Tabletop-Laserexperimente haben möglicherweise nicht die höchste Energieabgabe für Laser, können jedoch selbst die Laser, mit denen die Kernfusion gezündet wird, hinsichtlich der Leistung übertreffen. Könnte das Quantenvakuum endlich nachgeben? Bildnachweis: US Air Force.

Fragen Sie Ethan: Kann ein Laser wirklich leeren Raum auseinander reißen?

Haben Sie die Geschichte gehört, wie ein 100-Petawatt-Laser endlich das Quantenvakuum durchbricht? Holen Sie sich die Fakten.

Wie sich herausstellt, ist der leere Raum nicht so leer. Die Schwankungen im Vakuum des Raums selbst bedeuten, dass selbst wenn Sie die gesamte Materie und Strahlung aus einer Region des Raums entfernen, dort immer noch eine begrenzte Menge an Energie vorhanden ist, die dem Raum selbst innewohnt. Wenn Sie einen ausreichend starken Laser darauf abfeuern, können Sie dann, wie es in einer Wissenschaftsmagazin heißt, das Vakuum aufbrechen und den leeren Raum zerreißen? Das will unser Patreon-Anhänger Malcolm Schongalla wissen, als er fragt:

Das Science Magazine berichtete kürzlich, dass chinesische Physiker in diesem Jahr mit dem Bau eines 100-Petawatt-Lasers (!!!) beginnen werden. Können Sie bitte erklären, wie sie dies erreichen wollen und welches einzigartige Phänomen dies den Physikern bei der Erforschung helfen wird? Was genau bedeutet „das Vakuum brechen“?

Die Geschichte ist real, verifiziert und ein wenig übertrieben in Bezug auf die Behauptungen, dass sie das Vakuum brechen kann, als ob so etwas möglich wäre. Lassen Sie uns in die wahre Wissenschaft eintauchen, um herauszufinden, was wirklich passiert.

Eine Reihe von Q-Line-Laserpointern zeigt die verschiedenen Farben und die kompakte Größe, die heute für Laser üblich sind. Die hier gezeigten kontinuierlich arbeitenden Laser haben eine sehr geringe Leistung und messen nur Watt oder Bruchteile von Watt, während die Aufzeichnung in Petawatt erfolgt. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Netweb01.

Die Idee eines Lasers selbst ist trotz ihrer Verbreitung noch relativ neu. Ursprünglich ein Akronym für Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission, sind Laser eine Fehlbezeichnung. In Wahrheit wird nichts wirklich verstärkt. Sie wissen, dass Sie in der normalen Materie einen Atomkern und verschiedene Energieniveaus für ein Elektron haben; In Molekülen, Kristallen und anderen gebundenen Strukturen bestimmen die besonderen Abstände zwischen den Energieniveaus eines Elektrons, welche Übergänge zulässig sind. In einem Laser schwingen die Elektronen zwischen zwei zulässigen Zuständen und emittieren ein Photon mit einer ganz bestimmten Energie, wenn sie vom Zustand höherer Energie in den Zustand niedrigerer Energie abfallen. Diese Schwingungen erzeugen das Licht, aber aus irgendeinem Grund wollte niemand das Akronym Lichtschwingung durch stimulierte Strahlungsemission.

Indem Sie Elektronen in einen angeregten Zustand

Wenn Sie entweder mehrere Atome oder Moleküle im gleichen angeregten Zustand produzieren und ihren spontanen Sprung in den Grundzustand stimulieren können, emittieren sie das gleiche Energiephoton. Diese Übergänge sind extrem schnell (aber nicht unendlich schnell), und daher gibt es eine theoretische Grenze dafür, wie schnell Sie ein einzelnes Atom oder Molekül in den angeregten Zustand bringen und spontan ein Photon emittieren können. Normalerweise wird eine Art von Gas, molekularer Verbindung oder Kristall in einem resonanten oder reflektierenden Hohlraum verwendet, um einen Laser zu erzeugen. Sie können jedoch auch einen aus freien Elektronen, Halbleitern, optischen Fasern und theoretisch sogar Positronium herstellen.

