Niin että tyhjyys lakkaa olemasta tyhjyyttä
Tyhjiö on paikka, jossa tapahtuu paljon, vaikka et näe sitä. Kuitenkin selvittää, mikä tarkalleen vaatii niin paljon energiaa, että viime aikoihin asti tutkijoiden näytti olevan mahdotonta tarkastella virtuaalihiukkasten maailmaa. Kun jotkut ihmiset pysähtyvät sellaiseen tilanteeseen, toisten on mahdotonta kannustaa heitä yrittämään.
Kvanttiteorian mukaan tyhjä tila on täynnä virtuaalisia hiukkasia, jotka sykkivät olemisen ja ei-olemisen välillä. Ne ovat myös täysin huomaamattomia - ellei meillä ollut jotain voimakasta löytääksemme niitä.
"Yleensä, kun ihmiset puhuvat tyhjiöstä, he tarkoittavat jotain, joka on täysin tyhjä", sanoi teoreettinen fyysikko Mattias Marklund Chalmersin teknillisestä yliopistosta Göteborgissa, tammikuun NewScientistin numerossa.
Osoittautuu, että laser voi osoittaa, ettei se ole ollenkaan tyhjä.
Elektroni tilastollisessa mielessä
Virtuaalihiukkaset ovat matemaattinen käsite kvanttikenttäteorioissa. Ne ovat fyysisiä hiukkasia, jotka ilmaisevat läsnäolonsa vuorovaikutuksen kautta, mutta rikkovat massan kuoren periaatetta.
Virtuaalihiukkaset esiintyvät Richard Feynmanin teoksissa. Hänen teoriansa mukaan jokainen fyysinen hiukkanen on itse asiassa virtuaalihiukkasten konglomeraatti. Fyysinen elektroni on itse asiassa virtuaalinen elektroni, joka lähettää virtuaalisia fotoneja, jotka hajoavat virtuaalisiksi elektroni-positronipareiksi, jotka vuorostaan ovat vuorovaikutuksessa virtuaalisten fotonien kanssa - ja niin edelleen loputtomasti. "Fyysinen" elektroni on jatkuva vuorovaikutusprosessi virtuaalisten elektronien, positronien, fotonien ja mahdollisesti muiden hiukkasten välillä. Elektronin "todellisuus" on tilastollinen käsite. On mahdotonta sanoa, mikä osa tästä sarjasta on todella todellinen. Tiedetään vain, että kaikkien näiden hiukkasten varausten summa johtaa elektronin varaukseen (eli yksinkertaisesti sanottuna virtuaalisia elektroneja täytyy olla yksi enemmän kuin virtuaalisia positroneja) ja että hiukkasten massojen summa kaikki hiukkaset muodostavat elektronin massan.
Elektroni-positroniparit muodostuvat tyhjiössä. Mikä tahansa positiivisesti varautunut hiukkanen, esimerkiksi protoni, vetää puoleensa näitä virtuaalisia elektroneja ja hylkii positroneja (virtuaalifotonien avulla). Tätä ilmiötä kutsutaan tyhjiöpolarisaatioksi. Protonin pyörittämät elektroni-positroniparit
ne muodostavat pieniä dipoleja, jotka muuttavat protonin kenttää sähkökentällään. Mittaamamme protonin sähkövaraus ei siis ole itse protonin, vaan koko järjestelmän sähkövaraus, mukaan lukien virtuaaliset parit.
Laser tyhjiöön
Syy siihen, miksi uskomme virtuaalisten hiukkasten olemassaoloon, juontaa juurensa kvanttielektrodynamiikan (QED) perusteisiin, fysiikan osa-alueeseen, joka yrittää selittää fotonien vuorovaikutusta elektronien kanssa. Siitä lähtien, kun tämä teoria kehitettiin 30-luvulla, fyysikot ovat pohtineet, kuinka käsitellä hiukkasten ongelmaa, jotka ovat matemaattisesti välttämättömiä, mutta joita ei voida nähdä, kuulla tai tuntea.
QED osoittaa, että teoriassa, jos luomme riittävän voimakkaan sähkökentän, virtuaaliset mukana tulevat elektronit (tai muodostavat tilastollisen konglomeraatin nimeltä elektroni) paljastavat läsnäolonsa ja ne on mahdollista havaita. Tätä varten tarvittavan energian tulee saavuttaa ja ylittää Schwinger-raja, jonka ylittyessä, kuten kuvainnollisesti ilmaistaan, tyhjiö menettää klassiset ominaisuutensa ja lakkaa olemasta "tyhjä". Miksi se ei ole niin yksinkertaista? Oletusten mukaan tarvittavan energiamäärän tulee olla yhtä paljon kuin maailman kaikkien voimalaitosten tuottaman energian kokonaismäärä – miljardi kertaa.
Asia näyttää olevan ulottumattomissamme. Kuten käy ilmi, ei kuitenkaan välttämättä, jos käytetään ultralyhyiden, korkean intensiteetin optisten pulssien lasertekniikkaa, jonka viime vuoden Nobel-palkinnon saajat Gérard Mourou ja Donna Strickland kehittivät 80-luvulla. Mourou itse sanoi avoimesti, että näissä lasersuperkuomissa saavutetut giga-, tera- ja jopa petawattitehot luovat mahdollisuuden katkaista tyhjiö. Hänen konseptinsa ilmentyivät EU:n rahastojen tukemassa Extreme Light Infrastructure (ELI) -projektissa, joka kehitettiin Romaniassa. Bukarestin lähellä on kaksi 10 petawatin laseria, joita tutkijat haluavat käyttää Schwingerin rajan ylittämiseen.
Kuitenkin, vaikka onnistuisimme rikkomaan energiarajoitukset, tulos - ja se, mikä lopulta näyttää fyysikkojen silmissä - on edelleen erittäin epävarma. Virtuaalisten hiukkasten tapauksessa tutkimusmetodologia alkaa pettää, eikä laskelmissa ole enää järkeä. Yksinkertainen laskelma osoittaa myös, että kaksi ELI-laseria tuottavat liian vähän energiaa. Jopa neljä yhdistettyä nippua ovat edelleen 10 XNUMX kertaa tarpeellista. Tiedemiehet eivät kuitenkaan lannistu tästä, koska he eivät pidä tätä maagista rajaa jyrkänä kertaluonteisena rajana, vaan asteittaisena muutosalueena. Joten he toivovat virtuaalisia tehosteita jopa pienemmillä energiaannoksilla.
Tutkijoilla on erilaisia ideoita lasersäteiden vahvistamiseksi. Yksi niistä on melko eksoottinen käsite heijastavista ja vahvistavista peileistä, jotka kulkevat valon nopeudella. Muita ideoita ovat säteiden vahvistaminen törmäämällä fotonisäteitä elektronisuihkuihin tai törmäävät lasersäteet, joita Shanghaissa sijaitsevan Kiinan Station of Extreme Light -tutkimuskeskuksen tutkijoiden kerrotaan haluavan toteuttaa. Suuri fotonien tai elektronien törmäyskone on uusi ja mielenkiintoinen käsite, jota kannattaa tarkkailla.
