Intensywność lasera spowoduje, że materia wyskoczy z pustki Michel Alberganti
Słowa kluczowe: energia, próżnia, materia, tworzenie, cząstki, antymateria
Biografia równania E = mc 2 jest daleka od zakończenia. Niezwykła ilustracja podana w fikcyjnym dokumencie wyemitowanym przez Arte w niedzielę 16 października (biografia równania E = mc2, autorstwa Gary'ego Johnstone'a) może wkrótce ukazać nowy ekscytujący rozdział. W Laboratorium Optyki Stosowanej (LOA), wspólnym dla National School of Advanced Techniques (Ensta), Polytechnic School i CNRS, Palaiseau (Essonne), Gérard Mourou zbliża się do momentu, w którym może wydobyć materia z próżni ...
„Pustka jest matką wszelkiej materii” - mówi z pewną radością. W idealnym stanie „zawiera gigantyczną ilość cząstek na cm3… i tyle samo antycząstek”. Skąd suma zerowa, która prowadzi do pozornego braku materii, który nazywamy… próżnią. Co podważa definicję słownika, dla którego od XIV wieku ten ostatni jest „przestrzenią nie zajmowaną przez materię”. Liczono to bez antymaterii i bez słynnego wzoru E = mc², który Albert Einstein wydedukował ze szczególnej teorii względności sto lat temu, w 1905 roku.
Po co odwracać tę formułę, wytwarzając materię z próżni? Dla Gérarda Mourou zastosowania będą się rozciągać od stworzenia nowej relatywistycznej mikroelektroniki po badanie Wielkiego Wybuchu i możliwość symulacji czarnych dziur. To, co nazywa „ekstremalnym światłem”, umożliwia rozwój terapii protonowej, zdolnej do atakowania guzów bez uszkadzania otaczających komórek, „farmakologii jądrowej” oraz możliwości kontrolowania radioaktywności materiału za pomocą prostego przycisku. Nie wspominając o produkcji niezwykle kompaktowych akceleratorów, które mogą konkurować z gigantycznymi obiektami CERN w Genewie. Dlatego kontrola światła jest daleka od osiągnięcia swoich granic. LOA współpracuje z laserem, co jest jednym z najbardziej spektakularnych wyników odkryć, które przyniosły Albertowi Einsteinowi Nagrodę Nobla w 1921 roku.
Gérard Mourou odegrał ważną rolę w zwiększeniu mocy tego spójnego promienia światła, uzyskanego po raz pierwszy w 1960 roku. W 1985 roku opracował metodę zwaną wzmacnianiem impulsów chirped (CPA) (Le Monde du 8 Czerwiec 1990). „W ciągu nocy stworzyliśmy źródło, które stało na stole i którego intensywność dorównała instalacjom wielkości boiska piłkarskiego” - wyjaśnia Gérard Mourou.
Fala surfowania
Przez dwadzieścia lat fizycy potykali się o pojawienie się nieliniowych zjawisk o natężeniu około 1014 W / cm2 (W / cm2), które degradowały falę i powodowały zniszczenie ciał stałych, w których powstały lasery. Gérard Mourou użył źródeł wytwarzających bardzo krótkie impulsy (pikosekunda, czyli 10-12 sekund), których jedną z cech było posiadanie szerokiego zakresu częstotliwości. „Aby rozwiązać problem, przed wzmocnieniem impulsu rozciągnęliśmy go, porządkując fotony” - mówi badacz, który wyjaśniając CPA, posługuje się analogią peletonu rowerzystów stojącego naprzeciw tunelu. Aby uniknąć zatoru podczas przejazdu czołowego, konieczne jest spowolnienie niektórych biegaczy przed przeszkodą.
Gérard Mourou robi to samo z częstotliwościami. Po ich rozdzieleniu nakłada różne ścieżki na każdy kolor za pomocą siatki dyfrakcyjnej. Po wzmocnieniu każdej częstotliwości „wystarczy” wykonać operację odwrotną w celu znalezienia impulsu o tym samym profilu, ale znacznie intensywniejszym. Wraz z CPA intensywność zaczęła ponownie rosnąć, osiągając dziś… 1022 W / cm2, 1024 W / cm2 w 2006 r.
