Что останется, если убрать из Вселенной вообще всё? Лазер European XFEL впервые покажет квантовую структуру пространства

В подземной лаборатории исследовательского центра DESY на окраине Гамбурга физики готовят масштабный эксперимент. В вакуумную камеру из нержавеющей стали одновременно направят лучи двух мощнейших установок. Снизу по туннелю придет импульс европейского рентгеновского лазера на свободных электронах European XFEL. Сверху в ту же самую точку ударит оптический лазер мощностью триста тераватт.

В точке встречи лучей нет никакой физической мишени: из камеры полностью откачан воздух, внутри нет ни твердых тел, ни жидкостей, ни газов. Исследователи направляют колоссальную световую энергию в абсолютную пустоту, чтобы зафиксировать физический отклик самого пространства.

Квантовая теория поля утверждает, что вакуум не является пустым местом. Это фундаментальное состояние квантовых полей, обладающее скрытой физической структурой. До сих пор наблюдать, как эта структура напрямую влияет на световые волны в контролируемой лаборатории, не удавалось. Если гамбургский эксперимент зафиксирует расчетное отклонение рентгеновского луча, наука получит прямое доказательство того, что квантовое ничто ведет себя подобно оптической среде.

Почему пустота не бывает пустой

В классической физике прошлых веков вакуум понимался буквально — как абсолютное отсутствие какого-либо вещества или энергии. Пространство считалось неподвижной сценой, внутри которой перемещаются материальные тела.

Этот взгляд изменился в конце 1920-х годов, когда Поль Дирак объединил квантовую механику со специальной теорией относительности. Из его математических выкладок следовало: привычные нам частицы материи — это не изолированные шарики, а локальные всплески базовых квантовых полей, которые непрерывно заполняют все пространство Вселенной. Фотон представляет собой возбуждение электромагнитного поля, а электрон — квант электронного поля.

Когда из замкнутого объема удаляют все атомы и излучение, сами поля никуда не исчезают. Они переходят в свое низшее энергетическое состояние, которое физики и называют квантовым вакуумом.

В этом состоянии поля не могут оставаться полностью неподвижными. Этому мешает фундаментальный квантовый закон — принцип неопределенности Гейзенберга в соотношении энергии и времени. Закон гласит: чем короче интервал времени, в течение которого мы наблюдаем систему, тем шире диапазон неопределенности ее энергии.

Из-за этого запрета напряженность любого поля обязана непрерывно колебаться около нулевой отметки. В вакууме ежесекундно происходят спонтанные нулевые колебания. На кратчайшие доли секунды в пространстве возникают и тут же взаимно уничтожаются пары виртуальных частиц и античастиц — например, электронов и позитронов. Зарегистрировать эти частицы напрямую обычным датчиком нельзя: они исчезают быстрее, чем любой детектор успеет на них среагировать. Однако они меняют свойства самого пространства.

Реальность этих колебаний давно доказана экспериментально благодаря эффекту Казимира. Если взять две металлические пластины и сблизить их в вакууме на расстояние в несколько десятков нанометров, между ними возникнет сила притяжения.

Физическая причина этого проста: между пластинами могут возникать только те электромагнитные колебания, длина волны которых точно укладывается в этот узкий зазор. Снаружи пластин ограничений нет, там существуют волны любых размеров. В результате давление вакуумных колебаний снаружи оказывается выше, чем изнутри, и пластины сдвигаются навстречу друг другу. С этим эффектом сегодня постоянно имеют дело инженеры при создании микроскопических датчиков и гироскопов для мобильных устройств: на масштабах микромира вакуум давит на металлические детали с вполне ощутимой механической силой.

Однако механическое давление — это лишь одно из следствий. До сих пор оставался открытым вопрос: можно ли увидеть квантовую природу вакуума с помощью света?

В обычных условиях мы видим предметы потому, что они рассеивают или поглощают световые лучи. Обычный вакуум для света идеально прозрачен. Световой луч слабой интенсивности пролетает сквозь него, не замечая виртуальных частиц, поскольку время их жизни ничтожно мало. Чтобы заставить пустоту взаимодействовать со светом, требуется принципиально иная концентрация энергии.

Свет сквозь свет: эффект Гейзенберга — Эйлера

В классической оптике световые лучи не могут влиять друг на друга. Если в темноте скрестить лучи двух карманных фонариков, они пройдут сквозь точку пересечения без малейших искажений. Фотоны не обладают электрическим зарядом, поэтому в рамках привычных уравнений электродинамики Максвелла они не способны сталкиваться между собой.

