Фотоны света

Результаты нового исследования показали, что свет ведет себя как волна и частица не только в пространстве, но и во времени.

Один из самых странных и известных экспериментов в физике двухщелевой эксперимент, лучше прочих иллюстрирует таинственную природу квантовой механики. Все потому, что свет, воспринимаемый нами как нечто обыденное, может вести себя и как частица и как волна одновременно, что удалось подтвердить экспериментальным путем в 2021 году. Однако первым на этот необычный феномен обратил внимание английский физик и математик Томас Юнг в 1801 году, когда заметил, что при сложении звуковых волн происходит ослабление и усиление звука. Предположив, что свет подобен звуку, Юнг решил провести эксперимент, в ходе которого направил пучок света на непрозрачный экран-ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого был установлен еще один, проекционный экран. Ширина прорезей, при этом, была приблизительно равна длине волны излучаемого света. Результатом эксперимента стала интерференционная картина, которая демонстрирует, что фотон как будто проходит через обе щели одновременно. Недавно, однако, ситуация усложнилась изменения, внесенные физиками в классический опыт Юнга, показали, что поведение фотонов меняется в зависимости от… времени.

Классический опыт Юнга

Прежде чем перейти к увлекательным результатам исследования, опубликованного в журнале Nature Physics, обратимся к классическому эксперименту Юнга, а также вспомним основные принципы квантовой механики. Так, по мнению автора этой статьи, читателю будет проще разобраться в происходящем.

Начнем с того, что споры о природе света в академических кругах велись с 18 века. Исаак Ньютон, например, считал, что свет состоит из потока частиц, а голландский физик и астроном Кристиан Гюйгенс, напротив, называл свет волнами, вибрирующими в некоем подобии эфира. Эти догадки основывались на волновой природе звуковых волн, которые распространяются по изогнутым трубам, огибая углы, в отличие от света. Более того, Ньютон заметил, что в воде скорость света менялась, что заставило его привнести в свою теорию необъяснимую силу, способную объяснить это странное явление.

Исаак Ньютон был убежден, что свет это частица, а не волна

Это интересно: Почему квантовая физика сродни магии?

Так как в те годы молодой ученый пользовался большой популярностью, оспорить его теорию никто не решался вплоть до 1801 года. Тогда, как упоминалось выше, Томас Юнг впервые наблюдал интерференцию. Причиной, по которой этот эрудированный ученый с опытом в разных областях науки, включая медицину, заинтересовался светом, стала препарация бычьего глаза, во время которой он размышлял о том, как глаза фокусируются на объектах на разных расстояниях. Впоследствии Юнг предложил теорию цветового зрения.

Юнг также восхищался Ньютоном, однако к 1800 году заметил кое-что неладное в корпускулярной теории. Так, свет вел себя по-разному между воздухом и водой одна его часть отражалась, а вторая преломлялась, что невозможно объяснить теорией Ньютона. Чтобы разобраться в происходящем, Юнг, как и его предшественники, обратился к звуку, заметив, что при пересечении двух звуковых волн, они интерферируют друг с другом. Со временем физик начал понимать, что явление интерференции может быть применимо и к свету.

Напомню, что интерференция возникает, когда два набора волн накладываются друг на друга. Ранее я рассказывала о результатах эксперимента, который показал, что квантовая запутанность существует между разнородными частицами.

Свет не так прост, как кажется

В 1801 году, размышляя над экспериментами Ньютона, Юнг выдвинул основную идею знаменитого эксперимента, однако его результаты впоследствии были раскритикованы академическим сообществом. Установка, предложенная Юнгом, в дальнейшем использовалась для демонстрации волновой природы света и способности электронов вести себя как волны и создавать интерференционные картины.

Ситуация изменилась многим позже благодаря становлению квантовой механики, когда физики (во многом благодаря опыту Юнга) перестали сомневаться в двойственной природе света, который, как мы знаем, может вести себя и как волна и как частица одновременно.

ВАЖНО: В 2021 году физики экспериментально подтвердили корпускулярно-волновой дуализм.

Становление квантовой механики

< Квантовая физика изучает устройство мира на микроскопическом уровне. В отличие от классической физики, сосредоточенной на исследовании макромира (включая космос и небесные тела), эта область исследований сконцентрирована на атомах крошечных кирпичиках мироздания, увидеть которые невооруженным глазом невозможно. Но это лишь малая часть странностей, встречающихся на пути ученых. Учитывая специфический характер квантовой механики, ее основателями были многие выдающиеся ученые, включая физика-теоретика Макса Планка, «отца» атома Нильса Бора, создателя Общей теории относительности (ОТО) Альберта Эйнштейна, физика Вернера Гейзенберга и многих других знаменитых деятелей науки. Все потому, что разобраться в происходящем было невероятно сложно.

Перед вами первый в истории снимок света и как волны, и как частицы. Фото сделано в лаборатории Фабрицио Карбоне (Fabrizio Carbone) в Федеральной политехнической школе Лозанны

Больше о других не менее странных явлениях квантовой механики читайте в нашей статье "Тайны квантовой механики что такое квантовая запутанность?"

И все же первенство в создании современной квантовой теории принадлежит немецкому физику Максу Планку, который опубликовал новаторское исследование, продемонстрировав, что энергия в определенных ситуациях может проявлять характеристики физической материи. Отметим, что в те годы энергия считалась исключительно непрерывным волнообразным явлением, независимым от характеристик физической материи.

Теория Планка, напротив, утверждала, что энергия состоит из компонентов, похожих на частицы или кванты. Его работа помогла разрешить ранее необъяснимые природные явления, включая поглощение света на атомном уровне, за что в 1918 году он был удостоен Нобелевской премии по физике.