Der ALICE-Freie-Elektronen-Laser ist ein Beispiel für einen exotischen Laser, der nicht auf herkömmlichen atomaren oder molekularen Übergängen beruht, aber dennoch eng fokussiertes, kohärentes Licht erzeugt. Bildnachweis: 2014 Science and Technology Facilities Council.

Die Energiemenge, die aus einem Laser austritt, ist durch die Menge begrenzt, die Sie eingeben. Die einzige Möglichkeit, eine extrem hohe Leistung in Ihrem Laser zu erzielen, besteht darin, die Zeitskala des emittierten Laserpulses zu verkürzen. Sie könnten den Begriff Petawatt hören, der 10¹⁵ W beträgt, und denken, dass dies eine enorme Menge an Energie ist. Aber „Petawatt“ sind keine Energie, sondern Energie, die im Laufe der Zeit eine Energie ist. Ein Petawattlaser kann entweder ein Laser sein, der 10¹ 10J Energie (die Menge, die von etwa 200 Kilotonnen TNT freigesetzt wird) pro Sekunde abgibt, oder nur ein Laser, der ein Joule Energie abgibt (die Menge, die durch Verbrennen von 60 Mikrogramm Zucker freigesetzt wird ) über Zeitskalen von Femtosekunden (10 ^ -15 Sekunden). In Bezug auf die Energie unterscheiden sich diese beiden Szenarien erheblich, obwohl ihre Leistung gleich ist.

Verstärker für die OMEGA-EP der Universität von Rochester, die von Blitzlampen beleuchtet werden, könnten einen US-amerikanischen Hochleistungslaser antreiben, der in sehr kurzen Zeiträumen arbeitet. Bildnachweis: Universität Rochester, Labor für Laserenergie / Eugene Kowaluk.

Der fragliche 100-Petawatt-Laser wurde noch nicht gebaut, ist jedoch die nächste enorme Schwelle, die Forscher in den 2020er Jahren überschreiten wollen. Das hypothetische Projekt ist als Station of Extreme Light bekannt und soll in der Shanghai Superintense Ultrafast Laser Facility in China errichtet werden. Eine externe Pumpe, bei der es sich normalerweise um Licht einer anderen Wellenlänge handelt, regt die Elektronen im Lasermaterial an und verursacht den charakteristischen Übergang, der das Laserlicht erzeugt. Die Photonen emittieren dann alle in einem dicht gepackten Strom oder einem Impuls bei einem sehr engen Satz von Wellenlängen. Zur Überraschung vieler wurde die 1-Petawatt-Schwelle bereits 1996 überschritten. Es hat fast zwei Jahrzehnte gedauert, um die 10-Petawatt-Marke zu überschreiten.

Die Vorverstärker der National Ignition Facility sind der erste Schritt zur Erhöhung der Energie von Laserstrahlen auf ihrem Weg zur Zielkammer. Im Jahr 2012 erzielte NIF einen Schuss von 0,5 Petawatt und erreichte damit einen Spitzenwert von 1.000-mal mehr Leistung, als die USA zu jedem Zeitpunkt verbrauchen. Bildnachweis: Damien Jemison / LLNL.

Die National Ignition Facility in den USA ist vielleicht das, woran wir zuerst denken, wenn wir uns Hochleistungslaser vorstellen, aber das ist ein bisschen wie ein roter Hering. Diese Anordnung von 192 Lasern, die sich auf einen einzelnen Punkt konzentrieren, um ein Wasserstoffpellet zu komprimieren und die Kernfusion zu entzünden, schwebt direkt um die 1-PW-Marke, ist jedoch nicht die leistungsstärkste. Es hat eine hohe Energiemenge von über einer Million Joule, aber seine Impulse sind vergleichsweise sehr lang anhaltend. Um den Leistungsrekord aufzustellen, müssen Sie in kürzester Zeit die größte Energiemenge liefern.

