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Pergunte a Ethan: um laser pode realmente rasgar o espaço vazio?

Experimentos com laser de mesa podem não ter a maior produção de energia para lasers, mas podem competir até mesmo com os lasers usados ​​para acender a fusão nuclear em termos de potência. Poderia o vácuo quântico finalmente ceder? Crédito da imagem: Força Aérea dos EUA.

Você ouviu a história sobre como um laser de 100 petawatts finalmente “quebrará o vácuo quântico”? Obtenha os fatos.

O espaço vazio, como se vê, não é tão vazio. As flutuações no vácuo do próprio espaço significam que, mesmo que você retire toda a matéria e radiação de uma região do espaço, ainda há uma quantidade finita de energia, inerente ao próprio espaço. Se você disparar um laser poderoso o suficiente nele, você pode, como uma história da revista Science o chamou, quebrar o vácuo e rasgar o espaço vazio? Isso é o que nosso Apoiador do Patreon Malcolm Schongalla quer saber, enquanto pergunta:

A Science Magazine informou recentemente que os físicos chineses começarão a construir um laser de 100 petawatts (!!!) este ano. Você pode explicar como eles planejam conseguir isso e que fenômeno único isso ajudará os físicos a explorar? Por exemplo, o que exatamente está quebrando o vácuo?

O a história é real, verificada e um pouco exagerada em termos de alegações de que pode quebrar o vácuo, como se tal coisa fosse possível. Vamos mergulhar na ciência real para descobrir o que realmente está acontecendo.

Um conjunto de ponteiros laser Q-line mostra as diversas cores e tamanho compacto que agora são comuns para lasers. Os lasers de operação contínua mostrados aqui são de potência muito baixa, medindo apenas watts ou frações de watts, enquanto o registro está em petawatts. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Netweb01.

A própria ideia de um laser em si ainda é relativamente nova, apesar de quão difundidos eles são. Originalmente um acrônimo para eu direito PARA amplificação por S estimulado E missão de R adiação, os lasers são um pouco impróprios. Na verdade, nada está realmente sendo amplificado. Você sabe que, na matéria normal, você tem um núcleo atômico e vários níveis de energia para um elétron; em moléculas, cristais e outras estruturas ligadas, as separações particulares entre os níveis de energia de um elétron determinam quais transições são permitidas. Em um laser, os elétrons oscilam entre dois estados permitidos, emitindo um fóton de uma energia muito particular quando caem do estado de maior energia para o mais baixo. Essas oscilações são o que produzem a luz, mas por algum motivo, ninguém queria a sigla eu direito OU oscilação por S estimulado E missão de R Adição.

Ao “bombear” elétrons para um estado excitado e estimulá-los com um fóton do comprimento de onda desejado, você pode causar a emissão de outro fóton com exatamente a mesma energia e comprimento de onda. Esta ação é como a luz para um laser é criada pela primeira vez. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons V1adis1av.

Se você puder produzir vários átomos ou moléculas no mesmo estado excitado e estimular seu salto espontâneo para o estado fundamental, eles emitirão o mesmo fóton de energia. Essas transições são extremamente rápidas (mas não infinitamente) e, portanto, há um limite teórico para a rapidez com que você pode fazer um único átomo ou molécula saltar para o estado excitado e emitir espontaneamente um fóton. Normalmente, algum tipo de gás, composto molecular ou cristal é usado dentro de uma cavidade ressonante ou reflexiva para criar um laser, mas você também pode fazer um com elétrons livres, semicondutores, fibras ópticas e, em teoria, até positrônio.

O laser de elétrons livres ALICE é um exemplo de laser exótico que não depende de transições atômicas ou moleculares convencionais, mas ainda produz luz coerente e com foco estreito. Crédito da imagem: 2014 Science and Technology Facilities Council.

A quantidade de energia que sai de um laser é limitada pela quantidade que você coloca, então a única maneira de alcançar uma potência extremamente alta em seu laser é encurtar a escala de tempo do pulso de laser emitido. Você pode ouvir o termo petawatt, que é 10¹⁵ W, e pensar que isso é uma tremenda quantidade de energia. Mas petawatts não são energia, mas potência, que é uma energia ao longo do tempo. Um laser de petawatt pode ser um laser que emite 10¹⁵ J de energia (a quantidade liberada por cerca de 200 quilotons de TNT) a cada segundo, ou pode ser apenas um laser que emite um joule de energia (a quantidade liberada pela queima de 60 microgramas de açúcar ) em escalas de tempo de femtossegundos (10^-15 segundos). Em termos de energia, esses dois cenários são muito diferentes, embora seu poder seja o mesmo.

