Группа учёных из Оксфордского университета и лиссабонского Высшего технического института разработала высокоточную имитацию квантовых явлений в вакуумном пространстве. Они стали первыми, кто смог смоделировать процесс спонтанного возникновения светового излучения. Это открытие даёт основу для будущих экспериментов, которые могут подтвердить гипотезу о том, что вакуум не является абсолютной пустотой, а скорее источником виртуальных частиц.
Современная наука утверждает, что все элементарные частицы и материя являются проявлением квантовых полей, и что все частицы во Вселенной имеют виртуальную природу. В частности, в вакууме постоянно возникают и исчезают электрон-позитронные пары, но они настолько быстро появляются и исчезают, что не могут быть зафиксированы современными приборами. Однако с развитием лазерных установок мощностью более 100 петаватт учёные смогли воздействовать на квантовые поля вакуума, что открыло новые возможности для наблюдения таких процессов.
Разработанная симуляция воспроизвела эффект четырёхволнового смешения в вакууме (FWM) — нелинейный оптический процесс, возникающий при взаимодействии четырёх электромагнитных волн на квантовом уровне. В отличие от классического FWM, происходящего в нелинейных средах, вакуумное FWM связано с квантово-электродинамическими эффектами, такими как появление виртуальных электрон-позитронных пар в результате принципа неопределённости Гейзенберга.
В симуляции использовались два мощных лазерных луча (с сотнями петаватт), пересекающихся в одной точке с поляризующим лазером меньшей мощности. Это создаёт условия для рассеяния фотонов на виртуальных частицах, что в свою очередь приводит к появлению четвёртого луча с уникальными характеристиками, такими как энергия и длина волны. Все законы сохранения при этом сохраняются.
Этот эксперимент впервые продемонстрировал возможность симуляции с высоким временным разрешением. Для точности эксперимента необходимо соблюдение множества параметров ориентации и фокусировки пересекающихся лучей. Модель показала, как правильно настроить и где наблюдать результат. Подробности симуляции опубликованы в журнале Communications Physics.