Затем Эйнштейн, Бор, Луи де Бройль, Шредингер и Дирак развили теорию Планка, подарив миру квантовую механику математическое приложение квантовой теории, согласно которому энергия является одновременно и материей и волной и зависит от рядя переменных. Таким образом, квантовая механика придерживается вероятностного взгляда на устройство мироздания, что сильно отличается от механики классической, в которой все точные свойства объектов поддаются вычислению.

Перед вами фото, сделанное в 1927 году в ходе V Сольвеевского конгресса. Все 29 участников до неузнаваемости изменили мир.

Сегодня квантовая механика и теория относительности являются основой современной физики и... ее главной проблемой. Подробнее о том, почему ОТО противоречит квантовой механике и что это означает для современной науки читайте в статье "Может ли квантовая механика объяснить существование пространства-времени?", рекомендую!

Как квантовая механика изменила мир?

Сегодня о «таинственной» квантовой физике не слышал разве что ленивый, так как ее используют для объяснения самых разных и даже не существующих явлений. Что неудивительно, ведь вряд ли в мире найдется ученый, который полностью понимает устройство Вселенной на микроуровне. Квантовая механика, тем не менее, окончательно и бесповоротно изменила мир, способствуя развитию и становлению современной цивилизации. Чтобы внести некоторую ясность и обосновать громкие заявления, перечислим основные достижения этой научной дисциплины.

• Компьютеры и смартфоны это ярчайший пример того, что подарила миру квантовая механика. Все потому, что работа современной электроники на основе полупроводников зависит от волновой природы электронов. И поскольку мы понимаем эту волновую природу, то можем манипулировать электрическими свойствами кремния для создания компьютерных чипов: получить их можно смешивая крошечные доли необходимых элементов друг с другом.
• 

  Вы читаете эту статью благодаря квантовой механике

  Компьютерные чипы питают и приводят в действие настольные компьютеры, ноутбуки, планшеты, смартфоны и даже мелкую бытовую технику. Без детального понимания квантовой природы материи создать их было бы невозможно.

• Лазеры и телекоммуникации: в классических волоконно-оптических телекоммуникациях, используемых для передачи сообщений по волоконно-оптическим кабелям, источниками света являются квантовые устройства лазеры. Да-да, каждый раз, когда вы делаете телефонный звонок, то прямо или косвенно используете лазер, или, если хотите, саму квантовую физику.
• 

  Лазеры это генераторы и усилители когерентного излучения в оптическом диапазоне

  Ключевой принцип лазера описан Эйнштейном в 1917 году в работе о статистике фотонов (хотя сам термин был введен позже) и их взаимодействии с атомами. Результатом этого взаимодействия является индуцированное (или когерентное) излучение, при котором оба фотона грубо говоря "клонируют" друг друга, т. е. имеют одинаковые частоту, фазу и направление.

• С помощью навигационных систем GPS, подключенных к Интернету, можно проложить путь в любое незнакомое место. Все потому, что навигацию на смартфонах обеспечивает глобальная система позиционирования сеть спутников, каждый из которых передает сигнал, принимаемый GPS-навигатором, определяющим местоположение с точностью до нескольких метров. Работа GPS основана на постоянной скорости света для преобразования времени в расстояние.
• 

  Каждый раз, когда вы пользуетесь смартфоном, чтобы добраться из пункта А в пункт Б, благодарите за него квантовую механику
  

  Для точной и синхронизированной работы спутниковой системы, в каждый из них встроены атомные часы, работающие благодаря принципам квантовой механики. "Тиканье" часов это колебание микроволн, которое приводит к переходу между двумя определенными квантовыми состояниями в атоме цезия (или рубидия, в некоторых часах).

Удивительно, правда? Несмотря на то, что квантовая физика загадочна и непостижима, представить повседневную жизнь без нее попросту невозможно.

Современный опыт Юнга

Томас Юнг провел свой знаменитый эксперимент без малого 222 года назад. По этой причине современный опыт выглядит несколько иначе физики пропускают излучение отдельных частиц света или материи через две щели или отверстия, вырезанные в непрозрачном барьере. По другую сторону барьера находится экран, который регистрирует прибытие частиц.

Результат эксперимента, несмотря на модернизацию, не меняется: вместо того, чтобы пройти через ту или иную щель и накапливаться за каждой из них, фотоны переходят в определенные части экрана и избегают друг друга, что приводит к созданию чередующихся полос света и тьмы, то есть к интерференции. Так, однако, происходит не всегда оказалось, что в любой момент времени через аппарат проходит только один фотон.

Поведение фотонов меняется когда мы просто наблюдаем за ходом эксперимента. Реальность намного сложнее, чем кажется.

Это кажется нелогичным, но если посмотреть на фотон с математической точки зрения, приняв его за волновую функцию (абстрактную математическую функцию, представляющую состояние фотона/его местоположение), как все встает на свои места. Дело в том, что волновая функция ведет себя как волна а значит фотон попадает в обе щели. В результате новые волны исходят из каждой щели с другой стороны, распространяются и мешают друг другу.

Читайте также: Нобелевская премия по физике 2022: квантовая запутанность и телепортация

Таким образом мы можем сформулировать основную идею эксперимента с двумя щелями даже если пропускать фотоны через обе щели по одному за раз, то он все равно будет вести себя как волна, создавая интерференционную картину. Вот только эта волна вероятность, поскольку ученые не знают, через какую из двух щелей пройдет тот или иной фотон. Проблема заключается в том, что когда ученые пытаются определить какой именно фотон проходит через конкретную щель, интерференционная картина не возникает (что бы ученые не делали).

Эксперимент с отложенным выбором

Отметим, что в квантовой механике существует целый ряд классических двухщелевых экспериментов, включая эксперимент «с отложенным выбором» (так называемый «квантовый ластик с отложенным выбором»). Несмотря на странное название, идея достаточно проста испускаемые лазером фотоны попадают на двухщелевую пластину, за которой находится нелинейный оптический кристалл, который разбивает один фотон на пару запутанных фотонов (подробнее прочитать об этом явлении можно здесь).

