Så den tomheten upphör att vara tomhet
Tomrummet är en plats där det händer mycket, även om du inte ser det. Men att ta reda på exakt vad som krävs är så mycket energi att det fram till nyligen verkade omöjligt för forskare att titta in i världen av virtuella partiklar. När vissa i en sådan situation slutar, är det omöjliga för andra ett incitament att försöka.
Enligt kvantteorin fylls det tomma utrymmet med virtuella partiklar som pulserar mellan vara och icke-vara. De är också helt oupptäckbara – såvida vi inte hade något kraftfullt att hitta dem.
"Vanligtvis när folk pratar om ett vakuum menar de något som är helt tomt", sa teoretisk fysiker Mattias Marklund vid Chalmers tekniska högskola i Göteborg, i januarinumret av NewScientist.
Det visar sig att lasern kan visa att det inte är så tomt där.
Elektronen i statistisk mening
Virtuella partiklar är ett matematiskt begrepp i kvantfältsteorier. Det handlar om fysiska partiklar som manifesterar sin närvaro genom interaktioner, men de bryter mot massskalets princip.
Virtuella partiklar förekommer i Richard Feynmans verk. Enligt hans teori är varje fysisk partikel i själva verket ett konglomerat av virtuella partiklar. En fysisk elektron är faktiskt en virtuell elektron som sänder ut virtuella fotoner som sönderfaller till virtuella elektron-positronpar, som i sin tur interagerar med virtuella fotoner, och så vidare i det oändliga. Den "fysiska" elektronen är en pågående process av interaktion mellan virtuella elektroner, positroner, fotoner och kanske andra partiklar. Elektronens "verklighet" är ett statistiskt begrepp. Det är omöjligt att säga vilken partikel i denna uppsättning som verkligen är verklig. Det är bara känt att summan av laddningarna av alla dessa partiklar resulterar i laddningen av elektronen (det vill säga, för att uttrycka det enkelt, det måste finnas en virtuell elektron mer än det finns virtuella positroner) och att summan av massorna av alla partiklar skapar elektronens massa.
Elektron-positronpar bildas i ett vakuum. Alla positivt laddade partiklar, såsom en proton, kommer att attrahera dessa virtuella elektroner och stöta bort positronerna (via virtuella fotoner). Detta fenomen kallas vakuumpolarisering. Elektron-positronpar roterade av en proton
de bildar små dipoler som ändrar protonens fält med sitt elektriska fält. Den elektriska laddningen av protonen som vi mäter är därför inte laddningen av protonen i sig, utan laddningen av hela systemet, inklusive de virtuella paren.
Laser in i tomrummet
Anledningen till att vi tror att virtuella partiklar existerar går tillbaka till grunderna för kvantelektrodynamiken (QED), en gren av fysiken som försöker förklara interaktionen mellan fotoner och elektroner. Sedan teorin utvecklades på 30-talet har fysiker undrat hur man ska hantera problemet med partiklar vars existens är matematiskt nödvändig men inte kan ses, höras eller kännas.
QED visar att teoretiskt sett, om vi skapar ett tillräckligt starkt elektriskt fält, kommer de virtuella följeelektronerna (eller utgör ett statistiskt konglomerat som kallas en elektron) att avslöja sin närvaro och det kommer att vara möjligt att upptäcka dem. Den energi som krävs för detta måste nå och överstiga den gräns som kallas Schwinger-gränsen, bortom vilken, som det bildligt uttrycks, vakuumet förlorar sina klassiska egenskaper och upphör att vara "tomt". Varför är det inte så enkelt? För den erforderliga mängden energi måste, enligt antagandena, vara lika mycket som den totala energi som produceras av alla kraftverk i världen – gånger en miljard mer.
Saken verkar utom vår räckhåll. Som det visar sig, inte nödvändigtvis om vi använder lasertekniken med ultrakorta optiska pulser med hög intensitet, utvecklad på 80-talet av förra årets Nobelpristagare Gérard Mourou och Donna Strickland. Mourou själv sa öppet att giga-, tera- och till och med petawatteffekterna som uppnås i dessa lasersuperbilder skapar en chans att bryta vakuumet. Hans koncept förkroppsligades i projektet Extreme Light Infrastructure (ELI), som stöddes av europeiska fonder och utvecklades i Rumänien. Det finns två 10-petawatts lasrar nära Bukarest som forskare vill använda för att övervinna Schwinger-gränsen.
Men även om energibegränsningarna bryts är resultatet - och vad fysiker så småningom kommer att se - fortfarande högst osäkert. När det gäller virtuella partiklar börjar forskningsmetodiken misslyckas, och beräkningarna är inte längre vettiga. En enkel beräkning visar också att de två ELI-lasrarna genererar för lite energi. Även fyra kombinerade strålar är fortfarande 10 XNUMX gånger mindre än vad som behövs. Men forskare avskräcks inte av detta, eftersom de anser att denna magiska gräns inte är en skarp engångsgräns, utan ett gradvis område av förändringar. Så de hoppas på några virtuella effekter även med lägre energidoser.
Forskare har olika idéer för att förstärka laserstrålar. En av dem är det ganska exotiska konceptet att reflektera och förstärka speglar som färdas med ljusets hastighet. Andra idéer är att förstärka strålarna genom att kollidera fotonstrålar med elektronstrålar eller kollidera med laserstrålar, vilket forskare från det kinesiska forskningscentret Station of Extreme Light i Shanghai sägs göra. En stor foton- eller elektronkolliderare är ett nytt och intressant koncept som är värt att titta på.
