So hou daardie leegheid op om leegheid te wees
’n Vakuum is ’n plek waar, al sien jy dit nie, baie gebeur. Om egter uit te vind wat presies soveel energie vereis dat dit tot onlangs onmoontlik gelyk het vir wetenskaplikes om na die wêreld van virtuele deeltjies te kyk. Wanneer sommige mense in so 'n situasie stop, is dit onmoontlik vir ander om hulle aan te moedig om te probeer.
Volgens die kwantumteorie word leë ruimte gevul met virtuele deeltjies wat tussen syn en nie-wese pulseer. Hulle is ook heeltemal onopspoorbaar - tensy ons iets kragtigs gehad het om hulle te vind.
"Gewoonlik, wanneer mense praat oor 'n vakuum, bedoel hulle iets wat heeltemal leeg is," het die teoretiese fisikus Mattias Marklund van die Chalmers Universiteit van Tegnologie in Göteborg, Swede, in die Januarie-uitgawe van NewScientist gesê.
Dit blyk dat die laser kan wys dat dit glad nie so leeg is nie.
Elektron in 'n statistiese sin
Virtuele deeltjies is 'n wiskundige konsep in kwantumveldteorieë. Hulle is fisiese deeltjies wat hul teenwoordigheid deur interaksies manifesteer, maar die beginsel van die dop van die massa oortree.
Virtuele deeltjies verskyn in die werke van Richard Feynman. Volgens sy teorie is elke fisiese deeltjie in werklikheid ’n konglomeraat van virtuele deeltjies. ’n Fisiese elektron is eintlik ’n virtuele elektron wat virtuele fotone uitstuur, wat in virtuele elektron-positronpare verval, wat op hul beurt met virtuele fotone in wisselwerking tree – ensovoorts eindeloos. Die "fisiese" elektron is 'n voortdurende proses van interaksie tussen virtuele elektrone, positrone, fotone en moontlik ander deeltjies. Die "realiteit" van 'n elektron is 'n statistiese konsep. Dit is onmoontlik om te sê watter deel van hierdie stel werklik werklik is. Dit is slegs bekend dat die som van die ladings van al hierdie deeltjies die lading van die elektron tot gevolg het (m.a.w. om dit eenvoudig te stel, daar moet een meer virtuele elektron wees as wat daar virtuele positrone is) en dat die som van die massas van al die deeltjies skep die massa van die elektron.
Elektron-positron-pare word in die vakuum gevorm. Enige positief gelaaide deeltjie, byvoorbeeld 'n proton, sal hierdie virtuele elektrone aantrek en positrone afstoot (met behulp van virtuele fotone). Hierdie verskynsel word vakuumpolarisasie genoem. Elektron-positronpare geroteer deur 'n proton
hulle vorm klein dipole wat die veld van die proton met hul elektriese veld verander. Die elektriese lading van die proton wat ons meet is dus nie dié van die proton self nie, maar van die hele stelsel, insluitend die virtuele pare.
'n Laser in 'n vakuum
Die rede waarom ons glo dat virtuele deeltjies bestaan, gaan terug na die grondslag van kwantumelektrodinamika (QED), 'n tak van fisika wat probeer om die interaksie van fotone met elektrone te verduidelik. Sedert hierdie teorie in die 30's ontwikkel is, het fisici gewonder hoe om die probleem van deeltjies te hanteer wat wiskundig nodig is, maar nie gesien, gehoor of gevoel kan word nie.
Die QED toon dat teoreties, as ons 'n voldoende sterk elektriese veld skep, die virtuele gepaardgaande elektrone (of 'n statistiese konglomeraat wat 'n elektron genoem word) hul teenwoordigheid sal openbaar en dit moontlik sal wees om hulle op te spoor. Die energie wat hiervoor benodig word, moet die limiet wat bekend staan as die Schwinger-limiet bereik en oorskry, waarbuite, soos dit figuurlik uitgedruk word, die vakuum sy klassieke eienskappe verloor en ophou om "leeg" te wees. Hoekom is dit nie so eenvoudig nie? Volgens die aannames moet die vereiste hoeveelheid energie soveel wees as die totale energie wat deur alle kragsentrales in die wêreld geproduseer word – nog biljoen keer.
Die ding lyk buite ons bereik. Soos dit egter blyk, nie noodwendig as 'n mens die lasertegniek van ultra-kort, hoë-intensiteit optiese pulse gebruik, wat in die 80's ontwikkel is deur verlede jaar se Nobelpryswenners, Gérard Mourou en Donna Strickland. Mourou het self openlik gesê dat die giga-, tera- en selfs petawatt-kragte wat in hierdie laser-superskote behaal word, 'n geleentheid skep om die vakuum te breek. Sy konsepte is vergestalt in die Extreme Light Infrastructure (ELI)-projek, ondersteun deur Europese fondse en ontwikkel in Roemenië. Daar is twee 10-petawatt-lasers naby Boekarest wat wetenskaplikes wil gebruik om die Schwinger-limiet te oorkom.
Selfs al kry ons dit egter reg om die energiebeperkings te verbreek, bly die resultaat – en wat uiteindelik in die oë van fisici sal verskyn – hoogs onseker. In die geval van virtuele partikels begin die navorsingsmetodologie misluk, en die berekeninge maak nie meer sin nie. ’n Eenvoudige berekening wys ook dat die twee ELI-lasers te min energie opwek. Selfs vier gekombineerde bundels is steeds 10 XNUMX keer minder as wat nodig is. Wetenskaplikes word egter nie hierdeur ontmoedig nie, want hulle beskou hierdie magiese limiet nie as 'n skerp eenmalige limiet nie, maar 'n geleidelike area van verandering. Hulle hoop dus vir 'n paar virtuele effekte, selfs met kleiner dosisse energie.
Navorsers het verskeie idees oor hoe om die laserstrale te versterk. Een daarvan is die nogal eksotiese konsep van weerkaatsende en versterkende spieëls wat teen die spoed van lig beweeg. Ander idees sluit in om die strale te versterk deur fotonstrale met elektronstrale te bots, of om laserstrale te bots, wat na bewering wetenskaplikes by die Chinese Station of Extreme Light-navorsingsentrum in Sjanghai wil uitvoer. 'n Groot botser van fotone of elektrone is 'n nuwe en interessante konsep wat die moeite werd is om waar te neem.