Цель эксперимента заключается в формировании стандартной интерференционной картины, которую должен создать один из фотонов, а его «партнер» направиться к детектору. Этого, однако, не происходит: даже если второй фотон можно обнаружить после того, как первый попадает на экран, интерференционный картины не возникает.

Классический опыт Юнга, описание

Теоретически это означает, что наблюдение за фотоном может изменить события, которые уже произошли. Вот только как именно все это работает по-прежнему неизвестно, а значит перед нами одна из величайших загадок квантовой механики.

А вы знаете, что существуют разные интерпретации квантовой механики? Например, известно ли вам, что такое интерпретация Эверетта?

Как свет ведет себя во времени и пространстве?

Не прекращая попытки установить причину странного поведения фотонов, физики из Имперского колледжа Лондона опубликовали результаты инновационной работы в журнале Nature Physics, продемонстрировав, что опыт Юнга справедлив не только в отношении пространства, но и времени. В первоначальном эксперименте световые волны проходили через узкие промежутки в физическом пространстве, но в новой вариации физики использовали специальный материал, меняющий степень отражения света.

Когда на тонкий слой оксида индия электропроводящего прозрачного материала, который регулярно используется в сенсорных экранах смартфонов попадает интенсивный лазерный импульс, то он на крошечную долю секунды становится зеркалом. Этот материал, как говорится в работе, чрезвычайно быстро меняет свою отражательную способность, что сравнимо с частотой колебаний света.

Если бы вся история Вселенной от Большого взрыва до момента, когда вы читаете эту статью, длилась секунду, колебание света было бы равнозначно одному дню. Скорость переключения зеркал-щелей оказалась феноменальной считаные фемтосекунды, объясняет ведущий автор статьи Ромен Тироль.

Группе физиков удалось воссоздать двухщелевой эксперимент, который доказал волновую природу света во времени.

Если говорить совсем просто, то физики смогли наблюдать процессы интерференции света во времени после прохождения щелей световые волны то усиливали, то гасили друг друга (точно так же, как это происходит в классическом эксперименте Юнга). Однако на этот раз интерференция происходила на шкале времени.

Таким образом, 222 года спустя, ученые доказали, что свет ведет себя как частица и волна не только в пространстве, но и во времени.

Мы также узнали о существовании более точных способов измерения оптического отклика среды, а результаты исследования в будущем могут привести к созданию новых вычислительных технологий и спектроскопии (что пригодится при изучении черных дыр и других астрофизических явлений). Помимо теоретической и концептуальной ценности, подобные эксперименты продолжают служить источником новых знаний и проводятся для разных типов волн, включая электронные, звуковые и др.

Только представьте какое влияние новое открытие может оказать на вычислительную мощность квантовых компьюетров

Мы также не можем исключать и других последующих открытий, к которым сегодня никто не решается приступить. В конечном итоге мы слишком мало знаем о природе Вселенной, в которой неизученных областей намного больше, чем можно себе представить. А как вы думаете, к чему могут привести дальнейшие эксперименты в области квантовой физики? Ответ, как и всегда, будем ждать в нашем Telegram-чате, спасибо за внимание!

Специальные световые волны проникают сквозь непрозрачные материалы.

Исследователям из Венского технологического университета и Утрехтского университета удалось проникнуть в непрозрачный материал с помощью специальных световых волн, как будто этого материала вообще не существовало! Звучит почти как научная фантастика, но это реальность. С помощью специальных световых волн непрозрачные объекты могут стать прозрачными по крайней мере, для этих световых волн. Свет обычно не может проникать через определенные материалы или только в ограниченной степени, потому что рассеивается, изменяется и отклоняется. Но международной команде исследователей удалось показать, что существует класс совершенно особых световых волн, для которых непрозрачных объектов словно нет в природе. Это означает, что для «любой конкретной неупорядоченной среды» будь то кусочек сахара или стакан молока могут быть созданы индивидуальные ослабленные (но не измененные) световые лучи.

Особый класс световых волн

Ученые полагают, что световые волны точно так же, как рябь на поверхности воды могут принимать бесконечное множество разнообразных форм. Как объясняют авторы исследования, недавно опубликованного в журнале Nature Photonics, каждый из этих паттернов световых волн изменяется и отклоняется очень специфическим образом, когда вы посылаете его через неупорядоченную среду.

Работая над математическими методами описания таких эффектов рассеяния света, международная команда ученых использовала в качестве светорассеивающей среды слой оксида цинка непрозрачного белого порошка из совершенно беспорядочно расположенных наночастиц. На этот слой ученые направили специфические световые сигналы, что позволило измерить как они попадают в детектор позади него. Результаты эксперимента позволяют не только сделать вывод о том, как среда изменяет любые другие волны, но также точно рассчитать, какие волновые паттерны будут изменены слоем оксида цинка, как если бы он вообще не рассеивал волны.

Свет одновременно ведет себя как частица и как волна.

В общем и целом полученные результаты показали, что существует совершенно особый класс световых волн, которые производят точно такую же волновую картину на детекторе, независимо от того, посылается ли световая волна через воздух или должна проникнуть через сложный слой оксида цинка. Примечательно, что «оксид цинка на самом деле не меняет форму этих световых волн они просто становятся немного слабее в целом».

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш канал в Google News чтобы не пропустить ничего интересного!

Свет вместо рентгеновских лучей

Интересно и то, что теперь мы сами можем выбирать какое изображение отправить через объект без помех. Для эксперименты ученые выбрали в качестве примера созвездие Большой Медведицы. И действительно, удалось определить инвариантную к рассеянию волну, которая посылает на детектор изображение Большой Медведицы, вне зависимости от того, рассеивается ли световая волна слоем оксида цинка или нет. Для детектора световой луч в обоих случаях выглядит почти одинаково.

