Un nou studiu sugerează că lumina poate apărea… din nimic

Ce-ar fi dacă lumina ar putea ieși literalmente dintr-un vid? Nu, nu este science fiction. Este o ipoteză susținută de fizica cuantică timp de câteva decenii, dar una care tocmai a fost simulată cu un nivel de detaliu fără precedent datorită puterii supercomputerelor moderne. Cercetătorii de la Universitatea din Oxford tocmai au demonstrat, prin simulări numerice, că fasciculele de lumină ar putea apărea chiar din vid – o idee la fel de amețitoare pe cât de incitantă. Când ne gândim la un vid, ne imaginăm un spațiu complet lipsit de materie, un nimic absolut. Totuși, mecanica cuantică ne învață că vidul este departe de a fi inactiv. Este umplut cu ceea ce se numesc fluctuații cuantice, variații spontane și momentane de energie care dau naștere la particule și antiparticule virtuale, cum ar fi electronii și pozitronii, care apar și dispar într-o clipă. Această „boabă” a vidului stă la baza multor fenomene ciudate și foarte reale, cum ar fi efectul Casimir și polarizarea vidului. Însă crearea luminii reale, a fotonilor observabili din vid, a rămas până acum un fenomen pur teoretic.

Echipa condusă de fizicianul Zixin Zhang de la Universitatea din Oxford a folosit simulări 3D ultra-precise folosind software-ul OSIRIS pentru a explora un fenomen cuantic predictiv numit amestecare a patru unde în vid. Principiul? Interacțiunea mai multor fascicule laser foarte puternice în vid pentru a genera altele noi, fără a adăuga nimic altceva decât lumina însăși. În modelele lor, trei impulsuri laser ultra-intense trec printr-o regiune de vid și perturbă particulele virtuale din interiorul acesteia. Aceste interacțiuni creează efecte neliniare: pot modifica proprietățile fasciculelor, pot genera noi lungimi de undă și, mai presus de toate, pot provoca fotoni observabili să iasă din fluctuațiile vidului. Pe scurt: lumina apare literalmente din nimic. Cel puțin, din „nimic” în sensul clasic. Pentru că în lumea cuantică, vidul este departe de a fi un spațiu inert. Concluziile au fost prezentate într-un articol publicat în Communications Physics.

Desigur, acestea nu sunt lasere oarecare. Simulările se bazează pe impulsuri de mai mulți petawați, puteri mult peste orice întâlnim în viața noastră de zi cu zi. Un petawatt este echivalent cu un milion de miliarde de wați, sau de aproximativ 10 milioane de ori puterea totală a unui reactor nuclear convențional. O astfel de putere există deja în unele laboratoare de ultimă generație, cum ar fi instalația ELI (Extreme Light Infrastructure) din România, capabilă să emită fascicule de 10 petawați. Dar acesta este doar începutul: Regatul Unit pregătește o nouă instalație de 20 de petawați, iar Statele Unite, prin intermediul Universității din Rochester, planifică un proiect (EP-OPAL) cu două fascicule de 25 de petawați. Aceste viitoare platforme ar putea valida experimental predicțiile lui Zhang și ale echipei sale.

Printre efectele observate în simulări, a apărut un fenomen bine cunoscut opticienilor: birefringența. În materialele convenționale, cum ar fi anumite cristale, acest fenomen face ca lumina să se despartă de-a lungul axei sale de polarizare. Însă aici, vidul în sine devine birefringent, datorită polarizării extreme a perechilor virtuale electron-pozitron. Cu alte cuvinte, vidul începe să se comporte ca un material traversat de lumină, un mediu reactiv de înaltă energie. Aceasta este o confirmare spectaculoasă a faptului că vidul este un sistem dinamic, capabil să modifice comportamentul luminii – și chiar să o creeze.

Această lucrare nu pune sub semnul întrebării legile actuale ale fizicii, dar ne permite să le sondăm limitele. Prin simularea – și reproducerea în curând – a efectelor neliniare în vid, cercetătorii pot testa validitatea teoriei cuantice a câmpului în condiții extreme. Și cine știe? Poate că prin împingerea puterii laserului și mai departe, ar putea apărea noi forme de materie sau lumină.

Știință&Tehnică

Revista “Ştiinţă şi Tehnică“, cea mai cunoscută şi longevivă publicaţie de popularizare a ştiintelor din România