МОЖЕТ ЛИ СВЕТ ОТСКОЧИТЬ ОТ СВЕТА?

Посветите двумя фонариками так, чтобы их лучи пересеклись: каждый луч идёт дальше, словно другого нет. Это принцип суперпозиции, лежащий в основе оптики. Он выполняется, потому что уравнения электромагнетизма линейны, и согласуется с повседневным опытом.

Со времён работ Эйлера, Гейзенберга и Кёккеля (Euler, Heisenberg, Kockel) в 1930-х годах физики знают, что этот принцип не вполне точен. Квантовая физика наполняет вакуум мимолётными флуктуациями — в квантовой электродинамике это виртуальные пары электронов и позитронов. Через них свет может ощущать свет. Отсюда два следствия: рассеяние света на свете, при котором один пучок отклоняет фотоны другого, и двулучепреломление вакуума, при котором вакуум меняет поляризацию света, проходящего через сильное поле. Ни то, ни другое ещё не подтверждено экспериментально при низкой энергии, когда энергия фотонов гораздо меньше массы электрона.

Рентгеновские лучи против мощного лазера

Коллаборация BIREF@HIBEF — около 80 исследователей, включая группы из Гельмгольц-института в Йене и Гельмгольц-центра Дрезден-Россендорф, — устроила столкновение на Европейском рентгеновском лазере на свободных электронах (European X-Ray Free-Electron Laser) в Шенефельде, Германия:

• накачка: лазер ReLaX, ближние инфракрасные импульсы длительностью 23 фемтосекунды с энергией 4 джоуля, сфокусированные в пятно размером примерно 1,1 на 1,4 микрометра, с интенсивностью до 7,7 × 10²¹ ватт на квадратный сантиметр;
• зонд: рентгеновские импульсы с энергией 8,766 кэВ, в каждом около 100 миллиардов фотонов, направленные лоб в лоб навстречу накачке.

Сильное поле накачки должно слегка поляризовать вакуум, и несколько рентгеновских фотонов должны выйти с перевёрнутой поляризацией. Даже в идеальных условиях это примерно один фотон из 10¹³ — и эти фотоны летят в том же направлении, что и 100 миллиардов остальных.

Схема тёмного поля: проволока отбрасывает тень в рентгеновском пучке, сигнал квантового вакуума, рождённый при столкновении, проходит через диафрагму, а светоделитель разделяет две его поляризации. — Рисунок 1, Matheron, Šmíd et al. (2026), arXiv:2611.04531.

Спрятать пучок в тени

Хитрость — в тёмном поле. Полированная вольфрамовая проволока толщиной 250 микрометров помещается в рентгеновский пучок до его фокусировки. Она отбрасывает тень. В фокусе тень исчезает; после него тень появляется снова — но сигнал, созданный столкновением, растекается в неё. Затем диафрагма диаметром 40 микрометров перекрывает основной пучок и пропускает затенённую область, а кристалл германия разводит две поляризации на два детектора со счётом фотонов. Лишь около 4 рентгеновских фотонов из триллиона основного пучка просочились в канал с перевёрнутой поляризацией.

Накачка срабатывает с частотой 0,5 герца, а зонд — 10 герц, поэтому на каждое столкновение приходится 19 контрольных выстрелов без накачки. За 2751 столкновение и 52 441 контрольный выстрел канал с перевёрнутой поляризацией насчитал 0,4649 фотона на выстрел с накачкой и 0,4636 без неё: никакой разницы. После вычитания фона избыток составил −0,0024 фотона на выстрел, что согласуется с нулём.

Тишина, в десять миллиардов раз более красноречивая

Чтобы понять, что означает эта тишина, команда смоделировала весь эксперимент, пучок за пучком и линзу за линзой, включая измеренную разъюстировку каждого выстрела. Квантовая электродинамика предсказывает в канале с перевёрнутой поляризацией в сумме лишь 0,0008 фотона за всю кампанию: гораздо меньше того, что мог обнаружить этот запуск.

Результат — верхний предел. С достоверностью 95% рассеяние света на свете превышает значение, предсказанное квантовой электродинамикой, не более чем в 70 000 раз при энергии столкновения 116 электронвольт. Сигнал более чем в 56 фотонов за 2751 столкновение был бы заметен. Прежние эксперименты при низкой энергии достигали лишь пределов, примерно в десять миллиардов раз более слабых.

Верхние пределы на рассеяние света на свете относительно квантового предсказания (красная штриховая линия на уровне 1): этот эксперимент, на уровне 70 000, против прежних низкоэнергетических экспериментов. — Рисунок 4, Matheron, Šmíd et al. (2026), arXiv:2611.04531.

Сократить разрыв

Разрыв в 70 000 раз вполне преодолим, считают авторы. Работа ReLaX на заявленных 8 джоулях и 1 герце дала бы в 8 раз больше сигнала за то же время; геометрия тёмного поля, свободная от ограничений нынешней установки, улучшила бы подавление фона более чем в тысячу раз; более быстрые детекторы дали бы ещё десятикратный выигрыш или больше. Вместе эти усовершенствования должны позволить впервые напрямую наблюдать в лаборатории рассеяние света на свете — а затем измерить два числа, a и b, которыми квантовая электродинамика описывает отклик вакуума.