В экспериментах с настольными лазерами, возможно, энергии и не самые большие, но по мощности они могут поспорить даже с лазерами, зажигающими реакции синтеза. Может ли поддаться действию такого лазера квантовый вакуум?

Пустое пространство, как выясняется, не такое уж и пустое. Флуктуации в вакууме означают, что даже если устранить всю материю и излучение из участка пространства, там всё равно останется конечное количество энергии, присущее самому пространству. Если выстрелить в него достаточно мощным лазером, можно ли, как написали в журнале Science Magazine, «разорвать вакуум и пустое пространство»? Именно об этом спрашивает наш читатель:

Science Magazine недавно опубликовал статью о том, что китайские физики в этом году собираются сделать лазер мощностью в 100 ПВт (!!!) Можете ли вы объяснить, как они планируют это сделать, и какие уникальные явления это может помочь исследовать? И что значит «разорвать вакуум»?

Эта история реальна, она подтверждена, и немного преувеличена в части «разрыва вакуума», — можно подумать, такое в принципе возможно сделать. Давайте углубимся в реальную науку и выясним, что на самом деле происходит.


Набор лазерных указок Q-line демонстрирует разнообразие цветов и компактность – явления, ныне обычные для лазеров. Здесь показаны лазеры, работающие непрерывно и с очень малой мощностью, всего лишь доли ватт – а рекордные лазеры работают с мощностью до петаватта.

Сама идея лазера всё ещё относительно нова, несмотря на широкое их распространение. Изначально это был акроним для light amplification by stimulated emission of radiation (усиление света посредством вынужденного излучения), и в принципе, название для лазеров выбрано немного некорректно. На самом деле никакого усиления не происходит. В нормальной материи существуют атомные ядра и различные энергетические уровни электронов; в молекулах, кристаллах и других связных структурах разделение энергетических уровней электрона обуславливает доступные переходы. В лазере электроны колеблются между двумя доступными состояниями, и испускают фотоны совершенно определённой энергии при переходе из состояния с большей энергией к состоянию с меньшей. Эти колебания производят свет, но, по какой-то причине, никто не захотел делать акроним для Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation (световые колебания стимулируемые испусканием излучения).


Накачивая электроны до возбуждённого состояния и стимулируя их фотоном нужной длины волны, можно вызвать испускание другого фотона точно такой же энергии и длины волны. Именно так впервые был получен лазерный свет.

Если вы можете привести молекулы или атомы в одинаковое возбуждённое состояние и стимулировать их спонтанный переход в основное состояние, они будут испускать фотоны одинаковых энергий. Эти переходы происходят чрезвычайно быстро (но не мгновенно), поэтому существует теоретическое ограничение на скорость перехода атома или молекулы в возбуждённое состояние с последующим испусканием фотона. Обычно для создания лазера внутри резонирующей или отражающей полости находится некий газ, молекулярное вещество или кристалл, но его также можно сделать и из свободных электронов, полупроводников, оптоволокна и, в теории, даже из позитрония.


Лазер на свободных электронах ALICE – пример экзотического лазера, не полагающегося на обыкновенные атомные или молекулярные переходы, но всё равно производящего узкосфокусированный когерентный свет

Количество энергии, выходящее из лазера, ограничено энергией, которую в него вложили – поэтому единственным способом достичь экстремальных мощностей лазера будет укоротить время на испускание импульса. Вы могли слышать о петаваттах, 10¹⁵ Вт, и вам кажется, что это огромное количество энергии. Но это не энергия, а мощность – энергия в единицу времени. Лазер петаваттной мощности может быть либо лазером, испускающим 10¹⁵ Дж энергии (столько энергии заключено в 200 кТ ТНТ) каждую секунду, или просто лазером, испускающим один джоуль энергии (столько энергии содержится в 60 мкг сахара) каждую фемтосекунду (10^-15 с). С точки зрения энергии эти варианты сильно отличаются, хотя мощность у них одинаковая.


Усилители OMEGA-EP в Рочестерском университете, подсвеченные импульсными лампами, могли бы подпитывать американский лазер высокой мощности

Лазер на 100 ПВт пока ещё не построили, но это очередной невероятный порог, который исследователи планируют преодолеть в 2020-х. Гипотетический проект известен под названием станции экстремального света, SEL, и строится в рамках Шанхайской сверхинтенсивной ультрабыстрой лазерной установки в Китае. Внешнее устройство накачки, а это обычно свет различных длин волн, возбуждает электроны в генерирующем материале, вызывая характерные переходы, порождающие свет лазера. Фотоны появляются в плотно упакованном луче, или импульсе, с очень малым разбросом длин вол. Для многих будет удивительно узнать, что порог в 1 ПВт был преодолён ещё в 1996-м; на то, чтобы преодолеть следующий порог в 10 ПВт, ушло почти два десятилетия.


Предварительные усилители Национального комплекса зажигания – первый шаг к увеличению энергии лазерных лучей, путешествующих по направлению к целевой камере. В 2012 году НКЗ добрался до уровня в 0,5 ПВт, в пике в тысячу раз превзойдя энергопотребление всех Соединённых Штатов.

Национальный комплекс зажигания в США может первым прийти на ум при обсуждении высокоэнергетических лазеров, но это не более, чем отвлекающий манёвр. Этот массив из 192 лазеров, фокусирующихся на одной точке, сжимающих шарик водорода и запускающих ядерный синтез, болтается вокруг отметки в 1 ПВт, но не является самым мощным комплексом. Его энергия очень высока, более миллиона джоулей, но его импульсы получаются относительно длительными. Чтобы установить рекорд по мощности, необходимо подать больше энергии за меньшее время.

