Laserski eksperimenti na stolnim računalima možda nemaju najveći energetski učinak za lasere, ali mogu nadmašiti čak i lasere koji se koriste za paljenje nuklearne fuzije u pogledu snage. Može li se napokon pojaviti kvantni vakuum? Kreditna slika: US Air Force.

Pitajte Ethana: Može li laserski stvarno razdvojiti prazan prostor?

Jeste li čuli priču o tome kako će 100 petavat-lasera napokon 'razbiti kvantni vakuum'? Dobijte činjenice.

Prazan prostor, kao što ispada, nije toliko prazan. Fluktuacije u vakuumu prostora samo po sebi znače da čak i ako svu materiju i zračenje izvadite iz područja prostora, i dalje postoji ograničena količina energije, svojstvena samom prostoru. Ako na njega ispalite dovoljno moćan laser, možete li, kako ga je nazvala priča iz časopisa Science, razbiti vakuum i raskomadati prazan prostor? To pita naš pristaša Patreona, Malcolm Schongalla, i pita:

Science Magazine nedavno je izvijestio da će kineski fizičari ove godine početi graditi laser od 100 petavata (!!!). Možete li objasniti kako planiraju to postići i koji će jedinstveni fenomen pomoći fizičarima u istraživanju? Kao što je, što je, zapravo, "probijanje vakuuma?"

Priča je stvarna, provjerena i pomalo pretjerana u smislu tvrdnji da može razbiti vakuum, kao da je takva stvar moguća. Uronimo u pravu znanost da saznamo što se zapravo događa.

Skup laserskih pokazivača Q-linije pokazuje različite boje i kompaktne veličine koje su sada uobičajena za lasere. Ovdje prikazani kontinuirano laserski laseri vrlo su male snage, mjere samo vate ili frakcije vata, dok je zapis u petavatima. Kreditna slika: Wikimedia Commons korisnik Netweb01.

Sama ideja lasera i dalje je relativno nova, unatoč tome koliko su rašireni. Izvorno akronim koji stoji za pojačavanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja, laseri su malo pogrešno. Zapravo, ništa se zapravo ne pojačava. Znate da u normalnoj materiji imate atomsko jezgro i različite razine energije za jedan elektron; u molekulama, kristalima i drugim povezanim strukturama, posebna odvajanja između energetskih razina elektrona diktiraju koji su prijelazi dopušteni. U laseru elektroni osciliraju između dva dopuštena stanja, emitirajući foton vrlo određene energije kada prelaze iz stanja više energije u niže. Ove oscilacije su ono što proizvodi svjetlost, ali iz nekog razloga, nitko nije želio akronim Oscilacija svjetla stimuliranom emisijom zračenja.

'Crpanjem' elektrona u pobuđenom stanju i stimuliranjem ih fotonom željene valne duljine možete uzrokovati emisiju drugog fotona točno iste energije i valne duljine. Ova radnja je kako prvo nastaje svjetlost za laser. Kreditna slika: Wikimedia Commons korisnik V1adis1av.

Ako možete proizvesti ili više atoma ili molekula u istom pobuđenom stanju i stimulirati njihov spontani skok u osnovno stanje, oni će emitirati isti foton energije. Ti su prijelazi izuzetno brzi (ali nisu beskrajno tako), pa postoji teoretska granica koliko brzo možete napraviti jedan atom ili molekulu skok do pobuđenog stanja i spontano emitirati foton. Normalno, neka vrsta plina, molekularnog spoja ili kristala koristi se u rezonantnoj ili reflektivnoj šupljini za stvaranje lasera, ali možete ga napraviti i iz slobodnih elektrona, poluvodiča, optičkih vlakana i, u teoriji, čak i positroniuma.

ALICE laser slobodnog elektrona primjer je egzotičnog lasera koji se ne oslanja na konvencionalne atomske ili molekularne prijelaze, ali ipak proizvodi usko fokusiranu, koherentnu svjetlost. Kreditna slika: Vijeće za znanost i tehnologiju u 2014. godini.

Količina energije koja izlazi iz lasera ograničena je količinom koju unesete, tako da je jedini način da postignete izuzetno visoku snagu u laseru skratite vremenski raspon emitiranog laserskog impulsa. Mogli biste čuti pojam petavat, koji iznosi 10 ° W, i pomislite da je ovo ogromna količina energije. Ali "petavatti" nisu energija, nego snaga, što je energija s vremenom. Petavatni laser mogao bi biti ili laser koji emitira 10 J J energije (količina koju otpušta oko 200 kilotona TNT-a) svake sekunde, ili može biti jednostavno laser koji emitira jedan joule energije (količina oslobođena sagorijevanjem 60 mikrograma šećera ) preko vremenske skale femtosekunde (10 ^ -15 sekundi). Ova dva scenarija u pogledu energije uvelike su različita iako je njihova moć ista.