Amplificadores para o OMEGA-EP da Universidade de Rochester, iluminados por lâmpadas de flash, poderiam acionar um laser de alta potência dos EUA que funciona em prazos muito curtos. Crédito da imagem: Universidade de Rochester, Laboratório de energia do laser / Eugene Kowaluk.

O laser de 100 petawatts em questão ainda não foi construído, mas é o próximo enorme limite que os pesquisadores planejam cruzar na década de 2020. O projeto hipotético é conhecido como Estação de Luz Extrema e deve ser construído na Instalação de Laser Ultrarrápido Superintense de Xangai, na China. Uma bomba externa, que geralmente é luz de um comprimento de onda diferente, excita os elétrons no material do laser, causando a transição característica que cria a luz do laser. Os fótons então emergem em uma corrente compacta, ou um pulso, em um conjunto muito estreito de comprimentos de onda. Para surpresa de muitos, o limite de 1 petawatt foi ultrapassado em 1996; levou quase duas décadas para cruzar a marca de 10 petawatts.

Os pré-amplificadores do National Ignition Facility são o primeiro passo para aumentar a energia dos feixes de laser à medida que avançam em direção à câmara-alvo. Em 2012, o NIF alcançou um disparo de 0,5 petawatt, atingindo um pico de 1.000 vezes mais energia do que os Estados Unidos usam em qualquer momento. Crédito da imagem: Damien Jemison/LLNL.

O National Ignition Facility nos Estados Unidos pode ser o que pensamos primeiro quando imaginamos lasers de alta potência, mas isso é um pouco de um arenque vermelho. Essa matriz de 192 lasers, focando em um único ponto para comprimir uma pelota de hidrogênio e acender a fusão nuclear, paira em torno da marca de 1 PW, mas não é a mais poderosa. Tem uma grande quantidade de energia em mais de um milhão de joules, mas seus pulsos são, comparativamente, de longa duração. Para definir o recorde de energia, você precisa fornecer a maior quantidade de energia no menor tempo possível.

O atual recordista, em vez disso, usa um cristal de safira dopado com titânio, bombeia centenas de joules de energia para ele, reflete a luz para frente e para trás até que a interferência destrutiva cancele a maior parte do comprimento do pulso, e a saída é comprimida em um único pulso com apenas dezenas de femtossegundos de duração. É assim que podemos alcançar potências de saída no estádio de 10 PW.

Parte de um laser de Ti-safira; a luz vermelha brilhante à esquerda é o cristal de Ti:safira; a luz verde brilhante é a luz da bomba espalhada de um espelho. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Hankwang.

Para ir mais alto – para alcançar o próximo marco de ordem de magnitude – teremos que aumentar a energia que inserimos no laser, de centenas de joules para milhares, ou diminuir o tempo de pulso. A primeira é problemática para os materiais que usamos atualmente. Pequenos cristais de titânio-safira não aguentam esse tipo de energia, enquanto os maiores tendem a emitir luz na direção errada: em ângulos retos em relação ao caminho desejado. As três principais abordagens, portanto, que os pesquisadores estão considerando no momento são:

1. Para pegar o pulso original de 10 PW, estique-o sobre uma grade e combine-o em um cristal artificial, onde você pode bombeá-lo novamente, aumentando sua potência.
2. Combinar vários pulsos de uma série de diferentes lasers de alta potência para criar o nível certo de sobreposição: um desafio para pulsos de apenas dezenas de femtossegundos (3–15 mícrons) de comprimento que se movem na velocidade da luz.
3. Ou, para adicionar uma segunda rodada de compressão de pulso, espremendo-os em apenas alguns femtossegundos.

Dobrar a luz e focalizá-la em um ponto, independentemente do comprimento de onda ou de onde ela incide em sua superfície, é um passo fundamental para maximizar a intensidade de sua luz em um único local no espaço. Crédito da imagem: M. Khorasaninejad et al., Nano Lett., 2017, 17 (3), pp 1819-1824.

