0,0
рейтинг
26 января 2015 в 09:35

О новости про «замедление» фотона

Пару дней назад научно-популярные СМИ облетела новость, будто бы учёные обнаружили, что фотоны в вакууме могут распространяться со скоростью ниже скорости света. Для этого достаточно пропустить их через особую маску. Это сообщение вызвало у меня определённый скепсис, который я отразил кавычками в названии этого поста, и желание разобраться, что же там произошло на самом деле.

image
Картинка из пресс-релиза Университета Глазго

Естественно, первым делом я решил проверить, не закралась ли ошибка при переводе. Такое время от времени случается в рунете. Дело в том, что работой с англоязычными источниками у нас занимаются единицы, остальные просто делают рерайт с уже переведённых новостей. Были случаи, когда, например, Лента.ру допускала при переводе ошибку, и она тиражировалась в десяток других СМИ.

Поэтому я разыскал изначальный пресс-релиз, и прочитав его, понял, что ошибки при переводе не было. Действительно, утверждается, что были получены фотоны, скорость которых в вакууме ниже скорости света:

Co-lead author Jacquiline Romero said: «...This finding shows unambiguously that the propagation of light can be slowed below the commonly accepted figure of 299,792,458 metres per second, even when travelling in… vacuum.

Следующий шаг заключался в том, чтобы проверить, нет ли ошибки в пресс-релизе. Журналисты даже в весьма серьёзных изданиях не гнушаются для красного словца приукрасить результаты. Даже сами учёные в своих комментариях для пресс-релиза иногда пользуются не очень удачной аналогией или гиперболой, не замечая, что она искажает суть их работы.

В общем, я заглянул в саму научную статью, опубликованную в более чем авторитетном журнале Science. К своему удивлению там я увидел то же самое утверждение, причём вынесенное прямо в название:

Spatially structured photons that travel in free space slower than the speed of light

Это означало, что надо разбираться в работе по сути. К счастью, моя квалификация это позволяет.

В чём же заключается суть работы? Авторы берут источник света, делят его излучение на два луча, один из которых пускают по линии задержки, не искажая его профиля, а второй пропускают через специальную маску — линзу определённой формы. Длину линии задержки подбирают таким образом, чтобы фотоны и там, и там достигали выхода в один и тот же момент времени. После этого регистратор отодвигают на некоторое расстояние и смотрят, через какое время приходят два фотона. Если их скорости одинаковы, они должны прийти в один и тот же момент времени, если нет — то с некоторой разницей.

Оказалось, что фотон, прошедший по первому пути, приходит заметно раньше, при этом его измеренная скорость оказалась равной скорости света, что и ожидаемо. Но это означает, что у фотона, прошедшего вторым путём, скорость меньше скорости света. Вроде всё сходится, и новости совершенно верно отражают результат проведённого эксперимента.

Но дьявол, как известно, кроется в деталях.

Давайте посмотрим, что собой представляет использованная маска. Исследователи изучали два вида маски. Первая придавала пучку огибающую в виде функции Гаусса, а вторая — в виде функции Бесселя. Дальнейшие рассуждения удобнее проводить на примере бесселевого пучка, поскольку, фактически, это случай конической фокусировки, для которого линза выглядит как-то так:
image
Автор: Egmason. Источник: Wikimedia Commons

Если взглянуть на эту картинку получше, то можно понять, что линза, фактически, разбивает падающую волну на две волны равной амплитуды, бегущих под углом к первоначальному направлению распространения. Если вспомнить, что фотон это не просто частица, но и волновой объект (корпускулярно-волновой дуализм, однако), то ясно, что и он в такой линзе «разбивается» на два «субфотона», бегущих под углом к первоначальному направлению распространения. Если говорить по-научному, то фотон помещается в суперпозицию двух состояний с различными импульсами.

При этом в среднем фотон продолжает лететь, куда летел, и в эксперименте как раз и измеряется скорость этого усреднённого движения. Каждый из «субфотонов», однако, летит всё с той же скоростью света, и измеряемая усреднённая скорость — это просто проекция их скорости на первоначальное направление распространения.

Для гауссова пучка рассуждения аналогичны, за тем исключением, что фотон в нём помещается в суперпозицию не двух, а бесконечного числа состояний с разными импульсами.

Конечно, эти «субфотоны» не более чем воображаемые объекты, которые я ввёл для наглядности. Реален лишь фотон, находящийся в суперпозиции двух состояний. Поэтому интерпретация результата, данная в работе, имеет право на существование. Но если бы фоторегистратор отнесли подальше, то на нём после пролёта большого количества фотонов экспериментаторы увидели бы два разнесённых пятна, и тогда неоднозначность их интерпретации стала бы более очевидной.

Чтобы подчеркнуть только что сказанное, приведу ещё один пример. Если мы пустим фотон на полупрозрачную пластинку с коэффициентом пропускания 50%, то будем регистрировать его то с одной стороны от пластинки, то с другой. Его средняя скорость, таким образом, будет равна нулю. Но это и так очевидно, никакого сверхрезультата здесь нет.

