Физики выяснили, когда эффект Швингера перестает подчиняться классической формуле
Физики из МФТИ рассчитали электрический ток, который рождается из вакуума под действием сильного и долгого электрического импульса, и показали, что квантовые поправки к этому току растут с длительностью импульса гораздо быстрее самого классического тока.
Пустота не бывает абсолютной. Согласно квантовой теории поля, вакуум непрерывно бурлит: в нем каждое мгновение возникают и тут же исчезают пары виртуальных частиц и античастиц. Они «одалживают» энергию на краткий миг и снова пропадают, не успевая стать настоящими.
Сильное электрическое поле способно разлучить такую пару до того, как она исчезнет. Растаскивая частицу и античастицу в разные стороны, поле передает им энергию, и виртуальные частицы становятся реальными. Разбегающиеся заряды образуют электрический ток, рожденный из пустоты.
Этот эффект в 1951 году предсказал Джулиан Швингер, и с тех пор он носит его имя. Чтобы эффект стал заметным, поле должно достигать примерно 1,3 × 10¹⁸ В/м, это так называемое критическое поле Швингера, на данный момент недостижимое даже для самых мощных современных лазеров. Поэтому пока речь идет об академическом интересе.
В привычной картине эффекта Швингера поле считают слабым по сравнению с критическим, а рожденные частицы — редкими и почти не влияющими друг на друга. Но на этом история не заканчивается.
Родившиеся заряды поле продолжает разгонять, и они излучают фотоны. В сильном поле такой фотон может распасться на новую пару. Возможны и обратные процессы, когда пара снова превращается в фотон, а его поглощает соседняя частица.
Если поле действует очень долго, эти вторичные процессы накапливаются. Отсюда вопрос: сохраняет классическая формула Швингера силу для достаточно долгого импульса или накопление вторичных рождений способно ее заметно изменить? Эту неопределенность и взялись прояснить авторы работы.
Физтехи поставили задачу определить условия: какими должны быть сила поля и длительность импульса, при которых классический результат Швингера для значений тока рожденных пар начинает сильно модифицироваться. Работа опубликована в журнале Physical Review D. Исследование поддержано Министерством науки и высшего образования РФ, соглашение №075-15-2022-287.
Чтобы задачу можно было довести до конкретного ответа, ученые рассмотрели удобную для расчета модель — скалярную электродинамику, упрощенный вариант квантовой электродинамики с бесспиновыми заряженными частицами. Внешнее поле задавалось однородным импульсом плавной колоколообразной формы: долгим, но слабым — намного ниже критического поля Швингера.
Ключевых инструментов было два. Первый — квазиклассическое приближение (метод ВКБ) для точных квантовых состояний заряженного поля в импульсе. Оно позволяет проследить, как именно поле превращает виртуальные пары в реальные.
Второй инструмент — диаграммная техника Швингера—Келдыша. В отличие от привычной теории поля, описывающей рассеяние частиц, она приспособлена к меняющемуся во времени фону и следит за тем, как эволюционирует само квантовое состояние системы в реальном времени.
Расчет вели по нарастающей точности. На первом, «древесном» уровне — самом грубом приближении, без квантовых петель — авторы воспроизвели классический результат Швингера, проверив метод на известном ответе. Затем они последовательно посчитали квантовые поправки: одно- и двухпетлевую. Каждая «петля» отвечает все более тонкому квантовому процессу.
В пределе слабого поля привычную формулу Швингера пришлось поправить: рожденных пар оказывается меньше, чем считалось, и тем меньше, чем слабее поле по сравнению с критическим. Этот дополнительный множитель подавления (который был обозначен как μ) прежние оценки упускали.
Причина проста. Поле меняется медленно, поэтому в каждый момент рождение идет со «швингеровской» скоростью (вероятностью рождения пар) для мгновенного значения поля. Эта скорость пропорциональна швингеровской экспоненте и поэтому резко зависит от поля. А раз скорость резко зависит от поля, заметный вклад дает лишь узкое окно вблизи пика импульса, и эффективная длительность рождения оказывается в μ раз короче полной длины импульса.
Но главное — во втором порядке. Ведущая двухпетлевая поправка к току растет пропорционально четвертой степени длительности импульса, как T⁴, тогда как классический ток растет лишь линейно, как T.
Эта поправка несет дополнительный малый множитель — дополнительную степень «швингеровской экспоненты», из-за которой при коротких импульсах она невелика. Но ее быстрый рост берет свое: начиная с некоторой длительности импульса поправка догоняет классический ток, а затем его превосходит.