Der derzeitige Rekordhalter verwendet stattdessen ein mit Titan dotiertes Saphirglas, pumpt Hunderte von Joule Energie hinein, reflektiert das Licht hin und her, bis destruktive Interferenzen den größten Teil der Pulslänge aufheben und der Ausgang komprimiert wird ein einzelner Puls von nur zehn Femtosekunden Länge. So können wir Ausgangsleistungen im Ballpark von 10 PW erreichen.

Teil eines Ti-Saphir-Lasers; das hellrote Licht links ist das Ti: Saphirglas; Das hellgrüne Licht ist gestreutes Pumplicht von einem Spiegel. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Hankwang.

Um höher zu kommen - um diesen nächsten Meilenstein in der Größenordnung zu erreichen - müssen wir entweder die Energie, die wir in den Laser eingeben, von Hunderten von Joule auf Tausende erhöhen oder die Pulszeit verringern. Der erste ist problematisch für die Materialien, die wir derzeit verwenden. Kleine Titan-Saphir-Kristalle halten dieser Art von Energie nicht stand, während größere dazu neigen, Licht in die falsche Richtung zu emittieren: im rechten Winkel zum gewünschten Weg. Die drei Hauptansätze, die Forscher derzeit in Betracht ziehen, sind daher:

  1. Um den ursprünglichen 10-PW-Impuls aufzunehmen, strecken Sie ihn über ein Gitter und kombinieren Sie ihn zu einem künstlichen Kristall, in dem Sie ihn erneut pumpen und seine Leistung erhöhen können.
  2. Kombinieren Sie mehrere Impulse aus einer Reihe verschiedener Hochleistungslaser, um die richtige Überlappung zu erzielen: Eine Herausforderung für Impulse mit einer Länge von nur zehn Femtosekunden (3–15 Mikrometer), die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen.
  3. Oder, um eine zweite Runde der Impulskomprimierung hinzuzufügen und sie auf wenige Femtosekunden zu drücken.
Das Biegen und Fokussieren von Licht auf einen Punkt, unabhängig von der Wellenlänge oder dem Ort, an dem es auf Ihre Oberfläche fällt, ist ein wichtiger Schritt zur Maximierung der Intensität Ihres Lichts an einem einzelnen Ort im Raum. Bildnachweis: M. Khorasaninejad et al., Nano Lett., 2017, 17 (3), S. 1819–1824.

Die Impulse müssen dann auf einen engen Fokus gebracht werden, wodurch nicht nur die Leistung, sondern auch die Intensität oder die an einem einzelnen Punkt konzentrierte Leistung erhöht wird. Wie der Wissenschaftsartikel besagt:

Wenn ein 100-PW-Impuls auf einen Punkt mit einem Durchmesser von nur 3 Mikrometern […] fokussiert werden kann, beträgt die Intensität in diesem winzigen Bereich erstaunliche 1024 Watt pro Quadratzentimeter (W / cm²) - etwa 25 Größenordnungen oder 10 Billionen Billionen Mal, intensiver als das Sonnenlicht auf der Erde.

Dies öffnet die Tür zu einer lang ersehnten Gelegenheit, Teilchen-Antiteilchen-Paare zu erzeugen, bei denen es vorher keine gab, aber es ist kaum „das Quantenvakuum zu brechen“.

Visualisierung einer quantenfeldtheoretischen Berechnung, die virtuelle Teilchen im Quantenvakuum zeigt. Selbst im leeren Raum ist diese Vakuumenergie ungleich Null. Bildnachweis: Derek Leinweber.

Nach der Theorie der Quantenelektrodynamik ist die Nullpunktsenergie des leeren Raums nicht Null, sondern ein positiver, endlicher Wert. Obwohl wir es uns als Teilchen und Antiteilchen vorstellen, die in die Existenz hinein- und herausspringen, ist es eine bessere Darstellung zu erkennen, dass Sie mit genügend Energie diese elektromagnetischen Eigenschaften des leeren Raums nutzen können, um echte Teilchen / Antiteilchen-Paare zu erzeugen. Dies basiert auf der einfachen Einsteinschen Physik von E = mc², erfordert jedoch ein ausreichend starkes elektrisches Feld, um diese Teilchen aufzubauen: etwa 10¹⁶ Volt pro Meter. Da Licht eine elektromagnetische Welle ist, trägt es sowohl elektrische als auch magnetische Felder mit sich und erreicht diese kritische Schwelle mit einer Laserintensität von 10²⁹ W / cm².

