Demandez à Ethan: un laser peut-il vraiment déchirer un espace ouvert?

Dans les expériences avec des lasers de bureau, les énergies ne sont peut-être pas les plus élevées, mais en termes de puissance, elles peuvent même discuter avec des lasers qui déclenchent des réactions de fusion. Un vide quantique peut-il céder à l'action d'un tel laser?

Il s'avère que l'espace vide n'est pas si vide. Les fluctuations dans le vide signifient que même si toute la matière et le rayonnement sont éliminés d'une partie de l'espace, il restera toujours une quantité finie d'énergie inhérente à l'espace lui-même. Si vous le tirez avec un laser suffisamment puissant, est-il possible, comme ils l'ont écrit dans Science Magazine, de "briser le vide et l'espace vide"? Voici ce que notre lecteur demande:

Science Magazine a récemment publié un article sur le fait que les physiciens chinois vont fabriquer cette année un laser 100-PW (!!!) Pouvez-vous expliquer comment ils envisagent de le faire et quels phénomènes uniques cela peut aider à explorer? Et que signifie rompre le vide?

Cette histoire est réelle , elle est confirmée, et un peu exagérée en termes de "briser le vide" - vous pourriez penser, c'est en principe possible. Plongeons-nous dans la vraie science et découvrons ce qui se passe réellement.


L'ensemble de pointeurs laser Q-line présente une variété de couleurs et de compacité - des phénomènes qui sont maintenant courants dans les lasers. Les lasers fonctionnent en continu et avec une très faible puissance, seules des fractions de watt - et les lasers d'enregistrement fonctionnent avec une puissance allant jusqu'à des pétawatts.

L'idée même d'un laser est encore relativement nouvelle, malgré son adoption généralisée. Initialement, c'était un acronyme pour l'amplification de la lumière par émission stimulée de rayonnement, et, en principe, le nom des lasers a été choisi un peu incorrectement. En fait, aucun gain ne se produit. Dans la matière normale, il existe des noyaux atomiques et divers niveaux d'énergie d'électrons; dans les molécules, cristaux et autres structures connectées, la séparation des niveaux d'énergie d'un électron détermine les transitions disponibles. Dans un laser, les électrons oscillent entre deux états disponibles et émettent des photons d'une énergie définie lors de la transition d'un état avec une énergie plus élevée à un état avec un plus bas. Ces vibrations produisent de la lumière, mais pour une raison quelconque, personne ne voulait faire un acronyme pour Light Oscillation by Stimulated Emission of Radiation (vibrations lumineuses stimulées par l'émission de rayonnement).


En pompant les électrons dans un état excité et en les stimulant avec un photon de la longueur d'onde souhaitée, vous pouvez provoquer l'émission d'un autre photon exactement de la même énergie et de la même longueur d'onde. C'est ainsi que la lumière laser a été obtenue pour la première fois.

Si vous pouvez amener des molécules ou des atomes dans le même état excité et stimuler leur transition spontanée vers l'état fondamental, ils émettront des photons de la même énergie. Ces transitions se produisent extrêmement rapidement (mais pas instantanément), par conséquent, il existe une limitation théorique de la vitesse de transition d'un atome ou d'une molécule à un état excité, suivie de l'émission d'un photon. Habituellement, pour créer un laser, un certain gaz, une substance moléculaire ou un cristal est situé à l'intérieur de la cavité résonante ou réfléchissante, mais il peut également être constitué d'électrons libres, de semi-conducteurs, de fibres optiques et, en théorie, même de positronium .


Le laser à électrons libres ALICE est un exemple de laser exotique qui ne repose pas sur des transitions atomiques ou moléculaires ordinaires, mais qui produit toujours une lumière cohérente étroitement focalisée

La quantité d'énergie sortant du laser est limitée par l'énergie qui y est investie - par conséquent, la seule façon d'atteindre des puissances laser extrêmes est de raccourcir le temps d'émission d'une impulsion. On pouvait entendre parler de petawatts, 10 ¹⁵ watts, et il vous semble que c'est une énorme quantité d'énergie. Mais ce n'est pas de l'énergie, mais de l'énergie - de l'énergie par unité de temps. Un laser de puissance petawatt peut être soit un laser émettant 10 ¹⁵ J d'énergie (tant d'énergie est contenue dans 200 kT TNT) chaque seconde, soit juste un laser émettant un joule d'énergie (tant d'énergie est contenue dans 60 μg de sucre) chaque femtoseconde ( ^10-15 s) . En termes d'énergie, ces options sont très différentes, bien qu'elles aient la même puissance.


