Μια πρωτοποριακή μελέτη από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης φέρνει στο φως ένα παράξενο αλλά θεμελιώδες φαινόμενο της κβαντικής φυσικής: τη δημιουργία φωτός μέσα από το απόλυτο κενό. Μέσω προηγμένων προσομοιώσεων, οι ερευνητές κατάφεραν να αποτυπώσουν για πρώτη φορά σε πραγματικό χρόνο και σε τρεις διαστάσεις τον τρόπο με τον οποίο πανίσχυρες ακτίνες laser μπορούν να τροποποιήσουν αυτό που είναι γνωστό ως «κβαντικό κενό», έναν χώρο που κάποτε θεωρούνταν τελείως άδειος, αλλά σήμερα θεωρείται γεμάτος με εικονικά ζεύγη ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων.
Η ερευνητική ομάδα, υπό την καθοδήγηση του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης και σε συνεργασία με το Instituto Superior Técnico του Πανεπιστημίου της Λισαβόνας, κατάφερε να προσομοιώσει το φαινόμενο που είναι γνωστό ως “vacuum four-wave mixing”. Σύμφωνα με τη θεωρία, όταν τρεις ακτίνες laser συγκεντρωθούν σε ένα σημείο, δημιουργείται ένα κοινό ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που πολώνει τα εικονικά σωματίδια του κενού. Το αποτέλεσμα είναι να «αναπηδούν» φωτόνια το ένα πάνω στο άλλο σαν μπίλιες στο μπιλιάρδο, δημιουργώντας μια τέταρτη ακτίνα laser, αποδεικνύοντας ουσιαστικά την εμφάνιση φωτός μέσα από το «τίποτα».
Ο καθηγητής Peter Norreys από το Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου της Οξφόρδης, συν-συγγραφέας της μελέτης, δήλωσε πως αυτή η εξέλιξη δεν αποτελεί απλώς μια θεωρητική άσκηση. Είναι ένα καθοριστικό βήμα προς την πειραματική επιβεβαίωση φαινομένων που μέχρι πρόσφατα υπήρχαν μόνο στη θεωρία.
Η έρευνα συμπίπτει χρονικά με την έναρξη λειτουργίας μιας νέας γενιάς υπερ-ισχυρών λέιζερ ανά τον κόσμο. Εγκαταστάσεις όπως το Vulcan 20-20 στο Ηνωμένο Βασίλειο, το ευρωπαϊκό πρόγραμμα Extreme Light Infrastructure (ELI), καθώς και τα Station for Extreme Light (SEL) και SHINE στην Κίνα, ετοιμάζονται να επιτύχουν επίπεδα ισχύος ικανά να επαληθεύσουν στο εργαστήριο το φαινόμενο της σκέδασης φωτονίων. Στις ΗΠΑ, η εγκατάσταση OPAL στο Πανεπιστήμιο του Rochester, με τις ακτίνες 25 Petawatt, έχει ήδη επιλέξει τη σκέδαση φωτονίων ως μία από τις βασικές της αποστολές.
Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν μέσω μιας προηγμένης εκδοχής του λογισμικού OSIRIS, που χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση αλληλεπιδράσεων laser με ύλη και πλάσμα. Η Zixin (Lily) Zhang, υποψήφια διδάκτορας στο Τμήμα Φυσικής της Οξφόρδης και κύρια συγγραφέας της μελέτης, ανέφερε πως το λογισμικό αυτό προσφέρει για πρώτη φορά μια χρονικά και χωρικά λεπτομερή απεικόνιση των αλληλεπιδράσεων στο κβαντικό κενό. Η ομάδα κατάφερε να αποτυπώσει πλήρως τα κβαντικά σημάδια των φαινομένων αυτών, παρέχοντας πολύτιμες πληροφορίες για τις χρονικές κλίμακες και τη γεωμετρία των ακτίνων.
Ιδιαίτερα σημαντικό είναι πως τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν παρέχουν κρίσιμες λεπτομέρειες για τον σχεδιασμό πειραμάτων στον πραγματικό κόσμο, όπως η ακριβής μορφή και χρονισμός των παλμών laser. Επίσης, αποκαλύπτονται νέες πτυχές των αλληλεπιδράσεων, όπως πώς η ασυμμετρία στις ακτίνες μπορεί να επηρεάσει το τελικό αποτέλεσμα.
Η συμβολή αυτών των μοντέλων δεν περιορίζεται μόνο στη σχεδίαση πειραμάτων με laser υψηλής ενέργειας. Μπορεί επίσης να βοηθήσει στην αναζήτηση υποθετικών σωματιδίων, όπως τα αξιόνια, τα οποία θεωρούνται πιθανοί υποψήφιοι για τη Σκοτεινή Ύλη.
Ο καθηγητής Luis Silva, από το Instituto Superior Técnico και επισκέπτης καθηγητής στην Οξφόρδη, επισημαίνει πως η νέα αυτή υπολογιστική προσέγγιση θα διευκολύνει σημαντικά την προετοιμασία και εκτέλεση μιας σειράς πειραμάτων στις πιο προηγμένες εγκαταστάσεις laser παγκοσμίως. Όπως υποστηρίζει, η συνέργεια υπερ-ισχυρών laser, προηγμένων μεθόδων ανίχνευσης και εξειδικευμένων προσομοιώσεων, ανοίγει τον δρόμο για μια νέα εποχή στη θεμελιώδη φυσική.
[via]
