Впервые в истории ученые под руководством специалистов Оксфордского университета при поддержке ведущих экспертов Zixin (Lily) Zhang, Питера Норрейса и Луиса Сильвы смогли смоделировать в трехмерном пространстве уникальные явления, возникающие в «квантовом вакууме». Этот необычный термин описывает состояние, ранее считавшееся абсолютно пустым, но теперь известно, что оно наполнено виртуальными парами электронов и позитронов, пребывающими в непрерывном квантовом движении.
Прорыв в исследовании квантовых эффектов вакуума
Использование современного вычислительного комплекса OSIRIS позволило ученым заглянуть в глубины фундаментальной физики и понять, как мощные импульсы лазеров могут буквально менять структуру так называемой «ничто». Передовые технологии помогли воссоздать редчайшее квантовое явление — четырехволновое смешение вакуума. Этот эффект, предсказанный теорией давно, но до сих пор не регистрировавшийся на практике, демонстрирует, как три сфокусированных лазерных луча, создавая общее электромагнитное поле, способны активировать виртуальные частицы внутри вакуума. В результате фотоны как будто сталкиваются друг с другом, что приводит к появлению четвертого, ранее не существовавшего, лазерного луча. Это поистине выглядит как «свет, появляющийся из темноты».
Новая эра лазерных экспериментов начинается
Данная научная работа появилась в эпоху, когда человечество только начинает использовать сверхмощные лазерные установки. Новое поколение лазеров обещает предоставить невиданные ранее уровни мощности, позволяющие с высокой достоверностью наблюдать столкновение фотонов в реальных лабораториях. Программный пакет OSIRIS, который коллектив исследователей доработал специально для этих целей, стал ключевым инструментом моделирования лазерных процессов в плазме и иных средах.
По словам главного разработчика проекта Zixin (Lily) Zhang, их программа открывает перед учеными трехмерный взгляд на многообразные и тонкие процессы, происходящие в квантовом вакууме. Проведя моделирование экспериментов с тремя пересекающимися пучками лазера, команда зафиксировала спектр самых разнообразных эффектов и проанализировала временные, пространственные и энергетические характеристики этих потрясающих взаимодействий. Благодаря точной верификации расчетов появилась возможность изучать более сложные сценарии, в том числе необычные структуры пучков и методы динамического фокусирования света.
Практические выгоды для мировой науки
Ключевое значение такого подхода заключается в том, что он предоставляет экспериментаторам исчерпывающие и реалистичные данные для подготовки будущих испытаний в лабораториях. Модели учитывают сложную форму и длительность лазерных импульсов, а также показывают, как даже незначительные отклонения в конфигурации пучков могут повлиять на конечный результат эксперимента. Моделирование в реальном времени раскрыло ранее неизвестные нюансы эволюции квантовых взаимодействий и дало надежду на дальнейшее открытие новых частиц и необычных физических процессов.
Коллектив авторов считает, что их вычислительный инструмент окажется незаменимым для проектирования будущих экспериментов с экстремально мощными лазерами. Помимо фундаментальных задач, данная технология может оказаться ключевой в поиске следов гипотетических элементарных частиц — например, аксионов или частиц с аномально малым зарядом, которые рассматриваются как возможные составляющие загадочной темной материи.
Слова ведущих ученых-партнеров
Профессор Питер Норрейс отмечает, что полученные результаты — не только научная любознательность, но и реальный путь к экспериментальной валидации самых парадоксальных идей квантовой теории, многие из которых ранее оставались лишь областью гипотез и умозрительных предсказаний.
Его коллега профессор Луис Сильва добавляет, что инновационный численный подход, внедренный в OSIRIS, позволит реализовать целый спектр передовых экспериментов на современных лазерных установках. Благодаря соединению передовых систем лазерного импульса, высокоточной детекции и мощного моделирования, открываются совершенно новые горизонты в изучении материи, света и их фундаментальных свойств.
Будущее экспериментов с квантовым вакуумом
По мнению научной команды, именно такие совместные исследования, в которых технологии и теория идут рука об руку, открывают двери к удивительным открытиям в физике высоких энергий. OSIRIS уже занимает свое место в числе наиболее эффективных инструментов для проектирования и анализа сложнейших лазерно-плазменных взаимодействий.
Дальнейшее развитие вычислительных моделей, подкрепленное активным экспериментом, поможет не только расширить представление о строении вакуума, но и создать платформу для поиска новых частиц и нетривиальных квантовых эффектов, о существовании которых пока только строятся теории. Все это делает новый этап исследований в духе сотрудничества Оксфордского университета, Zixin Zhang, Питера Норрейса, Луиса Сильвы и OSIRIS одним из самых ярких и вдохновляющих примеров современной фундаментальной науки.
Источник: scientificrussia.ru
