اسأل إيثان: هل يمكن أن يمزق الليزر بالفعل مساحة مفتوحة؟

في التجارب على أشعة الليزر المكتبية ، ربما تكون الطاقات ليست الأعلى ، ولكن من حيث القوة يمكنهم أن يجادلوا حتى مع الليزر التي تشعل تفاعلات الاندماج. هل يمكن للفراغ الكمومي أن يستسلم لعمل مثل هذا الليزر؟

المساحة الفارغة ، كما اتضح ، ليست فارغة. تعني التقلبات في الفراغ أنه حتى إذا تم التخلص من جميع المواد والإشعاع من جزء من الفضاء ، فسيظل هناك كمية محدودة من الطاقة الكامنة في الفضاء نفسه. إذا قمت بإطلاق النار عليه باستخدام ليزر قوي بما فيه الكفاية ، فهل من الممكن ، كما كتبوا في مجلة Science ، "كسر الفراغ والمساحة الفارغة"؟ هذا ما يطلبه قارئنا:

نشرت مجلة Science مؤخرًا مقالة مفادها أن الفيزيائيين الصينيين سيصنعون هذا العام ليزر 100-PW (!!!) هل يمكنك شرح كيف يخططون للقيام بذلك ، وما الظواهر الفريدة التي يمكن أن يساعد هذا في استكشافها؟ وماذا يعني كسر الفراغ؟

هذه القصة حقيقية ، وقد تم تأكيدها ، ومبالغ فيها قليلاً من حيث "كسر الفراغ" - قد تعتقد أن هذا ممكن من حيث المبدأ. دعونا نتعمق في العلم الحقيقي ونكتشف ما يحدث حقًا.


توضح مجموعة Q-line لمؤشرات الليزر مجموعة متنوعة من الألوان والمدمجة - وهي ظاهرة شائعة الآن في الليزر. تظهر هنا ليزرات تعمل بشكل مستمر وبطاقة منخفضة جدًا ، فقط أجزاء من الواط - وتعمل ليزرات قياسية بقوة تصل إلى بيتوات.

لا تزال فكرة الليزر جديدة نسبيًا ، على الرغم من اعتمادها على نطاق واسع. في البداية ، كان اختصارًا لتضخيم الضوء عن طريق انبعاث الإشعاع المحفز ، ومن حيث المبدأ ، تم اختيار اسم الليزر بشكل غير صحيح قليلاً. في الواقع ، لا يحدث أي ربح. في المادة العادية ، هناك نوى ذرية ومستويات طاقة مختلفة من الإلكترونات. في الجزيئات والبلورات والهياكل الأخرى المتصلة ، يحدد فصل مستويات الطاقة للإلكترون التحولات المتاحة. في الليزر ، تتأرجح الإلكترونات بين حالتين متاحتين ، وتنبعث فوتونات من طاقة محددة عند الانتقال من حالة ذات طاقة أعلى إلى حالة ذات حالة أقل. تنتج هذه الاهتزازات الضوء ، ولكن لسبب ما ، لم يرغب أحد في عمل اختصار لتذبذب الضوء عن طريق الانبعاث المنبه للإشعاع (الاهتزازات الضوئية التي يحفزها انبعاث الإشعاع).


ضخ الإلكترونات إلى حالة متحمسة وتحفيزها بفوتون من الطول الموجي المطلوب ، يمكنك أن تسبب انبعاث فوتون آخر بنفس الطاقة وطول الموجة بالضبط. هكذا تم الحصول على ضوء الليزر لأول مرة.

