Experimente mit Tischlasern haben möglicherweise nicht die höchste Energieausbeute für Laser, aber sie können selbst die Laser übertreffen, die zur Zündung der Kernfusion verwendet werden, was die Leistung anbelangt. Könnte das Quantenvakuum endlich nachgeben? Bildnachweis: US Air Force.

Fragen Sie Ethan: Kann ein Laser wirklich leeren Raum zerreißen?

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 Weltraums selbst bedeuten, dass selbst wenn Sie die gesamte Materie und Strahlung aus einer Region des Weltraums entfernen, dort immer noch eine begrenzte Energiemenge vorhanden ist, die dem Weltraum selbst inhärent ist. Wenn Sie einen Laser abfeuern, der stark genug ist, können Sie dann, wie es in der Zeitschrift Science heißt, das Vakuum aufheben und den leeren Raum zerreißen? Das möchte unser Patreon-Anhänger Malcolm Schongalla wissen, als er fragt:

Das Wissenschaftsmagazin berichtete kürzlich, dass chinesische Physiker in diesem Jahr mit dem Bau eines 100-Petawatt-Lasers (!!!) beginnen werden. Können Sie bitte erläutern, wie sie dies erreichen wollen und welches einzigartige Phänomen dies den Physikern näher bringen wird? Was genau ist es, das Vakuum zu brechen?

Die Geschichte ist real, verifiziert und ein bisschen übertrieben in Bezug auf die Behauptungen, dass sie das Vakuum aufheben kann, als ob so etwas möglich wäre. Tauchen wir in die reale Wissenschaft ein, um herauszufinden, was wirklich passiert.

Eine Reihe von Q-Line-Laserzeigern zeigt die verschiedenen Farben und die kompakte Größe, die heutzutage 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 noch relativ neu, trotz ihrer Verbreitung. Ursprünglich ein Akronym für Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission, sind Laser eine Art 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 oszillieren 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 sind es, die das Licht erzeugen, aber aus irgendeinem Grund wollte niemand das Akronym Lichtoszillation durch stimulierte Strahlungsemission.

Indem Sie Elektronen in einen angeregten Zustand

Wenn Sie mehrere Atome oder Moleküle im selben angeregten Zustand erzeugen und ihren spontanen Sprung in den Grundzustand stimulieren können, emittieren sie dasselbe Energiephoton. Diese Übergänge sind extrem schnell (aber nicht unendlich), und daher gibt es eine theoretische Grenze dafür, wie schnell ein einzelnes Atom oder Molekül in den angeregten Zustand gebracht und spontan ein Photon emittiert werden kann. Normalerweise wird in einem Resonanz- oder Reflexionshohlraum eine Art Gas, Molekülverbindung oder Kristall verwendet, um einen Laser zu erzeugen. Sie können jedoch auch freie Elektronen, Halbleiter, optische Fasern und theoretisch sogar Positronium verwenden.

Der Freie-Elektronen-Laser ALICE ist ein Beispiel für einen exotischen Laser, der sich nicht auf herkömmliche atomare oder molekulare Übergänge stützt, sondern dennoch eng fokussiertes, kohärentes Licht erzeugt. Bildnachweis: 2014 Science and Technology Facilities Council.

Die Energiemenge, die aus einem Laser austritt, ist durch die von Ihnen eingegebene Menge begrenzt. Die einzige Möglichkeit, eine extrem hohe Leistung in Ihrem Laser zu erzielen, besteht darin, die Zeitspanne des emittierten Laserpulses zu verkürzen. Sie könnten den Begriff Petawatt hören, der 10¹⁵ W beträgt, und denken, dies sei eine enorme Energiemenge. Aber „Petawatts“ sind keine Energie, sondern Energie, die über einen längeren Zeitraum eine Energie darstellt. Ein Petawattlaser könnte entweder ein Laser sein, der 10¹⁵ J Energie (die Menge, die von etwa 200 Kilotonnen TNT freigesetzt wird) pro Sekunde emittiert, oder einfach ein Laser, der 1 Joule Energie emittiert (die Menge, die durch Verbrennen von 60 Mikrogramm Zucker freigesetzt wird) ) über Femtosekunden (10 ^ -15 Sekunden). In Bezug auf Energie sind diese beiden Szenarien sehr unterschiedlich, obwohl ihre Leistung gleich ist.

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

Der fragliche 100-Petawatt-Laser wurde noch nicht gebaut, ist jedoch die nächste enorme Schwelle, die die Forscher in den 2020er Jahren überschreiten wollen. Das hypothetische Projekt ist als Station of Extreme Light bekannt und soll in der Superintense Ultrafast Laser Facility in Shanghai, China, errichtet werden. Eine externe Pumpe, bei der es sich normalerweise um Licht einer anderen Wellenlänge handelt, regt die Elektronen im Lasermaterial an und bewirkt den charakteristischen Übergang, der das Laserlicht erzeugt. Die Photonen emegieren 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, bis die 10-Petawatt-Marke überschritten wurde.

