4 мифа о свете21.04.2015 09:21

ПостНаука развенчивает научные мифы и объясняет общепринятые заблуждения. Мы попросили наших экспертов прокомментировать популярные представления о движении и физических свойствах света.

Световой меч можно создать Правда отчасти.

При словах «световой меч» большинство людей обычно представляет себе традиционное оружие джедаев из известной саги «Звездные войны». Светящееся лезвие отражает выстрелы из бластеров, блокирует удары противника и прорубает выход через мощную дверь, а затем складывается в компактную рукоятку и хранится, не требуя подзарядки. Удобно, но реально ли?

Из существующих технологий наиболее близкими можно назвать технологии плазменной и лазерной резки. Плазмотроны создают дугу сверхгорячей плазмы, которую можно вытянуть в луч при помощи магнитного поля. Такая плазменная дуга режет металлы и тугоплавкие сплавы. Но размеры такой дуги порядка 10 см, да и сама дуга, форма которой в виде луча поддерживается приложенным магнитным полем, стремится отклониться под воздействием любых внешних полей. Кроме того, плазменный луч имеет температуру от нескольких тысяч до пары десятков тысяч градусов, то есть сражаться таким мечом можно будет только в специальном защитном костюме. Лазерная резка использует лазер высокой мощности, сфокусированный в маленькое пятнышко. Высокая концентрация энергии позволяет разрезать практически любые материалы. Длина луча такого лазера может составлять от нескольких мкм до сотни метров. Правда, для того, чтобы такой меч функционировал, надо обеспечить хорошее охлаждение и мощный источник питания. На современном этапе развития технологий это все явно не поместится в рукоять меча, а потребует внешнего блока размером с небольшой чемоданчик. Поэтому для создания светового меча потребуются как новые материалы с высокой теплопроводностью, так и сверхмощные компактные источники питания.

Однако надо заметить, что даже при наличии сверхмощного компактного источника питания и системы охлаждения, помещающейся в рукоятке меча, остается еще проблема, связанная с физической природой светового луча. Даже при высокой концентрации свет не может выступать как твердое тело, и при скрещивании клинков таких световых мечей они просто пройдут друг через друга, а не блокируют удар. Да и выстрел из бластера пройдет через такой «клинок», а не отразится обратно.

Хотя уже сегодня в интернете поклонники «Звездных войн» могут найти меч, внешне напоминающий оружие джедая, мощностью около 200 мВт, с насадкой из оргстекла, которая имитирует лезвие меча, и зарядным устройством в комплекте.

Владимир Белотелов доктор физико-математических наук, доцент кафедры фотоники и физики микроволн физического факультета МГУ, руководитель группы «Магнитооптика, плазмоника и нанофотоника» РКЦ Луч света — это поток частиц Правда отчасти.

Если говорить строго, о наличии фотона в данной точке (или небольшой пространственной области) с определенностью можно говорить только в момент его регистрации, например при срабатывании фотодетектора. Чрезмерное же буквальное представление о «летящих» фотонах, пусть даже и размазанных в пространстве из-за принципа неопределенности, может привести к кажущимся парадоксам.

Рассмотрим следующий пример: свет падает на полупрозрачное зеркало, которое частично отражает его (скажем, поворачивает на 90 градусов), а частично пропускает. Кажется очевидным, что фотоны с какой-то вероятностью проходят через зеркало, а в противном случае отражаются им. И действительно, если поставить в фотодетекторы отраженный и прошедший лучи, мы увидим, что сигнал каждого из них представляет собой гребенку импульсов, соответствующих отдельным фотонам, причем детекторы не срабатывают одновременно. Это полностью соответствует ожидаемой картинке: фотон «выбирает», по какому пути ему идти. Для этого эксперимента важно использовать достаточно слабое оптическое излучение, чтобы исключить случайные совпадения отсчетов, вызванные одновременной регистрацией двух разных фотонов.

Теперь усложним схему: поставим вместо детекторов обычные зеркала и сведем два луча на экране, так чтобы на нем наблюдались интерференционные полосы. Они возникнут на самом деле, причем даже для очень слабых источников. Но это совершенно не укладывается в простую «фотонную» картинку! Для слабых источников одновременное наличие в схеме двух фотонов практически исключено. Но если данный фотон отразился от полупрозрачного зеркала, в соответствующем прошедшему фотону интерференционном канале ничего нет — и наоборот. С чем же фотоны интерферируют? Ответ на этот вопрос дает копенгагенская трактовка квантовой теории: выбор траектории, по которой двигался фотон, происходит не в момент прохождения полупрозрачного зеркала, а момент регистрации (если полученная информация позволяет такой выбор сделать). Таким образом, в эксперименте с интерференцией фотон распространяется одновременно по двум разным траекториям (система находится в суперпозиции состояний прошедшего и отраженного фотона) и интерферирует в некотором смысле сам с собой. Таким образом, один и тот же фотон может одновременно находиться в данном луче и за тысячу километров от него. Буквально говорить о том, что луч света состоит из фотонов, уже затруднительно (подобные рассуждения лежат в основе парадокса Эйнштейна — Подольского — Розена).

Ситуацию можно еще запутать, введя в рассмотрение бифотоны — квантово-перепутанные состояния двух фотонов. С их участием можно построить состояния, в которых неопределенными оказываются не только пути движения фотонов, но и, например, их число.

