Pergunte a Ethan: Um laser pode realmente rasgar o espaço aberto?

Em experimentos com lasers de mesa, talvez as energias não sejam as mais altas, mas em termos de potência elas podem argumentar mesmo com lasers que provocam reações de fusão. Um vácuo quântico pode ceder à ação desse laser?

O espaço vazio, como se vê, não é tão vazio. As flutuações no vácuo significam que, mesmo que toda a matéria e radiação sejam eliminadas de uma parte do espaço, ainda restará uma quantidade finita de energia inerente ao próprio espaço. Se você atirar nele com um laser suficientemente poderoso, é possível, como eles escreveram na Science Magazine, "quebrar o vácuo e o espaço vazio"? Isto é o que nosso leitor pergunta:

A Science Magazine publicou recentemente um artigo dizendo que os físicos chineses farão um laser de 100 PW este ano (!!!) Você pode explicar como eles planejam fazer isso e quais fenômenos únicos isso pode ajudar a explorar? E o que significa quebrar o vácuo?

Esta história é real , está confirmada e um pouco exagerada em termos de "quebrar o vácuo" - você pode pensar, isso é possível em princípio. Vamos nos aprofundar na ciência real e descobrir o que realmente está acontecendo.


O conjunto de ponteiros a laser da linha Q demonstra uma variedade de cores e compacidade - fenômenos que agora são comuns em lasers. Aqui são mostrados os lasers operando continuamente e com potência muito baixa, apenas frações de um watt - e os lasers recordes operam com potência de até petawatts.

A própria idéia de um laser ainda é relativamente nova, apesar de sua ampla adoção. Inicialmente, era um acrônimo para amplificação de luz por emissão estimulada de radiação e, em princípio, o nome dos lasers foi escolhido um pouco incorretamente. De fato, nenhum ganho ocorre. Na matéria normal, existem núcleos atômicos e vários níveis de energia de elétrons; em moléculas, cristais e outras estruturas conectadas, a separação dos níveis de energia de um elétron determina as transições disponíveis. Em um laser, os elétrons oscilam entre dois estados disponíveis e emitem fótons de energia definida após a transição de um estado com energia mais alta para um estado com energia mais baixa. Essas vibrações produzem luz, mas, por alguma razão, ninguém queria criar um acrônimo para Oscilação da luz por emissão estimulada de radiação (vibrações leves estimuladas pela emissão de radiação).


Bombeando elétrons para um estado excitado e estimulando-os com um fóton do comprimento de onda desejado, você pode causar a emissão de outro fóton com exatamente a mesma energia e comprimento de onda. Foi assim que a luz do laser foi obtida pela primeira vez.

Se você puder trazer moléculas ou átomos para o mesmo estado excitado e estimular sua transição espontânea para o estado fundamental, eles emitirão fótons da mesma energia. Essas transições ocorrem extremamente rapidamente (mas não instantaneamente); portanto, há uma limitação teórica na taxa de transição de um átomo ou molécula para um estado excitado, seguida pela emissão de um fóton. Geralmente, para criar um laser, um certo gás, substância molecular ou cristal está localizado dentro da cavidade ressonante ou refletora, mas também pode ser feito de elétrons livres, semicondutores, fibra óptica e, em teoria, até positrônio .


O laser de elétrons livres ALICE é um exemplo de laser exótico que não depende de transições atômicas ou moleculares comuns, mas que ainda produz luz coerente com foco estreito

A quantidade de energia que sai do laser é limitada pela energia investida nele - portanto, a única maneira de obter potências extremas do laser é reduzir o tempo para a emissão de um pulso. Você podia ouvir sobre petawatts, 10 ¹⁵ watts, e parece que essa é uma quantidade enorme de energia. Mas isso não é energia, mas poder - energia por unidade de tempo. Um laser de potência petawatt pode ser um laser que emite 10 ¹⁵ J de energia (tanta energia está contida em 200 kT TNT) a cada segundo, ou apenas um laser que emite um joule de energia (tanta energia está contida em 60 μg de açúcar) a cada femtossegundo (10 ^-15 s) . Em termos de energia, essas opções são muito diferentes, embora tenham o mesmo poder.


Os amplificadores OMEGA-EP da Universidade de Rochester, iluminados por lanternas, poderiam alimentar um laser americano de alta potência

Um laser de 100 PW ainda não foi construído, mas esse é outro limiar incrível que os pesquisadores planejam superar na década de 2020. O projeto hipotético é conhecido como Extreme Light Station, SEL, e está sendo construído como parte do sistema de laser ultrarrápido ultra-intenso de Xangai na China. Um dispositivo de bomba externa, que geralmente é leve com vários comprimentos de onda, excita elétrons no material gerador, causando transições características que geram luz laser. Os fótons aparecem em um raio densamente compactado, ou pulso, com uma dispersão muito pequena de comprimentos de onda. Para muitos, será surpreendente saber que o limiar de 1 PV foi superado em 1996; Demorou quase duas décadas para superar o próximo limiar de 10 PW.


Os pré-amplificadores do National Ignition Complex são o primeiro passo para aumentar a energia dos raios laser que viajam em direção à câmera de destino. Em 2012, a NKZ atingiu um nível de 0,5 PW, no pico de mil vezes maior que o consumo de energia de todos os Estados Unidos.

O complexo nacional de ignição nos Estados Unidos pode ser o primeiro a se lembrar ao discutir lasers de alta energia, mas isso não passa de uma manobra perturbadora. Esse conjunto de 192 lasers focados em um único ponto, comprimindo uma bola de hidrogênio e lançando fusão nuclear, oscila em torno da marca de 1 PW, mas não é o complexo mais poderoso. Sua energia é muito alta, mais de um milhão de joules, mas seus pulsos são relativamente longos. Para estabelecer um recorde de energia, você precisa fornecer mais energia em menos tempo.