Но в 1936 году Вернер Гейзенберг и Ганс Эйлер выяснили, что этот закон нарушается, если свет становится аномально мощным.

Если сконцентрировать электромагнитную энергию колоссальной плотности, электрическое поле световой волны начнет воздействовать на те самые виртуальные электрон-позитронные пары, непрерывно возникающие в вакууме. Поле растягивает эти заряды: положительные виртуальные позитроны смещаются в одну сторону, а отрицательные электроны — в противоположную.

В результате вакуум поляризуется. Пространство приобретает свойства оптической среды и теряет свою однородность. Возникает оптическая анизотропия: физические свойства вакуума вдоль линий приложенного электрического поля становятся иными, чем поперек них.

Это явление получило название двулучепреломления вакуума.

Если сквозь область пространства, возмущенную сверхмощным полем, пропустить второй, зондирующий луч света, скорость его распространения будет зависеть от ориентации его собственной плоскости поляризации. Та часть световой волны, чьи колебания параллельны внешнему полю, пойдет с иной фазовой скоростью, нежели перпендикулярная часть. Из-за разницы скоростей исходная плоскость поляризации выходящего луча повернется на едва заметный угол.

Пустота сработает в точности как исландский шпат — природный минерал, сквозь который предметы двоятся из-за разделения светового луча на две составляющие. Разница лишь в том, что роль оптической среды выполняет само пространство, напряженное сверхмощным электромагнитным импульсом.

Почти век эта теория оставалась лишь гипотезой на бумаге. Ни один источник света в мире не мог создать плотность энергии, необходимую для поляризации вакуума. Самыми мощными приборами тридцатых годов были дуговые кинопроекционные лампы на несколько киловатт. Первые лазеры шестидесятых годов подняли мощности до мегаватт и гигаватт, но этого все еще было недостаточно.

Технологический скачок: как разогнать лазерный луч

Прорыв случился благодаря технологии усиления чирпированных импульсов, разработанной Жераром Муру и Донной Стрикланд в середине 1980-х годов (в 2018 году за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике).

Главной проблемой сверхмощных лазеров было физическое разрушение аппаратуры. Если пытаться бесконечно усиливать короткий лазерный импульс, плотность энергии в какой-то момент расплавит оптические линзы и лазерные кристаллы самой установки.

Метод чирпирования обошел этот фундаментальный барьер через трехэтапный процесс:

• Короткий импульс пропускают через систему дифракционных решеток, которые растягивают его во времени в тысячи раз. При этом световые волны разной длины разделяются: низкие частоты идут впереди, высокие отстают.
• Растянутый во времени импульс стал длинным, а значит, его пиковая мощность упала до безопасных значений. В таком виде его без риска подают в кристаллический усилитель и накачивают энергией до предела.
• Усиленный растянутый импульс направляют во вторую систему решеток, которая сжимает его обратно во времени — до исходных десятков фемтосекунд (одна фемтосекунда — это одна миллионная от одной миллиардной доли секунды).

В результате вся накопленная энергия оказывается упакованной в ультракороткий всплеск. Пиковая мощность таких систем шагнула в диапазон тераватт и петаватт — это триллионы и квадриллионы ватт, сжатые в точку размером тоньше человеческого волоса.

Параллельно физики создали принципиально иной класс машин — лазеры на свободных электронах. В них излучение создают электроны, разогнанные на огромных подземных ускорителях почти до скорости света. Пучок электронов пропускают сквозь длинную цепочку магнитов с переменным направлением поля — ондулятор. Магниты заставляют частицы вилять из стороны в сторону, заставляя их сбрасывать электромагнитную энергию в виде жестких, когерентных рентгеновских лучей.

Именно эти два независимых технологических направления инженеры соединили в Гамбурге.

Поиски одиночного кванта методом темного поля

В экспериментальном комплексе HIBEF оптический лазер мощностью триста тераватт используется как инструмент деформации: его задача — ударить по вакууму и поляризовать виртуальные пары. Встречный импульс рентгеновского лазера European XFEL работает тонким щупом. Рентгеновские волны обладают крайне малой длиной, поэтому они идеально подходят для регистрации микроскопических искажений пространства.

Главная сложность заключается в соотношении сигнала и шума.

Одиночный рентгеновский импульс длится около ста фемтосекунд. За это мгновение сквозь точку взаимодействия пролетает порядка ста миллиардов фотонов. По расчетам физиков-теоретиков, даже при тераваттной мощности оптического луча вакуум повернет поляризацию всего у одного или двух фотонов из этой стомиллиардной массы.

