Всякий раз, когда свет попадает на объект, часть света рассеивается обратно от поверхности объекта. Однако, если объект движется очень быстро и если свет невероятно интенсивный, могут произойти странные вещи.
Электроны, например, можно так сильно встряхнуть, что они фактически замедлятся, потому что излучают так много энергии. Физики называют этот процесс «радиационной реакцией».Считается, что эта радиационная реакция происходит вокруг таких объектов, как черные дыры и квазары (сверхмассивные черные дыры, окруженные газовым диском). Таким образом, возможность измерения радиационной реакции в лаборатории даст представление о процессах, которые происходят в некоторых из самых экстремальных сред во Вселенной.
Радиационная реакция также интересна физикам, изучающим эффекты, выходящие за рамки «классической» физики, поскольку уравнения (известные как уравнения Максвелла), которые традиционно определяют силы, действующие на объекты, не работают в этих экстремальных условиях.Теперь группа исследователей под руководством Имперского колледжа Лондона впервые продемонстрировала радиационную реакцию в лаборатории. Их результаты опубликованы сегодня в журнале Physical Review X.Они смогли наблюдать эту радиационную реакцию, столкнув лазерный луч в квадриллион (миллиард миллионов) раз ярче, чем свет на поверхности Солнца, с высокоэнергетическим пучком электронов.
Эксперимент, который требовал предельной точности и точного времени, был проведен с использованием лазера Gemini в Центральном лазерном центре Совета по науке и технологиям в Великобритании.Энергия фотонов света, которые отражаются от объекта, движущегося со скоростью, близкой к скорости света, увеличивается. В экстремальных условиях этого эксперимента это смещает отраженный свет из видимой части спектра вплоть до высокоэнергетических гамма-лучей.
Этот эффект позволил исследователям узнать, когда они успешно столкнулись с лучами.Старший автор исследования доктор Стюарт Манглс из физического факультета Imperial сказал: «Мы знали, что нам удалось столкнуть два луча, когда мы обнаружили очень яркое гамма-излучение высокой энергии.«Настоящий результат был получен, когда мы сравнили это обнаружение с энергией электронного пучка после столкновения.
Мы обнаружили, что эти успешные столкновения имели более низкую, чем ожидалось, энергию электронов, что является явным свидетельством радиационной реакции».Соавтор исследования, профессор Алек Томас из Ланкастерского и Мичиганского университетов, добавил: «Одна вещь, которую я всегда нахожу такой захватывающей, — это то, что электроны столь же эффективно задерживаются этим слоем света, толщиной в долю волоса. как что-то вроде миллиметра свинца. Это невероятно ».
Данные эксперимента также лучше согласуются с теоретической моделью, основанной на принципах квантовой электродинамики, а не на уравнениях Максвелла, потенциально обеспечивая некоторые из первых свидетельств ранее непроверенных квантовых моделей.Соавтор исследования, профессор Маттиас Марклунд из Технологического университета Чалмерса, Швеция, группа которого участвовала в исследовании, сказал: «Проверка наших теоретических предсказаний имеет центральное значение для нас в Чалмерсе, особенно в новых режимах, где есть чему поучиться. с точки зрения теории, эти эксперименты являются основой для исследований высокоинтенсивных лазеров в квантовой области ».
Однако потребуется больше экспериментов с еще более высокой интенсивностью или с электронными пучками еще большей энергии, чтобы подтвердить, правда ли это. Команда проведет эти эксперименты в следующем году.Команда смогла сделать свет настолько интенсивным в текущем эксперименте, сфокусировав его в очень маленьком пятне (всего несколько микрометров — миллионных долей метра — в поперечнике) и доставив всю энергию за очень короткое время (всего 40 длина фемтосекунд: 40 квадриллионных долей секунды).
Чтобы сделать электронный луч достаточно маленьким, чтобы взаимодействовать с сфокусированным лазером, команда использовала метод, называемый «ускорение лазерного кильватерного поля».Техника лазерного кильватерного поля запускает еще один интенсивный лазерный импульс в газ. Лазер превращает газ в плазму и гонит за собой волну, называемую кильватерным полем, по мере ее прохождения через плазму.
Электроны в плазме могут перемещаться по этому следу и достигать очень высоких энергий на очень коротком расстоянии.