Pregúntele a Ethan: ¿Puede un láser realmente romper el espacio abierto?

En experimentos con láseres de escritorio, quizás las energías no son las más altas, pero en términos de potencia pueden discutir incluso con láseres que encienden reacciones de fusión. ¿Puede un vacío cuántico ceder ante la acción de tal láser?

El espacio vacío, como resulta, no está tan vacío. Las fluctuaciones en el vacío significan que incluso si se elimina toda la materia y la radiación de una porción del espacio, seguirá habiendo una cantidad finita de energía inherente al espacio mismo. Si le disparas con un láser lo suficientemente potente, ¿es posible, como escribieron en la revista Science, "romper el vacío y el espacio vacío"? Esto es lo que nuestro lector pregunta:

La revista Science publicó recientemente un artículo que este año los físicos chinos van a hacer un láser de 100 PW (!!!) ¿Puede explicar cómo planean hacer esto y qué fenómenos únicos esto puede ayudar a explorar? ¿Y qué significa romper el vacío?

Esta historia es real , está confirmada, y es un poco exagerada en términos de "romper el vacío". Se podría pensar que esto es posible en principio. Profundicemos en la ciencia real y descubramos lo que realmente está sucediendo.


El conjunto de punteros láser Q-line demuestra una variedad de colores y compacidad, fenómenos que ahora son comunes en los láseres. Aquí se muestran láseres que funcionan continuamente y con muy poca potencia, solo fracciones de vatios, y los láseres récord funcionan con potencia de hasta petavatios.

La idea misma de un láser todavía es relativamente nueva, a pesar de su adopción generalizada. Inicialmente, era un acrónimo de amplificación de luz por emisión estimulada de radiación, y, en principio, el nombre de los láseres se eligió un poco incorrectamente. De hecho, no se produce ganancia. En materia normal, hay núcleos atómicos y varios niveles de energía de electrones; En las moléculas, cristales y otras estructuras conectadas, la separación de los niveles de energía de un electrón determina las transiciones disponibles. En un láser, los electrones oscilan entre dos estados disponibles y emiten fotones de una energía definida tras la transición de un estado con una energía más alta a un estado con uno más bajo. Estas vibraciones producen luz, pero por alguna razón, nadie quería hacer un acrónimo de Oscilación de luz por emisión estimulada de radiación (vibraciones de luz estimuladas por la emisión de radiación).


Bombeando electrones a un estado excitado y estimulándolos con un fotón de la longitud de onda deseada, puede causar la emisión de otro fotón de exactamente la misma energía y longitud de onda. Así es como se obtuvo la luz láser por primera vez.

Si puede llevar moléculas o átomos al mismo estado excitado y estimular su transición espontánea al estado fundamental, emitirán fotones de la misma energía. Estas transiciones ocurren extremadamente rápido (pero no instantáneamente), por lo tanto, existe una limitación teórica sobre la velocidad de transición de un átomo o molécula a un estado excitado, seguida de la emisión de un fotón. Por lo general, para crear un láser, un determinado gas, sustancia molecular o cristal se encuentra dentro de la cavidad resonante o reflectora, pero también puede estar hecho de electrones libres, semiconductores, fibra óptica y, en teoría, incluso positronio .


El láser de electrones libres ALICE es un ejemplo de un láser exótico que no se basa en transiciones atómicas o moleculares ordinarias, pero que aún produce luz coherente enfocada estrechamente

La cantidad de energía que sale del láser está limitada por la energía invertida en él; por lo tanto, la única forma de lograr potencias láser extremas es acortar el tiempo de emisión de un pulso. Podrías escuchar sobre petavatios, 10 ¹⁵ vatios, y te parece que esta es una gran cantidad de energía. Pero esto no es energía, sino poder, energía por unidad de tiempo. Un láser de potencia de petavatios puede ser un láser que emite 10 ¹⁵ J de energía (tanta energía está contenida en 200 kT TNT) por segundo, o simplemente un láser que emite un julio de energía (tanta energía está contenida en 60 μg de azúcar) cada femtosegundo ( ^10-15 s) . En términos de energía, estas opciones son muy diferentes, aunque tienen el mismo poder.


Los amplificadores OMEGA-EP de la Universidad de Rochester, iluminados por linternas, podrían alimentar un láser estadounidense de alta potencia

Todavía no se ha construido un láser de 100 PW, pero este es otro umbral increíble que los investigadores planean superar en la década de 2020. El proyecto hipotético se conoce como Extreme Light Station, SEL, y se está construyendo como parte del sistema láser ultrarrápido ultrarrápido de Shanghai en China. Un dispositivo de bomba externo, que generalmente es luz de varias longitudes de onda, excita los electrones en el material generador, causando transiciones características que generan luz láser. Los fotones aparecen en un rayo o pulso densamente empaquetado, con una extensión muy pequeña de longitudes de onda. Para muchos, será sorprendente saber que el umbral de 1 PW se superó en 1996; Se necesitaron casi dos décadas para superar el siguiente umbral de 10 PW.


Los preamplificadores del Complejo Nacional de Encendido son el primer paso para aumentar la energía de los rayos láser que viajan hacia la cámara objetivo. En 2012, NKZ alcanzó un nivel de 0.5 PW, en el pico de mil veces mayor que el consumo de energía de todos los Estados Unidos.

El complejo de ignición nacional en los Estados Unidos puede ser el primero que viene a la mente cuando se habla de láseres de alta energía, pero esto no es más que una maniobra distractora. Este conjunto de 192 láseres centrados en un solo punto, comprimiendo una bola de hidrógeno y lanzando fusión nuclear, cuelga alrededor de la marca 1 PW, pero no es el complejo más poderoso. Su energía es muy alta, más de un millón de julios, pero sus pulsos son relativamente largos. Para establecer un récord de energía, debe suministrar más energía en menos tiempo.