Если направить этот пучок на детектор напрямую, неизменившиеся фотоны попросту ослепят сенсор. Найти среди них один повернутый квант невозможно.

Чтобы решить эту задачу, исследователи создали установку, работающую по принципу искусственного затмения.

На пути выходящего рентгеновского луча установили микроскопический непрозрачный диск-маску. Он точно перекрывает центральную ось основного пучка, поглощая те девяносто девять миллиардов фотонов, которые пролетели сквозь камеру без изменений.

Однако фотоны, провзаимодействовавшие с поляризованным вакуумом, не просто поворачивают плоскость колебаний. В процессе квантового рассеяния они слегка отклоняются от первоначальной траектории движения — буквально на сотые доли градуса. Они огибают блокирующий диск и выходят за границы его тени.

Вокруг маски создана свободная неосвещенная зона — так называемое темное поле. Именно туда направлены высокочувствительные детекторы. В идеале на эти датчики не должно попадать вообще ничего, кроме тех редчайших квантов, чью траекторию и поляризацию изменило возмущенное пустое пространство.

Калибровочные тесты подтвердили: геометрия темного поля способна отсекать фоновый поток до нужных параметров. Однако сбор статистики будет крайне медленным. Ученые ожидают появление полезного сигнала с частотой примерно два фотона в час. Поскольку европейский рентгеновский лазер — это международная установка, время на которой распределяется по минутам между сотнями институтов мира, экспериментаторы должны добиться абсолютной стабильности всех систем, чтобы не потерять драгоценные часы работы.

Почему земная лаборатория надежнее космоса

Гамбургский эксперимент задуман не для того, чтобы впервые заподозрить существование эффекта, а чтобы окончательно доказать его лабораторными методами.

Косвенные признаки двулучепреломления вакуума астрофизики наблюдают уже несколько лет. В 2017 году группа европейских астрономов с помощью комплекса оптических телескопов VLT в Чили зафиксировала сильную поляризацию света от далекой нейтронной звезды. Магнитные поля нейтронных звезд в триллионы раз превосходят земное поле. В такой обстановке вакуум вокруг звезды неизбежно поляризуется сам по себе. Позже аналогичные данные получил орбитальный рентгеновский поляриметр IXPE для группы пульсаров.

Однако у космических наблюдений есть неустранимый недостаток: дистанция в сотни и тысячи световых лет лишает ученых контроля над условиями эксперимента.

Нейтронная звезда окружена горячей электрон-позитронной плазмой. Плазма в сильном магнитном поле сама по себе закручивает поляризацию света ничуть не хуже вакуума. Астрофизики вынуждены полагаться на математические модели строения звездных магнитосфер, плотности газа и распределения излучения. Никто не может поручиться за то, что наблюдаемый поворот луча вызван именно чистым вакуумом, а не влиянием звездного вещества.

В вакуумной камере HIBEF неопределенностей нет:

• Среда абсолютно очищена: в ней нет плазмы и пыли.
• Мощность и форма лазерных импульсов фиксируются датчиками посекундно.
• Исходная поляризация рентгеновского луча на входе известна со строжайшей точностью.

Если на выходе датчик в темном поле поймает фотон с повернутой поляризацией, это станет чистым физическим фактом: его характеристики изменило само пространство, а не посторонняя материя.

Границы квантовой теории: почему сильные поля пугают физиков

Квантовая электродинамика считается одной из самых безупречно проверенных теорий в истории науки. К примеру, такая фундаментальная величина, как собственный магнитный момент электрона, совпадает в теоретических расчетах и реальных экспериментах до двенадцатого знака после запятой.

Но весь этот триумф опирается на так называемую теорию возмущений.

Пока поля слабые, а взаимодействия умеренные, физики могут рассчитывать квантовые процессы последовательными приближениями. Они берут простое базовое уравнение и добавляют к нему длинную цепочку мелких поправок. Каждая следующая поправка на порядки меньше предыдущей, ряд быстро сходится, давая точный ответ.

В сверхсильных электромагнитных полях этот математический аппарат дает системный сбой. При экстремальной концентрации энергии каждая следующая теоретическая поправка становится больше предыдущей. Математический ряд расходится, и уравнения начинают выдавать физически бессмысленные бесконечные величины.

Формула Гейзенберга — Эйлера, описывающая двулучепреломление вакуума, представляет собой редчайшее исключение. Ее удалось получить в виде точного расчета, не зависящего от бесконечных цепочек приближений.

Однако никто и никогда не проверял, работает ли этот строгий математический вывод в реальном мире при экстремальных лабораторных полях. Эксперимент в Гамбурге покажет, сохраняет ли квантовая теория поля свою предсказательную силу, когда плотность энергии достигает критических значений, или уравнения физиков начнут расходиться с поведением реального вакуума.

