Tanyakan Ethan: Dapatkah laser benar-benar merobek ruang terbuka?

Dalam percobaan dengan laser desktop, mungkin energinya bukan yang tertinggi, tetapi dalam hal kekuatan mereka dapat berdebat bahkan dengan laser yang memicu reaksi fusi. Bisakah vakum kuantum menyerah pada aksi laser semacam itu?

Ruang kosong, ternyata, tidak begitu kosong. Fluktuasi dalam ruang hampa berarti bahwa bahkan jika semua materi dan radiasi dihilangkan dari bagian ruang, masih akan tetap ada sejumlah energi yang melekat dalam ruang itu sendiri. Jika Anda menembaknya dengan laser yang cukup kuat, apakah mungkin, seperti yang mereka tulis di Science Magazine, untuk "memecahkan ruang hampa udara dan ruang kosong"? Inilah yang diminta pembaca kami:

Science Magazine baru-baru ini menerbitkan sebuah artikel yang mengatakan bahwa fisikawan Tiongkok akan membuat laser 100-PW tahun ini (!!!) Dapatkah Anda menjelaskan bagaimana mereka berencana untuk melakukan ini, dan fenomena unik apa yang dapat membantu mengeksplorasi ini? Dan apa artinya memecah ruang hampa?

Kisah ini nyata , itu dikonfirmasi, dan sedikit berlebihan dalam hal "memecahkan kekosongan" - Anda mungkin berpikir, ini pada prinsipnya mungkin dilakukan. Mari kita selidiki sains nyata dan mencari tahu apa yang sebenarnya terjadi.


Rangkaian laser pointer Q-line menunjukkan berbagai warna dan kekompakan - fenomena yang sekarang umum di laser. Yang ditunjukkan di sini adalah laser yang beroperasi terus-menerus dan dengan daya yang sangat rendah, hanya sebagian kecil dari satu watt - dan laser rekaman beroperasi dengan daya hingga petawatt.

Gagasan tentang laser masih relatif baru, meskipun adopsi mereka tersebar luas. Awalnya, itu adalah singkatan untuk amplifikasi cahaya oleh stimulasi emisi radiasi, dan, pada prinsipnya, nama untuk laser dipilih sedikit salah. Bahkan, tidak ada perolehan yang terjadi. Dalam materi normal, ada inti atom dan berbagai tingkat energi elektron; dalam molekul, kristal, dan struktur terhubung lainnya, pemisahan tingkat energi elektron menentukan transisi yang tersedia. Dalam laser, elektron terombang-ambing di antara dua keadaan yang tersedia, dan memancarkan foton energi tertentu saat transisi dari keadaan dengan energi lebih tinggi ke keadaan dengan yang lebih rendah. Getaran ini menghasilkan cahaya, tetapi untuk beberapa alasan, tidak ada yang ingin membuat akronim untuk Osilasi Cahaya oleh Stimulated Emission of Radiation (getaran cahaya dirangsang oleh emisi radiasi).


Memompa elektron ke keadaan tereksitasi dan menstimulasi mereka dengan foton dari panjang gelombang yang diinginkan, Anda dapat menyebabkan emisi foton lain dengan energi dan panjang gelombang yang sama persis. Begitulah cara sinar laser pertama kali diperoleh.

Jika Anda dapat membawa molekul atau atom ke dalam keadaan tereksitasi yang sama dan menstimulasi transisi spontan mereka ke keadaan dasar, mereka akan memancarkan foton dari energi yang sama. Transisi-transisi ini terjadi dengan sangat cepat (tetapi tidak secara instan), oleh karena itu, ada batasan teoretis tentang laju transisi atom atau molekul ke keadaan tereksitasi, diikuti oleh emisi foton. Biasanya, untuk membuat laser, gas, zat molekul atau kristal tertentu terletak di dalam rongga beresonansi atau memantulkan, tetapi juga dapat dibuat dari elektron bebas, semikonduktor, serat optik, dan, secara teori, bahkan positronium .


Laser elektron bebas ALICE adalah contoh laser eksotis yang tidak bergantung pada transisi atom atau molekul biasa, tetapi yang masih menghasilkan cahaya koheren yang terfokus dengan sempit

Jumlah energi yang keluar dari laser dibatasi oleh energi yang diinvestasikan di dalamnya - oleh karena itu, satu-satunya cara untuk mencapai kekuatan laser ekstrem adalah mempersingkat waktu untuk emisi pulsa. Anda dapat mendengar tentang petawatt, 10 ¹⁵ watt, dan bagi Anda tampaknya ini adalah energi yang sangat besar. Tapi ini bukan energi, tetapi energi - energi per satuan waktu. Sebuah laser kekuatan petawatt dapat berupa laser yang memancarkan energi 10 ¹⁵ J (begitu banyak energi yang terkandung dalam 200 kT TNT) setiap detik, atau hanya laser yang memancarkan satu joule energi (begitu banyak energi yang terkandung dalam 60 μg gula) setiap femtosecond (10 ^-15 detik) . Dalam hal energi, opsi-opsi ini sangat berbeda, meskipun mereka memiliki kekuatan yang sama.