За таким ростом стоит понятный механизм: рожденные заряды излучают фотоны, фотоны в поле распадаются на новые пары, а те добавляются к общему току. Это зародыш лавины рождения частиц, и разглядеть его удается только на двухпетлевом уровне, где подобный каскад учитывается впервые.
Практический смысл результата пока фундаментальный. Работа очерчивает границу применимости знаменитой формулы: для сильных и долго живущих полей рождение частиц перестает быть однократным событием и способно подхлестывать само себя.
Особенно это важно для космологии. В ранней Вселенной существовали чрезвычайно сильные гравитационные и, возможно, иные поля. Аналогичная лавина рождения частиц в таких полях могла влиять на сами поля и, вероятно, участвовала в формировании вещества и структуры Вселенной.
Павел Загородный, аспирант МФТИ и младший научный сотрудник лаборатории физики высоких энергий МФТИ, прокомментировал:
«Для достижимых сегодня полей швингеровская экспонента ничтожно мала, и обсуждаемые эффекты пренебрежимо слабы. Но вблизи критического поля Швингера подавления экспонентой уже нет, и тогда быстро растущие поправки могут выйти на первый план. В этом случае мало ограничиться двумя петлями: нужно суммировать ведущие вклады сразу от всех петель. Это и есть наш следующий шаг».
Telegram 
Дзен 
VK После сокращения длины очередей и роста доступности бензина в первую неделю августа ситуация снова ухудшилась. Если с 20 июня по начало августа кризис носил в основном психологический характер, то сейчас ситуация принципиально иная: августовские атаки на НПЗ показали, что меры по усилению их противовоздушной обороны не были достаточно полными. Значит, прогноз автора Naked Science от 19 июля о том, что острая фаза кризиса закончится до конца лета, был частично неверным.
Множество переломов костей у средневекового скелета, захороненного в замке Стерлинг, позволили предположить, что мужчина погиб в результате прямого попадания снаряда, выпущенного из осадного орудия. Не исключено, что это был гигантский требушет «Боевой Волк», построенный по приказу короля Англии Эдуарда I.
Воспоминания не исчезают бесследно: иногда пережитый опыт перестает влиять на поведение, хотя его след продолжает сохраняться в мозге. Ученые решили проверить, можно ли вернуть такую «забытую» память и что произойдет, если напомнить о произошедшем не совсем точно.
В черепах участников битв эпохи Средневековья часто находят отверстия квадратной формы, о происхождении которых спорят специалисты. Авторы нового исследования пришли к выводу, что такое повреждение — следствие смертельного удара по голове палицей.
После сокращения длины очередей и роста доступности бензина в первую неделю августа ситуация снова ухудшилась. Если с 20 июня по начало августа кризис носил в основном психологический характер, то сейчас ситуация принципиально иная: августовские атаки на НПЗ показали, что меры по усилению их противовоздушной обороны не были достаточно полными. Значит, прогноз автора Naked Science от 19 июля о том, что острая фаза кризиса закончится до конца лета, был частично неверным.
Анализ почти 69 тысяч видов насекомых помог опровергнуть главенствующую теорию эволюции, которая полвека объясняла устройство колоний пчел, муравьев и ос. Исследователи выяснили, что общепринятый генетический фактор сам по себе не приводит к разделению труда, а настоящий секрет их коллективного выживания кроется в совсем других биологических чертах.
Долгое время считалось, что до прихода европейцев тропические леса Амазонии были заселены сравнительно плохо. Однако выяснилось, что плотная растительность скрывает большинство следов древних обществ. С помощью воздушного лазерного сканирования ученые обнаружили сотни неизвестных земляных сооружений и предположили, что около двух тысяч лет назад население юго-западной части Амазонии могло достигать трех миллионов человек.
Американская компания Firebird официально запустила в городе Раздан крупный центр обработки данных и фабрику искусственного интеллекта. На сегодняшний день это самый масштабный технологический хаб подобного уровня в СНГ, а после завершения всех этапов строительства он войдет в пятерку самых мощных вычислительных кластеров в мире.
Остров Пекан недалеко от Мексиканского залива в Луизиане вскоре перейдет в собственность компании Илона Маска. Здесь будет новый космодром для Starship, почти в 20 раз больше, чем в Бока-Чике, где уже стоят две стартовых площадки. Уникальное местоположение позволит компании попытаться реализовать амбициозную цель о запуске миллиона низкоорбитальных спутников на орбиты, где сегодня находится подавляющее меньшинство спутников Земли.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно