Фізики вперше змоделювали квантовий вакуум у 3D

Фізики досягли значного прориву, створивши перші у світі тривимірні симуляції в реальному часі того, як потужні лазерні промені змінюють квантовий вакуум. Цей стан раніше вважався порожнім простором, але квантова фізика передбачає, що він наповнений віртуальними парами електрон-позитрон.

Симуляції відтворюють дивовижне явище, передбачене квантовою фізикою, відоме як чотирихвильове змішування вакууму. Це явище стверджує, що об'єднане електромагнітне поле трьох сфокусованих лазерних імпульсів може поляризувати віртуальні пари електрон-позитрон у вакуумі, змушуючи фотони відбиватися один від одного як більярдні кулі. Це генерує четвертий лазерний промінь у процесі, який можна назвати «світло з темряви».

«Це не просто академічна цікавість — це важливий крок до експериментального підтвердження квантових ефектів, які досі були переважно теоретичними», — заявив професор Пітер Норрейс з Оксфордського університету.

Симуляції проводилися з використанням удосконаленої версії OSIRIS — програмного пакету для моделювання, який відтворює взаємодії між лазерними променями та речовиною або плазмою. Цей інструмент дозволяє вченим досліджувати квантові взаємодії у вакуумі з безпрецедентною деталізацією.

«Наша комп'ютерна програма надає нам тривимірне вікно в квантові взаємодії вакууму з розподілом у часі, які раніше були недосяжними», — пояснила Зіксін Чжан, докторантка Оксфордського університету. «Застосувавши нашу модель до експерименту з розсіюванням трьох променів, ми змогли зафіксувати повний спектр квантових сигнатур разом з детальними уявленнями про область взаємодії та ключові часові масштаби».

Дослідниця додала, що після ретельного тестування симуляції команда може тепер звернути увагу на більш складні та дослідницькі сценарії, включаючи екзотичні структури лазерних променів та імпульси з рухомим фокусом.

Ці моделі надають критично важливі деталі, на які покладаються експериментатори при розробці точних реальних тестів, включаючи реалістичні форми лазерів та синхронізацію імпульсів. Симуляції також розкривають нові уявлення про те, як ці взаємодії розвиваються в реальному часі та як тонкі асиметрії в геометрії променів можуть змінити результат.

За словами команди, цей інструмент не лише допоможе в плануванні майбутніх експериментів з високоенергетичними лазерами, але також може сприяти пошуку ознак гіпотетичних частинок, таких як аксіони та частинки з мілізарядом — потенційні кандидати на роль темної матерії.

«Широкий спектр запланованих експериментів у найсучасніших лазерних установках отримає значну допомогу від нашого нового обчислювального методу, впровадженого в OSIRIS», — заявив професор Луїс Сільва, фізик з Вищого технічного інституту Лісабонського університету та Оксфордського університету.

Професор Сільва підкреслив, що поєднання ультраінтенсивних лазерів, найсучаснішого виявлення, передового аналітичного та чисельного моделювання створює основи для нової ери у взаємодіях лазер-речовина, що відкриє нові горизонти для фундаментальної фізики.

Результати дослідження були опубліковані в журналі Communications Physics. Стаття представляє обчислювальне моделювання напівкласичного квантового вакууму в тривимірному просторі, що є значним кроком вперед у розумінні квантових явищ.

Це дослідження відкриває нові можливості для експериментального вивчення квантових ефектів, які раніше існували лише в теорії. Здатність моделювати ці складні взаємодії в реальному часі дає вченим потужний інструмент для дослідження фундаментальних властивостей простору та часу на квантовому рівні.