إذا كان بإمكانك إحضار جزيئات أو ذرات في نفس الحالة المُثارة وتحفيز انتقالها العفوي إلى الحالة الأرضية ، فسوف تنبعث منها فوتونات بنفس الطاقة. تحدث هذه التحولات بسرعة كبيرة (ولكن ليس على الفور) ، لذلك ، هناك قيود نظرية على معدل انتقال ذرة أو جزيء إلى حالة متحمسة ، يتبعها انبعاث الفوتون. عادة ، لإنشاء ليزر ، يوجد غاز معين أو مادة جزيئية أو كريستال داخل التجويف الرناني أو العاكس ، ولكن يمكن أيضًا أن يكون مصنوعًا من الإلكترونات الحرة وأشباه الموصلات والألياف الضوئية ، ومن الناحية النظرية ، حتى البوزيترونيوم .


يعد ليزر ALICE للإلكترون الحر مثالًا على الليزر الغريب الذي لا يعتمد على التحولات الذرية أو الجزيئية العادية ، ولكنه لا يزال ينتج ضوءًا متماسكًا ضيق التركيز

إن كمية الطاقة الخارجة من الليزر محدودة من خلال الطاقة المستثمرة فيه - وبالتالي ، فإن الطريقة الوحيدة لتحقيق قوى الليزر القصوى هي تقصير وقت انبعاث النبض. يمكنك أن تسمع عن بيتوات ، 10 ¹⁵ واط ، ويبدو لك أن هذه كمية هائلة من الطاقة. لكن هذه ليست طاقة ، بل قوة - طاقة لكل وحدة زمنية. يمكن أن يكون ليزر طاقة بيتوات إما ليزر ينبعث من 10 ¹⁵ جول من الطاقة (يتم احتواء الكثير من الطاقة في 200 كيلوطن تي إن تي) كل ثانية ، أو مجرد ليزر ينبعث من جول واحد من الطاقة (يتم احتواء الكثير من الطاقة في 60 ميكروغرام من السكر) كل فيمتوثانية ( ^10-15 ثانية) . من حيث الطاقة ، هذه الخيارات مختلفة للغاية ، على الرغم من أن لديهم نفس القوة.


يمكن لمضخمات OMEGA-EP في جامعة روتشستر ، المضاءة بمصابيح كهربائية ، تشغيل ليزر أمريكي عالي الطاقة

لم يتم تصنيع ليزر PW 100 بعد ، ولكن هذه عتبة أخرى لا تصدق يخطط الباحثون للتغلب عليها في 2020s. يُعرف المشروع الافتراضي باسم محطة Extreme Light ، SEL ، ويتم بناؤه كجزء من نظام الليزر فائق السرعة في شنغهاي في الصين. إن جهاز المضخة الخارجية ، الذي يكون عادة ضوءًا من أطوال موجية مختلفة ، يثير الإلكترونات في مادة التوليد ، مما يتسبب في تحولات مميزة تولد ضوء الليزر. تظهر الفوتونات في شعاع أو نبض معبأ بكثافة مع انتشار صغير جدًا لأطوال الموجات. بالنسبة للكثيرين ، سيكون من المفاجئ معرفة أن عتبة 1 PW قد تم تجاوزها في عام 1996 ؛ استغرق الأمر ما يقرب من عقدين للتغلب على العتبة التالية من 10 PW.


تعتبر المضخمات الأولية لمركب الإشعال الوطني الخطوة الأولى نحو زيادة طاقة أشعة الليزر التي تتجه نحو الكاميرا المستهدفة. في عام 2012 ، وصل NKZ إلى مستوى 0.5 PW ، في ذروة ألف مرة أكبر من استهلاك الطاقة في جميع الولايات المتحدة.

قد يكون مجمع الاشتعال الوطني في الولايات المتحدة هو أول ما يتبادر إلى الذهن عند مناقشة الليزر عالي الطاقة ، لكن هذا ليس أكثر من إلهاء. هذه المجموعة المكونة من 192 ليزر تركز على نقطة واحدة ، وتضغط كرة من الهيدروجين وتطلق الاندماج النووي ، وتتدلى حول علامة PW 1 ، ولكنها ليست أقوى مجموعة. طاقته عالية جدًا ، أكثر من مليون جول ، لكن نبضاته طويلة نسبيًا. لتعيين سجل طاقة ، تحتاج إلى توفير المزيد من الطاقة في وقت أقل.