Zetawattlaser, die eine Intensität von 1⁰²⁹ W / cm² erreichen, sollten ausreichen, um aus dem Quantenvakuum selbst echte Elektronen / Positronen-Paare zu erzeugen. Dies erfordert zusätzliche Energie, kürzere Impulse und / oder eine stärkere Fokussierung auf das, was wir uns für die Zukunft vorstellen. Bildnachweis: Wikimedia Commons-Benutzer Slashme.

Sie sollten sofort bemerken, dass selbst das Traumszenario des wissenschaftlichen Artikels Intensitäten liefert, die immer noch 100.000 Mal zu klein sind, um diese Schwelle zu erreichen, und wann immer Sie unter dieser Schwelle sind, ist Ihre Fähigkeit, Partikel / Antiteilchen-Paare zu produzieren, exponentiell unterdrückt. Der Mechanismus ist ganz anders als die Umkehrung der Paarproduktion, bei der anstelle der Vernichtung von Elektronen und Positronen zur Erzeugung von zwei Photonen zwei Photonen interagieren, um ein Elektron / Positronen-Paar zu erzeugen. (Dieser Prozess wurde erstmals 1997 experimentell demonstriert.) Im Laseraufbau haben keine einzelnen Photonen genug Energie, um neue Partikel zu erzeugen, sondern ihre kombinierten Effekte auf das Vakuum des Weltraums führen dazu, dass Partikel / Antiteilchen-Paare mit a entstehen besondere Wahrscheinlichkeit. Wenn sich diese Intensitäten jedoch nicht diesem kritischen Schwellenwert von 10²⁹ W / cm² nähern, könnte diese Wahrscheinlichkeit genauso gut Null sein.

Ein Laser in Shanghai, China, hat Leistungsrekorde aufgestellt und passt dennoch auf Tischplatten. Die leistungsstärksten Laser sind nicht die energiereichsten, aber oft die mit den kürzesten Laserpulsen. Bildnachweis: Kan Zhan.

Die Fähigkeit, Materie / Antimaterie-Partikelpaare allein aus dem leeren Raum zu erzeugen, wird ein wichtiger Test für die Quantenelektrodynamik sein und auch eine bemerkenswerte Demonstration der Leistungsfähigkeit von Lasern und unserer Fähigkeit, sie zu steuern. Es kann sein, dass es nicht erforderlich ist, diesen kritischen Schwellenwert zu erreichen, um die ersten Partikel / Antiteilchen-Paare aus diesem Mechanismus zu generieren, aber Sie müssen entweder nahe kommen, Glück haben oder über einen Mechanismus verfügen, um Ihre Produktion über das zu steigern, was Sie naiv erwarten. In jedem Fall bricht das Quantenvakuum nie, sondern macht genau das, was Sie von ihm erwarten: Reagiert auf Materie und Energie gemäß den Gesetzen der Physik. Es ist vielleicht nicht intuitiv, aber es ist noch mächtiger: Es ist vorhersehbar. Die Kunst, diese Vorhersage zu machen und die Experimente durchzuführen, um sie zu verifizieren oder zu widerlegen, ist das, worum es in der Wissenschaft geht! Wir sind vielleicht noch nicht da, aber jeder Sprung nach oben in Kraft und Intensität ist ein weiterer Schritt näher an diesen „heiligen Gral“ in der Laserphysik.

Senden Sie Ihre Fragen an Ethan an Startwithabang bei gmail dot com!

Starts With A Bang ist jetzt auf Forbes und dank unserer Patreon-Unterstützer auf Medium neu veröffentlicht. Ethan hat zwei Bücher verfasst, Beyond The Galaxy und Treknology: Die Wissenschaft von Star Trek von Tricorders bis Warp Drive.