Amplifier OMEGA-EP di University of Rochester, diterangi oleh senter, dapat memberi daya pada laser daya tinggi Amerika

Laser 100 PW belum dibangun, tetapi ini adalah ambang batas luar biasa lain yang akan diatasi oleh para peneliti di tahun 2020-an. Proyek hipotetis dikenal sebagai Stasiun Cahaya Ekstrim, SEL, dan sedang dibangun sebagai bagian dari sistem laser ultra-cepat ultra-kuat Shanghai di Cina. Perangkat pompa eksternal, yang biasanya berupa cahaya dengan berbagai panjang gelombang, menggairahkan elektron dalam material pembangkit, menyebabkan transisi karakteristik yang menghasilkan sinar laser. Foton muncul dalam sinar yang padat, atau pulsa, dengan penyebaran panjang gelombang yang sangat kecil. Bagi banyak orang, akan mengejutkan mengetahui bahwa ambang 1 PW diatasi pada tahun 1996; Butuh hampir dua dekade untuk mengatasi ambang 10 PW berikutnya.


Preamplifier National Ignition Complex adalah langkah pertama menuju peningkatan energi sinar laser yang bergerak menuju kamera target. Pada 2012, NKZ mencapai level 0,5 PW, pada puncak seribu kali lebih besar dari konsumsi energi di seluruh Amerika Serikat.

Kompleks pengapian nasional di Amerika Serikat mungkin yang pertama kali muncul ketika membahas laser berenergi tinggi, tetapi ini tidak lebih dari manuver yang mengganggu. Array ini terdiri dari 192 laser yang berfokus pada satu titik, mengompresi bola hidrogen dan meluncurkan fusi nuklir, menggantung di sekitar tanda 1 PW, tetapi bukan kompleks yang paling kuat. Energinya sangat tinggi, lebih dari satu juta joule, tetapi nadinya relatif panjang. Untuk menetapkan rekor daya, Anda perlu memasok lebih banyak daya dalam waktu yang lebih singkat.

Pemegang rekaman saat ini menggunakan kristal safir dengan pengotor titanium, memompakan ratusan joule ke dalamnya, menyebabkan cahaya dipantulkan bolak-balik dalam interferensi destruktif, yang menghancurkan hampir seluruh durasi pulsa, dan kemudian memampatkan lampu output menjadi satu pulsa hanya dari puluhan femtoseconds. Begitulah mungkin untuk mencapai kekuatan output dari urutan 10 PW.


Bagian dari laser titanium-safir; lampu merah terang pada kristal safir kiri dengan titanium; lampu hijau terang - lampu memompa yang tersebar di cermin.

Untuk mendapatkan lebih tinggi dengan melanggar ambang batas urutan berikutnya, perlu untuk meningkatkan energi yang dipompa ke laser dari ratusan hingga ribuan joule, atau untuk mengurangi durasi pulsa. Yang pertama sulit dalam hal bahan yang digunakan. Kristal titanium-safir kecil tidak akan tahan terhadap energi seperti itu, sedangkan yang besar cenderung memancarkan cahaya ke arah yang tidak perlu - pada sudut kanan ke jalur sinar. Para peneliti saat ini sedang mempertimbangkan tiga pendekatan untuk masalah ini:

1. Ambil pulsa awal 10 PW, regangkan dengan kisi difraksi, gabungkan menjadi kristal buatan, di mana ia dapat dipompa lagi, meningkatkan energi.
2. Menggabungkan beberapa pulsa dari satu set laser yang berbeda, menciptakan tingkat tumpang tindih yang diinginkan, adalah tugas yang sulit untuk pulsa yang hanya berlangsung beberapa puluh femtoseconds dan bergerak dengan kecepatan cahaya.
3. Tambahkan tahap kompresi pulsa lainnya, mengompresnya ke beberapa femtoseconds.

