Плазменное зеркало может помочь лазеру проткнуть нашу вселенную
«Учёные хотят разорвать вселенную на части», — гласит заголовок недавней заметки Daily Mail. Лазеры теперь могут достигать мощностей петаваттного диапазона. И если сфокусировать на одной точке настолько сильный луч, вещество в ней дробится до такой степени, что останутся только электроны и ядра.
Но это не предел возможностей. При хороших экспериментальных условиях сама ткань пространства и времени может разорваться на части. Чтобы добиться такого эффекта, нам может понадобиться всего лишь новое плазменное зеркало.
В среднем суммарная мощность энергии, потребляемой в целом человечеством, составляет около 18 тераватт. Петаватт в 1000 раз больше тераватта. Самый обычный газовый лазер на текущий момент уже развивает мощность до 5—10 петаватт. Самый лучший лазер в ближайшем будущем сможет достичь мощности 100 петаватт. Но есть деталь: такая мощность не может поддерживаться длительное время, энергия от такого лазера (5—5000 Дж) будет доступна в течение очень короткого времени (что-то в диапазоне от нескольких фемтосекунд — 10−15 с до пикосекунды — 10−12 с). Однако в этот момент поток энергии будет огромным.
Вся эта энергия будет сфокусирована так, что интенсивность достигнет примерно 1022 Вт/см2. Для понимания масштаба: материя переходит в состояние плазмы при интенсивности 1012 Вт/см2. Если свет с интенсивностью выше 1025 Вт/см2 упадёт даже на один электрон, энергии от такого взаимодействия будет достаточно, чтобы запустить цепную реакцию создания электрон-позитронных пар из вакуума. Если интенсивность лазера достигает 1029 Вт/см2, не потребуется даже электрона — свет будет вырывать виртуальные электроны из вакуума, генерируя реальные заряды из видимого небытия пустого пространства.
Но получить интенсивность в 1025 Вт/см2 сложно. Дело в том, что отсутствует материал, который бы «выжил» при воздействии лазерного света достаточной для этого интенсивности, и смог бы его сфокусировать. Тут на помощь приходят плазменные зеркала.
Плазменные зеркала были в моде несколько лет назад, когда петаваттные лазеры были в новинку. Их концепция на самом деле довольно проста. Плазма — это газ из проводящих частиц, электроны там легко перемещать. Когда свет попадает в плазму, электроны начинают осциллировать по направлению электрического поля света. При этом электроны поглощают и переизлучают свет в противоположном направлении. Другими словами, свет отражается от плазмы, так же, как солнечные лучи — от хромированного бампера.
И плазму невозможно повредить — материя в ней уже настолько разрушена, насколько это возможно.
Первоначально считалось, что плазменные зеркала не могут хорошо фокусировать свет. По сути, невозможно получить правильную форму такого зеркала. Но за 24 часа работы суперкомпьютера, он показал, что создать хорошо фокусирующее плазменное зеркало — возможно. Исследователи смоделировали полноразмерный лазерный импульс в 3D-пространстве, воздействующий на поверхность плазменного зеркала. Исследователь Анри Винченти (Henri Vincenti) из Франции адаптировал эту модель и открыл новые способы увеличения интенсивности некоторых очень ярких лазеров.
В его модели поверхность была расположена под углом к лазерному лучу. Профиль интенсивности луча был таким, что самая высокая интенсивность достигалась в центре и снижалась по краям. Три компонента в сочетании — профиль интенсивности, угол поверхности зеркала и плазма, генерируемая лазерным импульсом — образуют относительно гладкую эллиптическую поверхность. Это означает, что свет, отражённый от плазмы, будет фокусироваться в чётко определённой точке.
Когда интенсивность света в такой модели становится действительно высокой, электроны начинают двигаться примерно как динамик сабвуфера. Свет по существу падает на быстро вибрирующую поверхность, и это делает частоту света более высокой. То есть, луч красного света, отражённый таким зеркалом, будет иметь синие и ультрафиолетовые компоненты.
Из-за того, что зеркало вибрирует, все частоты света окажутся кратными друг другу. Зеркало отразит все цвета вместе, и в результате мы получим импульс, ещё более короткий во времени. Фактически, длительность импульса составит от 20 до 0,1 фемтосекунды (10−15 с). Это само по себе увеличит интенсивность в 100 раз. Более короткая длина волны также означает, что диаметр точки фокусировки будет меньшим.
В итоге мы можем усилить свет входящего лазера в 1000 раз! Это впечатляет. При этом компьютерная модель довольно точна, и это упрощает физическое воплощение данной концепции.
Главное — чтобы при тестировании установки дырка в потолке не оказалась для учёных сюрпризом.