Текущий рекордсмен использует сапфировый кристалл с примесями титана, вкачивает в него сотни джоулей, заставляет свет отражаться туда-сюда в деструктивной интерференции, уничтожающей почти всю длительность импульса, а затем сжимает выходной свет в единственный импульс длиной всего в десятки фемтосекунд. Именно так можно достичь выходных мощностей порядка 10 ПВт.


Часть титаново-сапфирового лазера; ярко-красный свет слева – кристалл сапфира с титаном; яркий зелёный свет – рассеивающийся на зеркале свет накачки.

Чтобы дойти ещё выше, преодолев порог следующего порядка, необходимо либо повысить вкачиваемую в лазер энергию с сотен до тысяч джоулей, либо уменьшить длительность импульса. Первое тяжело с точки зрения используемых материалов. Небольшие титаново-сапфировые кристаллы не выдержат подобных энергий, а большие склонны к испусканию света в ненужных направлениях – под прямыми углами к пути луча. В настоящее время исследователи рассматривают три подхода к этой проблеме:

1. Взять исходный импульс в 10 ПВт, растянуть его при помощи дифракционной решётки, скомбинировать его в искусственный кристалл, где его снова можно накачать, повышая энергию.
2. Скомбинировать несколько импульсов из набора различных лазеров, создавая нужный уровень наложения – это сложная задача для импульсов, длящихся всего несколько десятков фемтосекунд, и движущихся со скоростью света.
3. Добавить ещё один этап сжатия импульса, сжимая его до пары фемтосекунд.

Искривлять свет и фокусировать его на точке вне зависимости от длины волны или места его падения на поверхность – один из ключевых этапов максимизации интенсивности света в одном месте пространства

Затем импульсы необходимо чётко сфокусировать, повышая не только энергию, но и интенсивность – то есть, концентрировать мощность на одной точке. Как написано в статье:

Если импульс в 100 ПВт получится сфокусировать на площади размером в 3 мкм, […], интенсивность луча в этой области достигнет невероятных 10²⁴ на см² — это на 25 порядков, или в 10 триллионов триллионов раз больше, чем у солнечного света, достигающего Земли

Это откроет путь к давно ожидаемой возможности создания пар частица-античастица из ничего – но это вряд ли будет «разрыв квантового вакуума».


Визуализация подсчётов квантовой теории поля показывает виртуальные частицы в квантовом вакууме. Даже в пустом пространстве энергия вакуума не равна нулю.

Согласно теории квантовой электродинамики, нулевая энергия пустого пространства не равна нулю, и обладает положительным, конечным значением. Хотя мы представляем себе это в виде частиц и античастиц, появляющихся и исчезающих снова, лучше всего описать это так, что с достаточным количеством энергии мы сможем использовать электромагнитные свойства пустого пространства для создания реальных пар частица/античастица. Это основывается на простой физике Эйнштейна E = mc², но требует достаточно сильных электрических полей: порядка 10¹⁶ В на метр. Свет, являясь электромагнитной волной, переносит электрические и магнитные поля, и достигнет этого критического порога при интенсивности лазера порядка 10²⁹ Вт/см².


Зеттаваттных лазеров, достигающих интенсивности в 10²⁹ Вт/см², должно хватить для создания реальных электрон-позитронных пар из квантового вакуума. Это потребует ещё большей энергии, более коротких импульсов и/или увеличения фокусировки по сравнению с тем, что мы можем представить себе в ближайшем будущем.

Вы могли заметить, что даже идеальный вариант из научной статьи даёт интенсивность, которая всё ещё в 100 000 раз меньше этого порога, а до его достижения ваши возможности по созданию пар частица/античастица экспоненциально подавляются. Реальный механизм сильно отличается от простого обращения вспять процесса создания пар, в котором вместо того, чтобы при аннигиляции электрона и позитрона появлялось два фотона, два фотона взаимодействуют и производят электрон/позитронную пару. (Такой процесс был впервые экспериментально продемонстрирован в 1997 году. ) В лазере у отдельных фотонов не будет энергии, достаточной для производства новых частиц – вместо этого их совместное воздействие на вакуум космоса заставит пары частица/античастица возникать с определённой вероятностью. Но если только эта интенсивность не приблизится к пороговому значению в 10²⁹ Вт/см², эта вероятность будет нулевой.


Лазер из Шанхая поставил рекорды по мощности, однако помещается на столе. Самые мощные лазеры – не обязательно самые высокоэнергетические, а чаще всего просто лазеры с наиболее короткими импульсами.

Возможность создавать пары частиц материи/антиматерии из пустого пространства станет важной проверкой квантовой электродинамики, и примечательной демонстрацией возможностей лазеров и наших способностей их контролировать. Возможно, что первую пару частица/античастица удастся получить и не доходя до критического порога, но для этого нужно будет либо подойти к нему очень близко, либо оказаться очень везучим, либо придумать механизм, позволяющий увеличить вероятность производства пар частиц по отношению к наивным расчётам. В любом случае, квантовый вакуум не разрывается, а занимается именно тем, что от него ожидают: реагирует на материю и энергию в соответствии с законами физики. Это, возможно, и не интуитивно, но зато предсказуемо — а это иногда даже более полезно. Вся наука и заключается в искусстве составления прогноза и проведения экспериментов, подтверждающих или опровергающих его. Мы пока ещё не подошли к порогу, но каждый скачок вверх по мощности и интенсивности – это ещё один шаг, приближающий нас к святому Граалю лазерной физики.