Prędkość światła, a kształt fotonów

 

Trudno oczekiwać,że w Roku Światła nie będzie się mówić o świetle. Będzie i to obficie, oraz sensacyjnie. To, co w ostatnich kilku latach w laboratoriach optyki kwantowej[światła laserowego ,nieliniowego] kiełkowało, w tym roku rozkwitnie.

Na przykład, od dziesięciu lat w kilku na świecie laboratoriach optyki, zmniejsza się prędkość fotonów, spowalnia się bieg światła ,aż do zatrzymania !Nie musi od razu być to nowa optyka, przecież już stary J.C.Maxwel podał formułę na prędkość światła.Przypomnę ją, kładąc c =1

 

 

 

 

gdzie

ε– przenikalność elektryczna ośrodka,

μ– przenikalność magnetyczna ośrodka,

c_m – prędkość światła w danym ośrodku.

z której wynika ,że gdy światło wchodzi np. z powietrza[lub próżni] do szkła, to prędkość fotonów maleje, gdyż stałe fizyczne "epsylon", oraz "mi" dla szkła, są większe niż dla powietrza. A po wyjściu ze szkła, prędkość fotonów na powrót - rośnie.

W latach 2004-2012 spowolniono światło do prędkości 0,2 mm/s [ Nicea ,Institut Non Linéaire Optics de Nice: Stefania Residori i Umberto Bortolozzo].Spowolnienie osiągnięto przez dynamiczną zmianę własności ciekłego kryształu, przez który biegł promień światła.

Natomiast pani profesor Lene Hau Vesergaard,[z zespołem]z Harvard University, to nawet zatrzymała na chwilę fotony, chociaż sztuczka jaką zastosowała [1] wywołała zastrzeżenia co do tego ,czy w tym eksperymencie rzeczywiście fotony podlegają zatrzymaniu i spowolnieniu.

Wytworzono dwie, oddzielne chmury ultrazimnych atomów sodu o własnościach kondensatu Einsteina-Bosego.W pierwszej ,wiązka fotonów podlega silnemu spowolnieniu do ok.60 mm/s i wzbudza atomy kondensatu do drgań ,które wytwarzają fale de Broglie'a o rozkładzie prawdopodobieństwa będącego kopią rozkładu prawdopodobieństwa fotonów w wiązce spowolnionej.

Pierwotna wiązka fotonów niknie, a faza i amplituda funkcji "psi" fali świetlnej[jeżeli nawet są zmodulowane kodowaniem informacji] są wiernie skopiowane przez powstające fale de Broglie'a i mogą być przedmiotem badania.

Pierwotna wiązka fotonów może być odtworzona, jeśli fale de Brogliea skierujemy na drugą chmurę kondensatu Einsteina-bosego.

Jednak jeśli reaktywowana wiązka fotonów [po uprzednim ich "przytrzymaniu"] opuści drugi kondensat, to wraca jej pierwotna prędkość fotonów.

Tymczasem przed kilkoma dniami, europejskie środowiska naukowe optyki kwantowej obiegła wiadomość ,że na uniwersytecie w Glasgow ,prof.Miles Padgett z zespołem [przy kooperacji z Daniele Faccio z Heriot-Watt University w Edynburgu]odkryli nieznany przedtem fakt zależności prędkości fotonów w próżni od ...ich kształtu  [2].

M.Padgett to sława brytyjskiej optyki kwantowej. O światowym znaczeniu są jego wielostronne badania momentu pędu przenoszonego przez wiązki światła. Autor ponad 300 prac naukowych, medalista["medal Kelvina"] ,a następnie członek Royal Society, medalista European Physical Society [EPS],wspaniały popularyzator fizyki w mediach. Od dwóch lat weryfikował hipotezę, przypuszczenie ,że prędkość światła może zależeć od kształtu fotonów tworzących impuls laserowy. Generacja impulsów jednofotonowych nie stanowi specjalnej trudności, ale jak rozumieć "kształt fotonu"? Temat kształtów fotonów w wiązkach impulsowych od kilku lat intryguje badaczy[3].

Optyka kwantowa zatrzymuje obraz falowy światła: fala elektromagnetyczna, ale uzupełnia go o funkcję falową "psi" ,która "pilotuje " fotony i podaje prawdopodobieństwo obecności fotonu w określonej objętości przestrzeni.

Z elektrodynamiki klasycznej wiadomo, że natężenie światła jest proporcjonalne do kwadratu amplitudy wektora pola E fali świetlnej. z drugiej strony ,gęstość przestrzenna prawdopodobieństwa znalezienia fotony zależy od kwadratu amplitudy wektora E ,wobec tego sterująć rozkładem przestrzennym amplitudy wektora E wyznaczamy prawdopodobieństwo obecności fotonu w ustalonym elemencie objętości przestrzeni. Krótko : kształt fotonu ,to rozkład przestrzenny amplitudy wektora E fali [dualizm kwantowo-falowy !].

                 Foto: University of Glasgow

Zespół M.Padgetta miał możliwość techniczną wytworzenia dwóch niezależnych, równoległych ciągów impulsów pojedynczych fotonów o identycznym kształcie. Jeden ciąg przechodził przez przezroczysty filtr ciekłokrystaliczny zmieniający rozkład przestrzenny fali "psi" fotonu -czyli kształt fotonu, a drugi ciąg nie podlegał temu, i na koniec obydwa wchodziły w próżnię i tam mierzono ich czas przelotu odległości 1 metra.

Wynik był niezwykły: fotony o zmienionym kształcie przychodziły do mety później ,czyli prędkość światła w próżni może być mniejsza od c !Pod wpływem zmiany kształtu fotonu w eksperymentach grupy M.Padgetta , prędkość fotonów po zmianie ich kształtu, zmniejszyła się o 0.001% [różnica drogi przebytej w tym samym czasie wynosiła kilka mikrometrów].

Wiązki laserowe, oraz nieliniowe ośrodki optyczne odkrywają nam nie przeczuwane nawet własności światła. A jakie horyzonty nowej rzeczywistości odkryją się przed nami, gdy pojawi się technologii przyspieszania fotonów? Powyżej granicy ustalonej przez SR ,czyli powyżej c ? Special Relativity odkryła świat nieznany mechanice klasycznej, może nieliniowa optyka kwantowa odsłoni świat nieznany w obrębie Special Relativity?

　

Literatura

[1] L.Hau Vesergaard and all,Light Changed to Matter,Then Stooped and Moved,Photonics.com,10 june 2013

[2]J.Padgett and all,Spatially structured photons that travel in free space slower than the speed,ScienceDOI: 10.1126/science.aaa3035

[3]Don Monroe,Focus: Measuring the Shape of a Photon, Physics 5, 86 ,2012 | DOI: 10.1103/Physics.5.86