Классическая теория электромагнетизма была сформулирована в терминах уравнений Максвелла еще в XIX веке. Важнейшим свойством этих уравнений является их линейность, что приводит к принципу суперпозиции. Следствием этого принципа является отсутствие взаимодействия между волнами света – они проходят друг через друга никак не искажаясь. Со становлением квантовой теории выяснилось, что сильные электромагнитные поля в реальности эффективно взаимодействуют друг с другом за счет наличия вакуумных флуктуаций электрон-позитронного поля. Хотя взаимодействие света с электронами может быть с хорошей точностью описано в рамках классической теории, вакуумные флуктуации являются существенно квантовым эффектом. Осознание того, что вакуум не должен рассматриваться сугубо как пустое пространство, позволило теоретикам предсказать целый ряд удивительных физических явлений, эффективно нарушающих линейность теории Максвелла. Точное описание этих нелинейных взаимодействий в случае постоянных электромагнитных полей было получено Вернером Гейзенбергом и его студентом Хансом Эйлером в 1936 году. Впоследствии с развитием квантовой теории поля были предсказаны и исследованы новые нелинейные эффекты, такие как спонтанное рождение электрон-позитронных пар из вакуума в присутствии сильных полей (эффект Швингера), вакуумное двулучепреломление, нелинейный эффект Комптона, распад фотона в сильном поле и др.

Настоящий Проект посвящен теоретическим исследованиям двух нелинейных эффектов при наличии сильных электромагнитных полей: излучение фотонов (квантов электромагнитного поля) из вакуума и рождение электрон-позитронных пар из однофотонного состояния. Ранее мы провели анализ двух каналов излучения фотонов из вакуума с учетом пространственно-временной зависимости сильного внешнего поля. Было показано, что один из этих каналов отвечает излучению большого числа мягких фотонов (фотонов низкой частоты), детектирование которых на эксперименте может позволить косвенно пронаблюдать эффект Швингера на практике (данный механизм до сих пор не был исследован экспериментально). В ходе реализации Проекта было установлено, что при наличии дополнительного фотона в начальном состоянии возникает новый вклад в излучение. По аналогии с атомной физикой, где рассматривается взаимодействие лазерного излучения с атомом, этот вклад можно назвать вынужденным (индуцированным) излучением фотонов из вакуума в присутствии сильных полей. Несмотря на то, что в случае одиночного начального фотона данный вклад оказывается существенно меньше, чем вакуумное излучение, которое исследовалось нами ранее, вынужденное излучение может быть усилено за счет увеличения числа начальных фотонов. Поскольку в настоящее время доступны источники излучения с огромной плотностью фотонов, вклад вынужденного излучения может быть усилен на порядки по сравнению с вакуумным вкладом. Таким образом, нами было показано, что существует новый сценарий для наблюдения нелинейных эффектов квантовой электродинамики, который имеет шансы на экспериментальную реализацию в недалеком будущем.

В ходе исследования процесса рождения электрон-позитронных пар из начального состояния, содержащего один фотон, было показано, что данное явление описывается почти такими же выражениями, что и вынужденное излучение фотонов, с той лишь только разницей, что на языке диаграмм Фейнмана исходящую фотонную линию нужно заменить на входящую. Это означает, что оба процесса можно количественно описывать, используя одну и ту же технику с небольшими модификациями. Соответствующие численные процедуры были разработаны и протестированы в ходе реализации Проекта. Заметим также, что распад фотона во внешнем поле, приводящий к появлению электрон-позитронных пар, возможен лишь при достаточно большой частоте (энергии) кванта, в то время как вынужденное излучение связано в основном с мягкими фотонами. Иными словами, развитый нами численный подход используется либо в области низких частот, либо в области высоких частот в зависимости от того, какой из двух процессов рассматривается. Вместе с тем важно отметить, что в области больших энергий фотона большое значение имеет точный учет взаимодействия с внешним полем, что делает данную задачу существенно сложнее, чем описание излучения мягких фотонов. Соответствующие методы были разработаны в ходе реализации первого этапа Проекта для случая внешних полей, не зависящих от координат. Одним из главных направлений будущих исследований является обобщение развитого подхода для учета пространственно-временных неоднородностей внешнего поля.