Fragen Sie Ethan: Kann ein Laser wirklich den Raum aufreißen?

In Experimenten mit Desktop-Lasern sind die Energien vielleicht nicht die höchsten, aber in Bezug auf die Leistung können sie sogar mit Lasern argumentieren, die Fusionsreaktionen auslösen. Kann ein Quantenvakuum der Wirkung eines solchen Lasers nachgeben?

Wie sich herausstellt, ist der leere Raum nicht so leer. Schwankungen im Vakuum bedeuten, dass selbst wenn alle Materie und Strahlung aus einem Teil des Raums entfernt werden, eine begrenzte Menge an Energie im Raum selbst verbleibt. Wenn Sie ihn mit einem ausreichend starken Laser abschießen, ist es dann möglich, wie sie im Science Magazine geschrieben haben, „das Vakuum und den leeren Raum zu durchbrechen“? Dies ist, was unser Leser fragt:

Das Science Magazine hat kürzlich einen Artikel veröffentlicht, in dem chinesische Physiker in diesem Jahr einen 100-PW-Laser herstellen werden (!!!). Können Sie erklären, wie sie dies planen und welche einzigartigen Phänomene dies erforschen kann? Und was bedeutet es, das Vakuum zu brechen?

Diese Geschichte ist real , es ist bestätigt und ein wenig übertrieben in Bezug auf "das Vakuum brechen" - Sie könnten denken, dies ist im Prinzip möglich. Lassen Sie uns in die echte Wissenschaft eintauchen und herausfinden, was wirklich passiert.


Der Q-Line-Satz von Laserpointern zeigt eine Vielzahl von Farben und Kompaktheiten - Phänomene, die heute bei Lasern üblich sind. Hier sehen Sie Laser, die kontinuierlich und mit sehr geringer Leistung arbeiten, nur Bruchteile eines Watt - und Rekordlaser arbeiten mit einer Leistung von bis zu Petawatt.

Die Idee eines Lasers ist trotz ihrer weit verbreiteten Anwendung noch relativ neu. Anfangs war es ein Akronym für Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission, und im Prinzip wurde der Name für die Laser etwas falsch gewählt. Tatsächlich tritt kein Gewinn auf. In der normalen Materie gibt es Atomkerne und verschiedene Energieniveaus von Elektronen; In Molekülen, Kristallen und anderen verbundenen Strukturen bestimmt die Trennung der Energieniveaus eines Elektrons die verfügbaren Übergänge. In einem Laser schwingen Elektronen zwischen zwei verfügbaren Zuständen und emittieren beim Übergang von einem Zustand mit höherer Energie zu einem Zustand mit niedrigerem Zustand Photonen mit einer bestimmten Energie. Diese Schwingungen erzeugen Licht, aber aus irgendeinem Grund wollte niemand ein Akronym für Lichtschwingung durch stimulierte Emission von Strahlung (Lichtschwingungen, die durch die Emission von Strahlung stimuliert werden) verwenden.


Wenn Sie Elektronen in einen angeregten Zustand pumpen und mit einem Photon der gewünschten Wellenlänge stimulieren, können Sie die Emission eines anderen Photons mit genau derselben Energie und Wellenlänge verursachen. So wurde zuerst Laserlicht erhalten.

Wenn Sie Moleküle oder Atome in den gleichen angeregten Zustand bringen und ihren spontanen Übergang in den Grundzustand stimulieren können, emittieren sie Photonen derselben Energie. Diese Übergänge treten extrem schnell (aber nicht sofort) auf, daher gibt es eine theoretische Begrenzung der Übergangsrate eines Atoms oder Moleküls in einen angeregten Zustand, gefolgt von der Emission eines Photons. Um einen Laser zu erzeugen, befindet sich normalerweise ein bestimmtes Gas, eine bestimmte molekulare Substanz oder ein bestimmter Kristall im Resonanz- oder Reflexionshohlraum, es kann jedoch auch aus freien Elektronen, Halbleitern, optischen Fasern und theoretisch sogar Positronium bestehen .


Der ALICE-Freie-Elektronen-Laser ist ein Beispiel für einen exotischen Laser, der nicht auf gewöhnlichen atomaren oder molekularen Übergängen beruht, aber dennoch eng fokussiertes kohärentes Licht erzeugt

Die Energiemenge, die aus dem Laser austritt, wird durch die in ihn investierte Energie begrenzt. Daher besteht die einzige Möglichkeit, extreme Laserleistungen zu erzielen, darin, die Zeit für die Emission eines Impulses zu verkürzen. Sie konnten von Petawatt hören, 10 ¹⁵ Watt, und es scheint Ihnen, dass dies eine enorme Menge an Energie ist. Dies ist jedoch keine Energie, sondern Energie - Energie pro Zeiteinheit. Ein Petawatt-Leistungslaser kann entweder ein Laser sein, der pro Sekunde 10 bis ¹⁵ J Energie emittiert (so viel Energie ist in 200 kT TNT enthalten), oder nur ein Laser, der pro Femtosekunde (10 bis ¹⁵ s) ein Joule Energie (so viel Energie ist in 60 μg Zucker enthalten) emittiert. . In Bezug auf die Energie sind diese Optionen sehr unterschiedlich, obwohl sie die gleiche Leistung haben.