В будущем, как отмечают авторы научной работы, этот метод может революционизировать некоторые исследования материалов, особенно в биологических и медицинских экспериментах. Сегодня, чтобы заглянуть внутрь человеческого тела, врачи используют рентгеновские лучи, которые имеют более короткую длину волны и поэтому могут проникать сквозь кожу.

«Но то, как световая волна проникает в объект, точно зависит не только от длины волны, но и от формы волны, отмечает Маттиас Кюмайер, из Венского технического университета в интервью Phys.org.

В 2017 году ученые пришли к выводу, что лазерная технология может сделать объекты невидимыми.

Читайте также: 10 самых важных экспериментов, изменивших наш мир

Итак, если вы хотите сфокусировать свет внутри объекта в определенных точках, метод, предложенный учеными, открывает совершенно новые возможности. Судите сами им удалось показать, что распределение света внутри слоя оксида цинка также можно специально контролировать. Например, его можно было бы использовать для биологических экспериментов, чтобы заставить свет проникать в очень специфические точки, что позволит ученым заглянуть глубоко внутрь клеток.

Отметим, что в 2017 году ученые разработали технологию маскировки, которая может сделать непрозрачные материалы невидимыми с помощью световых волн от лазеров. Совершенно непрозрачный материал облучается сверху специфическим волновым рисунком с таким эффектом, что световые волны слева могут проходить через материал без каких-либо препятствий. По мнению ученых, этот метод может быть применен к различным видам волн и должен работать со звуковыми волнами так же хорошо, как и со световыми.

С помощью процесса Брейта-Уилера чистый свет потенциально можно преобразовать в материю.

«Мы живем на ничем не примечательной планете, которая вращается вокруг ничем не примечательной звезды. Но у нас есть шанс познать Вселенную», так говорил один из величайших ученых нашего времени, британский физик-теоретик Стивен Хокинг. Прекрасные слова, правда? Вселенная и мир, который нас окружает, удивительны. Атомы, которые зародились в ядрах сверхновых звезд теперь составляют нас самих и все живое на Земле. Но наше понимание Вселенной, увы, мало назвать неполным мы видим лишь малую ее часть с помощью наших лучших инструментов, а разгадать ее величайшие загадки по-прежнему не в силах. Но, результаты нового исследования, кажется, могут изменить ситуацию. Авторы научной работы полагают, что материя во Вселенной создается путем столкновения фотонов. Если достаточно сильно столкнуть два фотона, то можно создать материю: электрон-позитронную пару, преобразование света в массу в соответствии со специальной теорией относительности Эйнштейна. Это явление называется процессом Брейта-Уилера и впервые было изложено в 1934 году.

Что такое процесс Брейта-Уилера?

Процессом Брейта-Уилера исследователи называют простейшую реакцию, с помощью которой свет можно превратить в вещество. В 1934 году Грегори Брейт и Джон А. Уилер разработали теорию процесса электрон-позитронной пары при столкновении двух фотонов. Полученные выводы ученые опубликовали в научном журнале Physical Review.

Однако, несмотря на удивительные выводы исследователей, они не предполагали реальной демонстрации процесса. Все потому, что в те годы способа придать фотону необходимую энергию попросту не существовало.
Хотя процесс является одним из проявлений эквивалентности массы и энергии, в 2014 году команда исследователей пришла к выводу, что процесс Брейта-Уилера никогда не наблюдался на практике из-за сложности фокусировки встречных гамма-лучей.

Свет можно преобразовать в материю. Кто бы мог подумать?

Это интересно: Что такое темные фотоны и почему физики снова начали их искать

Но прямое наблюдение чистого явления, включающего всего два фотона, оставалось неуловимым, главным образом потому, что фотоны должны быть чрезвычайно энергичными, а у ученых нет технологии для создания гамма-лазера. Но физики из Брукхейвенской национальной лаборатории говорят, что нашли способ обойти этот камень преткновения с помощью релятивистского коллайдера тяжелых ионов (RHIC) он, в конечном итоге, позволил физикам наблюдать процесс Брейта-Уилера в действии.

Как фотоны преобразуются в материю?

Как следует из названия коллайдера, ускорение ионов это ускорение атомных ядер, лишенных своих электронов. Поскольку электроны имеют отрицательный заряд, а протоны (внутри ядра) имеют заряд положительный, в результате процесса Брейта-Уилера остается ядро с положительным зарядом. Чем тяжелее элемент, тем больше в нем протонов и тем сильнее положительный заряд образующегося иона.

В ходе исследования команда использовала ионы золота, которые содержат 79 протонов, и мощный заряд. Когда ионы золота ускоряются до очень высоких скоростей, они генерируют круговое магнитное поле, которое может быть таким же мощным, как перпендикулярное электрическое поле в коллайдере. Там, где они пересекаются, эти равные поля могут создавать электромагнитные частицы, или фотоны.

Диаграмма, показывающая, как близкое попадание ионов золота приводит к столкновениям фотонов. (Изображение предоставлено исследователями Брукхейвенской лаборатории)

Когда ионы движутся со скоростью, близкой к скорости света, ядро золота окружает пучок фотонов, которые движутся вместе с ним, как облако, объясняют авторы научной работы. В коллайдере RHIC ионы ускоряются до релятивистских скоростей то есть тех, которые составляют значительный процент от скорости света. В этом эксперименте ионы золота были ускорены до 99,995 процента скорости света.

Хотите всегда быть в куре последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!

Вот где происходит волшебство: когда два иона просто разминулись, два их облака фотонов могут взаимодействовать и сталкиваться. Сами столкновения обнаружить невозможно, но возникающие в результате электрон-позитронные пары поддаются наблюдению. «Однако одного обнаружения электрон-позитронной пары недостаточно», пишут авторы исследования.

