I fisici dell'Università statale di Mosca Lomonosov e dell'Istituto per la ricerca nucleare hanno compiuto un importante passo sperimentale lavorando su una teoria avanzata 85 anni fa da scienziati tedeschi. Allo stesso tempo, hanno confermato il risultato del lavoro dei colleghi svedesi 20 anni fa.
Secondo l'elettrodinamica classica, una teoria formulata nel XIX secolo da James Maxwell sulla base di una generalizzazione di dati sperimentali, i raggi luminosi nel vuoto non interagiscono tra loro. Cioè, due fasci di luce, incrociandosi, non si discostano l'uno dall'altro e non si disperdono, dando origine a radiazioni elettromagnetiche di altre frequenze. Ma cosa succede se prendiamo in considerazione le correzioni quantistiche causate dall'interazione della luce con gli elettroni virtuali?
Gli emendamenti furono presi in considerazione nel 1936 dal premio Nobel per la fisica del 1932, Werner Heisenberg, e dal suo allievo Hans Euler (morì il 23 giugno 1941, partecipando a un volo di ricognizione sul Mar d'Azov). Hanno descritto l'interazione non lineare di quattro fotoni causata dalle correzioni quantistiche, che è spesso chiamata non linearità del vuoto. Questa interazione è estremamente piccola e il livello della tecnologia solo nell'ultimo decennio si è avvicinato alla possibilità di una sua verifica sperimentale. Quali effetti appaiono in una tale teoria non lineare, con l'aiuto della quale si può provare a verificarla?
Gli scienziati hanno un buon indizio per rispondere a questa domanda. Una simile teoria non lineare sorge quando si descrive la propagazione della luce nella materia, nei cosiddetti cristalli non lineari. Uno degli effetti caratteristici qui è la generazione della seconda armonica. Cioè, un raggio laser (rosso), che passa attraverso un tale cristallo, dà origine a un debole raggio di frequenza doppia (vicino all'ultravioletto). Questo è un effetto ampiamente noto nell'ottica dei cristalli, che è stato scoperto sperimentalmente già negli anni '60.
Lo stesso effetto della nascita di un'armonica più alta (solo la terza, cioè un'onda con frequenza triplicata), ma molto più debole, si poteva ingenuamente aspettarsi in assenza di qualsiasi cristallo - a causa della non linearità del vuoto. L'effetto è stato proposto nel 2001 da tre scienziati svedesi: Gert Brodin, Matthias Marklund e Lennart Stenflo, utilizzando risonatori a radiofrequenza superconduttori.
Quanto sono buoni questi risonatori? Con la sua attenuazione evanescente - prima che l'ampiezza dell'onda elettromagnetica al suo interno diminuisca della metà, l'onda verrà riflessa dalle pareti di un tale risonatore più di 10 miliardi di volte! Una terza armonica estremamente debole può essere rilevata in un tale risonatore prima che decada.
Nel 2004 Brodin e colleghi, dopo aver risolto le corrispondenti equazioni non lineari in un caso particolare, hanno mostrato che quando vengono eccitati due modi specifici di diverse frequenze w1 e w2, è possibile scegliere i parametri del risonatore in modo che, a causa della non linearità di il vuoto, una modalità con una frequenza (2w1 – w2 ). Ma non hanno dato una risposta cosa sarebbe successo con una frequenza simile con il segno più e con la terza armonica (3w1).
Il problema è stato risolto dai fisici dell'Università statale di Mosca. M. V. Lomonosov e l'Istituto per la ricerca nucleare (INR) RAS Ilya Kopchinsky e Petr Satunin in un recente lavoro, pubblicato nel gennaio 2022 sulla rivista internazionale Physical Review A e contrassegnato come una scelta dell'editore. Il lavoro è stato sostenuto dalla Russian Science Foundation con la sovvenzione 21-72-10151.
Kopchinsky e Satunin hanno scritto equazioni non lineari, le cui soluzioni dovrebbero descrivere la produzione risonante di modi di segnale di una nuova frequenza, hanno formulato due criteri per la presenza di una soluzione risonante in una forma generale e hanno risolto analiticamente queste equazioni per due modi elettromagnetici arbitrari posizionato sia in un risonatore unidimensionale - un "segmento", sia in un realistico risonatore a forma di cubo con proporzioni arbitrarie. Per trovare soluzioni analitiche molto ingombranti in termini generali, gli scienziati hanno utilizzato il sistema di computer algebra open source Maxima.
"Inaspettatamente per noi, si è scoperto che l'idea ingenua con cui tutto è iniziato - la generazione di un'armonica di una tripla frequenza per analogia con un cristallo non lineare - non si è effettivamente realizzata. Le condizioni di risonanza in questo caso non sono soddisfatte a causa della natura vettoriale del campo elettromagnetico. Inoltre, non c'è risonanza per la modalità combinata con un segno più, frequenza 2w1+w2", commenta Petr Satunin.
Si è scoperto che la risonanza può verificarsi solo quando la frequenza 2w1 – w2 viene generata con un certo rapporto di aspetto del risuonatore, cioè proprio nel caso considerato da Brodin e dai suoi colleghi. I loro risultati furono così confermati dai fisici russi.
Si può sperare che nel prossimo futuro venga costruita una configurazione simile per cercare la non linearità del vuoto, e la previsione di Eulero e Heisenberg, fatta più di 80 anni fa, sarà finalmente verificata sperimentalmente.
O confutato, il che può portare a scoperte nella nuova fisica.
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