Untuk menekuk cahaya dan memfokuskannya pada suatu titik, terlepas dari panjang gelombang atau di mana ia jatuh di permukaan, adalah salah satu langkah kunci untuk memaksimalkan intensitas cahaya di satu tempat di ruang

Maka pulsa harus jelas fokus, meningkatkan tidak hanya energi tetapi juga intensitas - yaitu, memusatkan daya pada satu titik. Seperti yang tertulis di artikel :

Jika pulsa 100 PW dapat difokuskan pada area dengan ukuran 3 μm, [...] intensitas sinar di area ini akan mencapai 10 ²⁴ per cm ^{2 yang} luar biasa - ini adalah 25 orde magnitudo, atau 10 triliun triliun kali lebih banyak daripada sinar matahari yang mencapai Dari bumi

Ini akan membuka jalan bagi kemungkinan yang telah lama ditunggu-tunggu untuk menciptakan pasangan partikel-antipartikel dari ketiadaan - tetapi ini tidak mungkin menjadi "penghentian vakum kuantum."


Visualisasi perhitungan teori medan kuantum menunjukkan partikel virtual dalam ruang hampa kuantum. Bahkan di ruang kosong, energi ruang hampa tidak sama dengan nol.

Menurut teori elektrodinamika kuantum, energi nol ruang kosong tidak sama dengan nol, dan memiliki nilai positif dan terbatas. Meskipun kita membayangkan ini dalam bentuk partikel dan antipartikel yang muncul dan menghilang lagi, yang terbaik adalah menggambarkannya sehingga dengan energi yang cukup kita dapat menggunakan sifat elektromagnetik dari ruang kosong untuk menciptakan pasangan partikel / antipartikel nyata . Ini didasarkan pada fisika sederhana Einstein E = mc ² , tetapi membutuhkan medan listrik yang cukup kuat: dengan urutan 10 ¹⁶ V per meter. Cahaya, sebagai gelombang elektromagnetik, mentransfer medan listrik dan magnet, dan mencapai ambang kritis ini dengan intensitas laser sekitar 10 ²⁹ W / cm ² .


Laser Zett-watt mencapai intensitas 10 ²⁹ W / cm ² harus cukup untuk membuat pasangan elektron-positron nyata dari vakum kuantum. Ini akan membutuhkan lebih banyak energi, pulsa yang lebih pendek dan / atau peningkatan fokus dari apa yang dapat kita bayangkan dalam waktu dekat.

Anda mungkin telah memperhatikan bahwa bahkan versi ideal dari artikel ilmiah memberikan intensitas yang masih 100.000 kali lebih rendah dari ambang ini, dan sebelum Anda mencapainya, kemampuan Anda untuk membuat pasangan partikel / antipartikel ditekan secara eksponensial. Mekanisme sesungguhnya sangat berbeda dari sekadar membalikkan proses berpasangan, di mana, alih-alih memusnahkan elektron dan positron, dua foton muncul, dua foton berinteraksi dan menghasilkan pasangan elektron / positron. (Proses semacam itu pertama kali diperlihatkan secara eksperimental pada tahun 1997). Dalam laser, masing-masing foton tidak akan memiliki cukup energi untuk menghasilkan partikel baru - sebaliknya, efek gabungannya pada ruang hampa udara akan menyebabkan pasangan partikel / antipartikel terjadi dengan probabilitas tertentu. Tetapi jika hanya intensitas ini tidak mendekati nilai ambang batas 10 ²⁹ W / cm ² , probabilitas ini akan menjadi nol.


Laser dari Shanghai membuat rekor kekuatan, tetapi ditempatkan di atas meja. Laser yang paling kuat tidak selalu merupakan energi tertinggi, tetapi paling sering hanya laser dengan pulsa terpendek.

Kemampuan untuk membuat pasangan partikel materi / antimateri dari ruang kosong akan menjadi ujian penting elektrodinamika kuantum, dan demonstrasi luar biasa dari kemampuan laser dan kemampuan kita untuk mengendalikannya. Ada kemungkinan bahwa pasangan partikel / antipartikel pertama dapat diperoleh tanpa mencapai ambang kritis, tetapi untuk ini ia harus sangat dekat dengannya, atau sangat beruntung, atau muncul dengan mekanisme untuk meningkatkan kemungkinan memproduksi pasangan partikel sehubungan dengan perhitungan naif. Dalam kasus apa pun, kekosongan kuantum tidak pecah, tetapi berurusan dengan tepat dengan apa yang diharapkan darinya: ia bereaksi terhadap materi dan energi sesuai dengan hukum fisika. Ini mungkin tidak intuitif, tetapi dapat diprediksi - dan ini kadang-kadang bahkan lebih bermanfaat. Semua sains terletak pada seni membuat ramalan dan melakukan eksperimen untuk mengkonfirmasi atau membantahnya. Kita belum mencapai ambang batas, tetapi setiap lompatan dalam kekuatan dan intensitas adalah langkah lain yang membawa kita lebih dekat ke cawan suci fisika laser.