Дело в том, что фотоны, образующиеся в результате электромагнитного взаимодействия, являются виртуальными фотонами, ненадолго появляющимися и исчезающими, и не имеют той же массы, что и их «реальные» аналоги. А для наблюдения процесса Брейта-Уилера должны столкнуться два реальных фотона, а не виртуальных.

Интересный факт
Частицы материи и антиматерии пары электронов и позитронов можно создать, столкнув высокоэнергичные фотоны, представляющие собой квантовые "пакеты" света. Фотоны преобразуются в материю, и это следствие формулы Эйнштейна E = mc, которая показывает взаимозаменяемость энергии и материи.

Процесс Брайта-Уилера

Но при релятивистских скоростях виртуальные частицы могут вести себя как настоящие фотоны. К счастью, теперь физики могут определить, какие пары электрон-позитрон образуются в процессе Брейта-Уилера: они проанализировали 6000 пар электронов и позитронов, которые образовались в ходе столкновения ядер атомов золота на коллайдере (RHIC). Также физики измерили все распределения энергии, массы и квантовые числа систем.

Они согласуются с теоретическими расчетами того, что произойдет с реальными фотонами, сказал физик Даниэль Бранденбург из Брукхейвенской лаборатории. Наши результаты дают четкие доказательства прямого одноэтапного создания пар материя-антиматерия в результате столкновений света, как первоначально предсказывали Брейт и Уилер».

Читайте также: Что квантовая физика может рассказать о природе реальности?

Следует также отметить, что работа команды в высшей степени убедительна по крайней мере, она показывает, что исследователи идут по правильному пути. Ну а пока они будут продолжать наблюдения за созданием материи, мы смело можем ожидать дальнейших и удивительных открытий.

Перед вами первый в истории снимок света и как волны, и как частицы. Фото сделано в лаборатории Фабрицио Карбоне (Fabrizio Carbone) в Федеральной политехнической школе Лозанны

Иногда вещи, которые на первый взгляд кажутся невероятно простыми, на самом деле оказываются чуть ли не самыми сложными. Взять, к примеру, свет. Древние цивилизации испытывали больше трудностей в понимании его природы, чем в понимании вещества чего-то, к чему можно прикоснуться. Сегодня мы знаем, что свет это не только способ переноса энергии от Солнца к Земле, делающей жизнь на нашей планете возможной, но и невидимая сеть из фотонов, которая позволяет электромагнетизму работать на расстоянии. Интересно, что до конца XVII века существовало две противоположные теории света. Так, Ньютон считал, что свет состоит из крошечных частиц, которые он назвал корпускулами. Но другие ученые, включая современников английского физика, полагали, что свет состоит из волн, как рябь, движущаяся по поверхности воды. Многим позже шотландскому физику Джеймсу Клерку Максвеллу удалось объединить Ньютоновские корпускулы и волновую теорию света, создав теорию, в которой эти явления были хорошо собраны воедино.

Интересный факт
В работе 1801 года английский физик Томас Юнг описал создание двух узких пучков лучей, идущих от одного и того же источника. Опыт показал, что световые волны интерферируют друг с другом, приводя к появлению на экране темных и светлых полос. Используя пару узких щелей Юнг в конечном итоге заставил свет охватить весь листок бумаги.

Природа света

Сегодня мы знаем, что свет может вести себя как частица и как волна. Но достигнуть этого понимания было непросто. Так, к началу XIX века было известно, что волны света могут интерферировать друг с другом (то есть усиливать или ослаблять друг друга).

Если бросить в воду два камушка, в некоторых точках водной глади волны от этих камней будут одновременно подниматься, усиливая друг друга и порождая интенсивную волну. При этом в других точках они будут колебаться в противоположных направлениях и гасить друг друга. В ходе эксперимента Томас Юнг увидел на листе бумаги светлые и темные полосы это означает, что световые волны подвергались такому же процессу интерференции.

Интерференция волн. Изображение: Юлия Кузьмина для ПостНауки

Основоположником волновой теории света был Христиан Гюйгенс, развивал ее Опасен-Жен Френель, а Джеймс Клерк Максвелл описал электромагнитное поле и электромагнитное излучение в своих уравнениях, сделав возможным понимание природы света. На основе интерференции можно строить голограммы и объяснить интерференцию и дифракцию.

Однако свет можно также рассматривать как поток частиц фотонов или квантов света. В основе корпускулярной теории лежат идеи Исаака Ньютона. В ХХ веке эти положения развил Макс Планк. Интересно, что используя представление о свете как о потоке частиц, можно объяснить фотоэффект и теорию излучения. В настоящее время считается, что свет может проявлять себя и как волна и как поток частиц.

Читайте также: Расплетая радугу как тайны света привели человечество к открытию темной материи?

Корпускулярно-волновой дуализм

Итак, свет может в любой момент времени вести себя как частица или волна, однако демонстрировать одно из двух состояний одновременно он не может. Если эксперимент требовал от него свойств волны, то свет вел себя как волна и то же самое для частицы. Позже этот принцип стал известен как корпускулярно-волновой дуализм.

Эту по-настоящему странную картину в итоге удалось завершить французскому физику Луи де Бройлю в 1924 году. Если свет, который рассматривается как волна, может вести себя как поток частиц, то, возможно, частицы, например электроны, могут вести так, как если бы они были волнами.

Древние греки считали, что свет является формой огня, предполагая, что он направлялся из глаз к объектам, которые человек мог видеть.

По сути, концепция де Бройля иллюстрировала, насколько квантовая физика подрывала старые предположения, ведь составляющими веществами материи были электроны, или вещества, а фотоны образовывали невидимый свет. И тем не менее, при некоторых обстоятельствах они вели себя как волны, а при других как частицы. Как только квантовый мир ворвался в мир классической физики, прежние различия стали менее определенными.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы не пропустить ничего интересного!