Pojačala za OMEGA-EP Sveučilišta u Rochesteru, osvijetljena bljeskalicama, mogla bi pokretati američki laser velike snage koji radi u vrlo kratkim vremenskim razmacima. Kreditna slika: Sveučilište u Rochesteru, Laboratorij za lasersku energiju / Eugene Kowaluk.

Dotični laser od 100 petavata još nije izgrađen, već je sljedeći ogromni prag koji istraživači planiraju prijeći u 2020-ima. Projekt koji pretpostavlja hipotezu poznat je pod nazivom Stanica ekstremnog svjetla, a trebao bi biti izgrađen u Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility u Kini. Vanjska crpka, koja je obično svjetlost različite valne duljine, pobudi elektrone u materijalu koji nastaje, uzrokujući karakteristični prijelaz koji stvara lasersko svjetlo. Fotoni se potom miješaju u tijesno nabijenom toku, ili pulsom, pri vrlo uskom skupu valnih duljina. Na iznenađenje mnogih, prag od 1 petavata prešao je put 1996. godine; prošlo je gotovo dva desetljeća da se pređe marka od 10 petavata

Predpojačala Nacionalnog centra za paljenje prvi su korak u povećanju energije laserskih zraka kako bi se kretali prema ciljnoj komori. Godine 2012. NIF je postigao pucanj od 0,5 petavata, dostigavši ​​vrhunac od 1000 puta više snage nego što Sjedinjene Države koriste u bilo kojem trenutku. Kreditna slika: Damien Jemison / LLNL.

Nacionalni zavod za paljenje u Sjedinjenim Državama možda je ono na što prvo pomislimo kada predvidimo motore s visokim naponom, ali ovo je pomalo crvena haringa. Ovaj niz od 192 lasera, usredotočen na jednu točku za komprimiranje vodikove pelete i paljenje nuklearne fuzije, lebdi oko oznake 1 PW, ali nije najmoćniji. Ima veliku količinu energije u preko milijun džula, ali njihovi impulsi su, usporedno, vrlo dugotrajni. Da biste postavili rekord snage, trebate isporučiti najveću količinu energije u najkraćem vremenu.

Sadašnji rekorder, umjesto toga, koristi kristal safir dopiran titanom, ubacuje stotine džulova energije u njega, odbija svjetlo naprijed-natrag dok destruktivne smetnje ne otklone veći dio duljine impulsa, a izlaz se komprimira u jedan puls dugačak tek nekoliko desetaka femtosekundi. Na taj način možemo postići izlazne snage u središnjem dijelu snage 10 PW.

Dio Ti-safirnog lasera; jarko crveno svjetlo s lijeve strane je kristal Ti: safir; jarko zelena svjetlost raspršuje svjetlost pumpe iz ogledala. Kreditna slika: Wikimedia Commons korisnik Hankwang.

Da bismo se popeli na viši stupanj - da bismo dostigli sljedeći vrhunac veličine, morat ćemo ili povećati energiju koju unosimo u laser, sa stotina na tisuće džula, ili smanjiti vrijeme pulsa. Prva je problematična za materijale koje trenutno koristimo. Mali kristali titan-safir neće zadržati takvu energiju, dok veći teže emitiraju svjetlost u pogrešnom smjeru: pod pravim kutom do željenog puta. Tri glavna pristupa, koja istraživači danas razmatraju, su:

  1. Da biste preuzeli originalni puls od 10 PW, ispružite ga preko rešetke i kombinirajte ga u umjetni kristal, gdje ga možete ponovo pumpati, povećavajući snagu.
  2. Kombinirati više impulsa iz niza različitih lasera visoke snage kako bi se stvorila odgovarajuća razina preklapanja: izazov za impulse dugačke samo nekoliko desetaka fetosekundi (3–15 mikrona) koji se kreću brzinom svjetlosti.
  3. Ili, da dodamo drugi krug kompresije impulsa, pritiskajući ih na samo nekoliko femtosekundi.
Savijanje svjetla i fokusiranje na točku, bez obzira na valnu duljinu ili gdje se događa na vašoj površini, jedan je od ključnih koraka ka maksimiziranju intenziteta vašeg svjetla na jednoj lokaciji u prostoru. Kreditna slika: M. Khorasaninejad i sur., Nano Lett., 2017, 17 (3), pp 1819–1824.

