Фізики з МДУ імені Ломоносова та Інституту ядерних досліджень зробили важливий експериментальний крок у роботі над теорією, висунутою 85 років тому німецькими вченими. Водночас вони підтвердили результат роботи шведських колег 20-річної давності.
Відповідно до класичної електродинаміки, теорії, сформульованої ще XIX століття Джеймсом Максвеллом з урахуванням узагальнення експериментальних даних, промені світла у вакуумі не взаємодіють друг з одним. Тобто два світлові промені, перетинаючи, не відхиляються один від одного і не розсіюються, народжуючи електромагнітне випромінювання інших частот. Але що станеться, якщо взяти до уваги квантові поправки, викликані взаємодією світла з віртуальними електронами?
Поправки ще в 1936 році вважали лауреат Нобелівської премії з фізики 1932 Вернер Гейзенберг і його учень Ганс Ейлер (загинув 23 червня 1941, беручи участь у розвідувальному польоті над Азовським морем). Вони описали викликане квантовими поправками нелінійну взаємодію чотирьох фотонів, яку часто називають нелінійністю вакууму. Ця взаємодія надзвичайно мала, і рівень технологій лише в останнє десятиліття впритул наблизився до можливості його експериментальної перевірки. Які ж ефекти виявляються в такій нелінійній теорії, за допомогою яких можна спробувати її перевірити?
Для відповіді на це питання вчені мають гарну підказку. Подібна нелінійна теорія виникає при описі поширення світла в речовині, так званих нелінійних кристалах. Один із характерних ефектів тут – генерація другої гармоніки. Тобто лазерний промінь (червоний), проходячи через такий кристал, народжує слабкий промінь подвоєної частоти (ближній ультрафіолет). Це широко відомий в оптиці кристалів ефект, який був експериментально відкритий ще у 1960-ті роки.
Той самий ефект народження вищої гармоніки (тільки третьої, тобто хвилі з потрійною частотою), але набагато слабкіший можна було б наївно очікувати і без будь-якого кристала — через нелінійність вакууму. Ефект у 2001 році запропонували шукати трьох шведських учених: Герт Бродін, Маттіас Марклунд та Леннарт Стенфло – за допомогою надпровідних радіочастотних резонаторів.
Чим добрі такі резонатори? Своїм зникаюче малим загасанням - перш ніж амплітуда електромагнітної хвилі всередині нього зменшиться вдвічі, хвиля відіб'ється від стінок такого резонатора більше 10 млрд разів! Надзвичайно слабку третю гармоніку в такому резонаторі можна спробувати зареєструвати до того, як вона загасне.
У 2004 році Бродін та його колеги, вирішивши відповідні нелінійні рівняння в окремому випадку, показали, що при збудженні двох певних мод різних частот w1 та w2 можна підібрати параметри резонатора так, щоб через нелінійність вакууму резонансно з'являлася мода з частотою (2w1 – w2 ). Але відповіді, що станеться з такою частотою зі знаком плюс і третьою гармонікою (3w1), вони не дали.
Завдання вирішили фізики із МДУ ім. М. В. Ломоносова та Інституту ядерних досліджень (ІЯД) РАН Ілля Копчинський та Петро Сатунін у свіжій роботі, яка опублікована у січні 2022 року в міжнародному журналі Physical Review A та відзначена у ньому як вибір редактора. Робота була підтримана фондом РНФ з гранту 21-72-10151.
Копчинський і Сатунін записали нелінійні рівняння, рішення яких повинні описувати резонансне народження сигнальних мод нової частоти, сформулювали два критерії наявності резонансного рішення в загальному вигляді, і аналітично вирішили ці рівняння для двох довільних електромагнітних мод, поміщених як в одномірний резонатор. і реалістичний резонатор форми прямокутного паралелепіпеда з довільним співвідношенням сторін. Для знаходження громіздких у загальному вигляді аналітичних рішень вчені використовували систему комп'ютерної алгебри з відкритим кодом Maxima.
«Несподівано для нас виявилося, що та наївна ідея, з якої все почалося, — генерація гармоніки потроєної частоти за аналогією з нелінійним кристалом — насправді не реалізується. Не виконуються умови резонансу у разі через векторної природи електромагнітного поля. Немає резонансу також і для комбінаційної моди зі знаком плюс частотою 2w1+w2»,— коментує Петро Сатунін.
Виявилося, що резонанс може виникати тільки при генерації частоти 2w1 – w2 при певному співвідношенні сторін резонатора, тобто якраз у тому випадку, який розглянули Бродін та його колеги. Їхні результати таким чином були підтверджені російськими фізиками.
Можна сподіватися, що в найближчому майбутньому буде побудовано подібну установку з пошуку нелінійності вакууму і прогноз Ейлера і Гейзенберга, зроблене більше 80 років тому, нарешті буде експериментально перевірено.
Або спростовано, що може призвести до відкриттів у новій фізиці.
bbabo.Net