„Aż do określonej wartości natężenia składowa magnetyczna padającej fali pozostaje pomijalna w porównaniu z jej składową elektryczną, wyjaśnia Gérard Mourou. Ale od 1018 W / cm2 wywiera nacisk na elektron. Ten ostatni, do tej pory poddany prostemu "pęcznieniu", zostaje nagle uniesiony przez załamującą się falę, która go niesie, aż osiągnie własną prędkość, to znaczy prędkość światła. Następnie wchodzimy w relatywistyczną nieliniową perspektywę. Rozerwane elektrony przekształcają swoje atomy w jony, które „próbują powstrzymać elektrony, co tworzy ciągłe pole elektryczne, to znaczy elektrostatyczne, o znacznym natężeniu”. Zmienne pole elektryczne padającej fali świetlnej jest w ten sposób przekształcane w bezpośrednie pole elektryczne.
To „niezwykłe” zjawisko generuje tytaniczne pole o wartości 2 terawoltów na metr (1012 V / m). „CERN na metr…”, podsumowuje Gérard Mourou. Przy 1023 W / cm2 pole elektrostatyczne osiągnie 0,6 petavolta na metr (1015 V / m)…
Dla porównania, Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) przyspiesza cząstki do 50 gigaelektronowoltów (GeV) na odległość 3 km. „Teoretycznie moglibyśmy zrobić to samo na odległości rzędu średnicy włosa” - mówi badacz. W swoim czasie Enrico Fermi (1901-1954) oszacował, że aby osiągnąć petawoltę, akcelerator musiałby okrążyć Ziemię.
„Elektrony popychane przez światło w końcu ciągną jony za sobą”, kontynuuje pan Mourou. Od teraz łódź zaciąga kotwicę. Początkowe światło wygenerowało wiązkę elektronów i jonów. Dzięki LOA udało się przyspieszyć elektrony do energii 150 megaelektronowoltów (MeV) na odległości kilkudziesięciu mikronów. Zamierza skierować się najpierw do GeV, a potem „znacznie dalej”.
Mini Big Bang
Równocześnie z tym rozwojem, który w dłuższej perspektywie mógłby konkurować z dużymi akceleratorami cząstek, Gérard Mourou mówi, że jest bardzo blisko, ponownie dzięki ogromnemu uzyskanemu natężeniu światła, aby „rozerwać pustkę”, to znaczy ujawnić ” coś ”, gdzie najwyraźniej nic nie było.
W rzeczywistości nie jest to kwestia magicznej operacji, ale „po prostu” ujawnienie tego, co było niewidzialne. Teoretycznym celem jest natężenie 1030 W / cm2. Aby uzyskać tę wartość, fizycy rozważają próżnię jako dielektryk, czyli izolator. W ten sam sposób, w jaki zbyt duże natężenie powoduje „pęknięcie” kondensatora, możliwe jest „pęknięcie próżni”.
Ale co się wtedy stanie? Jakie dziwne cząsteczki wyrosną z pustki? Tutaj znowu tajemnica zostaje wyjaśniona. Będzie to para elektron-pozyton. Cząstka i jej antycząstka, które są najlżejsze, a więc te, które według wzoru Einsteina będą wymagały najmniej energii, aby się pojawić. I to minimum jest również dobrze znane: 1,022 MeV.
W ten sposób wszystko wydaje się gotowe, by materia pojawiła się po raz pierwszy z próżni w laboratorium. Ten mini-Big Bang może się zdarzyć nawet przed 1030 W / cm2. Pan Mourou uważa, że stosując promienie X lub gamma można by zmniejszyć ten próg do około 1023 do 1024 W / cm2. Taki właśnie jest cel LOA na najbliższe lata.
Artykuł opublikowany w Le Monde z 19.10.05