O atual detentor de registros usa um cristal de safira com impurezas de titânio, bombeia centenas de joules para ele, faz com que a luz seja refletida para frente e para trás em interferência destrutiva, que destrói quase toda a duração do pulso e depois comprime a luz de saída em um único pulso de apenas dezenas de femtossegundos. É assim que é possível obter potências de saída da ordem de 10 PW.


Parte de um laser de titânio e safira; luz vermelha brilhante à esquerda - cristal de safira com titânio; luz verde brilhante - luz bombeada espalhada no espelho.

Para aumentar ainda mais a quebra do limiar da próxima ordem, é necessário aumentar a energia bombeada no laser de centenas para milhares de joules ou reduzir a duração do pulso. O primeiro é difícil em termos de materiais utilizados. Pequenos cristais de titânio e safira não suportam essas energias, enquanto os grandes tendem a emitir luz em direções desnecessárias - perpendiculares ao caminho do feixe. Os pesquisadores estão atualmente considerando três abordagens para esse problema:

1. Pegue o pulso inicial de 10 PW, estique-o com uma grade de difração, combine-o em um cristal artificial, onde ele poderá ser bombeado novamente, aumentando a energia.
2. Combinar vários pulsos de um conjunto de lasers diferentes, criando o nível de sobreposição desejado, é uma tarefa difícil para pulsos que duram apenas algumas dezenas de femtossegundos e se movem à velocidade da luz.
3. Adicione outro estágio de compressão de pulso, comprimindo-o em alguns femtossegundos.

Dobrar a luz e focalizá-la em um ponto, independentemente do comprimento de onda ou de onde cai na superfície, é uma das etapas principais para maximizar a intensidade da luz em um local no espaço

Então os pulsos devem ser claramente focados, aumentando não apenas a energia, mas também a intensidade - isto é, para concentrar a energia em um ponto. Conforme escrito no artigo :

Se um pulso de 100 PW puder ser focado em uma área de 3 μm de tamanho, a [...] intensidade do feixe nessa região alcançará incríveis 10 ²⁴ por cm ² - são 25 ordens de magnitude, ou 10 trilhões de trilhões de vezes mais do que a luz do sol atingindo. Da terra

Isso abrirá o caminho para a tão esperada possibilidade de criar pares partícula-antipartícula do nada - mas é improvável que isso seja uma “quebra quântica de vácuo”.


A visualização dos cálculos da teoria quântica de campos mostra partículas virtuais em um vácuo quântico. Mesmo no espaço vazio, a energia do vácuo não é igual a zero.

De acordo com a teoria da eletrodinâmica quântica, a energia zero do espaço vazio não é igual a zero e tem um valor finito positivo. Embora imaginemos isso na forma de partículas e antipartículas aparecendo e desaparecendo novamente, é melhor descrevê-lo para que, com energia suficiente, possamos usar as propriedades eletromagnéticas do espaço vazio para criar pares reais de partícula / antipartícula . Isso é baseado na física simples de Einstein E = mc ² , mas requer campos elétricos suficientemente fortes: da ordem de 10 ¹⁶ V por metro. A luz, sendo uma onda eletromagnética, transfere campos elétricos e magnéticos e atinge esse limiar crítico com uma intensidade de laser de cerca de 10 ²⁹ W / cm ² .


Os lasers de Zett-watt que atingem uma intensidade de 10 ²⁹ W / cm ² devem ser suficientes para criar pares reais de elétrons-pósitrons a partir do vácuo quântico. Isso exigirá ainda mais energia, pulsos mais curtos e / ou maior foco do que podemos imaginar em um futuro próximo.

Você deve ter notado que mesmo a versão ideal de um artigo científico fornece uma intensidade ainda 100.000 vezes menor que esse limite e, antes de alcançá-lo, sua capacidade de criar pares de partículas / antipartículas é exponencialmente suprimida. O mecanismo real é muito diferente de simplesmente reverter o processo de emparelhamento, no qual, em vez de aniquilar um elétron e um pósitron, dois fótons aparecem, os dois fótons interagem e produzem um par elétron / pósitron. (Esse processo foi demonstrado experimentalmente pela primeira vez em 1997.) No laser, os fótons individuais não terão energia suficiente para produzir novas partículas - em vez disso, seu efeito combinado no vácuo do espaço fará com que os pares partícula / antipartícula ocorram com uma certa probabilidade. Mas se apenas essa intensidade não se aproximar do valor limite de 10 ²⁹ W / cm ² , essa probabilidade será zero.


O laser de Xangai estabeleceu recordes de potência, mas é colocado em cima da mesa. Os lasers mais poderosos não são necessariamente a energia mais alta, mas na maioria das vezes apenas os lasers com pulsos mais curtos.

A capacidade de criar pares de partículas matéria / antimatéria a partir do espaço vazio será um teste importante da eletrodinâmica quântica e uma demonstração notável das capacidades dos lasers e de nossa capacidade de controlá-los. É possível que o primeiro par partícula / antipartícula possa ser obtido sem atingir um limiar crítico, mas para isso ele terá que chegar muito perto dele ou ter muita sorte ou criar um mecanismo para aumentar a probabilidade de produzir pares de partículas em relação a cálculos ingênuos. De qualquer forma, o vácuo quântico não quebra, mas lida precisamente com o que se espera dele: reage à matéria e à energia de acordo com as leis da física. Isso pode não ser intuitivo, mas previsível - e às vezes é ainda mais útil. Toda ciência está na arte de fazer previsões e conduzir experimentos para confirmar ou refutá-la. Ainda não atingimos o limiar, mas cada salto em potência e intensidade é outro passo que nos aproxima do Santo Graal da física do laser.