Tada se impulsi moraju usko fokusirati, podižući ne samo snagu, već i intenzitet ili snagu koncentriranu u jednoj točki. Kao što članak Science kaže:

Ako se impuls snage 100 PW može usmjeriti na mjesto koje mjeri samo 3 mikrometra preko […], intenzitet u tom malom prostoru bit će zapanjujućih 1024 vata po kvadratnom centimetru (W / cm²) - nekih 25 reda veličine ili 10 bilijuna trilijuna puta, intenzivnije od sunčeve svjetlosti koja udara o Zemlju.

Ovo otvara vrata dugo traženoj mogućnosti stvaranja parova čestica-antičestica tamo gdje dosad nije bilo, ali teško je "probiti kvantni vakuum."

Vizualizacija izračuna kvantne teorije polja koja prikazuje virtualne čestice u kvantnom vakuumu. Čak i u praznom prostoru, ova energija vakuuma nije jednaka nuli. Kreditna slika: Derek Leinweber.

Prema teoriji kvantne elektrodinamike, energija nulte točke praznog prostora nije nula, već neka pozitivna, konačna vrijednost. Iako ga mi vizualiziramo kao čestice i antičestice koje iskaču iz i izvan egzistencije, bolji prikaz je prepoznati da uz dovoljno energije možete pomoću fizike iskoristiti ta elektromagnetska svojstva praznog prostora za stvaranje stvarnih parova čestica / antičestica. To se temelji na jednostavnoj Einsteinovoj fizici E = mc², ali zahtijeva dovoljno jako električno polje da izgradi te čestice: oko 10 around volti po metru. Svjetlost, budući da je elektromagnetski val, nosi sa sobom i električno i magnetsko polje, te će dostići taj kritični prag s intenzitetom lasera od 10 ² W / cm².

Zetavatni laseri, koji dosežu intenzitet od 1 ⁹ ⁹ W / cm², trebali bi biti dovoljni za stvaranje pravih parova elektrona / pozitrona iz samog kvantnog vakuuma. To će zahtijevati dodatnu energiju, kraće impulse i / ili povećano fokusiranje na ono što uopće predviđamo za budućnost. Kreditna slika: Wikimedia Commons korisnik Slashme.

Trebali biste odmah primijetiti da čak i scenarij iz snova iz znanstvenog članka daje intenzitete koji su i dalje 100.000 puta premali da biste dostigli ovaj prag, a kad god ste ispod tog praga, vaša sposobnost stvaranja parova čestica / antičestica je eksponencijalno potisnut. Mehanizam koji se igra je sasvim drugačiji od jednostavno obrnutog proizvodnje parova, gdje umjesto elektrona i pozitrona koji uništavaju kako bi stvorili dva fotona, dva fotona međusobno djeluju kako bi stvorili par elektrona / pozitrona. (Taj je postupak prvi put eksperimentalno pokazan još 1997. godine.) U laserskom postavljanju, pojedini fotoni nemaju dovoljno energije za stvaranje novih čestica, već njihov kombinirani učinak na vakuum prostora uzrokuje da parovi čestica / antičestice nastanu sa posebna vjerojatnost. Ako se, međutim, ovi intenziteti ne približe kritičnom pragu od 10 ⁹ W / cm², ta vjerojatnost može biti jednaka nuli.

Laser u Kini, Šangaj, postavio je rekorde snage koji se još uvijek uklapaju na stolna računala. Najmoćniji laseri nisu najenergičniji, ali često su oni sa najkraćim laserskim impulsima. Kreditna slika: Kan Zhan.

Sposobnost stvaranja parova materije / antimaterije samo iz praznog prostora bit će važan test kvantne elektrodinamike, a bit će i izvanredan dokaz snage lasera i naše sposobnosti upravljanja njima. Možda neće trebati dostizanje tog kritičnog praga da biste iz ovog mehanizma stvorili prve parove čestica / antičestica, ali morat ćete se ili zbližiti, imati sreće ili imati nekakav mehanizam da poboljšate svoju proizvodnju u odnosu na ono što naivno očekujete. U svakom slučaju, kvantni vakuum se nikad ne razbija, već radi upravo ono što od njega očekujete: reagira na materiju i energiju u skladu sa zakonima fizike. To možda nije intuitivno, ali je nešto još snažnije: predvidljivo je. Znanost je raditi to predviđanje i raditi eksperimente kako bi ih potvrdili ili pobili. Možda još nismo tu, ali svaki skok u snazi ​​i intenzitetu još je jedan korak bliže ovom „svetom gralu“ u laserskoj fizici.

Pošaljite svoja pitanja pitajte Ethan na startwithabang na gmail dot com!

Starts With A Bang je sada na Forbesu, a objavljen je na Mediumu zahvaljujući našim pristalicama Patreona. Ethan je autor dvije knjige, Beyond The Galaxy i Treknology: The Science of Star Trek od Tricorders do Warp Drive-a.