Så den tomhed ophører med at være tomhed

Et vakuum er et sted, hvor der sker meget, selvom du ikke kan se det. Men at finde ud af præcis, hvad der skal til, er så meget energi, at det indtil for nylig virkede umuligt for videnskabsmænd at se ind i virtuelle partiklers verden. Når nogle mennesker stopper i sådan en situation, er det umuligt for andre at opmuntre dem til at prøve.

Ifølge kvanteteorien er det tomme rum fyldt med virtuelle partikler, der pulserer mellem væren og ikke-væsen. De er også fuldstændig uopdagelige - medmindre vi havde noget stærkt til at finde dem.

"Normalt, når folk taler om et vakuum, mener de noget, der er helt tomt," sagde den teoretiske fysiker Mattias Marklund fra Chalmers Tekniske Universitet i Göteborg, Sverige, i januarudgaven af ​​NewScientist.

Det viser sig, at laseren kan vise, at den slet ikke er så tom.

Elektron i statistisk forstand

Virtuelle partikler er et matematisk begreb i kvantefeltteorier. De er fysiske partikler, der manifesterer deres tilstedeværelse gennem interaktioner, men overtræder princippet om massens skal.

Virtuelle partikler optræder i Richard Feynmans værker. Ifølge hans teori er hver fysisk partikel i virkeligheden et konglomerat af virtuelle partikler. En fysisk elektron er faktisk en virtuel elektron, der udsender virtuelle fotoner, som henfalder til virtuelle elektron-positron-par, som igen interagerer med virtuelle fotoner – og så videre i det uendelige. Den "fysiske" elektron er en igangværende proces af interaktion mellem virtuelle elektroner, positroner, fotoner og muligvis andre partikler. En elektrons "virkelighed" er et statistisk begreb. Det er umuligt at sige, hvilken del af dette sæt der virkelig er ægte. Det er kun kendt, at summen af ​​ladningerne af alle disse partikler resulterer i ladningen af ​​elektronen (dvs. for at sige det enkelt, skal der være en virtuel elektron mere, end der er virtuelle positroner), og at summen af ​​masserne af alle partiklerne skaber elektronens masse.

Elektron-positron-par dannes i vakuumet. Enhver positivt ladet partikel, fx en proton, vil tiltrække disse virtuelle elektroner og frastøde positroner (ved hjælp af virtuelle fotoner). Dette fænomen kaldes vakuumpolarisering. Elektron-positron-par roteret af en proton

de danner små dipoler, som ændrer protonens felt med deres elektriske felt. Den elektriske ladning af den proton, vi måler, er derfor ikke den for selve protonen, men af ​​hele systemet, inklusive de virtuelle par.

En laser ind i et vakuum

Grunden til, at vi tror, ​​at virtuelle partikler eksisterer, går tilbage til grundlaget for kvanteelektrodynamik (QED), en gren af ​​fysikken, der forsøger at forklare interaktionen mellem fotoner og elektroner. Siden denne teori blev udviklet i 30'erne, har fysikere undret sig over, hvordan man skal håndtere problemet med partikler, der er matematisk nødvendige, men som ikke kan ses, høres eller mærkes.

QED viser, at teoretisk, hvis vi skaber et tilstrækkeligt stærkt elektrisk felt, så vil de virtuelle ledsagende elektroner (eller udgør et statistisk konglomerat kaldet en elektron) afsløre deres tilstedeværelse, og det vil være muligt at detektere dem. Den energi, der kræves hertil, skal nå og overskride grænsen kendt som Schwinger-grænsen, ud over hvilken, som det er billedligt udtrykt, vakuumet mister sine klassiske egenskaber og holder op med at være "tomt". Hvorfor er det ikke så enkelt? Ifølge antagelserne skal den nødvendige mængde energi være lige så stor som den samlede energi, der produceres af alle kraftværker i verden – yderligere en milliard gange.

Tingen virker uden for vores rækkevidde. Som det viser sig dog ikke nødvendigvis, hvis man bruger laserteknikken med ultrakorte, højintensive optiske impulser, udviklet i 80'erne af sidste års nobelprisvindere, Gérard Mourou og Donna Strickland. Mourou selv har åbent sagt, at giga-, tera- og endda petawat-kræfter opnået i disse laser-supershots skaber en mulighed for at bryde vakuumet. Hans koncepter blev nedfældet i projektet Extreme Light Infrastructure (ELI), støttet af europæiske fonde og udviklet i Rumænien. Der er to 10-petawatt-lasere nær Bukarest, som videnskabsmænd vil bruge til at overvinde Schwinger-grænsen.

Men selvom det lykkes os at bryde energibegrænsningerne, er resultatet - og hvad der i sidste ende vil se ud for fysikernes øjne - fortsat højst usikkert. I tilfælde af virtuelle partikler begynder forskningsmetodikken at fejle, og beregningerne giver ikke længere mening. En simpel beregning viser også, at de to ELI-lasere genererer for lidt energi. Selv fire kombinerede bundter er stadig 10 gange mindre end nødvendigt. Forskere er dog ikke afskrækket af dette, fordi de betragter denne magiske grænse ikke som en skarp engangsgrænse, men et gradvist forandringsområde. Så de håber på nogle virtuelle effekter selv med mindre doser energi.

Forskere har forskellige ideer til at styrke laserstrålerne. En af dem er det ret eksotiske koncept med reflekterende og forstærkende spejle, der rejser med lysets hastighed. Andre ideer omfatter forstærkning af strålerne ved at kollidere fotonstråler med elektronstråler, eller kolliderende laserstråler, som forskere ved Chinese Station of Extreme Light forskningscenter i Shanghai siges at ville udføre. En stor kolliderer af fotoner eller elektroner er et nyt og interessant koncept, der er værd at observere.