يستخدم حامل الرقم القياسي الحالي بلورة ياقوتية بها شوائب تيتانيوم ، يضخ فيها مئات الجول ، ويتسبب في انعكاس الضوء ذهابًا وإيابًا في التداخل المدمر ، الذي يدمر تقريبًا مدة النبضة بالكامل ، ثم يضغط ضوء الإخراج إلى نبضة واحدة بعشرات من الفمتوثانية فقط. هذه هي الطريقة التي يمكن بها تحقيق قوى الإخراج من أجل 10 PW.


جزء من ليزر الياقوت التيتانيوم. ضوء أحمر ساطع على اليسار - كريستال الياقوت مع التيتانيوم ؛ ضوء أخضر ساطع - ضوء ضخ متناثر على المرآة.

للحصول على أعلى من خلال كسر عتبة الترتيب التالي ، من الضروري إما زيادة الطاقة التي يتم ضخها في الليزر من مئات إلى آلاف الجولات ، أو لتقليل مدة النبض. الأول صعب من حيث المواد المستخدمة. لن تتحمل بلورات التيتانيوم الياقوت الصغيرة مثل هذه الطاقات ، في حين تميل البلورات الكبيرة إلى بث الضوء في اتجاهات غير ضرورية - بزاوية قائمة على مسار الشعاع. يدرس الباحثون حاليًا ثلاثة مناهج لهذه المشكلة:

1. خذ النبض الأولي 10 PW ، وقم بتمديده مع صريف حيود ، ودمجه في بلورة اصطناعية ، حيث يمكن ضخه مرة أخرى ، وزيادة الطاقة.
2. يعد الجمع بين عدة نبضات من مجموعة ليزر مختلفة ، وخلق مستوى التداخل المطلوب ، مهمة صعبة للبقول التي تستمر فقط بضع عشرات من الفيمتو ثانية وتتحرك بسرعة الضوء.
3. أضف مرحلة أخرى من ضغط النبض ، وضغطها لبضع فمتوثانية.

إن ثني الضوء وتركيزه على نقطة ما ، بغض النظر عن طول الموجة أو مكان سقوطه على السطح ، هي إحدى الخطوات الرئيسية لزيادة شدة الضوء إلى أقصى حد في مكان واحد في الفضاء

ثم يجب أن تكون النبضات مركزة بشكل واضح ، مما يزيد ليس فقط الطاقة ولكن أيضًا الكثافة - أي تركيز القوة عند نقطة واحدة. كما هو مكتوب في المقالة :

إذا كان من الممكن تركيز نبضة 100 PW على مساحة بحجم 3 ميكرومتر ، [...] ستصل شدة الشعاع في هذه المنطقة إلى 10 ²⁴ لكل سم ² لا تصدق - هذا 25 مرة من الحجم ، أو 10 تريليون تريليون مرة أكثر من أشعة الشمس التي تصل من الأرض

هذا سيفتح الطريق أمام الاحتمال الذي طال انتظاره لإنشاء أزواج الجسيمات المضادة للجسيمات من لا شيء - ولكن من غير المحتمل أن يكون هذا "استراحة فراغ كمومية".


يظهر تصور حسابات نظرية المجال الكمي الجسيمات الافتراضية في فراغ الكم. حتى في الفراغ ، طاقة الفراغ لا تساوي الصفر.