Os pulsos devem então ser focalizados, elevando não apenas a potência, mas a intensidade, ou a potência concentrada em um único ponto. Como o artigo da Science afirma :

Se um pulso de 100 PW puder ser focalizado em um ponto medindo apenas 3 micrômetros de diâmetro ... a intensidade nessa pequena área será de surpreendentes 1024 watts por centímetro quadrado (W/cm²) - cerca de 25 ordens de magnitude, ou 10 trilhões trilhões de vezes, mais intensa do que a luz do sol atingindo a Terra.

Isso abre a porta para uma oportunidade há muito procurada de criar pares partícula-antipartícula onde não havia antes, mas dificilmente está quebrando o vácuo quântico.

Visualização de um cálculo da teoria quântica de campos mostrando partículas virtuais no vácuo quântico. Mesmo no espaço vazio, essa energia do vácuo é diferente de zero. Crédito da imagem: Derek Leinweber.

De acordo com a teoria da eletrodinâmica quântica, a energia do ponto zero do espaço vazio não é zero, mas algum valor positivo e finito. Embora o visualizemos como partículas e antipartículas surgindo e desaparecendo, uma representação melhor é reconhecer que, com energia suficiente, você pode – através da física – usar essas propriedades eletromagnéticas do espaço vazio para gerar pares de partículas/antipartículas reais . Isto é baseado na física einsteiniana simples de E = mc² , mas requer um campo elétrico forte o suficiente para construir essas partículas: cerca de 10¹⁶ volts por metro. A luz, por ser uma onda eletromagnética, carrega consigo campos elétricos e magnéticos e atingirá esse limiar crítico com uma intensidade de laser de 10²⁹ W/cm².

Lasers de zetawatt, atingindo uma intensidade de 1⁰²⁹ W/cm², devem ser suficientes para criar pares reais de elétron/pósitron a partir do próprio vácuo quântico. Isso exigirá energia adicional, pulsos mais curtos e/ou maior foco sobre o que imaginamos para o futuro. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons Slashme.

Você deve notar, imediatamente, que mesmo o cenário de sonho do artigo científico dá intensidades que ainda são 100.000 vezes pequenas demais para atingir esse limite, e sempre que você está abaixo desse limite, sua capacidade de produzir pares de partículas/antipartículas é exponencialmente suprimido. O mecanismo em jogo é bem diferente do que simplesmente o inverso da produção de pares, onde em vez de um elétron e um pósitron se aniquilarem para criar dois fótons, dois fótons interagem para produzir um par elétron/pósitron. (Esse processo foi primeiro demonstrado experimentalmente em 1997 .) Na configuração do laser, nenhum fóton individual tem energia suficiente para produzir novas partículas, mas seus efeitos combinados no vácuo do espaço fazem com que pares de partículas/antipartículas surjam com uma probabilidade particular. A menos, no entanto, que essas intensidades se aproximem do limiar crítico de 10²⁹ W/cm², essa probabilidade também pode ser zero.

Um laser em Xangai, na China, bateu recordes de energia, mas cabe em mesas. Os lasers mais poderosos não são os mais energéticos, mas geralmente são aqueles com os pulsos de laser mais curtos. Crédito da imagem: Kan Zhan.

A capacidade de gerar pares de partículas de matéria/antimatéria apenas a partir do espaço vazio será um teste importante da eletrodinâmica quântica e também será uma demonstração notável do poder dos lasers e nossa capacidade de controlá-los. Pode não ser necessário atingir esse limite crítico para gerar os primeiros pares de partículas/antipartículas desse mecanismo, mas você terá que se aproximar, ter sorte ou ter algum tipo de mecanismo para melhorar sua produção acima do que você espera ingenuamente. De qualquer forma, o vácuo quântico nunca quebra, mas faz exatamente o que você espera dele: responde à matéria e à energia de acordo com as leis da física. Pode não ser intuitivo, mas é algo ainda mais poderoso: é previsível. A arte de fazer essa previsão e fazer os experimentos para verificá-los ou refutá-los é o que a ciência trata! Podemos não estar lá ainda, mas cada salto para cima em poder e intensidade é mais um passo para esse santo graal da física do laser.

Envie suas perguntas Ask Ethan para beginwithabang no gmail ponto com !

Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .

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