OMEGA-EP-Verstärker an der Universität von Rochester, die von Taschenlampen beleuchtet werden, könnten einen amerikanischen Hochleistungslaser antreiben

Ein 100-PW-Laser wurde noch nicht gebaut, aber dies ist eine weitere unglaubliche Schwelle, die Forscher in den 2020er Jahren überwinden wollen. Das hypothetische Projekt ist als Extreme Light Station (SEL) bekannt und wird als Teil des ultraschnellen ultraschnellen Lasersystems von Shanghai in China gebaut. Eine externe Pumpvorrichtung, bei der es sich normalerweise um Licht verschiedener Wellenlängen handelt, regt Elektronen im Erzeugungsmaterial an und verursacht charakteristische Übergänge, die Laserlicht erzeugen. Photonen erscheinen in einem dicht gepackten Strahl oder Puls mit einer sehr geringen Streuung der Wellenlängen. Für viele wird es überraschend sein zu erfahren, dass die Schwelle von 1 PW bereits 1996 überschritten wurde; Es dauerte fast zwei Jahrzehnte, um die nächste Schwelle von 10 PW zu überwinden.


Die Vorverstärker des National Ignition Complex sind der erste Schritt zur Erhöhung der Energie von Laserstrahlen, die sich in Richtung der Zielkamera bewegen. Im Jahr 2012 erreichte NKZ ein Niveau von 0,5 PW, das tausendmal höher war als der Energieverbrauch aller Vereinigten Staaten.

Der nationale Zündkomplex in den Vereinigten Staaten ist vielleicht der erste, der bei der Diskussion über Hochenergielaser in den Sinn kommt, aber dies ist nichts weiter als ein ablenkendes Manöver. Diese Anordnung von 192 Lasern, die sich auf einen einzelnen Punkt konzentrieren, einen Wasserstoffball komprimieren und die Kernfusion starten, baumelt um die 1-PW-Marke, ist jedoch nicht der leistungsstärkste Komplex. Seine Energie ist sehr hoch, mehr als eine Million Joule, aber seine Impulse sind relativ lang. Um einen Leistungsrekord aufzustellen, müssen Sie in kürzerer Zeit mehr Strom liefern.

Der aktuelle Rekordhalter verwendet ein Saphirglas mit Titanverunreinigungen, pumpt Hunderte von Joule hinein, bewirkt, dass das Licht in destruktiven Interferenzen hin und her reflektiert wird, wodurch fast die gesamte Dauer des Impulses zerstört wird, und komprimiert das Ausgangslicht dann zu einem einzigen Impuls von nur zehn Femtosekunden. Auf diese Weise können Ausgangsleistungen in der Größenordnung von 10 PW erreicht werden.


Teil eines Titan-Saphir-Lasers; hellrotes Licht links - Saphirglas mit Titan; hellgrünes Licht - pumpendes Licht auf einem Spiegel gestreut.

Um durch Überschreiten der Schwelle der nächsten Ordnung noch höher zu werden, muss entweder die in den Laser gepumpte Energie von Hunderten auf Tausende von Joule erhöht oder die Pulsdauer verringert werden. Das erste ist in Bezug auf die verwendeten Materialien schwierig. Kleine Titan-Saphir-Kristalle halten solchen Energien nicht stand, während große dazu neigen, Licht in unnötige Richtungen zu emittieren - im rechten Winkel zum Strahlengang. Forscher erwägen derzeit drei Ansätze für dieses Problem:

1. Nehmen Sie den Anfangsimpuls von 10 PW, dehnen Sie ihn mit einem Beugungsgitter und kombinieren Sie ihn zu einem künstlichen Kristall, wo er erneut gepumpt werden kann, wodurch die Energie erhöht wird.
2. Das Kombinieren mehrerer Impulse aus einem Satz verschiedener Laser, um das gewünschte Überlappungsniveau zu erzeugen, ist eine schwierige Aufgabe für Impulse, die nur einige zehn Femtosekunden dauern und sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.
3. Fügen Sie eine weitere Stufe der Impulskomprimierung hinzu und komprimieren Sie sie auf einige Femtosekunden.