وفقًا لنظرية الديناميكا الكهربائية الكمومية ، فإن الطاقة الصفرية للمساحة الفارغة لا تساوي الصفر ، ولها قيمة موجبة ومحدودة. على الرغم من أننا نتخيل ذلك في شكل جسيمات وجسيمات مضادة تظهر وتختفي مرة أخرى ، فمن الأفضل وصفها بحيث يمكننا باستخدام الطاقة الكافية استخدام الخصائص الكهرومغناطيسية للمساحة الفارغة لإنشاء أزواج جسيمات / جسيمات حقيقية . يعتمد هذا على فيزياء أينشتاين البسيطة E = mc ² ، ولكنه يتطلب مجالات كهربائية قوية بما يكفي: من 10 ¹⁶ فولت لكل متر. الضوء ، كونه موجة كهرومغناطيسية ، ينقل المجالات الكهربائية والمغناطيسية ، ويصل إلى هذه العتبة الحرجة بقوة الليزر التي تبلغ حوالي 10 ²⁹ واط / سم ² .


يجب أن تكون ليزرات زيت زيت التي تصل إلى كثافة 10 ²⁹ وات / سم ² كافية لإنشاء أزواج إلكترون بوزيترون حقيقية من فراغ الكم. سيتطلب هذا طاقة أكبر ونبضات أقصر و / أو تركيزًا أكبر مما يمكننا تخيله في المستقبل القريب.

ربما لاحظت أنه حتى النسخة المثالية من مقال علمي تعطي كثافة لا تزال أقل بـ 100000 مرة من هذه العتبة ، وقبل أن تصل إليها ، فإن قدرتك على إنشاء أزواج الجسيمات / الجسيمات يتم قمعها بشكل كبير. تختلف الآلية الحقيقية اختلافًا كبيرًا عن عكس عملية الاقتران ، حيث ، بدلاً من إبادة إلكترون وبوزيترون ، يظهر فوتونان ، يتفاعل الفوتونان وينتجا زوجًا من الإلكترون / البوزيترون. (تم عرض هذه العملية تجريبياً لأول مرة في عام 1997.) في الليزر ، لن تمتلك الفوتونات الفردية طاقة كافية لإنتاج جزيئات جديدة - بدلاً من ذلك ، فإن تأثيرها المشترك على فراغ الفضاء سيؤدي إلى حدوث أزواج الجسيمات / الجسيمات مع احتمال معين. ولكن إذا كانت هذه الكثافة فقط لا تقترب من قيمة العتبة 10 ²⁹ W / cm ² ، فإن هذا الاحتمال سيكون صفرًا.


حقق الليزر من شنغهاي أرقامًا قياسية للطاقة ، ولكن تم وضعه على الطاولة. أقوى الليزر ليست بالضرورة أعلى طاقة ، ولكن غالبًا ما تكون أشعة الليزر ذات أقصر النبضات.

إن القدرة على إنشاء أزواج من جزيئات المادة / المادة المضادة من الفضاء الفارغ ستكون اختبارًا مهمًا للديناميكا الكهربائية الكمومية ، وتوضيحًا رائعًا لقدرات الليزر وقدرتنا على التحكم فيها. من الممكن أن يتم الحصول على أول زوج من الجسيمات / الجسيمات دون الوصول إلى عتبة حرجة ، ولكن لهذا يجب إما أن يكون قريبًا جدًا منه ، أو أن يكون محظوظًا جدًا ، أو أن يأتي بآلية لزيادة احتمالية إنتاج أزواج من الجسيمات فيما يتعلق بالحسابات الساذجة. على أي حال ، لا ينكسر الفراغ الكمي ، لكنه يتعامل بدقة مع ما هو متوقع منه: إنه يتفاعل مع المادة والطاقة وفقًا لقوانين الفيزياء. قد لا يكون هذا بديهيًا ، ولكن يمكن التنبؤ به - وهذا في بعض الأحيان أكثر فائدة. يكمن كل العلم في فن وضع التوقعات وإجراء التجارب لتأكيدها أو دحضها. لم نصل بعد إلى العتبة ، ولكن كل قفزة في القوة والكثافة هي خطوة أخرى تقربنا من الكأس المقدسة لفيزياء الليزر.