Die Vorverstärker der National Ignition Facility sind der erste Schritt zur Erhöhung der Energie von Laserstrahlen auf dem 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 Vereinigten Staaten ist vielleicht das, woran wir zuerst denken, wenn wir uns Hochleistungslaser vorstellen, aber dies ist ein bisschen wie ein roter Hering. Diese Anordnung von 192 Lasern konzentriert sich auf einen einzelnen Punkt, um ein Wasserstoffpellet zu komprimieren und die Kernfusion zu zünden. Es hat eine hohe Energiemenge von über einer Million Joule, aber seine Impulse sind vergleichsweise sehr langlebig. 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, lenkt das Licht hin und her, bis destruktive Interferenzen den größten Teil der Pulslänge auslöschen, und der Ausgang wird komprimiert ein einzelner Puls, der nur einige zehn Femtosekunden lang ist. So erreichen wir Ausgangsleistungen im Ballpark von 10 PW.

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

Um einen höheren Wert zu erreichen - um den 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 Titansaphirkristalle halten dieser Energie nicht stand, während größere dazu neigen, Licht in die falsche Richtung auszusenden: im rechten Winkel zum gewünschten Weg. Die drei Hauptansätze, die Forscher derzeit in Betracht ziehen, sind daher:

  1. Um den ursprünglichen 10-PW-Impuls zu erhalten, strecken Sie ihn über ein Gitter und kombinieren ihn zu einem künstlichen Kristall, in dem Sie ihn erneut pumpen und seine Leistung steigern können.
  2. Mehrere Impulse aus einer Reihe verschiedener Hochleistungslaser zu kombinieren, um das richtige Überlappungsniveau 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 des Lichts 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, der nicht nur die Leistung, sondern auch die Intensität oder die Leistung erhöht, die an einem einzelnen Punkt konzentriert ist. Wie der Wissenschaftsartikel besagt:

Wenn ein 100-PW-Impuls auf einen Punkt fokussiert werden kann, der nur 3 Mikrometer über […] der Fläche misst, 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, das auf die Erde fällt.

Dies öffnet die Tür zu einer lang ersehnten Gelegenheit, Teilchen-Antiteilchen-Paare zu schaffen, bei denen es vorher keine gab, aber es wird kaum das Quantenvakuum durchbrochen.

Visualisierung einer quantenfeldtheoretischen Berechnung mit virtuellen Teilchen im Quantenvakuum. Auch 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 Partikel und Antiteilchen vorstellen, die in der Existenz auf- und abspringen, besteht eine bessere Darstellung darin, zu erkennen, dass Sie mit genügend Energie diese elektromagnetischen Eigenschaften des leeren Raums durch Physik nutzen können, um echte Partikel / 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. Licht ist eine elektromagnetische Welle, die sowohl elektrische als auch magnetische Felder mit sich bringt und diese kritische Schwelle mit einer Laserintensität von 10²⁹ W / cm² erreicht.

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 Wissenschaftsartikels Intensitäten liefert, die noch 100.000 Mal zu klein sind, um diese Schwelle zu erreichen, und wann immer Sie unter dieser Schwelle sind, ist Ihre Fähigkeit, Teilchen / Antiteilchen-Paare zu produzieren, exponentiell unterdrückt. Der Mechanismus ist ganz anders als die Umkehrung der Paarbildung, bei der anstelle eines Elektronen- und Positronenzusammenbruchs zwei Photonen zusammenwirken, um ein Elektronen- / Positronenpaar zu erzeugen. (Dieser Prozess wurde bereits 1997 experimentell demonstriert.) Im Laser-Setup haben keine einzelnen Photonen genug Energie, um neue Partikel zu produzieren, sondern ihre kombinierten Effekte auf das Vakuum des Weltraums lassen Partikel / Antiteilchen-Paare mit a entstehen besondere Wahrscheinlichkeit. Wenn sich diese Intensitäten jedoch nicht dieser kritischen Schwelle von 10² & sup5; W / cm² nähern, könnte diese Wahrscheinlichkeit ebenso gut Null sein.

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

Die Fähigkeit, Materie / Antimaterie-Teilchenpaare allein aus dem leeren Raum zu erzeugen, wird ein wichtiger Test der Quantenelektrodynamik sein und wird auch eine bemerkenswerte Demonstration der Leistung von Lasern und unserer Fähigkeit sein, sie zu steuern. Es kann sein, dass es nicht erforderlich ist, diese kritische Schwelle zu erreichen, um die ersten Partikel / Antiteilchen-Paare aus diesem Mechanismus zu generieren. Sie müssen sich jedoch entweder annähern, Glück haben oder über einen Mechanismus verfügen, mit dem Sie Ihre Produktion über das von Ihnen erwartete Maß hinaus steigern können. In jedem Fall bricht das Quantenvakuum nie auf, sondern tut genau das, was Sie von ihm erwarten: es reagiert auf Materie und Energie nach 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 zu machen, um sie zu verifizieren oder zu widerlegen, ist das, worum es in der Wissenschaft geht! Wir sind vielleicht noch nicht da, aber jeder Sprung in Kraft und Intensität ist diesem „Heiligen Gral“ in der Laserphysik einen weiteren Schritt näher.

Senden Sie Ihre Ask Ethan-Fragen an startswithabang at gmail dot com!

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