Des amplificateurs OMEGA-EP de l'Université de Rochester, éclairés par des lampes de poche, pourraient alimenter un laser américain de haute puissance

Un laser de 100 PW n'a pas encore été construit, mais c'est un autre seuil incroyable que les chercheurs envisagent de franchir dans les années 2020. Le projet hypothétique est connu sous le nom de Extreme Light Station, SEL, et est construit dans le cadre du système laser ultra-intense ultra-rapide de Shanghai en Chine. Un dispositif de pompe externe, qui est généralement de la lumière de différentes longueurs d'onde, excite les électrons dans le matériau générateur, provoquant des transitions caractéristiques qui génèrent de la lumière laser. Les photons apparaissent dans un rayon ou une impulsion dense, avec une très petite propagation des longueurs d'onde. Pour beaucoup, il sera surprenant d'apprendre que le seuil de 1 PW a été dépassé en 1996; Il a fallu près de deux décennies pour franchir le prochain seuil de 10 PW.


Les préamplificateurs du National Ignition Complex sont la première étape vers l'augmentation de l'énergie des faisceaux laser se dirigeant vers la caméra cible. En 2012, NKZ a atteint un niveau de 0,5 PW, au pic mille fois supérieur à la consommation d'énergie de tous les États-Unis.

Le complexe national d'allumage aux États-Unis est peut-être le premier à venir à l'esprit lorsque l'on parle de lasers à haute énergie, mais ce n'est rien de plus qu'une manœuvre distrayante. Cet ensemble de 192 lasers se concentrant sur un seul point, compressant une boule d'hydrogène et lançant la fusion nucléaire, oscille autour de la marque 1 PW, mais n'est pas le complexe le plus puissant. Son énergie est très élevée, plus d'un million de joules, mais ses impulsions sont relativement longues. Pour établir un record de puissance, vous devez fournir plus d'énergie en moins de temps.

Le détenteur du record actuel utilise un cristal de saphir avec des impuretés de titane, y pompe des centaines de joules, provoque la réflexion de la lumière d'avant en arrière dans des interférences destructives, ce qui détruit presque toute la durée de l'impulsion, puis comprime la lumière de sortie en une seule impulsion de seulement quelques dizaines de femtosecondes. C'est ainsi qu'il est possible d'atteindre des puissances de sortie de l'ordre de 10 PW.


Partie d'un laser titane-saphir; lumière rouge vif à gauche - verre saphir avec titane; lumière verte brillante - pompage de la lumière diffusée sur un miroir.

Pour aller encore plus haut en franchissant le seuil de l'ordre suivant, il faut soit augmenter l'énergie pompée dans le laser de centaines à des milliers de joules, soit réduire la durée d'impulsion. Le premier est difficile en termes de matériaux utilisés. Les petits cristaux de titane-saphir ne résisteront pas à de telles énergies, tandis que les gros ont tendance à émettre de la lumière dans des directions inutiles - à angle droit par rapport à la trajectoire du faisceau. Les chercheurs envisagent actuellement trois approches à ce problème:

1. Prenez l'impulsion initiale de 10 PW, étirez-la avec un réseau de diffraction, combinez-la en un cristal artificiel, où elle peut à nouveau être pompée, augmentant l'énergie.
2. La combinaison de plusieurs impulsions à partir d'un ensemble de lasers différents, créant le niveau de chevauchement souhaité, est une tâche difficile pour des impulsions ne durant que quelques dizaines de femtosecondes et se déplaçant à la vitesse de la lumière.
3. Ajoutez une autre étape de compression d'impulsion, en la compressant à quelques femtosecondes.

