUMX kartų mažiau nei būtina. Tačiau mokslininkų tai neatbaido, nes šią magišką ribą jie laiko ne aštria vienkartine riba, o laipsnišku pokyčių sritimi. Taigi jie tikisi virtualių efektų net ir su mažesnėmis energijos dozėmis.
Mokslininkai turi įvairių idėjų, kaip sustiprinti lazerio spindulius. Viena iš jų – gana egzotiška atspindinčių ir stiprinančių veidrodžių, skriejančių šviesos greičiu, koncepcija. Kitos idėjos apima pluoštų stiprinimą susidūrus fotonų pluoštams su elektronų pluoštais arba susidūrimo lazerio spinduliais, kuriuos, kaip teigiama, nori įgyvendinti Kinijos ekstremalios šviesos stoties tyrimų centro Šanchajuje mokslininkai. Puikus fotonų arba elektronų susidūrėjas yra nauja ir įdomi koncepcija, kurią verta stebėti.
