Что такое эффект Швингера (Schwinger effect)?

Эффект Швингера (англ. Schwinger effect) — это предсказанное квантовой электродинамикой (КЭД) явление спонтанного рождения пар частица–античастица (например, электрон–позитрон) из вакуума в присутствии чрезвычайно сильного электрического поля.

Суть эффекта

В квантовой теории поля вакуум не является «пустотой» в классическом понимании: он наполнен флуктуациями виртуальных частиц и античастиц. Обычно эти виртуальные частицы существуют лишь на очень коротких временах и не могут наблюдаться напрямую. Но если поместить вакуум в достаточно сильное электрическое поле, оно может «разорвать» виртуальную пару и дать частицам достаточно энергии, чтобы они стали реальными.

То есть электрическое поле выступает как источник энергии для рождения материи.

Критическая величина поля

Джулиан Швингер (Julian Schwinger) в 1951 году рассчитал, что характерная величина электрического поля, при которой заметен этот процесс, составляет примерно:

$$E_c \approx \frac{m_e^2 c^3}{e \hbar} \sim 1.3 \times 10^{18}\, \text{В/м}$$

где:

m_e — масса электрона,

e — заряд электрона,

c — скорость света,

ℏ — редуцированная постоянная Планка.

Это критическое поле Швингера. Оно колоссально велико, гораздо сильнее любых доступных на практике электростатических полей.

Где это может проявляться

• Вблизи нейтронных звёзд и магнитаров, где поля очень сильные и могут достигать уровня, сопоставимого с E_c.
• В современных экспериментах с ультраинтенсивными лазерами, которые пытаются приблизиться к условиям для наблюдения эффекта (хотя пока он напрямую не зафиксирован).
• В ранней Вселенной, где экстремальные поля и энергии могли создавать условия для рождения частиц из вакуума.

Значение

Эффект Швингера — яркий пример нелинейных эффектов в квантовой электродинамике. Он показывает, что вакуум в квантовой теории — динамическая среда, способная переходить в новое состояние под действием сильных полей.