Plier la lumière et la focaliser sur un point, quelle que soit la longueur d'onde ou l'endroit où elle tombe sur la surface, est l'une des étapes clés pour maximiser l'intensité lumineuse en un seul endroit dans l'espace

Ensuite, les impulsions doivent être clairement focalisées, augmentant non seulement l'énergie mais aussi l'intensité - c'est-à-dire, pour concentrer la puissance à un moment donné. Comme écrit dans l' article :

Si une impulsion de 100 PW peut être focalisée sur une zone de 3 μm, [...] l'intensité du faisceau dans cette zone atteindra un incroyable 10 ²⁴ par cm ² - c'est 25 ordres de grandeur, soit 10 trillions de milliards de fois plus que celui de la lumière solaire atteignant De la terre

Cela ouvrira la voie à la possibilité tant attendue de créer des paires particule-antiparticule à partir de rien - mais il est peu probable qu'il s'agisse d'une «rupture de vide quantique».


La visualisation des calculs de la théorie des champs quantiques montre des particules virtuelles dans un vide quantique. Même dans un espace vide, l'énergie du vide n'est pas égale à zéro.

Selon la théorie de l'électrodynamique quantique, l'énergie nulle de l'espace vide n'est pas égale à zéro et a une valeur finie positive. Bien que nous l'imaginions sous la forme de particules et d'antiparticules réapparaissant et disparaissant, il est préférable de le décrire afin qu'avec suffisamment d'énergie nous puissions utiliser les propriétés électromagnétiques de l'espace vide pour créer de véritables paires particules / antiparticules . Ceci est basé sur la physique simple d'Einstein E = mc ² , mais nécessite des champs électriques suffisamment forts: de l'ordre de 10 ¹⁶ V par mètre. La lumière, étant une onde électromagnétique, transfère les champs électriques et magnétiques et atteint ce seuil critique avec une intensité laser d'environ 10 ²⁹ W / cm ² .


Les lasers Zett-watt atteignant une intensité de 10 ²⁹ W / cm ² devraient être suffisants pour créer de vraies paires électron-positon à partir du vide quantique. Cela nécessitera encore plus d'énergie, des impulsions plus courtes et / ou une concentration accrue que ce que nous pouvons imaginer dans un avenir proche.

Vous avez peut-être remarqué que même la version idéale d'un article scientifique donne une intensité qui est toujours 100 000 fois inférieure à ce seuil, et avant de l'atteindre, votre capacité à créer des paires de particules / antiparticules est exponentiellement supprimée. Le mécanisme réel est très différent de la simple inversion du processus d'appariement, dans lequel, au lieu d'annihiler un électron et un positron, deux photons apparaissent, les deux photons interagissent et produisent une paire électron / positron. (Un tel processus a été démontré expérimentalement pour la première fois en 1997.) Dans un laser, les photons individuels n'auront pas assez d'énergie pour produire de nouvelles particules - au lieu de cela, leur effet combiné sur le vide de l'espace provoquera des paires particules / antiparticules avec une certaine probabilité. Mais si seule cette intensité ne s'approche pas de la valeur seuil de 10 ²⁹ W / cm ² , cette probabilité sera nulle.


Le laser de Shanghai a établi des records de puissance, mais il est placé sur la table. Les lasers les plus puissants ne sont pas nécessairement l'énergie la plus élevée, mais le plus souvent seulement les lasers avec les impulsions les plus courtes.

La capacité de créer des paires de particules de matière / antimatière à partir de l'espace vide sera un test important de l'électrodynamique quantique et une démonstration remarquable des capacités des lasers et de notre capacité à les contrôler. Il est possible que la première paire particule / antiparticule puisse être obtenue sans atteindre un seuil critique, mais pour cela elle devra soit s'en approcher très fort, soit être très chanceuse, soit trouver un mécanisme pour augmenter la probabilité de produire des paires de particules par rapport aux calculs naïfs. En tout cas, le vide quantique ne se rompt pas, mais traite précisément de ce qu'on attend de lui: il réagit à la matière et à l'énergie conformément aux lois de la physique. Cela peut ne pas être intuitif, mais prévisible - et cela est parfois encore plus utile. Toute science réside dans l'art de faire des prévisions et de mener des expériences pour la confirmer ou la réfuter. Nous n'avons pas encore atteint le seuil, mais chaque augmentation de puissance et d'intensité est une autre étape qui nous rapproche du Saint Graal de la physique des lasers.