5 новых интересных открытий, связанных со светом

Изучая свет, люди узнали о нём практически всё. Действительно, учёные совершали прорыв за прорывом в использовании света - от освещения до связи, от изучения микро- и макровселенной до сканирования собственного тела. 

Мы понимаем, что свет - это электромагнитная волна, благодаря Джеймсу Максвеллу, который описал свет в своих уравнениях в 1865 г.; и что он также проявляется в виде квантовых сгустков электромагнитной энергии, называемых фотонами, что было открыто Альбертом Эйнштейном в 1905 году. 

Чем больше мы изучаем свет, тем больше видим и тем больше узнаём. Классический взгляд на свет как на волну по-прежнему даёт новые научные результаты при взаимодействии световых волн с искусственными "метаматериалами", однако, учёные также продолжают изучать свет как частицу. Оба подхода позволяют манипулировать светом, что раньше было лишь научной фантастикой. Вот пять последних чудес, открытых наукой.

1.  Искривление света для создания эффекта невидимости

Магические кольца и плащи-невидимки, встречающиеся в фантастических рассказах, отражают древнюю мечту человека скрывать от глаз предметы и себя самого. 

Невидимость проявляется и в научной фантастике, например, в фильме "Звёздный путь", где враждебные корабли скрываются с помощью специального устройства. При этом используется идея из теории относительности, согласно которой сильно искажённое пространство-время заставляет свет искривляться вокруг корабля, как будто его не существует.

Физики пока не знают, как это сделать, но классическая оптика световых волн и световых лучей указывает на другое решение. Мы видим объект, когда он взаимодействует со светом. В принципе, плащ-невидимка может перехватывать падающие лучи, изгибать или преломлять их в себе, чтобы они проходили внутри плаща и выходили наружу по своим первоначальным траекториям. 

Наблюдатель будет думать, что там ничего нет. Но чтобы заставить свет двигаться по такому сложному пути, плащ должен быть изготовлен из метаматериала.

Впервые эта идея была проверена исследователями в 2006 г. с помощью жесткого метаматериального плаща - полого цилиндра, стенки которого состояли из тысяч мелких структур, заставляющих микроволны проходить по подходящим траекториям внутри.

Помещённый вокруг непрозрачного объекта, плащ практически полностью "исчезал", скрывая объект. С тех пор исследователям удалось заставить небольшие неодушевленные предметы, а также рыбу, кошку и даже руку исчезнуть под воздействием видимого света, но только при узком угле обзора. 

Другие исследователи разработали гибкий плащ, который оборачивается вокруг небольшого объекта и заставляет его "исчезнуть", но только на одной длине волны. Наука пока не может создать плащ, полностью скрывающий человека в видимом свете, но исследования в этой области ведутся, и мы приближаемся к созданию мантии-невидимки из Гарри Поттера.

 2. Свет способен толкать предметы

Подобно брошенным камням, фотоны обладают импульсом, который они передают объекту при столкновении.

Именно благодаря этому давлению солнечный свет отталкивает хвосты комет от Солнца и может приводить в движение космические аппараты. 

В 2010 г. Японское агентство аэрокосмических исследований (JAXA) запустило космический аппарат IKAROS (Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation of the Sun). Его тонкий полимерный парус размером с теннисный корт собирал солнечные фотоны, которые в совокупности создавали небольшую силу, неуклонно ускорявшую аппарат IKAROS. 

Спустя полгода и 300 млн. миль он прибыл к цели вблизи Венеры, вообще не используя топлива для движения. Теперь JAXA и другие космические агентства рассматривают возможность более длительных полетов с использованием более крупных и эффективных солнечных парусов.

Примечательно, что источник света также может притягивать к себе объект, причем против направления распространения света. Физики показали, что в лазерном пучке специальной формы обратное воздействие фотонов обусловлено собственным электромагнитным откликом частицы. 

Этот эффект достаточно силен, чтобы притянуть микроскопический объект, например биологическую клетку, назад к лазеру.

В 2023 году, однако, в другом эксперименте было показано, что маломощный лазер может притянуть к себе сравнительно большой макроскопический объект размером 0,2 х 0,1 дюйма. 

Это вряд ли можно назвать фантастическим лучом гравипушки из Half-life, способным увлечь за собой крупный объект, но открытие может дать новый способ дистанционного исследования атмосферы на Земле и других планетах, а также таких явлений, как хвосты комет.