Окно в темный сектор: поиск аксионов

Если результаты измерений разойдутся с классическими расчетами Гейзенберга — Эйлера, это не обязательно будет означать ошибку в основах квантовой механики. Это может стать долгожданным указанием на Новую физику — существование частиц, выходящих за пределы Стандартной модели.

Главным кандидатом на эту роль выступают частицы темной материи. Астрономы давно знают, что подавляющая часть массы вещества во Вселенной не светится и не взаимодействует с электромагнитными волнами обычным путем. Ведущая гипотеза предполагает, что эта масса состоит из аксионов — гипотетических сверхлегких электрически нейтральных частиц.

Теоретики предсказывают, что в присутствии аномально сильных электромагнитных полей фотон света может на короткое мгновение превращаться в аксион, а затем обратно.

Если такой процесс происходит в зоне лазерного удара, он неизбежно добавит к оптическим свойствам вакуума собственную составляющую. Поворот плоскости поляризации зондирующего луча станет заметно сильнее, чем предсказывает чистая теория Гейзенберга — Эйлера. Кроме того, часть фотонов строго определенной поляризации может безвозвратно исчезать, превратившись в темную материю и улетев сквозь стенки камеры.

Физики называют это гипотетическое семейство «темным сектором». Гамбургский лазерный комплекс дает уникальный шанс нащупать эти частицы. Большинство наземных детекторов ищут аксионы с помощью гигантских постоянных магнитов, что ограничивает диапазон поиска. Лазерная вспышка создает переменные поля запредельной напряженности, открывая доступ к тем разновидностям темных частиц, которые были принципиально недосягаемы для прежних приборов.

Впрочем, история этой области физики призывает к максимальной осторожности.

В 2006 году исследователи итальянского эксперимента PVLAS, где свет лазера многократно прогоняли через поле сверхпроводящего магнита, объявили о фиксации аномального поворота поляризации вакуума. Тогда научный мир тоже заговорил об открытии темной материи. Однако через два года аппаратуру пересобрали, исключили паразитные отражения света внутри установки и обнаружили, что сигнал был ложным: рассеянное магнитное поле слегка деформировало держатели зеркал, механически искажая оптику.

Опыт итальянских коллег был полностью учтен при постройке HIBEF. Здесь нет многократных переотражений между зеркалами: рентгеновский луч проходит через исследуемую зону ровно один раз, а детекторы включаются только на узкие фемтосекундные промежутки времени, что полностью исключает влияние механических вибраций или нагрева камеры.

Следующий шаг: рождение материи из небытия

Двулучепреломление вакуума — лишь первая ступень в исследовании нелинейных свойств пустоты. В этом режиме взаимодействие остается упругим: фотоны испытывают торможение и отклоняются, но сам вакуум после прохождения импульса возвращается в исходное состояние.

Однако теория предсказывает, что при дальнейшем наращивании мощности наступит качественный скачок — так называемый предел Швингера.

В 1951 году американский физик Джулиан Швингер рассчитал: если напряженность электрического поля превысит критический порог (примерно один квинтиллион вольт на метр), вакуум потеряет устойчивость.

Напряженность такого поля столь велика, что на микроскопическом расстоянии, сопоставимом с размерами самих частиц, поле совершает работу, превосходящую энергию массы покоя электрона и позитрона. При таких условиях виртуальным частицам больше не нужно исчезать обратно в вакуумную пену. Поле сообщает им достаточную энергию, чтобы разорвать их связь и превратить в реальные свободные частицы.

Превысив критический порог Швингера, лазерный луч начнет напрямую распадаться на вещество и антивещество. В пустой камере из чистой электромагнитной энергии лазерной вспышки заструится фонтан реальной электрон-позитронной плазмы.

Текущие лазерные мощности вплотную подбираются к этому рубежу, но пока не достигают его. Следующее поколение лазерных проектов в Европе и Китае уже разрабатывает схемы сжатия импульсов с помощью околосветовых плазменных зеркал, рассчитывая преодолеть швингеровский барьер в ближайшие десятилетия.

Эксперимент на лазере XFEL в Гамбурге становится отправной точкой для этого движения. Он переводит изучение квантового вакуума из области теоретических предположений в плоскость инженерных измерений. Физики перестают воспринимать пустоту как отсутствие чего-либо. Она предстает сложнейшей физической системой, чьи скрытые резервы материи и энергии проявляются, как только сквозь нее пробивает свет достаточной силы.

Источник: arXiv