Das Licht zu biegen und auf einen Punkt zu fokussieren, unabhängig von der Wellenlänge oder wo es auf die Oberfläche fällt, ist einer der wichtigsten Schritte, um die Lichtintensität an einem Ort im Raum zu maximieren

Dann müssen die Impulse klar fokussiert sein und nicht nur die Energie, sondern auch die Intensität erhöhen, dh die Leistung an einem Punkt konzentrieren. Wie im Artikel geschrieben :

Wenn ein Impuls von 100 PW auf einen Bereich von 3 μm Größe fokussiert werden kann, [...] erreicht die Strahlintensität in diesem Bereich unglaubliche 10 ²⁴ pro cm ² - das sind 25 Größenordnungen oder 10 Billionen Billionen Mal mehr als die des Sonnenlichts Von der Erde

Dies wird den Weg für die lang erwartete Möglichkeit ebnen, Teilchen-Antiteilchen-Paare aus dem Nichts zu erzeugen - aber es ist unwahrscheinlich, dass dies eine „Quantenvakuumunterbrechung“ ist.


Die Visualisierung der Berechnungen der Quantenfeldtheorie zeigt virtuelle Teilchen im Quantenvakuum. Selbst im leeren Raum ist die Energie des Vakuums nicht gleich Null.

Nach der Theorie der Quantenelektrodynamik ist die Nullenergie des leeren Raums nicht gleich Null und hat einen positiven, endlichen Wert. Obwohl wir uns dies in Form von Partikeln und Antiteilchen vorstellen, die wieder auftauchen und verschwinden, ist es am besten, es so zu beschreiben, dass wir mit genügend Energie die elektromagnetischen Eigenschaften des leeren Raums nutzen können, um echte Partikel / Antiteilchen-Paare zu erzeugen . Dies basiert auf Einsteins einfacher Physik E = mc ² , erfordert jedoch ausreichend starke elektrische Felder: in der Größenordnung von 10 ¹⁶ V pro Meter. Licht, das eine elektromagnetische Welle ist, überträgt elektrische und magnetische Felder und erreicht diese kritische Schwelle mit einer Laserintensität von etwa 10 ²⁹ W / cm ² .


Zett-Watt-Laser, die eine Intensität von 10 ²⁹ W / cm ^{2 erreichen,} sollten ausreichen, um aus dem Quantenvakuum echte Elektron-Positron-Paare zu erzeugen. Dies erfordert noch mehr Energie, kürzere Impulse und / oder mehr Fokus als wir uns in naher Zukunft vorstellen können.

Möglicherweise haben Sie bemerkt, dass selbst die ideale Version eines wissenschaftlichen Artikels eine Intensität aufweist, die immer noch 100.000 Mal unter diesem Schwellenwert liegt, und bevor Sie ihn erreichen, wird Ihre Fähigkeit, Partikel / Antiteilchen-Paare zu erstellen, exponentiell unterdrückt. Der eigentliche Mechanismus unterscheidet sich stark von der einfachen Umkehrung des Paarungsprozesses, bei dem anstelle der Vernichtung eines Elektrons und eines Positrons zwei Photonen auftreten, die beiden Photonen interagieren und ein Elektron / Positronen-Paar erzeugen. (Ein solcher Prozess wurde erstmals 1997 experimentell demonstriert .) Im Laser haben einzelne Photonen nicht genug Energie, um neue Teilchen zu erzeugen. Stattdessen führt ihre kombinierte Wirkung auf das Vakuum des Weltraums dazu, dass Teilchen / Antiteilchen-Paare mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit auftreten. Wenn sich jedoch nur diese Intensität dem Schwellenwert von 10 ²⁹ W / cm ² nicht nähert, ist diese Wahrscheinlichkeit Null.


Der Laser aus Shanghai stellte Rekorde für Leistung auf, wird aber auf den Tisch gelegt. Die leistungsstärksten Laser sind nicht unbedingt die höchste Energie, sondern meistens nur die Laser mit den kürzesten Impulsen.

Die Fähigkeit, Paare von Materie / Antimaterie-Partikeln aus dem leeren Raum zu erzeugen, wird ein wichtiger Test der Quantenelektrodynamik sein und eine bemerkenswerte Demonstration der Fähigkeiten von Lasern und unserer Fähigkeit, sie zu steuern. Es ist möglich, dass das erste Partikel / Antiteilchen-Paar erhalten werden kann, ohne eine kritische Schwelle zu erreichen, aber dafür muss es entweder sehr nahe daran sein oder sehr viel Glück haben oder einen Mechanismus entwickeln, um die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung von Partikelpaaren in Bezug auf naive Berechnungen zu erhöhen. In jedem Fall bricht das Quantenvakuum nicht, sondern befasst sich genau mit dem, was von ihm erwartet wird: Es reagiert gemäß den Gesetzen der Physik auf Materie und Energie. Dies ist möglicherweise nicht intuitiv, aber vorhersehbar - und dies ist manchmal sogar noch nützlicher. Alle Wissenschaft liegt in der Kunst, Vorhersagen zu treffen und Experimente durchzuführen, um dies zu bestätigen oder zu widerlegen. Wir haben die Schwelle noch nicht erreicht, aber jeder Anstieg an Kraft und Intensität ist ein weiterer Schritt, der uns dem heiligen Gral der Laserphysik näher bringt.