Fyzici z Lomonosovovej Moskovskej štátnej univerzity a Inštitútu pre jadrový výskum urobili dôležitý experimentálny krok pri práci na teórii, ktorú pred 85 rokmi predložili nemeckí vedci. Zároveň potvrdili výsledok práce švédskych kolegov spred 20 rokov.
Podľa klasickej elektrodynamiky, teórie, ktorú v 19. storočí sformuloval James Maxwell na základe zovšeobecnenia experimentálnych údajov, svetelné lúče vo vákuu navzájom neinteragujú. To znamená, že dva svetelné lúče, ktoré sa križujú, sa od seba neodchyľujú a nerozptyľujú, čo spôsobuje vznik elektromagnetického žiarenia iných frekvencií. Čo sa však stane, ak vezmeme do úvahy kvantové korekcie spôsobené interakciou svetla s virtuálnymi elektrónmi?
Dodatky zvážili už v roku 1936 nositeľ Nobelovej ceny za fyziku z roku 1932 Werner Heisenberg a jeho študent Hans Euler (zomrel 23. júna 1941, keď sa zúčastnil prieskumného letu nad Azovským morom). Opísali nelineárnu interakciu štyroch fotónov spôsobenú kvantovými korekciami, ktorá sa často nazýva vákuová nelinearita. Táto interakcia je extrémne malá a úroveň technológie sa len v poslednom desaťročí priblížila možnosti jej experimentálneho overenia. Aké efekty sa objavujú v takejto nelineárnej teórii, pomocou ktorej ju možno vyskúšať?
Vedci majú na túto otázku dobrý tip. Podobná nelineárna teória vzniká pri popise šírenia svetla v hmote, v takzvaných nelineárnych kryštáloch. Jedným z charakteristických efektov je tu druhá harmonická generácia. To znamená, že laserový lúč (červený), ktorý prechádza cez takýto kryštál, dáva vznik slabému lúču s dvojnásobnou frekvenciou (blízko ultrafialového žiarenia). Ide o všeobecne známy efekt v kryštálovej optike, ktorý bol experimentálne objavený už v 60. rokoch 20. storočia.
Rovnaký efekt zrodu vyššej harmonickej (iba tretej, teda vlny s trojnásobnou frekvenciou), no oveľa slabšej, by sa dal naivne očakávať pri absencii akéhokoľvek kryštálu – kvôli nelineárnosti vákua. Tento efekt navrhli v roku 2001 traja švédski vedci: Gert Brodin, Matthias Marklund a Lennart Stenflo pomocou supravodivých rádiofrekvenčných rezonátorov.
Aké dobré sú tieto rezonátory? Pri jeho mizive malom útlme - kým sa amplitúda elektromagnetickej vlny vo vnútri zníži na polovicu, vlna sa odrazí od stien takéhoto rezonátora viac ako 10 miliárd krát! Extrémne slabá tretia harmonická môže byť detegovaná v takomto rezonátore pred jeho rozpadom.
V roku 2004 Brodin a jeho kolegovia po vyriešení zodpovedajúcich nelineárnych rovníc v konkrétnom prípade ukázali, že keď sú excitované dva špecifické režimy rôznych frekvencií w1 a w2, je možné zvoliť parametre rezonátora tak, že v dôsledku nelineárnosti vákuum, režim s frekvenciou (2w1 – w2 ). Ale nedali odpoveď, čo by sa stalo s podobnou frekvenciou so znamienkom plus a s treťou harmonickou (3w1).
Problém vyriešili fyzici z Moskovskej štátnej univerzity. M. V. Lomonosov a Inštitút pre jadrový výskum (INR) RAS Iľja Kopčinskij a Petr Satunin v nedávnej práci, ktorá bola publikovaná v januári 2022 v medzinárodnom časopise Physical Review A a označená v nej ako voľba editora. Práca bola podporená Ruskou vedeckou nadáciou v rámci grantu 21-72-10151.
Kopchinsky a Satunin napísali nelineárne rovnice, ktorých riešenia by mali popisovať rezonančnú produkciu signálových režimov novej frekvencie, sformulovali dve kritériá pre prítomnosť rezonančného riešenia vo všeobecnej forme a analyticky vyriešili tieto rovnice pre dva ľubovoľné elektromagnetické režimy. umiestnené ako v jednorozmernom rezonátore - „segmente“, tak aj v realistickom rezonátore v tvare kvádra s ľubovoľným pomerom strán. Na nájdenie analytických riešení, ktoré sú vo všeobecnosti veľmi ťažkopádne, vedci použili systém počítačovej algebry s otvoreným zdrojom Maxima.
„Pre nás sa neočakávane ukázalo, že naivná myšlienka, s ktorou to všetko začalo – generovanie harmonickej trojitej frekvencie analogicky s nelineárnym kryštálom – sa v skutočnosti nerealizuje. V tomto prípade nie sú splnené podmienky rezonancie v dôsledku vektorovej povahy elektromagnetického poľa. Nechýba ani rezonancia pre kombinovaný režim so znamienkom plus, frekvencia 2w1+w2,“ komentuje Petr Satunin.
Ukázalo sa, že k rezonancii môže dôjsť len vtedy, keď sa frekvencia 2w1 – w2 vygeneruje pri určitom pomere strán rezonátora, teda práve v prípade, ktorý zvažoval Brodin a jeho kolegovia. Ich výsledky tak potvrdili ruskí fyzici.
Dá sa dúfať, že v blízkej budúcnosti sa vybuduje podobná zostava na hľadanie nelinearity vákua a predpoveď Eulera a Heisenberga, urobená pred viac ako 80 rokmi, bude konečne experimentálne overená.
Alebo vyvrátené, čo môže viesť k objavom v novej fyzike.
bbabo.Net