Добавь сайт в закладки! Инструкция по ссылке.
Когда мы говорим «яркий свет», обычно представляем Солнце, сварочную дугу или лазер. Но если смотреть на мир глазами физики, яркость — это не просто то, что режет глаза.
Это концентрация энергии в пространстве, то есть сколько энергии электромагнитного поля приходится на квадратный метр поверхности за секунду.
Хорошо, но если это по определению так, то что может помешать сделать свет ещё ярче? Просто вкачивай энергию хоть бесконечно да и отлично. Однако, всё не так просто и есть некоторый фундаментальный потолок, который следует из физики окружающего пространства.
Как мы с вами помним, даже вакуум не пуст. Там нет привычной материи, но есть разные странные её формы. Поэтому, если даже заставить свет проходить через пустое место или абсолютный вакуум, то мы рано или поздно вскипятим эту пустоту.
Можно сделать свет настолько ярким, что он начнёт разрушать реальность.
Причём не в переносном смысле. Реально. Настолько яркий свет способен ломать вакуум, создавать электрон-позитронные пары и превращаться в «густой суп» из частиц. Это не метафора. Это предел, который реально существует в квантовой электродинамике, и называется он предел Швингера.
Если мы говорим строго физически, то «яркость» может означать несколько величин:
- интенсивность (поток энергии на единицу площади)
- плотность энергии поля
- напряжённость электрического поля в световой волне
- яркость в фотометрическом смысле (люмены, канделы), но это уже про человеческий глаз
Физика же использует радиометрические величины. Самая универсальная — это интенсивность света. Это энергия, проходящая через единицу площади за секунду.
Например Солнце на Земле показывает 1000 Вт/м², у поверхности Солнца это около 63 млн Вт/м². Лазеры в лабораториях дают до 10²²–10²³ Вт/м² в импульсе. Но всё это ещё детский сад по сравнению с тем, что теоретически возможно.
Классическая физика говорит, что свет — это волна и можно просто увеличивать амплитуду поля бесконечно. Но квантовая электродинамика добавляет принципиально новый факт про пустоту вакуума и он не пустой. Он наполнен квантовыми флуктуациями, виртуальными частицами и «пенной структурой» поля.
И если электромагнитное поле становится слишком сильным, оно начинает вырывать из вакуума реальные частицы.
То есть свет становится настолько мощным, что вакуум перестаёт быть устойчивым.
Вакуум — это не «ничто». Это состояние минимальной энергии квантовых полей. И даже в минимальном состоянии поле не может быть строго равно нулю, энергия флуктуирует, пары частица–античастица могут возникать и исчезать (виртуально). Обычно эти виртуальные частицы исчезают мгновенно. Но если внешнее поле достаточно сильное, оно может «разорвать» виртуальную пару и дать ей энергию стать реальной.
Это похоже на ситуацию, когда камень лежит в яме. Он может «подпрыгнуть» за счёт случайного толчка, но обычно падает обратно. Однако если наклонить яму (создать сильное поле), камень может вылететь наружу.
Физик Джулиан Швингер рассчитал критическую напряжённость электрического поля, при которой вакуум становится нестабильным и начинает массово порождать электрон-позитронные пары.
Численно это 1.3× 10¹⁸ В/м. Если высчитать из этого интенсивность, то приближенно это будет значение 10²⁹–10³⁰ Вт/м². Это значит, что предел Швингера ярче солнечного света на Земле примерно в 10²⁶ раз.
То есть разница между солнечным светом и пределом Швингера примерно такая же, как между одной каплей воды и массой всех океанов, умноженной ещё на миллиард.
А что происходит за пределом Швингера? Вот здесь начинается настоящая «ломка реальности». Вакуум начинает производить электрон-позитронные пары лавинообразно. Эти частицы ускоряются полем. Они начинают излучать фотоны, фотоны снова рождают пары. Это напоминает цепную реакцию.
Вместо «чистого света» появляется электрон-позитронная плазма, гамма-излучение, сильные магнитные поля и плотная энергия, ведущая себя как вещество. То есть свет становится материальным явлением в прямом смысле.
Если представить, что такой свет каким-то образом оказался рядом молекулы воздуха мгновенно превратятся в плазму, тело испарится быстрее, чем успеет сработать нервная система, а поверхность Земли вблизи превратится в раскалённый ионизированный пар. Причём разрушение будет не «от нагрева», а от того, что энергия поля настолько велика, что атомы просто перестают быть стабильными системами.
На данный момент достичь такого уровня интенсивности (можно читать как яркости) лабораторно почти невозможно. Современные установки уже подошли к диапазону порядка 10²²–10²³ Вт/см² в пиковых импульсах (в отдельных экспериментах). До предела Швингера (10²⁵ Вт/см²) остаётся не так много. Но проблема не только в мощности. Материалы, зеркала и даже воздух начинают разрушаться задолго до этого.
Поле уровня Швингера может встречаться, например, в магнитарах.
Важно уточнить, что предел Швингера — это предел для электромагнитного поля, то есть для взаимодействия фотонов и заряженных частиц. Грубо говоря, речь не только про видимый свет.
Поделись видео: