предел осциллятора

Диаграмма Фейнмана ( коробчатая диаграмма ) фотонного рассеяния фотонов; один фотон рассеивается от переходных вакуумных флуктуаций заряда другого.

В квантовой электродинамике (КЭД) предел Швингера — это масштаб, выше которого , что электромагнитное поле ожидается станет нелинейным . Предел был впервые получен в одном из первых теоретических успехов КЭД Фрицем Заутером в 1931 году. и обсуждался далее Вернером Гейзенбергом и его учеником Гансом Генрихом Эйлером . Однако в литературе обычно называют предел. для Джулиана Швингера , который вывел ведущие нелинейные поправки к полям и рассчитал скорость образования электрон-позитронных пар в сильном электрическом поле. О пределе обычно сообщается как максимальное электрическое или магнитное поле без учета нелинейности для вакуума.

$E_{\text{c}}={\frac {m_{\text{e}}^{2}c^{3}}{q_{\text{e}}\hbar }}\simeq 1.32\times 10^{18}\,\mathrm {V} /\mathrm {m}$

$B_{\text{c}}={\frac {m_{\text{e}}^{2}c^{2}}{q_{\text{e}}\hbar }}\simeq 4.41\times 10^{9}\,\mathrm {T} ,$

где m _e — масса электрона , c — скорость света в вакууме, q _e — элементарный заряд , а ħ — приведенная постоянная Планка . Это огромная сила поля. Такое электрическое поле способно разогнать протон от состояния покоя до максимальной энергии, достигаемой протонами на Большом адронном коллайдере, всего лишь примерно на 5 микрометров. Магнитное поле связано с двулучепреломлением вакуума и на магнетарах превышается .

В вакууме классические уравнения Максвелла представляют собой совершенно линейные дифференциальные уравнения . Это означает – согласно принципу суперпозиции – что сумма любых двух решений уравнений Максвелла является другим решением уравнений Максвелла. Например, два пересекающихся луча света должны просто сложить свои электрические поля и пройти сквозь друг друга. Таким образом, уравнения Максвелла предсказывают невозможность любого, кроме тривиального упругого фотон-фотонного рассеяния . Однако в КЭД неупругое фотон-фотонное рассеяние становится возможным, когда объединенная энергия достаточно велика, чтобы спонтанно создавать виртуальные пары электрон-позитрон , что иллюстрируется диаграммой Фейнмана на соседнем рисунке. Это создает нелинейные эффекты, которые приблизительно описываются нелинейным вариантом уравнений Максвелла Эйлера и Гейзенберга .

Одной плоской волны недостаточно, чтобы вызвать нелинейные эффекты, даже в КЭД. Основная причина этого заключается в том, что одну плоскую волну данной энергии всегда можно рассматривать в другой системе отсчета , где она имеет меньшую энергию (то же самое относится и к одному фотону). У отдельной волны или фотона нет системы центра импульса , в которой его энергия должна быть минимальной. Однако две волны или два фотона, движущиеся не в одном направлении, всегда имеют минимальную совокупную энергию в системе с центром импульса, и именно эта энергия и связанная с ней напряженность электрического поля определяют рождение частицы-античастицы, и сопутствующие явления рассеяния.

Фотон-фотонное рассеяние и другие эффекты нелинейной оптики в вакууме являются активной областью экспериментальных исследований, при этом текущие или планируемые технологии начинают приближаться к пределу Швингера. Это уже наблюдалось через неупругие каналы в эксперименте SLAC 144. Однако прямых эффектов при упругом рассеянии не наблюдалось. По состоянию на 2012 год лучшее ограничение сечения упругого фотон-фотонного рассеяния принадлежало PVLAS , который сообщил о верхнем пределе, намного превышающем уровень, предсказанный Стандартной моделью .

Было предложено измерить упругое рассеяние света на свете с использованием сильных электромагнитных полей адронов, сталкивающихся на БАК . В 2019 году эксперимент ATLAS на БАК объявил о первом окончательном наблюдении рассеяния фотонов, наблюдаемого при столкновениях ионов свинца, которые создавали поля размером до 10 ²⁵ В/м , что значительно превышает предел Швингера. Наблюдение сечения, большего или меньшего, чем предсказано Стандартной моделью, может означать новую физику, такую ​​​​как аксионы , поиск которых является основной целью PVLAS и нескольких подобных экспериментов. ATLAS наблюдал больше событий, чем ожидалось, что потенциально свидетельствует о том, что поперечное сечение больше, чем предсказывает Стандартная модель, но это превышение еще не является статистически значимым.

Запланированная и финансируемая установка ELI – Ultra High Field Facility, которая будет изучать свет на границе интенсивности, вероятно, останется значительно ниже предела Швингера. хотя все же возможно наблюдать некоторые нелинейные оптические эффекты. Станция экстремального света (SEL) — еще одна строящаяся лазерная установка, которая должна быть достаточно мощной, чтобы наблюдать эффект. Подобный эксперимент, в котором сверхинтенсивный свет вызывает образование пар, был описан в популярных средствах массовой информации как создание « грыжи » в пространстве-времени.

См. также

• Джулиан Швингер
• Эффект Швингера
• Sokolov–Ternov effect
• Поляризация вакуума