אז הריקנות הזאת מפסיקה להיות ריקנות

ואקום הוא מקום שבו, גם אם לא רואים אותו, קורה הרבה. עם זאת, כדי לגלות מה בדיוק דורש כל כך הרבה אנרגיה שעד לא מזמן זה נראה בלתי אפשרי עבור מדענים להסתכל לתוך עולם החלקיקים הווירטואליים. כאשר אנשים מסוימים עוצרים במצב כזה, זה בלתי אפשרי שאחרים יעודדו אותם לנסות.

לפי תורת הקוונטים, חלל ריק מתמלא בחלקיקים וירטואליים הפועמים בין הוויה ללא-הוויה. הם גם בלתי ניתנים לזיהוי לחלוטין - אלא אם כן היה לנו משהו חזק למצוא אותם.

"בדרך כלל, כשאנשים מדברים על ואקום, הם מתכוונים למשהו שהוא ריק לחלוטין", אמר הפיזיקאי התיאורטי מתיאס מרקלונד מאוניברסיטת צ'אלמרס לטכנולוגיה בגטבורג, שוודיה, בגיליון ינואר של NewScientist.

מסתבר שהלייזר יכול להראות שהוא לא כזה ריק בכלל.

אלקטרון במובן סטטיסטי

חלקיקים וירטואליים הם מושג מתמטי בתורות שדות קוונטיים. הם חלקיקים פיזיקליים המבטאים את נוכחותם באמצעות אינטראקציות, אך מפרים את העיקרון של מעטפת המסה.

חלקיקים וירטואליים מופיעים ביצירותיו של ריצ'רד פיינמן. לפי התיאוריה שלו, כל חלקיק פיזי הוא למעשה קונגלומרט של חלקיקים וירטואליים. אלקטרון פיזי הוא למעשה אלקטרון וירטואלי הפולט פוטונים וירטואליים, שמתפרקים לזוגות אלקטרונים-פוזיטרון וירטואליים, שבתורם מקיימים אינטראקציה עם פוטונים וירטואליים - וכך הלאה בלי סוף. האלקטרון ה"פיזי" הוא תהליך מתמשך של אינטראקציה בין אלקטרונים וירטואליים, פוזיטרונים, פוטונים ואולי חלקיקים אחרים. ה"מציאות" של אלקטרון היא מושג סטטיסטי. אי אפשר לומר איזה חלק מהסט הזה באמת אמיתי. ידוע רק שסכום המטענים של כל החלקיקים הללו מביא למטען של האלקטרון (כלומר, בפשטות, חייב להיות אלקטרון וירטואלי אחד יותר ממה שיש פוזיטרונים וירטואליים) ושסכום המסות של כל החלקיקים יוצרים את מסת האלקטרון.

בוואקום נוצרים זוגות אלקטרונים-פוזיטרון. כל חלקיק בעל מטען חיובי, למשל פרוטון, ימשוך אלקטרונים וירטואליים אלה וידחה פוזיטרונים (בעזרת פוטונים וירטואליים). תופעה זו נקראת קיטוב ואקום. זוגות אלקטרונים-פוזיטרון מסובבים על ידי פרוטון

הם יוצרים דיפולים קטנים שמשנים את השדה של הפרוטון עם השדה החשמלי שלהם. המטען החשמלי של הפרוטון שאנו מודדים הוא אפוא לא של הפרוטון עצמו, אלא של המערכת כולה, כולל הזוגות הווירטואליים.

לייזר לתוך ואקום

הסיבה שאנו מאמינים שחלקיקים וירטואליים קיימים חוזרת ליסודות האלקטרודינמיקה הקוונטית (QED), ענף בפיזיקה שמנסה להסביר את האינטראקציה של פוטונים עם אלקטרונים. מאז שפותחה תיאוריה זו בשנות ה-30 של המאה ה-XNUMX, תהו הפיזיקאים כיצד להתמודד עם בעיית החלקיקים שהם נחוצים מבחינה מתמטית אך לא ניתן לראותם, לשמוע או להרגיש אותם.

ה-QED מראה שתיאורטית, אם ניצור שדה חשמלי חזק מספיק, אז האלקטרונים הווירטואליים הנלווים (או המרכיבים קונגלומרט סטטיסטי הנקרא אלקטרון) יגלו את נוכחותם וניתן יהיה לזהות אותם. האנרגיה הנדרשת לכך חייבת להגיע ולעלות על הגבול המכונה גבול שווינגר, שמעבר לו, כפי שהוא מתבטא בצורה פיגורטיבית, הוואקום מאבד את תכונותיו הקלאסיות ומפסיק להיות "ריק". למה זה לא כל כך פשוט? על פי ההנחות, כמות האנרגיה הנדרשת חייבת להיות כמו סך האנרגיה המיוצרות על ידי כל תחנות הכוח בעולם - פי מיליארד נוסף.

הדבר נראה מעבר להישג ידנו. אולם כפי שמתברר, לא בהכרח אם משתמשים בטכניקת הלייזר של פולסים אופטיים קצרים במיוחד בעוצמה גבוהה, שפותחה בשנות ה-80 על ידי זוכי פרס נובל בשנה שעברה, ז'רארד מורו ודונה סטריקלנד. Mourou עצמו אמר בגלוי שכוחות הג'יגה, הטרה ואפילו הפטוואט שהושגו בצילומי העל הללו יוצרים הזדמנות לשבור את הוואקום. המושגים שלו התגלמו בפרויקט תשתיות אור אקסטרים (ELI), שנתמך על ידי קרנות אירופאיות ופותח ברומניה. ישנם שני לייזרים של 10 פטוואט ליד בוקרשט שמדענים רוצים להשתמש בהם כדי להתגבר על מגבלת שווינגר.

עם זאת, גם אם נצליח לשבור את מגבלות האנרגיה, התוצאה - ומה שבסופו של דבר יופיע לעיני הפיזיקאים - נותרה מאוד לא ודאית. במקרה של חלקיקים וירטואליים, מתודולוגיית המחקר מתחילה להיכשל, והחישובים כבר לא הגיוניים. חישוב פשוט מראה גם ששני לייזרים ELI מייצרים מעט מדי אנרגיה. אפילו ארבע חבילות משולבות הן עדיין פי 10 פחות מהנדרש. עם זאת, מדענים אינם מיואשים מכך, מכיוון שהם רואים בגבול הקסם הזה לא גבול חד-פעמי, אלא אזור הדרגתי של שינוי. אז הם מקווים לכמה אפקטים וירטואליים אפילו עם מינונים קטנים יותר של אנרגיה.

לחוקרים יש רעיונות שונים כיצד לחזק את קרני הלייזר. אחד מהם הוא הרעיון האקזוטי למדי של מראות מחזירות ומגבירות שנעות במהירות האור. רעיונות אחרים כוללים הגברה של הקרניים על ידי התנגשות של קרני פוטון עם קרני אלקטרונים, או התנגשות של קרני לייזר, שאותם אומרים מדענים במרכז המחקר של התחנה הסינית של אור קיצוני בשנגחאי. מתנגש גדול של פוטונים או אלקטרונים הוא מושג חדש ומעניין שכדאי להתבונן בו.