В конце стоит заметить, что по крайней мере часть описанных экспериментов, в принципе, можно поставить не только с фотонами — например, в интерференции электронов нет ничего необычного. И все-таки именно фотоны обладают рядом уникальных свойств. Прежде всего, нулевая масса покоя и заряд позволяют легко создавать и уничтожать фотоны, приготавливая состояния с неопределенным числом частиц. И во-вторых, фотоны достаточно слабо взаимодействуют с окружающим миром, что позволяет избавиться от декогеренции — главного «врага» проявления квантовых свойств.

Алексей Рубцов доктор физико-математических наук, Физический факультет МГУ, профессор кафедры квантовой электроники, внешний исследователь РКЦ В радуге семь цветов Правда.

Это не миф, в радуге действительно семь цветов. Это связано в первую очередь с устройством нашего глаза, так как цвет есть не что иное, как особенность восприятия глазом света, который есть вокруг нас, и спектральных свойств радуги.

Цвета, которые мы видим в радуге, — это так называемые чистые цвета. То есть радуга работает для нас как спектральный прибор, который разделяет свет, проходящий через атмосферу, по длинам волн. Наш глаз устроен так, что большинство цветов, которые мы воспринимаем, соответствуют не одной длине волны, а группе длин волн, нескольким компонентам.

В радуге композитных цветов нет. В радуге длина волны света меняется непрерывно по высоте радуги, но в каждой точке радуги длина волны ровно одна. Наш глаз ассоциирует различные длины волн — куски радуги с определенным цветом. Поэтому цветов в радуге действительно получается около семи, они плавно переходят друг в друга, но поскольку это чистые цвета и там нет комбинаций, то наш глаз несколько теряется, ассоциирует их с вполне конкретными цветами. Те же семь цветов мы увидим и через призму или дифракционную решетку — они компоненты солнечного излучения. Так получилось, что глаз естественным образом настроен на спектр Солнца и чувствителен там, где есть солнечное излучение. Но поскольку в окружающем нас мире чистые цвета, которые есть в радуге, в чистом виде практически не встречаются, то наш мозг привык распознавать комбинации из разных длин волн. Это ему «нравится» несколько больше, чем анализировать чистые цвета.

Чувствительным элементом глаза являются колбочки, их три типа, каждая из них чувствительна к своему диапазону длин волн. Поскольку спектр чувствительности каждой из колбочек очень широк, а в радуге длина волны меняется плавно, то мозг приписывает в широких областях одинаковый ответ — примерно тот же цвет, все еще примерно тот же.

Когда в глаз попадают отличающиеся, но близкие длины волн, то глаз их ассоциирует примерно с одним и тем же цветом и не пытается их варьировать. Гораздо больше оттенков возникает, когда в глаз попадает много разных длин волн. Если вы пошлете две слабенькие, но сильно отличающиеся по длине компоненты, то глаз гораздо охотнее «скажет», что это новый цвет, чем в случае с двумя волнами из одной части спектра.

Это особенность зрения. Именно поэтому нам кажется, что в радуге мало цветов, хотя там представлен весь диапазон солнечного излучения, то есть все длины волн, которые глаз вообще видит. Казалось бы, из цветов радуги можно составить весь спектр каких угодно цветов, но за счет того, что глаз чувствителен именно к разбросу (ему «хорошо», когда одна длина волны соотносится с одной частью спектра, а другая — с другой), глаз не считает нужным баловать нас разнообразием при разглядывании радуги.

Алексей Акимов кандидат физико-математических наук, руководитель группы «Квантовые симуляторы» Российского квантового центра, преподаватель МФТИ, сотрудник ФИАН, исследователь в Harvard University Свет нельзя остановить Неправда.

Неизменной, то есть не зависящей ни от частоты, ни от мощности светового луча, ни от выбора системы отсчета, является только скорость света в вакууме. В материальной же среде скорость света меняется — например, в стекле или воде она примерно в 1,7 раза меньше. Различают фазовую и групповую скорости в веществе: первая отвечает, например, за законы преломления и отражения, а вторая — за скорость передачи сигнала по оптическим линиям связи. Фазовая скорость — величина в некотором смысле нефизическая, ей не соответствует передача энергии или информации. Фазовая скорость в некоторых случаях может превышать скорость света — это ничему не противоречит. Точно так же со сверхсветовой скоростью, в принципе, может перемещаться солнечный зайчик — он не может перенести что-либо из точки, где побывал, в ту, где будет. Групповая скорость в веществе всегда меньше скорости света в вакууме. Вопрос: на сколько? Поскольку групповая скорость связана со скоростью изменения показателя преломления с частотой, для сильного замедления света (а это имеет и технологическую значимость для обработки оптических сигналов) обычно используют искусственные среды, в которых показатель преломления резко увеличен в узкой частотной области. При этом важно, чтобы на краю этой области, где групповая скорость аномально велика, система не поглощала бы свет. Для этого требуется очень хороший контроль над параметрами изготовленной системы. Такой контроль возможен, в частности, для систем ультрахолодных атомов в ловушках — охлаждение до миллионных долей кельвина как раз и соответствует исключению такого фундаментального фактора «шума», как тепловое движение. В рекордных экспериментах, проведенных в 1998 году группой Лене Хау (Lene Hau), свет был замедлен до 17 м/c, то есть примерно в 17 600 000 раз. В последующем та же группа научилась полностью останавливать свет, «запирая» его в облаке ультрахолодных атомов натрия.

Алексей Рубцов доктор физико-математических наук, Физический факультет МГУ, профессор кафедры квантовой электроники, внешний исследователь РКЦ

Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru