Takže tá prázdnota prestáva byť prázdnotou
Vákuum je miesto, kde sa veľa deje, aj keď ho nevidíte. Na to, aby sme presne zistili, čo je na to potrebné, je však toľko energie, že donedávna sa vedcom zdalo nemožné nahliadnuť do sveta virtuálnych častíc. Keď sa niektorí ľudia v takejto situácii zastavia, je pre ostatných nemožné povzbudiť ich, aby to skúsili.
Podľa kvantovej teórie je prázdny priestor vyplnený virtuálnymi časticami, ktoré pulzujú medzi bytím a nebytím. Sú tiež úplne nezistiteľné - pokiaľ sme nemali niečo mocné, aby sme ich našli.
„Obyčajne, keď ľudia hovoria o vákuu, majú na mysli niečo, čo je úplne prázdne,“ povedal teoretický fyzik Mattias Marklund z Chalmers University of Technology vo švédskom Göteborgu v januárovom vydaní NewScientist.
Ukazuje sa, že laser dokáže ukázať, že to vôbec nie je také prázdne.
Elektrón v štatistickom zmysle
Virtuálne častice sú matematickým konceptom v kvantových teóriách poľa. Sú to fyzické častice, ktoré prejavujú svoju prítomnosť prostredníctvom interakcií, ale porušujú princíp plášťa hmoty.
Virtuálne častice sa objavujú v dielach Richarda Feynmana. Podľa jeho teórie je každá fyzická častica v skutočnosti konglomerátom virtuálnych častíc. Fyzický elektrón je vlastne virtuálny elektrón emitujúci virtuálne fotóny, ktoré sa rozpadajú na virtuálne elektrón-pozitrónové páry, ktoré následne interagujú s virtuálnymi fotónmi – a tak ďalej donekonečna. „Fyzický“ elektrón je prebiehajúci proces interakcie medzi virtuálnymi elektrónmi, pozitrónmi, fotónmi a možno aj inými časticami. „Realita“ elektrónu je štatistický pojem. Nedá sa povedať, ktorá časť tejto zostavy je naozaj skutočná. Je známe len to, že súčet nábojov všetkých týchto častíc vedie k náboju elektrónu (t.j. zjednodušene povedané, virtuálneho elektrónu musí byť o jeden viac ako virtuálnych pozitrónov) a že súčet hmotností všetky častice vytvárajú hmotnosť elektrónu.
Elektrón-pozitrónové páry vznikajú vo vákuu. Každá kladne nabitá častica, napríklad protón, pritiahne tieto virtuálne elektróny a odpudí pozitróny (pomocou virtuálnych fotónov). Tento jav sa nazýva vákuová polarizácia. Elektrón-pozitrónové páry rotované protónom
tvoria malé dipóly, ktoré svojim elektrickým poľom menia pole protónu. Elektrický náboj protónu, ktorý meriame, teda nie je nábojom samotného protónu, ale celého systému vrátane virtuálnych párov.
Laser do vákua
Dôvod, prečo veríme, že virtuálne častice existujú, siaha až k základom kvantovej elektrodynamiky (QED), odvetvia fyziky, ktoré sa snaží vysvetliť interakciu fotónov s elektrónmi. Odkedy bola táto teória vyvinutá v 30. rokoch XNUMX. storočia, fyzici sa pýtali, ako sa vysporiadať s problémom častíc, ktoré sú matematicky nevyhnutné, ale nemožno ich vidieť, počuť ani cítiť.
QED ukazuje, že teoreticky, ak vytvoríme dostatočne silné elektrické pole, virtuálne sprievodné elektróny (alebo tvoriace štatistický konglomerát nazývaný elektrón) odhalia svoju prítomnosť a bude ich možné odhaliť. Energia potrebná na to musí dosiahnuť a prekročiť hranicu známu ako Schwingerova hranica, za ktorou, ako je obrazne vyjadrené, vákuum stráca svoje klasické vlastnosti a prestáva byť „prázdne“. Prečo to nie je také jednoduché? Podľa predpokladov musí byť potrebné množstvo energie toľko, ako celková energia vyprodukovaná všetkými elektrárňami na svete – teda ešte miliardu krát.
Zdá sa, že tá vec je mimo náš dosah. Ako sa však ukazuje, nie nevyhnutne, ak sa použije laserová technika ultrakrátkych optických impulzov s vysokou intenzitou, ktorú v 80. rokoch vyvinuli minuloroční nositelia Nobelovej ceny Gérard Mourou a Donna Stricklandová. Sám Mourou otvorene povedal, že giga-, tera- a dokonca petawattové výkony dosiahnuté v týchto laserových supershotoch vytvárajú príležitosť prelomiť vákuum. Jeho koncepty boli stelesnené v projekte Extreme Light Infrastructure (ELI), podporenom z európskych fondov a vyvinutom v Rumunsku. V blízkosti Bukurešti sa nachádzajú dva 10-petawattové lasery, ktoré chcú vedci použiť na prekonanie Schwingerovho limitu.
Ak by sa nám však aj podarilo prelomiť energetické obmedzenia, výsledok – a to, čo sa nakoniec zjaví v očiach fyzikov – zostáva značne neisté. V prípade virtuálnych častíc začína zlyhávať metodológia výskumu a výpočty už nedávajú zmysel. Jednoduchý výpočet tiež ukazuje, že dva lasery ELI generujú príliš málo energie. Dokonca aj štyri kombinované balíky sú stále 10 XNUMX-krát menej, ako je potrebné. Vedcov to však neodrádza, pretože túto magickú hranicu nepovažujú za ostrú jednorazovú hranicu, ale za postupnú oblasť zmien. Dúfajú teda v nejaké virtuálne efekty aj pri menších dávkach energie.
Výskumníci majú rôzne nápady, ako posilniť laserové lúče. Jedným z nich je pomerne exotický koncept odrazových a zosilňovacích zrkadiel, ktoré sa pohybujú rýchlosťou svetla. Medzi ďalšie nápady patrí zosilnenie lúčov zrážkou fotónových lúčov s elektrónovými lúčmi alebo zrážkami laserových lúčov, ktoré vraj chcú uskutočniť vedci z výskumného centra Čínskej stanice extrémneho svetla v Šanghaji. Skvelý zrážač fotónov alebo elektrónov je nový a zaujímavý koncept, ktorý stojí za to pozorovať.