3. Фантомная съемка: изображения в темноте

Предположим, вы хотите сформировать изображение чего-то вроде живой клетки, которая может быть повреждена освещающей её световой энергией. Для получения превосходного изображения едва освещённого объекта в "фантомной" съёмке используется явление квантового запутывания фотонов. 

Запутанные пары фотонов, образующиеся в результате определенных оптических процессов, коррелированы, так что измерение свойств одной из них немедленно выявляет свойства другой, независимо от расстояния.

При формировании фантомных изображений одна из запутанных пар фотонов, взаимодействуя с объектом, попадает на детектор, который регистрирует её появление. Второй пучок соответствующих запутанных пар не касается объекта, а направляется прямиком на чувствительный детектор. Компьютерный анализ корреляций между результатами работы двух детекторов позволяет получить высококачественное изображение объекта даже при слабом освещении.

Этот подход может быть использован, например, для преобразования изображений, полученных с помощью невидимого инфракрасного излучения, в видимые изображения или для получения качественных рентгеновских снимков пациента, подвергшегося воздействию малой и относительно безопасной дозы рентгеновского излучения.

4. Опыт Юнга с двумя щелями, но во времени

В знаменитом эксперименте с двойными щелями, впервые проведённом в 1801 г., луч света расщепляется при прохождении через две узкие щели в непрозрачной преграде. На дальней стороне лучи накладываются друг на друга, образуя на экране узор из светлых и темных областей, показывая, что свет состоит из волн, которые могут интерферировать (складываться) друг с другом. 

Однако в современной версии эксперимента, когда в щели направляется только один фотон, интерференционная картина всё равно получается волнообразной. По словам Ричарда Фейнмана, этот поразительный, до сих пор не объяснённый пример дуализма волны и частицы "содержит в себе сердце квантовой механики... он содержит единственную загадку".

Теперь физики воспроизвели этот эксперимент со щелями не в пространстве, а во времени. Они использовали тонкую пленку оксида индия-олова (ITO), которая прозрачна для инфракрасного света, но быстро становится отражающей при возбуждении лазером.

В ходе эксперимента исследователи облучали ITO инфракрасным светом. Когда ITO на короткое время становился зеркалом, отраженный инфракрасный свет оставался в своем первоначальном виде. Но когда зеркало ITO было кратковременно включено и выключено два раза подряд, отраженный инфракрасный свет однозначно показал, что он интерферировал сам с собой в результате прохождения не через один, а через два временных портала или щели.

Один из наблюдателей заметил, что эта работа может стать фундаментальной, как и оригинальный эксперимент с двойными щелями. 

Расширяя его во времени, а не в пространстве, исследование предлагает новый способ изучения загадки "сердца квантовой механики". 

Исследование также показывает возможность использования метаматериалов типа ITO для управления светом в оптических системах и квантовых компьютерах на сверхбыстрых скоростях.

5. Остановить свет

Если и есть какой-то физический факт, который известен людям, так это то, что свет - самое быстрое явление во Вселенной: в вакууме он движется со скоростью 300 000 км/с. При взаимодействии света с обычным веществом эта скорость несколько снижается, например, в оптическом волокне и обычном стекле она составляет около 230 000 км/с.

Этой скорости всё ещё достаточно, чтобы обогнуть Землю за долю секунды; поэтому в 1999 году большой новостью стало то, что исследовательница из Гарварда Лене Хау чрезвычайно сильно замедлила скорость света до человеческих 60 километров в час, с которыми может сравниться велосипедист в хорошей физической форме. Результат был достигнут в экзотической среде - плотном газе атомов натрия, охлаждённом почти до абсолютного нуля. В результате была получена квантовая среда, названная конденсатом Бозе-Эйнштейна.

Свет взаимодействует с ней сильнее, чем с обычной средой, и поэтому его скорость была сильно уменьшена. Позже это достижение превзошли, замедлив свет до нескольких сантиметров в секунду и даже полностью остановив его.

Эти результаты являются прорывом в фундаментальной физике и могли бы быть полезными, если бы не необходимость работать при температурах, близких к абсолютному нулю. 

Но со времени первой работы другие исследователи замедлили свет в газах и твердых телах при комнатной температуре, что позволило использовать замедленный свет в практических устройствах. 

В настоящее время такие устройства разрабатываются, например, для синхронизации сигналов в волоконно-оптических сетях и для хранения цифровых данных в компьютерах. Оба применения являются важными шагами на пути к созданию современных телекоммуникационных сетей и квантовых компьютеров, полностью основанных на свете, а не на обычных электронных чипах.