Оксфордські фізики змоделювали світло з вакууму

Дослідники з Оксфорда змоделювали унікальне квантове явище — генерацію світла з вакууму, підтверджуючи фундаментальні передбачення квантової теорії.

Уперше в історії вченим вдалося відтворити реалістичне тривимірне моделювання того, як інтенсивне лазерне випромінювання здатне змінити стан так званого «квантового вакууму». Цей вакуум, всупереч своїй назві, не є порожнім — згідно з квантовою електродинамікою, він наповнений віртуальними парами електронів і позитронів, які короткочасно виникають і зникають. Змодельоване явище, відоме як вакуумне чотирихвильове змішування, дозволяє фотонам взаємодіяти — відбиватися й навіть генерувати нові світлові пучки.

«Це не просто академічна цікавість — це важливий крок до експериментального підтвердження квантових ефектів», — підкреслив професор Пітер Норрейс. Симуляція проводилася за допомогою вдосконаленої версії програмного забезпечення OSIRIS, яке дозволяє спостерігати квантові взаємодії у реальному часі. За словами аспірантки Зісін Чжан, «ми змогли зафіксувати повний спектр квантових сигнатур у тривимірному просторі та часі». Її модель відтворює складну геометрію взаємодії трьох лазерних променів, в результаті чого з’являється новий фотон — четвертий промінь із власними властивостями.

Результати цього моделювання мають ключове значення для майбутніх експериментів, які готуються на потужних лазерних установках, таких як Vulcan 20-20, європейський проєкт ELI та китайські системи SEL і SHINE. У США на установці OPAL планують перші спроби підтвердження ефекту розсіювання фотонів у лабораторних умовах. Ці проєкти здатні створити умови для дослідження нової фізики — зокрема пошуку гіпотетичних частинок, таких як аксіони та мілізарядні частинки.

«Поєднання надпотужних лазерів і точного моделювання є основою нової ери у фундаментальній фізиці», — зазначив професор Луїс Сільва. За його словами, симуляції допоможуть не лише у плануванні експериментів, а й у виявленні тонких геометричних ефектів, які змінюють характер квантових взаємодій. Завдяки цим дослідженням людство наближається до розуміння структури вакууму, природи світла і потенційно — до відкриття нових форм матерії.