Между тем, идея о том, что электроны могут проявлять волновые свойства, отлично вписывалась в модель атома Нобелевского лауреата Нильса Бора. В ней электрон мог занимать только определенные орбитали вокруг ядра и прыгать между орбиталями в квантовых скачках при потере или получении энергии в виде фотона. Напомню, что структура волны электрона, окружающая ядро атома, также известна под названием «орбиталь».

Квантовая революция

Основоположник современной атомной физики, Нильс Бор, пытался разрешить экзистенциальную дилемму квантовой механики. Он изобрел принцип дополнительности, согласно которому в некоторых экспериментах квантовые объекты будут локализованы и действовать как частицы, а в других различных экспериментах точно такой же квантовый объект будет распространяться и действовать как волна.

В 2018 году исследователи из Университета Рочестера в статье, опубликованной в научном журнале Optica, сообщили, что разрешили эту странную и неизбежную корпускулярно-волновую двойственность, обнаружив тесную связь между двойственностью и другой столь же странной особенностью квантовой механики, а именно квантовой запутанностью. Подробнее о том, что представляет собой это удивительное явление, я рассказывала в этой статье.

Ведущий автор исследования Сяофэн Цянь и его коллеги пришли к выводу, что каждая из особенностей квантовой странности запутанность и двойственность точно контролирует другую.

Запутанность это квантово-механическое поведение двух частиц, в котором ни одна из них не может быть описана отдельно, независимо от описания другой, даже если частицы разделены огромным расстоянием. Это то же самое свойство, которое нобелевский лауреат по физике Эрвин Шредингер использовал для объяснения своего знаменитого мысленного эксперимента с участием кошки, счетчика Гейгера и небольшого количества яда в запечатанной коробке.

Совсем недавно запутанность стала важным элементом в продолжающемся развитии квантовых вычислений и квантовой информатики.

Новое открытие вытекает из открытия о двойственности, сделанного Уильямом Вуттерсом и Войцеком Зуреком, двумя аспирантами-физиками Техасского университета в Остине, когда они размышляли о знаменитом эксперименте по оптике, проведенном Томасом Юнгом. В 1979 году Вуттерс и Зурек предсказали, что в одном и том же эксперименте можно измерить как волнообразное рассеяние, так и частичную локализацию света, но сумма измеренных величин не может быть больше.

Исследователи из Рочестера, однако, отмечают, что эксперимент с двумя щелями Юнга также может привести к тому, что обе меры будут равны нулю, что противоречит принципу дополнительности Бора. Согласно общепринятой интерпретации, это означает, что ни частицы, ни волны нет, но свет все еще можно обнаружить, говорит Цянь.

Это исследование мало назвать революционным результатом является первое полное описание взаимодополняемости недостающей части головоломки квантовой запутанности. Описывая способ учета запутанности, наряду с наличием волн и частиц, работа исследователей из Рочестера означает, что каждый эксперимент Юнга, связанный с двойственностью, даст измеренную сумму с точным значением, которая удовлетворяет условиям, изложенным Бором более девяти десятилетий назад.

Вам будет интересно: Что квантовая физика может рассказать о природе реальности?

Новые особенности

Но вернемся к корпускулярно-волновому дуализму. Для количественной проверки его фундаментального принципа и взаимодополняемости необходима квантовая составная система, которой можно управлять с помощью экспериментальных параметров. После того, как Нильс Бор ввел концепцию «взаимодополняемости» в 1928 году, лишь несколько идей были проверены экспериментально.

Таким образом, концепция дополнительности и корпускулярно-волнового дуализма все еще остается неуловимой и еще не полностью подтверждена экспериментально.

Но эта проблема, как и любая другая, имеет решение. Так, исследовательская группа из Института фундаментальных наук (IBS, Южная Корея) воспользовалась результатами опытов в «схеме однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой» (оптическая схема, которую физики использовали для демонстрации однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой, для проверки предсказанных ранее соотношения дополнительности).

Новое, разработанное исследователями устройство двухлучевой интерферометр генерирует фотоны когерентного сигнала (кванты), которые используются для измерения квантовых помех. Затем кванты проходят по двум отдельным путям, прежде чем достичь детектора.

Сопряженные холостые фотоны используются для получения информации о пути частиц с контролируемой точностью, что позволяет количественно оценивать комплементарность, пишет портал Phys.org со ссылкой на исследование.

Схема эксперимента. PPLN1 и PPLN2 это СПР кристаллы, BS1, BS2 и BS3 светоделители, DA и DB детекторы холостой моды. PD фотодетектор, фиксирующий квантовую интерференцию между сигнальными фотонами.
T. H. Yoon / Science Advances, 2021; Перевод N+1

Физики также отмечают, что данные, полученные ими на этой установке ранее, могут быть использованы для исследования связи предсказуемости, видимости и квантовой запутанности. В ходе эксперимента им удалось управлять числом фотонов в «холостых модах» с помощью маломощного лазера и, следовательно, чистотой состояний сигнальных фотонов. Полученные результаты продемонстрировали, что экспериментальные данные довольно точно описываются выведенными соотношениями.

Интересный факт
Как пишет в своей книге "Физика для каждого образованного человека" Спектор Анна Артуровна, фотоэлементы сделали возможным звуковое кино. На кинопленку стали наносить звуковую дорожку прозрачные окошки различной площади. Свет через них достигал фотоэлемента, затем преобразовывался в электрический сигнал и подавался на громкоговоритель.

В целом, из всего вышеописанного можно сделать вывод, к которому в свое время пришел один из выдающихся исследователей ХХ века, физик Ричард Фейнман. «Решение загадки квантовой механики заключается в понимании эксперимента с двумя щелями», писал он.

Все потому, что результаты нового исследования, вероятно, будут иметь фундаментальные последствия для лучшего понимания принципа дополнительности и количественного соотношения двойственности волны и частицы. Вообщем, фундаментальные силы природы, кажется, все больше поддаются изучению.

