Ученые с помощью мощного лазера заставили электроны нарушить законы физики

Сверхяркий лазер помог ученым увидеть то, как электроны взаимодействуют со светом

Использование мощной лазерной установки, интенсивность излучения которой на несколько порядков превышает яркость нашего Солнца, позволило группе исследователей изучить новые механизмы взаимодействия одиночного электрона с множеством фотонов и выявить специфические особенности данного процесса. Об этом сообщается в научной статье, опубликованной в журнале Nature Photonics. Дональд Умштедтер из Университета Небраски (США) поясняет, что при работе со сверхъяркими лазерами фундаментальный процесс рассеяния света претерпевает радикальные изменения. По его словам, эти трансформации можно сравнить с изменением формы объектов в зависимости от интенсивности освещения: объект не просто меняет степень яркости, но начинает отражать свет под иными углами и изменять цветовую гамму при варьировании мощности источника.

Воспользуйтесь нашими услугами

Как правило, столкновение фотона и электрона приводит к тому, что фотон отскакивает и начинает двигаться в противоположном направлении, не меняя своей частоты и других физических свойств. Работоспособность этого правила, которое физики называют томсоновским рассеянием, ученые многократно подтверждали, наблюдая за процессами в космосе и во время лабораторных опытов, где одиночные частицы света сталкивались с изолированными электронами.

Мощнейший лазер, яркость которого примерно в миллиард раз выше яркости Солнца, помог американским физикам увидеть, как один электрон сталкивается с тысячами частиц света, и раскрыть необычный характер их взаимодействия друг с другом, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Photonics.

“Когда мы имеем дело со сверхъяркими лазерами, рассеяние света — фундаментальный процесс, благодаря которому мы видим окружающий мир, — кардинальным образом меняется. Эти изменения можно представить как то, если бы форма предметов менялась при повышении или понижении яркости лампочки. Объект не просто будет становиться ярче или темнее — свет начнет отражаться под разными углами, с разными цветами при изменении яркости”, — рассказывает Дональд Умштедтер (Donald Umstadter) из университета Небраски в Линкольне (США).

Для решения этой проблемы ученые использовали сверхмощный лазер Diocles, способный вырабатывать импульсы мощностью в 100 тераватт. После первых экспериментов Умштедтеру и его коллегам пришлось начать использовать пучки разогнанных электронов, так как мощные импульсы лазера в буквальном смысле “сдували” частицы, стоящие на месте.

Опыты показали, что поведение и электронов, и фотонов резким образом меняется в таких условиях. Носители электрического заряда превращаются из точек в своеобразные “восьмерки” и “петли”, а фотоны начинают “нарушать” законы физики и отражаться от электронов не так, как предсказывает теория Томсона. К примеру, угол отражения фотонов, их частота и некоторые другие параметры начинают зависеть от того, насколько ярким был импульс, содержавший их.

Более того, необычное поведение электронов в таких ситуациях позволяет использовать их для “склеивания” большого числа низкоэнергетических частиц света в один высокоэнергетический фотон. Для демонстрации ученые соединили 500 частиц света из инфракрасного диапазона в один рентгеновский фотон.

Используя этот эффект, физики получили четкие трехмерные фотографии чипов памяти из обычной USB-флешки, не задействуя при этом сверхмощные ускорители частиц, которые обычно применяются для подобных целей. Эту же технологию, как считает Умштедтер, можно применять и для медицинских экспериментов и наблюдений, а также для точного измерения мощности лазерных лучей.

Для любознательных

В России и мире занимается исследованиями с использованием мощных лазеров, в которых наблюдаются явления, кажущиеся нарушением законов физики — хотя на самом деле они подчиняются квантовой и релятивистской физике, просто происходят в экстремальных условиях, недоступных ранее.

Что значит «нарушить законы физики»?

На самом деле электроны не нарушают законы физики — они просто ведут себя необычно в условиях экстремальных световых полей, близких к так называемому швингеровскому пределу, при котором вакуум может начать «кипеть»: из него рождаются электрон-позитронные пары. Это не нарушение, а подтверждение теорий квантовой электродинамики, предсказанных ещё Полем Дираком и Вольфгангом Швингером.

В России: проект XCELS и НЦФМ

Одной из самых амбициозных инициатив в мире является создание лазерной установки XCELS (экстремальный коherentный лазер) в рамках Национального центра физики и математики (НЦФМ) в Сарове.

🔹 XCELS (Extreme Light Infrastructure — Russia)

Цель: достичь интенсивности лазерного излучения порядка $Вт/см210^{25}~\text{Вт/см}^2$ , что в миллионы раз мощнее, чем на современных установках.
Что планируется:
- Ускорение электронов до тераэлектронвольт (ТэВ) — энергии, сравнимые с крупными коллайдерами.
- «Пробой вакуума»: рождение частиц из пустоты при столкновении сверхмощных лазерных импульсов.
- Изучение релятивистской плазмы и аттосекундной физики (процессы за $10^{-18}$ секунд).
Руководство: Институт прикладной физики РАН (ИПФ РАН), МГУ, Росатом.
Прототипы: уже созданы первые элементы установки, включая ускорители и оптические системы.

🔹 «Мультитера» — шаг к XCELS

20-тераваттный фемтосекундный лазер.
Позволяет готовить кадры и тестировать технологии для XCELS.
Используется для исследований в области экстремальных световых полей и лазерного ускорения частиц.

Учёные здесь не нарушают законы физики — они проверяют их границы в условиях, близких к нейтронным звёздам.

В мире: лидеры в сверхмощных лазерах

1. ELI (Extreme Light Infrastructure) — Европа

Расположен в Чехии, Румынии, Венгрии.
Самый мощный лазер в мире: 10 ПВт (петаватт).
Цель — достижение интенсивности $Вт/см210^{23}~\text{Вт/см}^2$ .
Исследования: вакуумное поляризация, квантовая электродинамика в сильных полях, медицинские приложения.

2. National Ignition Facility (NIF) — США

Лазерная установка в Ливерморе, Калифорния.
Использует 192 лазерных луча для сжатия топлива в термоядерных реакциях.
В 2022 году впервые достигнут энергетический выход больше 1 (выделено энергии больше, чем подведено).
Электроны ведут себя по-новому в условиях сверхплотной плазмы.

3. European XFEL — Германия

Рентгеновский лазер на свободных электронах длиной 3,4 км.
Участвуют учёные из России (в т.ч. Университет ИТМО).
Недавно обнаружен новый тип магнитного рассеяния при сверхбыстром размагничивании — процесс, длящийся всего 100 пикосекунд.
Показывает, как электроны мгновенно теряют спиновый порядок под действием лазера — не нарушение, а сверхбыстрая динамика.

Что происходит с электронами?

В таких экспериментах электроны:

Ускоряются до релятивистских скоростей (близких к скорости света).
Испытывают сильнейшие электромагнитные поля — в миллиарды раз сильнее, чем в атомах.
Ведут себя по законам квантовой электродинамики, а не классической физики.
Могут рождаться из вакуума при достаточной напряжённости поля (эффект Швингера).

Вывод

Никто не нарушает законы физики — учёные расширяют их понимание. В России главную роль играет проект XCELS в НЦФМ, а в мире — ELI, NIF и European XFEL. Эти установки позволяют «заглянуть» в процессы, которые раньше были доступны только в теории или в космосе — у нейтронных звёзд и магнетаров.

Если интересно, могу рассказать, как именно лазер «выбивает» электроны из вакуума — или придумать, как это объяснить на пальцах