Команда ученых из Оксфордского университета и Лиссабонского технического университета впервые смоделировала в реальном времени, как сверхмощные лазеры влияют на квантовый вакуум. Раньше считалось, что вакуум — это абсолютная пустота, но квантовая физика доказала: он наполнен виртуальными частицами — парами электронов и позитронов, которые постоянно рождаются и исчезают.

С помощью сложных вычислений исследователи воссоздали странный эффект — четырехволновое смешение в вакууме. Если направить три лазерных импульса в одну точку, их электромагнитные поля поляризуют виртуальные частицы, и фотоны начинают сталкиваться, как шары на бильярде. В результате появляется четвертый луч — буквально «свет из тьмы». Этот процесс может помочь изучать новые физические явления при экстремально высоких энергиях.

Результаты опубликованы в издании Communications Physics.

Это не просто теория — мы на шаг ближе к экспериментальному подтверждению квантовых эффектов, которые раньше существовали только в расчетах, — говорит профессор Питер Норрис из Оксфорда.

Исследование особенно актуально сейчас, когда в мире запускают новые сверхмощные лазеры:

• Vulcan 20-20  (Великобритания),
• Extreme Light Infrastructure (ELI)  (Европа),
• Station for Extreme Light (SEL) и SHINE  (Китай).

Они смогут впервые зафиксировать рассеяние фотонов на фотонах — один из ключевых экспериментов на лазере OPAL в США.

Моделирование проводилось на усовершенствованной версии программы OSIRIS, которая рассчитывает взаимодействие лазеров с веществом.

Наша программа позволяет в реальном времени наблюдать за квантовым вакуумом в 3D, — объясняет аспирантка Оксфорда Зиксин (Лили) Чжан. — Мы смоделировали столкновение трех лучей и увидели все квантовые эффекты. Теперь можем изучать более сложные сценарии — например, необычные формы лазерных импульсов.

Эти расчеты помогут экспериментаторам точнее настраивать оборудование и даже искать гипотетические частицы вроде аксионов — возможных компонентов темной материи.

Новый метод моделирования открывает эпоху в изучении лазерно-материальных взаимодействий, — добавляет профессор Луис Сильва из Лиссабона.

Польза исследования

• Проверка квантовой теории — если эксперименты подтвердят эффекты вроде четырехволнового смешения, это укрепит основы современной физики.
• Новые технологии — управление вакуумом может привести к прорывам в энергетике и квантовых вычислениях.
• Поиск темной материи — сверхмощные лазеры могут обнаружить частицы, которые не фиксируют обычные детекторы.

Моделирование — это еще не эксперимент. Даже самые точные расчеты могут не учесть все факторы, особенно при таких экстремальных энергиях. Пока нет гарантии, что в реальности эффекты будут выглядеть так же.

Ранее ученые впервые сфотографировали взаимодействие отдельных атомов.