Ученые обнаружили необычный способ превращения твердых объектов в невидимые с помощью рассеяния световых волн

Кто из нас в детстве не мечтал о шапке-невидимке? Или о волшебном плаще, надев который, вас не увидит ни одно живое существо на свете. Да, истории эти, кажется, стары как мир и абсолютно точно являются выдумкой. Но не спешите прощаться с шапкой-невидимкой: результаты нового исследования показали, что невидимость никакая не выдумка и даже не научная фантастика. Скажем больше еще в апреле исследователи разработали уникальную световую волну, которая при прохождении через объект делает объект невидимым для камер и даже человеческого глаза! Чтобы найти волшебную световую волну, команда направила свет на непрозрачный слой случайно расположенных наночастиц оксида цинка. Они рассчитали, как рассеивается свет порошком оксида цинка и как он рассеивался бы, если бы порошка там вообще не было. «Каждый из этих паттернов световых волн изменяется и отклоняется очень специфическим образом, когда вы посылаете его через неупорядоченную среду», пояснил профессор Стефан Роттер из Института теоретической физики в официальном заявлении.

Как сделать невидимым твердый объект?

Причина, по которой мы видим тот или иной объект, заключается в рассеянии световых волн, отражающихся от источника света на предмет, а затем в человеческий глаз. Недавно ученые нашли способ сделать твердые объекты невидимыми, причем довольно странным образом заставляя световые волны проходить сквозь непрозрачные материалы, как будто их там вообще не было.

Исследования, проведенные в Венском техническом университете и Утрехтском университете, позволили рассчитать конкретную разновидность световой волны, которая может проникать в объект. Хотя можно подумать, что все световые волны одинаковы, это не так.

Особые световые волны, похоже, бросают вызов законам отражения света. Специально созданный луч света не изменялся объектом, через который он проходил только слегка приглушался, что приводило к почти идеальной невидимости.

Результаты исследования означают, Исследование означает, что ученые могут не только смотреть на то, что находится за объектом, но и сквозь него

Больше по теме: Расплетая радугу как тайны света привели человечество к открытию темной материи?

Уникальные световые волны

В ходе эксперимента профессор Роттер и профессор Аллард Моск использовали слой непрозрачного порошка оксида цинка наночастицы, расположенные случайным образом и точно рассчитали, как рассеивается свет через неупорядоченную среду и как бы он рассеивался, если бы порошка там вообще не было.

Обладая полученными знаниями, исследователи обнаружили, что определенный тип световой волны («инвариантные к рассеянию световые режимы») был зарегистрирован детектором на другой стороне слоя непрозрачного порошка оксида цинка точно таким же образом хотя и немного слабее, чем при отправке световых волн.

Более того, существует теоретически неограниченное количество световых волн! Это означает, что, хотя их трудно вычислить, их можно найти.

Эта новая разработка может оказаться полезной для процедур визуализации в биомедицинских приложениях. «Одним из аспектов, который нас очень волнует, является тот факт, что световые поля, которые мы ввели в нашу работу, кажутся особенными не только в паттернах выходного поля, которые они создают за объектом, но и внутри него», рассказал профессор Роттер в интервью The Independent.

Видимые и невидимые волны света, а также области их применения

Особенность, заключающаяся в том, что эти поля напоминают поля в свободном пространстве, может быть очень полезна для глубокого изучения материалов с высоким рассеянием, с которыми, как правило, очень сложно работать, пишут авторы научной работы.

Как добавил профессор Роттер, в этой области необходимы дальнейшие исследования, поскольку развитие подобной невидимости твердых тел потенциально может привести к решению некоторых проблем медицинского характера. И непосредственно сделать невидимым человека сегодня, конечно, нельзя биологические системы полны движения, например, та же кровь, которая течет по телу. Это затрудняет вычисление закономерностей, необходимых для прохождения света через объект, так как измерения должны выполняться быстрее, чем масштаб самого движения.

Вам будет интересно: Квантовый мир: как связаны стерильные нейтрино и темная материя?

И все же, данные полученные в ходе эксперимента уже сегодня могут помочь ученым, которые хотят изучать более мелкие структуры, такие как клетки, к тому же, профессор Роттер считает, что это только вопрос времени когда измерительные инструменты станут достаточно быстрыми и дешевыми, чтобы открыть целый мир новых возможностей. Полностью озакомиться с результатами научной работы можно в журнале Nature Photonics

Человеческий глаз воспринимает лишь малую часть видимого спектра

Нельзя не отметить, что открытие Роутера и его команды являются ошеломительным. Ведь теперь мы правда можем заставить предметы буквально исчезать из виду, а затем появляться вновь. Более того, с помощью трюков камеры ученые могут делать снимки того, что находится за объектом, а затем проецировать волны на поверхность объекта, заставляя его как бы исчезать. К счастью, они также работают над чем-то более приземленным: например, способами изгибать свет вокруг объекта, по сути, заставляя его исчезать, или просто рассеивать свет, скрывая объект из виду.

Хотите всегда быть в курсе последних новостей из мира науки и высоких технологий? Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram, так вы точно не пропустите ничего интересного!

Квантовая «невидимость»

Готовы удивиться еще сильнее? В 2019 году канадская биотехнологическая компания Hyperstealth разработала (и запатентовала) материал под названием «квантовая невидимость». Так, если надеть этот материал, то вы и правда станете человеком-невидимкой! Но только под определенным углом с которого он просматривается, к тому же, скрытый объект должен быть расположен на определенном расстоянии.

Интересно, что основы для этой супер ткани были заложены еще в 2010 году, теперь же широкая публика может этим изобретением наслаждаться. Ну как, широкая униформы, которые разрабатывает компания, используются в армиях Канады, США, Индии, Словакии, Новой Зеландии и Иордании.

В будущем камуфляж у военных станет частично невидимым.

