Natuurkundigen van de Lomonosov Moscow State University en het Institute for Nuclear Research hebben een belangrijke experimentele stap gezet in het werken aan een theorie die 85 jaar geleden door Duitse wetenschappers naar voren werd gebracht. Tegelijkertijd bevestigden ze 20 jaar geleden het resultaat van het werk van Zweedse collega's.

Volgens de klassieke elektrodynamica, een theorie die in de 19e eeuw door James Maxwell werd geformuleerd op basis van een generalisatie van experimentele gegevens, hebben lichtstralen in een vacuüm geen interactie met elkaar. Dat wil zeggen, twee lichtstralen die elkaar kruisen, wijken niet van elkaar af en verspreiden zich niet, waardoor elektromagnetische straling van andere frequenties ontstaat. Maar wat gebeurt er als we rekening houden met de kwantumcorrecties die worden veroorzaakt door de interactie van licht met virtuele elektronen?

De wijzigingen werden al in 1936 overwogen door de 1932 Nobelprijswinnaar in de natuurkunde, Werner Heisenberg, en zijn student Hans Euler (hij stierf op 23 juni 1941, deelnemend aan een verkenningsvlucht over de Zee van Azov). Ze beschreven de niet-lineaire interactie van vier fotonen veroorzaakt door kwantumcorrecties, wat vaak vacuüm-non-lineariteit wordt genoemd. Deze interactie is extreem klein en het niveau van de technologie is pas in het laatste decennium in de buurt gekomen van de mogelijkheid van experimentele verificatie. Welke effecten treden op in zo'n niet-lineaire theorie, met behulp waarvan men kan proberen deze te testen?

Wetenschappers hebben een goed idee om deze vraag te beantwoorden. Een soortgelijke niet-lineaire theorie ontstaat bij het beschrijven van de voortplanting van licht in materie, in de zogenaamde niet-lineaire kristallen. Een van de karakteristieke effecten hier is de tweede harmonische generatie. Dat wil zeggen, een laserstraal (rood), die door zo'n kristal gaat, geeft aanleiding tot een zwakke straal met een dubbele frequentie (bijna ultraviolet). Dit is een algemeen bekend effect in de kristaloptiek, dat al in de jaren zestig experimenteel werd ontdekt.

Hetzelfde effect van de geboorte van een hogere harmonische (alleen de derde, dat wil zeggen een golf met een verdrievoudigde frequentie), maar veel zwakker, zou naïef kunnen worden verwacht bij afwezigheid van enig kristal - vanwege de niet-lineariteit van het vacuüm. Het effect werd in 2001 voorgesteld door drie Zweedse wetenschappers: Gert Brodin, Matthias Marklund en Lennart Stenflo, met behulp van supergeleidende radiofrequentieresonatoren.

Hoe goed zijn deze resonatoren? Met zijn verdwijnend kleine demping - voordat de amplitude van de elektromagnetische golf erin met de helft afneemt, zal de golf meer dan 10 miljard keer door de wanden van zo'n resonator worden gereflecteerd! Een extreem zwakke derde harmonische kan in zo'n resonator worden gedetecteerd voordat deze uitsterft.

In 2004 toonden Brodin en zijn collega's, nadat ze de corresponderende niet-lineaire vergelijkingen in een bepaald geval hadden opgelost, aan dat wanneer twee specifieke modi met verschillende frequenties w1 en w2 worden geëxciteerd, het mogelijk is om de resonatorparameters zo te kiezen dat, vanwege de niet-lineariteit van het vacuüm, een modus met een frequentie (2w1 – w2 ). Maar ze gaven geen antwoord wat er zou gebeuren met een vergelijkbare frequentie met een plusteken en met de derde harmonische (3w1).

Het probleem is opgelost door natuurkundigen van de Staatsuniversiteit van Moskou. M. V. Lomonosov en het Instituut voor Nucleair Onderzoek (INR) RAS Ilya Kopchinsky en Petr Satunin in een recent werk, dat in januari 2022 werd gepubliceerd in het internationale tijdschrift Physical Review A en daarin werd gemarkeerd als de keuze van een redacteur. Het werk werd ondersteund door de Russian Science Foundation onder subsidie ​​21-72-10151.

Kopchinsky en Satunin schreven niet-lineaire vergelijkingen op, waarvan de oplossingen de resonante productie van signaalmodi van een nieuwe frequentie zouden moeten beschrijven, formuleerden twee criteria voor de aanwezigheid van een resonante oplossing in een algemene vorm, en losten deze vergelijkingen analytisch op voor twee willekeurige elektromagnetische modi zowel geplaatst in een eendimensionale resonator - een "segment", als in een realistische kubusvormige resonator met een willekeurige beeldverhouding. Om analytische oplossingen te vinden die in het algemeen erg omslachtig zijn, gebruikten wetenschappers het Maxima open-source computeralgebrasysteem.

“Onverwacht voor ons bleek dat het naïeve idee waarmee het allemaal begon - het genereren van een harmonische van een drievoudige frequentie naar analogie met een niet-lineair kristal - niet echt wordt gerealiseerd. In dit geval wordt niet voldaan aan de resonantievoorwaarden vanwege het vectorkarakter van het elektromagnetische veld. Er is ook geen resonantie voor de combinatiemodus met een plusteken, frequentie 2w1+w2”, merkt Petr Satunin op.

Het bleek dat de resonantie alleen kan optreden wanneer de frequentie 2w1 – w2 wordt gegenereerd bij een bepaalde aspectverhouding van de resonator, dat wil zeggen, alleen in het geval dat door Brodin en zijn collega's wordt overwogen. Hun resultaten werden dus bevestigd door Russische natuurkundigen.

Het is te hopen dat in de nabije toekomst een soortgelijke opstelling zal worden gebouwd om te zoeken naar de niet-lineariteit van het vacuüm, en de voorspelling van Euler en Heisenberg, meer dan 80 jaar geleden gedaan, zal eindelijk experimenteel worden geverifieerd.

Of weerlegd, wat kan leiden tot ontdekkingen in nieuwe natuurkunde.

bbabo.Net