Резюмируя. В эксперименте, действительно, была измерена скорость фотона ниже скорости света. Но следует иметь ввиду, что это довольно специфическая скорость. Результат, однако, важен для некоторых приложений, и поэтому имел право на публикацию.

P.S. В некотором смысле обратный эффект, кстати, был использован в недавней статье про «самоускоряющиеся» электроны. Поскольку электроны тоже демонстрируют волновые свойства, то можно поместить их в такую суперпозицию состояний, что для большинства электронов время их прихода к детектору будет относительно велико, но небольшая фракция частиц придёт на детектор очень быстро, продемонстрировав тем самым как бы увеличение скорости.
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (17)

  • +2
    Невольно вырвалось резюме: «Фотон что дышло, куда повернул туда и вышло»

    P.S. Спасибо за разъяснение вопросы.
  • +4
    Да, это несколько специфичная скорость. Но это еще один признак того, что любое скрещивание ОТО\СТО и квантов — межвидовое.
  • 0
    Значит ли это, что если лазерное пятно имеет заметный размер (скажем, 1 угловая минута), то фотон, прилетевший в центр пятна, потратил столько же времени, сколько и фотон, прилетевший на его край?
    Даже если это так, то относительная ошибка будет 14*10^-9… заметно меньше ошибки оценки коэффициента преломления воздуха. 1 микрон на 70 метров. Пока не страшно :)
    • 0
      1 /cos (1/60 *%pi/180) -1 = 4.231D-08
      При лазерной локации на 20 000 км (до нав спутников) — 8 см, не кисло так.
      • 0
        Опечатался -80 см
        • 0
          В 4 раза меньше: 1 минута — диаметр пятна, а не радиус.
          Правда, на 10 км атмосферы свет уже потеряет пару метров, причём не очень предсказуемо (с учётом неоднородности).
          • 0
            Неоднородности влияние атмосферы можно устранить пачкой импульсов (кстати, так оно и делается).
            А вот этот эффект скорее мы не увидим, т.к. на земле пятно большое и мы сидим, обычно, на крою второй дифракционного зоны. Т.е. это постоянная аддитивная величина, которую можно учесть при натягивание на расчетную траекторию.

            Но факт того, что влияние его может быть существенно.
    • 0
      Речь идёт всё-таки о фокусированных пучках. В эксперименте у них угловая расходимость составляла не меньше 0,00225 радиана — это около 0,13 градуса.
      • 0
        0.13 градуса — 8 минут. И при этом эффект ещё не теряется. Значит, на более узких пучках он должен быть ещё стабильнее (хотя и на два порядка меньше).
        Конечно, при фокусировке сферической линзой некоторая часть фотонов пойдёт по центру, и их продольная скорость будет ближе к 1, но фотонов, которые прилетают на край пятна, тоже немало.
  • +2
    А само по себе пропускание через линзу (материал, не вакуум) не влияет на процесс?
    • +5
      Оно компенсируется линией задержки для первого фотона. То есть фотоны синхронизируются уже на выходе из своих оптических систем.
  • 0
    Всё-таки я не понял одного, если удалить детектор дальше, то будет два пятна, как от двух лучей?
    • 0
      Да. У «структурированного» луча просто больше оптическая длина, вот и «медленнее» идёт.
  • 0
    Ух какой термин «структурированный свет», применительно к линейной среде, оно как-то совсем не клеится, ну да ладно.

    Вообще статья хорошо характеризует публикации в современной физике. По сути — линейная оптика, вообще нового ничего в статье не внесено, кроме достаточно очевидного эксперимента. Но громкое название, красивое изложение и работа PR команды университета позволило протолкнуть это в Science. Думаю, что у статьи судьба была примерно такая: APL -> PRL -> Nature Comm -> Science. Понятно, что в серьёзный журнал типа физ рева это не прошло, а вот в Science пожалуйста.
    • 0
      В самой статье в Science, как я понял, авторы сообщают, что они просто получили в однофотонном режиме те же результаты, которые были ранее получены другими исследователями в многофотонном. Не думаю, что команда университета что-то там пиарила. Эти журналисты сами наугад пиарят, что попало. У меня так статейка в PRL со свистом ушла. Не то чтобы она недостойна, но в пресс-релизах журналюги писали то, что ещё Галилео Галилей заметил, тогда как статья совсем по другому поводу писалась. Впрочем, разбирающиеся люди уловили как раз то, что надо.
      • 0
        Всё-таки, Юра (привет, кстати!), если авторы посылают статью ни куда-нибудь, а в Science, значит, и они видят в ней что-то выдающееся. Я могу предположить, что это что-то — в технической стороне дела. В теории всё-таки ничего особенного тут нет.
        • 0
          Привет, однокурсник! Спасибо за прекрасные статьи.
          Да, полностью согласен. Что-то должно быть. Я пытался вкурить, но понял только, что тиражируемый журналистами результат сам по себе не так уж интересен. В остальном же, вообще говоря, даже возможность излучения одного фотона для меня загадка.

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.