Плащи-невидимки. Фантомные изображения. Ученые манипулируют светом такими способами, которые раньше считались научной фантастикой.
Можно подумать, что после столетий изучения света мы знаем о нем практически все. Действительно, мы совершали прорыв за прорывом в его использовании – от освещения до связи, от изучения микро- и макровселенной до сканирования собственного тела. Мы понимаем, что свет – это электромагнитная волна, благодаря Джеймсу Клерку Максвеллу, чьи уравнения установили это в 1865 г.; и что он также проявляется в виде квантовых пакетов электромагнитной энергии, называемых фотонами, что было признано Альбертом Эйнштейном в 1905 году.
Но чем больше мы изучаем свет, тем больше мы видим и тем больше узнаем. Классический взгляд на свет как на волну по-прежнему дает новые научные результаты при взаимодействии световых волн с искусственными “метаматериалами”, и мы продолжаем изучать свет как квантовую частицу. Оба подхода позволяют управлять светом, что раньше было лишь научной фантастикой. Вот пять последних чудес.
Содержание
1. Изгиб света для невидимости
Волшебные кольца-невидимки и плащи, встречающиеся в фантастических рассказах, отражают древнюю мечту человека прятать от чужих глаз вещи и людей. Невидимость проявляется и в научной фантастике, например в фильме “Звездный путь”, где враждебные ромуланские корабли скрываются с помощью маскировочного устройства. При этом используется идея из теории относительности, согласно которой сильно искаженное пространство-время заставляет свет искривляться вокруг корабля, как будто его не существует.
Физики пока не знают, как это осуществить на практике, но классическая оптика световых волн и световых лучей указывает на другое решение. Мы видим объект, когда он взаимодействует с входящим светом. В принципе, плащ-невидимка может перехватывать эти лучи, изгибать или преломлять их в себе, чтобы они проходили внутри плаща и выходили наружу по своим первоначальным траекториям. Наблюдатель, видя то, что выглядит как неотраженный свет, будет думать, что там ничего нет, подобно тому как текущая вода, плавно расходящаяся вокруг камня на дне и затем вновь соединяющаяся, не показывает никаких признаков камня внизу. Но чтобы заставить свет двигаться по столь сложной траектории, 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 стенки. Помещенный вокруг непрозрачного металлического объекта, плащ практически полностью исчезал под действием микроволнового излучения.
С тех пор исследователям удалось заставить небольшие неодушевленные предметы, а также рыбу, кошку и руку исчезнуть под воздействием обычного видимого света, но только при очень определенном 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 при обычном свете, но исследования в области невидимости продолжаются, и мы приближаемся к созданию чудесного плаща Гарри Поттера.
2. Свет толкает и тянет 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, в честь Икара, который в мифе пролетел рядом с Солнцем). Его тонкий полимерный парус размером с теннисный корт собирал солнечные фотоны, которые в совокупности создавали небольшую силу, неуклонно ускорявшую IKAROS.
Спустя полгода и почти 500 млн. километров он прибыл к цели вблизи Венеры, не используя топлива для движения. Теперь JAXA и другие космические агентства рассматривают возможность 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 прямое воздействие фотонов на частицу преобладает над обратным воздействием, обусловленным собственным электромагнитным откликом частицы. Этот эффект достаточно силен, чтобы притянуть микроскопический объект, например биологическую клетку, назад к лазеру.
А в 2023 году, в другом эксперименте было показано, что маломощный лазер может притянуть к себе сравнительно большой макроскопический объект размером 0,5 х 0,2 см. Такое вряд ли можно назвать мощным фантастическим “тяговым лучом”, способным увлечь за собой целый космический корабль, но это может дать новый способ дистанционного исследования атмосферы на Земле и других планетах, а также таких явлений, как хвосты комет.
3. Фантомная визуализация: фотография в темноте
Предположим, вы хотите сформировать изображение чего-то вроде живой клетки, но которая может быть изменена или повреждена освещающей ее световой энергией. Для получения превосходного изображения едва освещенного объекта в “фантомной” визуализации используется явление запутывания фотонов. Запутанные пары фотонов, образующиеся в результате определенных оптических процессов, квантово коррелированы, так что измерение свойств одной из них немедленно выявляет свойства другой, независимо от расстояния.
При формировании призрачных изображений одна из роя запутанных пар фотонов, взаимодействуя с объектом, попадает на детектор, который просто регистрирует его появление. Второй пучок соответствующих запутанных партнеров никогда не касается объекта, а направляется прямо на чувствительный многопиксельный 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, скрытно полученных с помощью невидимого инфракрасного излучения, в видимые изображения, регистрируемые камерой высокого разрешения, или для получения качественных рентгеновских снимков пациента, подвергшегося воздействию малой и относительно безопасной дозы рентгеновского излучения.
4. Квантовые щели во времени
В знаменитом эксперименте с двумя щелями, впервые проведенном в 1801 году, световой луч разделяется, проходя через две узкие щели в непрозрачном барьере. На дальней стороне лучи расходятся и накладываются друг на друга, образуя на экране узор из светлых и темных областей, показывая, что свет состоит из волн, которые могут интерферировать друг с другом. Однако в современной версии эксперимента, когда в щели направляется только один фотон, интерференционная картина все равно получается волнообразной. По словам Ричарда Фейнмана, этот поразительный, но до сих пор не объясненный пример дуализма волны и частицы “содержит в себе сердце квантовой механики… и в нем заключена единственная тайна”.
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 в течение 10-15 секунд при возбуждении лазером. В ходе эксперимента исследователи облучали ITO инфракрасным светом. Когда пленка ITO на короткое время становилась зеркалом, отраженный инфракрасный свет оставался в своей первоначальной форме. Но когда зеркало ITO было очень быстро 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 классической, как и оригинальный эксперимент с двойными щелями. Расширяя его во времени, а не в пространстве, исследование предлагает новый способ изучения “единственной тайны”. Работа также показывает возможность использования метаматериалов типа ITO для управления светом в оптических системах и квантовых компьютерах на сверхбыстрых скоростях.
5. Обгон света на велосипеде
Если и есть какой-то физический факт, который люди знают, так это то, что свет – самое быстрое явление во Вселенной: он движется со скоростью 300 000 км/с в вакууме. При взаимодействии света с обычным веществом эта скорость несколько снижается, например, в оптическом волокне или обычном стекле она составляет около 200 000 км/сек. Но этой скорости все еще 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 вполне человеческих 60 километров в час, которые вполне может развить велосипедист в хорошей физической форме.
Это было достигнуто в экзотической среде – плотном газе атомов натрия, охлажденном почти до абсолютного нуля. В результате была получена квантовая среда, названная конденсатом Бозе-Эйнштейна. Свет взаимодействует с ним сильнее, чем с любой обычной средой, поэтому он сильно замедлился. Позже Хау превзошла это достижение, резко остановив свет, а затем восстановив его и отправив в дальнейший путь.
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 научились уже замедлять свет в газах и твердых телах при комнатной температуре, что позволило использовать замедленный и остановленный 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.
Читайте также: Изгибающая свет гравитация раскрывает самую большую черную дыру из когда-либо найденных