El poseedor del récord actual utiliza un cristal de zafiro con impurezas de titanio, bombea cientos de julios en él, hace que la luz se refleje de un lado a otro en una interferencia destructiva, que destruye casi toda la duración del pulso, y luego comprime la luz de salida en un solo pulso de solo decenas de femtosegundos. Así es como es posible lograr potencias de salida del orden de 10 PW.


Parte de un láser de zafiro de titanio; luz roja brillante a la izquierda - cristal de zafiro con titanio; luz verde brillante: luz de bombeo dispersada en un espejo.

Para aumentar aún más rompiendo el umbral del siguiente orden, es necesario aumentar la energía bombeada al láser de cientos a miles de julios, o reducir la duración del pulso. El primero es difícil en términos de los materiales utilizados. Los pequeños cristales de zafiro de titanio no resistirán tales energías, mientras que los grandes son propensos a emitir luz en direcciones innecesarias, en ángulo recto con la trayectoria del haz. Los investigadores están considerando actualmente tres enfoques para este problema:

1. Tome el impulso inicial de 10 PW, estírelo con una rejilla de difracción, combínelo en un cristal artificial, donde pueda ser bombeado nuevamente, aumentando la energía.
2. La combinación de varios pulsos de un conjunto de láseres diferentes, creando el nivel de superposición deseado, es una tarea difícil para pulsos que duran solo unas pocas decenas de femtosegundos y se mueven a la velocidad de la luz.
3. Agregue otra etapa de compresión de pulso, comprimiéndola en un par de femtosegundos.

Doblar la luz y enfocarla en un punto, independientemente de la longitud de onda o de dónde cae en la superficie, es uno de los pasos clave para maximizar la intensidad de la luz en un lugar en el espacio

Luego, los pulsos deben estar claramente enfocados, aumentando no solo la energía sino también la intensidad, es decir, concentrar la energía en un punto. Como está escrito en el artículo :

Si un pulso de 100 PW puede enfocarse en un área de 3 μm de tamaño, la intensidad [...] del haz en esta región alcanzará un increíble 10 ²⁴ por cm ² : esto es 25 órdenes de magnitud, o 10 billones de billones de veces más que la luz solar que alcanza De la tierra

Esto abrirá el camino a la tan esperada posibilidad de crear pares partícula-antipartícula de la nada, pero es poco probable que se trate de una "ruptura de vacío cuántica".


La visualización de los cálculos de la teoría del campo cuántico muestra partículas virtuales en un vacío cuántico. Incluso en el espacio vacío, la energía del vacío no es igual a cero.

Según la teoría de la electrodinámica cuántica, la energía cero del espacio vacío no es igual a cero y tiene un valor positivo finito. Aunque imaginamos esto en forma de partículas y antipartículas que aparecen y desaparecen nuevamente, es mejor describirlo para que con suficiente energía podamos usar las propiedades electromagnéticas del espacio vacío para crear pares reales de partículas / antipartículas . Esto se basa en la física simple de Einstein E = mc ² , pero requiere campos eléctricos suficientemente fuertes: del orden de 10 ¹⁶ V por metro. La luz, al ser una onda electromagnética, transfiere campos eléctricos y magnéticos, y alcanza este umbral crítico con una intensidad de láser de aproximadamente 10 ²⁹ W / cm ² .


Los láseres de zett-vatios que alcanzan una intensidad de 10 ²⁹ W / cm ² deberían ser suficientes para crear pares de electrones-positrones reales a partir del vacío cuántico. Esto requerirá aún más energía, pulsos más cortos y / o mayor enfoque de lo que podemos imaginar en el futuro cercano.

Es posible que haya notado que incluso la versión ideal de un artículo científico proporciona una intensidad que es aún 100,000 veces menor que este umbral, y antes de alcanzarlo, su capacidad para crear pares de partículas / antipartículas se suprime exponencialmente. El mecanismo real es muy diferente de simplemente invertir el proceso de emparejamiento, en el que, en lugar de aniquilar un electrón y un positrón, aparecen dos fotones, los dos fotones interactúan y producen un par electrón / positrón. (Tal proceso se demostró por primera vez experimentalmente en 1997). En el láser, los fotones individuales no tendrán suficiente energía para producir nuevas partículas; en cambio, su efecto combinado en el vacío del espacio hará que se produzcan pares de partículas / antipartículas con una cierta probabilidad. Pero si solo esta intensidad no se acerca al valor umbral de 10 ²⁹ W / cm ² , esta probabilidad será cero.


El láser de Shanghai estableció récords de potencia, pero se coloca sobre la mesa. Los láseres más potentes no son necesariamente la energía más alta, pero a menudo son solo los láseres con los pulsos más cortos.

La capacidad de crear pares de partículas de materia / antimateria a partir del espacio vacío será una prueba importante de la electrodinámica cuántica, y una demostración notable de las capacidades de los láseres y nuestra capacidad para controlarlos. Es posible que se pueda obtener el primer par de partículas / antipartículas sin alcanzar un umbral crítico, pero para esto tendrá que acercarse mucho, tener mucha suerte o crear un mecanismo para aumentar la probabilidad de producir pares de partículas con respecto a cálculos ingenuos. En cualquier caso, el vacío cuántico no se rompe, sino que se ocupa precisamente de lo que se espera de él: reacciona a la materia y la energía de acuerdo con las leyes de la física. Esto puede no ser intuitivo, pero predecible, y esto a veces es aún más útil. Toda ciencia radica en el arte de hacer pronósticos y realizar experimentos para confirmarlo o refutarlo. Todavía no hemos alcanzado el umbral, pero cada salto en potencia e intensidad es otro paso que nos acerca al santo grial de la física láser.