Одной из захватывающих проблем современной фундаментальной физики является проблема того, что представляет собой окружающий нас вакуум. Долгое время люди (нас так учат в школе) считали, что вакуум — это пустота, вакуум — это отсутствие чего-либо. Однако в XX веке возникла теория, которая получила название квантовой электродинамики. Из нее стало понятно, что на самом деле вакуум не является абсолютной пустотой, у него есть определенная структура, в нем есть жизнь, постоянно кипящая и никогда не останавливающаяся.

Образно можно себе представлять, что вакуум наполнен небольшими флуктуациями. В каждое мгновение в каждой точке вакуума рождаются и тут же умирают, так и не став ничем реальным, пары частиц — электрона и позитрона, его античастицы. Они родились и тут же умерли, аннигилировав. Это называется виртуальными парами. И несмотря на то, что они довольно слабые и их воздействие на нашу жизнь невелико, из квантовой электродинамики следовало, что они все-таки оказывают небольшое воздействие на окружающие атомы. Это небольшое воздействие довольно быстро было обнаружено методами спектроскопии. Но до сих пор это остается лишь косвенным свидетельством того, что такие флуктуации существуют. Фактически нет никакого прямого метода исследования того, что они собой представляют.

Хотелось бы иметь возможность исследовать вакуум и флуктуации в нем, чтобы, в частности, проверить основы квантовой электродинамики и, может быть, найти признаки какой-то новой физики, которые нам пока неизвестны. К сожалению, до сих пор такого инструмента у нас нет. У нас есть только косвенные свидетельства о наличии флуктуаций. Хотя год назад некие эффекты были пойманы при наблюдении за далекими нейтронными звездами. Вблизи этих звезд тоже существуют флуктуации и условия, когда они усиливаются за счет условий, существующих на этих нейтронных звездах.

Рекомендуем по этой теме:
4441
Главы | Лазер

Это довольно сложная логическая цепочка. Надо иметь представление о том, что такое нейтронная звезда, какие у нее магнитные поля, как устроено излучение. А на самом деле никто эти нейтронные звезды никогда не посещал и не видел. Хотелось бы все это делать в лаборатории. И вот оказывается, что сейчас мы стоим на пороге того, чтобы такой инструмент получить — речь идет о лазерах сверхвысокой пиковой мощности.

Современные лазерные технологии достигли того уровня, что современные лазерные системы могут получать излучение мощностью один петаватт, 1015 ватт, один квадриллион ватт. Это огромные величины. И если мы сфокусируем такое излучение в маленькое пятнышко, то электромагнитные поля, которые существуют в этой электромагнитной волне, в лазерном излучении, начинают приближаться к величине, когда на них начинают оказывать воздействие эти флуктуации.

Наши теоретические расчеты показывают, что если мы еще немного увеличим мощность лазерных систем (мы можем ожидать, что такая мощность появится в ближайшие 5–10 лет), то излучение начнет воздействовать на флуктуации в вакууме. Что происходит? Флуктуации представляют собой просто электрон-позитронную виртуальную пару. Когда такая пара попадает в сильное электрическое поле, в поле сфокусированного лазерного излучения, то это поле начинает ее немного растягивать. Поскольку электрон заряжен отрицательно, позитрон — положительно, они двигаются в разные стороны. Получается, что флуктуация начинает немного меняться. Начинают меняться свойства самого вакуума. Это может проявляться в разных эффектах. Например, излучение, проходя сквозь вакуум, сквозь этот фокус, за счет взаимодействия с этими флуктуациями из линейно-поляризованного может стать эллиптически-поляризованным — поменять свою поляризацию. А это можно померить, для этого есть хорошие, надежные методы.

Но есть еще более интересный эффект. Что происходит, если в этом вакууме кроме лазерного излучения еще есть какая-то частица, например электрон, который туда может попасть совершенно случайным образом? То есть рядом находился атом, пришло излучение, взяло электрон из этого атома. Этот электрон в этой электромагнитной волне лазерного излучения ускоряется до огромных энергий и излучает квант света — фотон большой энергии.

А дальше происходит следующее. Фотон в этом же поле, в этой же электромагнитной волне рождает самопроизвольно уже реальную электрон-позитронную пару. То есть не флуктуации, которые возникли и исчезли, а вполне реальные электрон и позитрон разлетаются в разные стороны. И каждый из них ускоряется до больших энергий, излучает свой квант света, свой фотон, который тоже распадается на электрон-позитронную пару. Развивается лавина. Из одного электрона развивается огромное количество — на каждом шаге у нас происходит удвоение.

Вы, наверное, знаете известную притчу о торговце, пришедшем к шаху, который велел выдать ему вознаграждение в зернышках так, что зернышки выкладывались на клеточки шахматной доски, на каждой следующей клеточке было в два раза больше зернышек, чем на предыдущей. В общем, там оказалось, что уже буквально через 10–20 клеточек зерна надо было больше, чем во всей стране. Здесь получается такая же ситуация. Фактически очень быстро развивается лавина, и рождается огромное количество электрон-позитронных пар.

Рекомендуем по этой теме:
3828
Петаваттные лазеры

Как это выглядит внешне? Из абсолютно пустого пространства, из вакуума, где нет ничего, кроме богом забытого атома, который туда случайно занесло, когда мы фокусируем туда свет, из этого фокуса вдруг рождается огромное количество материи, столь плотной, что ее плотность в тысячи раз превышает плотность любого известного нам металла. И во-первых, сам по себе эффект очень красивый и яркий. Но кроме того, он очень интересен как объект исследования с точки зрения как фундаментальной науки, так и возможных приложений. Дело в том, что плазма, образующаяся в фокусе, является чрезвычайно ярким, не имеющим никаких аналогов из тех технологий, которые нам доступны, источником гамма-излучения.

Для чего можно использовать гамма-излучение? Прежде всего, его можно использовать как рентген для получения снимков в медицине. То есть мы гамма-источником можем облучать объекты, смотреть, изучать их внутреннюю структуру, узнавать то, что скрыто от нас. Другое направление. Дело в том, что гамма-излучение — это то излучение, которое может эффективно взаимодействовать с ядрами. Если оптическое излучение взаимодействует с электронами, рентген взаимодействует с электронами, которые лежат более глубоко в атомах, то гамма-излучение взаимодействует уже с самими ядрами. Это можно использовать, для того чтобы превращать ядра одного материала в ядра другого материала. Мы можем создавать с помощью гамма-излучения изотопы, которые не встречаются в природе.

Это важно как просто для задач ядерной физики, так и для задач ядерной медицины. Такие изотопы можно использовать как источники позитронов и использовать в позитронно-эмиссионной томографии. Можно использовать их там в лечебных целях. Я думаю, что человечество так устроено, оно это доказало, что любой уникальный по своим свойствам объект — а этот объект, безусловно, уникален — рано или поздно начинаем использовать себе во благо.