Tā ka tukšums pārstāj būt tukšums
Tehnoloģija

Tā ka tukšums pārstāj būt tukšums

Vakuums ir vieta, kur daudz kas notiek, pat ja jūs to neredzat. Tomēr, lai noskaidrotu, ko tieši, ir nepieciešams tik daudz enerģijas, ka vēl nesen zinātniekiem šķita neiespējami ieskatīties virtuālo daļiņu pasaulē. Kad daži cilvēki apstājas šādā situācijā, citiem nav iespējams viņus mudināt mēģināt.

Saskaņā ar kvantu teoriju tukšā telpa ir piepildīta ar virtuālajām daļiņām, kas pulsē starp esamību un nebūtību. Tās ir arī pilnīgi nenosakāmas — ja vien mums nebija kaut kas spēcīgs, lai tos atrastu.

"Parasti, kad cilvēki runā par vakuumu, viņi domā kaut ko, kas ir pilnīgi tukšs," laikraksta NewScientist janvāra numurā sacīja teorētiskais fiziķis Matiass Marklunds no Čalmersas Tehnoloģiju universitātes Gēteborgā, Zviedrijā.

Izrādās, ka lāzers var parādīt, ka tas nemaz nav tik tukšs.

Elektrons statistiskā nozīmē

Virtuālās daļiņas ir matemātisks jēdziens kvantu lauka teorijās. Tās ir fiziskas daļiņas, kas savu klātbūtni izpaužas mijiedarbībā, bet pārkāpj masas apvalka principu.

Ričarda Feinmena darbos parādās virtuālās daļiņas. Saskaņā ar viņa teoriju katra fiziskā daļiņa patiesībā ir virtuālo daļiņu konglomerāts. Fiziskais elektrons patiesībā ir virtuāls elektrons, kas izstaro virtuālos fotonus, kas sadalās virtuālos elektronu-pozitronu pāros, kas savukārt mijiedarbojas ar virtuālajiem fotoniem un tā tālāk bezgalīgi. "Fizikālais" elektrons ir nepārtraukts mijiedarbības process starp virtuāliem elektroniem, pozitroniem, fotoniem un, iespējams, citām daļiņām. Elektrona "realitāte" ir statistikas jēdziens. Nav iespējams pateikt, kura šī komplekta daļa patiešām ir īsta. Ir zināms tikai tas, ka visu šo daļiņu lādiņu summa rada elektrona lādiņu (t.i., vienkāršāk sakot, ir jābūt par vienu virtuālo elektronu vairāk nekā virtuālo pozitronu) un ka masas summa visas daļiņas rada elektrona masu.

Elektronu-pozitronu pāri veidojas vakuumā. Jebkura pozitīvi lādēta daļiņa, piemēram, protons, piesaistīs šos virtuālos elektronus un atgrūdīs pozitronus (ar virtuālo fotonu palīdzību). Šo parādību sauc par vakuuma polarizāciju. Elektronu-pozitronu pāri, kas rotēti ar protonu

tie veido mazus dipolus, kas maina protona lauku ar savu elektrisko lauku. Tāpēc mūsu izmērītā protona elektriskais lādiņš nav paša protona lādiņš, bet gan visas sistēmas, ieskaitot virtuālos pārus.

Lāzers vakuumā

Iemesls, kāpēc mēs uzskatām, ka pastāv virtuālās daļiņas, ir kvantu elektrodinamikas (QED) pamati, fizikas nozare, kas mēģina izskaidrot fotonu mijiedarbību ar elektroniem. Kopš šīs teorijas izstrādes pagājušā gadsimta trīsdesmitajos gados fiziķi ir prātojuši, kā risināt matemātiski nepieciešamo daļiņu problēmu, kuras nevar redzēt, dzirdēt vai sajust.

QED parāda, ka teorētiski, ja mēs izveidosim pietiekami spēcīgu elektrisko lauku, tad virtuālie pavadošie elektroni (vai veidojot statistisko konglomerātu, ko sauc par elektronu) atklās savu klātbūtni un tos būs iespējams noteikt. Tam nepieciešamajai enerģijai jāsasniedz un jāpārsniedz robeža, kas pazīstama kā Švingera robeža, kuru pārsniedzot, tēlaini izsakoties, vakuums zaudē savas klasiskās īpašības un pārstāj būt "tukšs". Kāpēc tas nav tik vienkārši? Saskaņā ar pieņēmumiem nepieciešamajam enerģijas daudzumam ir jābūt tikpat lielam, cik visas pasaules elektrostacijas saražotā kopējā enerģija – vēl miljards reižu.

Lieta šķiet mums neaizsniedzama. Tomēr, kā izrādās, ne vienmēr, ja tiek izmantota īpaši īsu, augstas intensitātes optisko impulsu lāzera tehnika, ko 80. gados izstrādāja pagājušā gada Nobela prēmijas laureāti Žerārs Morū un Donna Striklenda. Pats Mourou atklāti teica, ka šajos lāzera superšādos sasniegtā giga, tera un pat petavatu jauda rada iespēju izjaukt vakuumu. Viņa koncepcijas tika iemiesotas Extreme Light Infrastructure (ELI) projektā, ko atbalstīja Eiropas fondi un izstrādāja Rumānijā. Netālu no Bukarestes atrodas divi 10 petavatu lāzeri, kurus zinātnieki vēlas izmantot, lai pārvarētu Švingera ierobežojumu.

Tomēr, pat ja mums izdosies pārkāpt enerģijas ierobežojumus, rezultāts un tas, kas galu galā parādīsies fiziķu acīs, joprojām ir ļoti neskaidrs. Virtuālo daļiņu gadījumā izpētes metodoloģija sāk kļūdīties, un aprēķiniem vairs nav jēgas. Vienkāršs aprēķins arī parāda, ka divi ELI lāzeri rada pārāk maz enerģijas. Pat četri apvienotie komplekti joprojām ir 10 XNUMX reižu mazāki nekā nepieciešams. Tomēr zinātniekus tas neattur, jo viņi šo maģisko robežu uzskata nevis par asu vienreizēju robežu, bet gan par pakāpenisku pārmaiņu zonu. Tāpēc viņi cer uz dažiem virtuāliem efektiem pat ar mazākām enerģijas devām.

Pētniekiem ir dažādas idejas, kā stiprināt lāzera starus. Viens no tiem ir diezgan eksotiskā koncepcija par atstarojošiem un pastiprinošiem spoguļiem, kas pārvietojas ar gaismas ātrumu. Citas idejas ietver staru pastiprināšanu, saduroties ar fotonu stariem ar elektronu stariem vai saduroties lāzera stariem, ko Ķīnas ekstrēmā gaismas stacijas pētniecības centra Šanhajā zinātnieki esot gatavi īstenot. Lielisks fotonu vai elektronu sadursmes līdzeklis ir jauna un interesanta koncepcija, kuru ir vērts ievērot.

Pievieno komentāru