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.
    Поделиться публикацией
    Похожие публикации
    Никаких подозрительных скриптов, только релевантные баннеры. Не релевантные? Пиши на: adv@tmtm.ru с темой «Полундра»

    Зачем оно вам?
    Реклама
    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 полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.