Takže ta prázdnota přestává být prázdnotou

Vakuum je místo, kde se toho, i když ho nevidíte, děje hodně. Zjistit však, co přesně vyžaduje tolik energie, že se ještě nedávno zdálo vědcům nemožné nahlédnout do světa virtuálních částic. Když se někteří lidé v takové situaci zastaví, je nemožné, aby je ostatní povzbudili, aby to zkusili.

Podle kvantové teorie je prázdný prostor vyplněn virtuálními částicemi, které pulzují mezi bytím a nebytím. Jsou také zcela nezjistitelné - pokud jsme neměli něco mocného, ​​abychom je našli.

"Obvykle, když lidé mluví o vakuu, myslí tím něco, co je úplně prázdné," řekl teoretický fyzik Mattias Marklund z Chalmers University of Technology ve švédském Göteborgu v lednovém vydání NewScientist.

Ukázalo se, že laser může ukázat, že to vůbec není tak prázdné.

Elektron ve statistickém smyslu

Virtuální částice jsou matematickým konceptem v kvantových teoriích pole. Jsou to fyzické částice, které svou přítomnost projevují prostřednictvím interakcí, ale porušují princip obalu hmoty.

Virtuální částice se objevují v dílech Richarda Feynmana. Podle jeho teorie je každá fyzická částice ve skutečnosti konglomerátem virtuálních částic. Fyzický elektron je ve skutečnosti virtuální elektron emitující virtuální fotony, které se rozpadají na virtuální páry elektron-pozitron, které zase interagují s virtuálními fotony – a tak dále donekonečna. „Fyzický“ elektron je pokračující proces interakce mezi virtuálními elektrony, pozitrony, fotony a případně dalšími částicemi. „Realita“ elektronu je statistický pojem. Nedá se říci, která část této sady je skutečně skutečná. Je jen známo, že součet nábojů všech těchto částic má za následek náboj elektronu (tj. zjednodušeně řečeno musí být o jeden virtuální elektron více než virtuálních pozitronů) a že součet hmotností všechny částice tvoří hmotnost elektronu.

Ve vakuu vznikají elektron-pozitronové páry. Jakákoli kladně nabitá částice, např. proton, bude tyto virtuální elektrony přitahovat a odpuzovat pozitrony (s pomocí virtuálních fotonů). Tento jev se nazývá vakuová polarizace. Elektron-pozitronové páry rotované protonem

tvoří malé dipóly, které svým elektrickým polem mění pole protonu. Elektrický náboj protonu, který měříme, tedy není nábojem samotného protonu, ale celého systému včetně virtuálních párů.

Laser do vakua

Důvod, proč věříme, že virtuální částice existují, sahá až k základům kvantové elektrodynamiky (QED), odvětví fyziky, které se snaží vysvětlit interakci fotonů s elektrony. Od té doby, co byla tato teorie vyvinuta ve 30. letech XNUMX. století, fyzici přemýšleli, jak se vypořádat s problémem částic, které jsou matematicky nezbytné, ale nelze je vidět, slyšet ani cítit.

QED ukazuje, že teoreticky, pokud vytvoříme dostatečně silné elektrické pole, pak virtuální doprovodné elektrony (neboli tvořící statistický konglomerát nazývaný elektron) odhalí svou přítomnost a bude možné je detekovat. Energie k tomu potřebná musí dosáhnout a překročit hranici známou jako Schwingerova mez, za níž, jak je obrazně vyjádřeno, vakuum ztrácí své klasické vlastnosti a přestává být „prázdné“. Proč to není tak jednoduché? Podle předpokladů musí být potřebné množství energie tolik, jako celková energie vyrobená všemi elektrárnami na světě – další miliardkrát.

Zdá se, že ta věc je mimo náš dosah. Jak se však ukazuje, ne nutně, pokud se použije laserová technika ultrakrátkých optických pulsů o vysoké intenzitě, kterou v 80. letech vyvinuli loňští nositelé Nobelovy ceny Gérard Mourou a Donna Stricklandová. Sám Mourou otevřeně řekl, že giga-, tera- a dokonce petawattové výkony dosažené v těchto laserových supershotech vytvářejí příležitost prolomit vakuum. Jeho koncepty byly vtěleny do projektu Extreme Light Infrastructure (ELI), podpořeného z evropských fondů a vyvinutého v Rumunsku. V blízkosti Bukurešti jsou dva 10-petawattové lasery, které chtějí vědci použít k překonání Schwingerovy hranice.

I když se nám však podaří prolomit energetická omezení, zůstává výsledek – a to, co se nakonec ukáže očím fyziků – značně nejistý. V případě virtuálních částic začíná metodologie výzkumu selhávat a výpočty přestávají dávat smysl. Jednoduchý výpočet také ukazuje, že dva lasery ELI generují příliš málo energie. Dokonce i čtyři kombinované balíčky jsou stále 10 XNUMXkrát méně, než je nutné. Vědce to však neodradí, protože tuto magickou hranici nepovažují za ostrou jednorázovou hranici, ale za postupnou oblast změn. Doufají tedy v nějaké virtuální efekty i s menšími dávkami energie.

Výzkumníci mají různé nápady na posílení laserových paprsků. Jedním z nich je poněkud exotický koncept odrážejících a zesilujících zrcadel, která se pohybují rychlostí světla. Mezi další nápady patří zesílení paprsků srážkou fotonových paprsků s elektronovými paprsky nebo srážkami laserových paprsků, které prý chtějí provést vědci z výzkumného centra čínské stanice extrémního světla v Šanghaji. Skvělý srážeč fotonů nebo elektronů je nový a zajímavý koncept, který stojí za to pozorovat.