Читайте также: Разработан невидимый для камер камуфляж

В пресс-релизе, ознакомиться с которым можно здесь, содержится информация об особенностях работы «квантовой невидимости». Главная технология, позволяющую использовать новый «плащ-невидимку» это похожий на пластик материал. Он-то и обеспечивает «невидимость».

Лучи света, попадая в микроскопические линзы, рассеиваются и смываются. Таким образом, все, что находится на определенном расстоянии позади материала становится неразличимыми. Этот новый вид материала не только изгибает лучи в видимом спектре, но также в ультрафиолете и инфракрасном свете, отмечают создатели материала.

Интересно, что в патенте описано 13 различных вариантов материала, способных работать в разных условиях. Вот только широкой общественности особенности конструкции новой технологии не раскрываются. (Зато теперь полицейские, вероятно, смогут скрываться за невидимыми щитами).

Не пропустите: В Китае создан квантовый компьютер, который решил самую сложную задачу за 200 секунд

Новый материал делает вас невидимым под определенными углом

Безусловно, нам с вами предстоит еще долгий путь, прежде чем шапки-невидимки можно будет заказать на дом с доставкой (или плащ-невидимка в стиле Гарри Поттера), но, благодаря открытию ученых из Австрийского университета Вены и Нидерландского университета Утрехта мы стали на один шаг ближе к мечте. Хотели бы себе такой плащ? Ответ ждем здесь, а также в комментариях к этой статье!

В будущем растения можно будет использовать в качестве светильников

В 2017 году американские ученые разработали первое поколение растений, которые способны излучать свет. Для этого они обработали их листья люциферазой именно это вещество позволяет светлячкам светиться в темноте. Растения могли излучать свет на протяжении нескольких часов, но уровень яркости был минимальным. Недавно ученые улучшили свой результат, показав публике новое поколение светящихся растений. Их листья были покрыты новым веществом, которое обеспечивает более яркое свечение на протяжении примерно одного часа. Растение можно заряжать под синим светодиодом воздействие на листья на протяжении 10 секунд позволяет растениям светиться еще один час. Как видно, группа ученых не стоит на месте и в скором времени может показать миру альтернативный способ освещения жилых помещений. Вы только представьте: наши дети и внуки смогут читать книги под светом домашних растений! Звучит интригующе, поэтому давайте разберемся подробнее, как все это работает.

Какие растения светятся в темноте?

О новом поколении светящихся растений было рассказано в научном издании Science Alert. На этот раз в качестве светящегося вещества они использовали алюминат стронция, который поглощает свет и возвращает его в еще большем количестве. Вещество было внедрено в частицы диаметром в несколько сотен нанометров. Они, в свою очередь, были введены в листья через небольшие отверстия на их поверхности, которые именуются как устьица. Частицы накопились во внутреннем слое листьев и образовали собой тонкую пленку, которая не наносит вреда растению.

Светящиеся частицы внутри растения

В ходе экспериментов было выяснено, что пленка из алюмината стронция способна заряжаться светом как от солнца, так и светодиодной лампы. Ученые поставили растение под синий светодиод на 10 секунд и листья зарядились настолько, что испускали свет обратно на протяжении почти одного часа. Сообщается, что потом исследователи пробовали менять концентрацию светящегося вещества и время пребывания под лампой и добились лучшего результата. Постоянно подзаряжаясь, растение смогло выполнять функцию лампы на протяжении двух недель. После этого срока оно погибло, но ученым удалось извлечь из листьев 60% светящихся веществ и использовать их повторно на другом растении.

Слева структура обычного листа, справа — модифицированного

После экспериментов со свечением, исследователи решили выяснить, какие виды растений можно использовать в качестве светильников. Проще всего светящимся слоем можно оснастить жеруху обыкновенную (Nasturtium officinale), которая с древних времен используется людьми как листовой овощ. Это растение обладает 27 парами листьев круглой или овальной формы, а также крупным листом сверху. В России это растение чаще всего встречается в предгорьях Кавказа и Дагестана. Помимо него, в качестве светильников можно использовать табак обыкновенный (Nicotiana tabacum), базилик (Ocimum basilicum), маргаритку многолетнюю (Bellis perennis) и колоказию (Colocasia).

Разработанные американскими учеными светящиеся растения

Читайте также: В пустынях Калифорнии исчезают растения, и это невозможно остановить

Какими будут растения будущего?

Светящееся растение было продемонстрировано на выставке Plant Properties, которая прошла в Смитсоновском институте. На данный момент ученые занимаются созданием третьего поколения растений-светильников. Их особенность будет заключаться в том, что листья будут покрыты как нынешним алюминатом стронция, так и использованной в 2017 году люциферазой. В теории, совокупность этих веществ должно сделать свечение растений более ярким и длительным. Но это только предположение чтобы убедиться в этом, нужно подождать результатов тестирования. Сейчас даже неизвестно, удастся ли ученым внедрить в листья сразу два вещества. Ведь не исключено, что они туда попросту не поместятся или приведут к быстрой гибели растений.

Как вы думаете, смогут ли ученые в будущем вырастить светящееся дерево? Пишите в комментариях или нашем Telegram-чате

Внедрение в растения дополнительных веществ для придания им новых функций называется нанобионикой растений. В 2014 году американским ученым удалось внедрить в растения углеродные нанотрубки и на 30% увеличить их способность к фотосинтезу. Также после модификации растения стали чувствительными к газам, которые загрязняют окружающую среду. Исходя из этого получается, что в будущем из растений можно будет создать не только осветительные приборы, но и датчики загрязненности.

Если вам интересны новости науки и техники, подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен. Там вы найдете статьи, которые не были опубликованы на сайте!

Ученые уже давно пытаются модифицировать растения. Недавно они заставили картофель светиться, чтобы фермеры могли получать больший урожай. Но как все это взаимосвязано? Читайте в этом материале.

Последние комментарии