W próżni światło zawsze porusza się ze stałą prędkością 299 792 458 metrów na sekundę. Nic nie może podróżować szybciej niż ta stała c, jak określili fizycy. Te dwa postulaty są podstawowymi elementami składowymi współczesnej fizyki i zostały po raz pierwszy ogłoszone ponad sto lat temu przez Alberta Einsteina.
Tak, tak nic nie może podróżować szybciej niż światło, ale…
Gdy światło podróżuje przez medium inne niż próżnia, zostanie spowolnione. Na przykład, kiedy światło rozchodzi się przez wodę lub powietrze, będzie to robić z mniejszą prędkością. Wynika to z faktu, że światło rozprasza się od cząsteczek, które tworzą różne materiały. Fotony same w sobie nie zwalniają. Ale ich przejście przez ośrodek wiąże się z absorpcją przez elektrony i ponowną emisją. W przypadku niektórych materiałów, takich jak woda, światło zwalnia bardziej niż elektrony. Dlatego elektron w wodzie może poruszać się szybciej niż światło w wodzie. Ale nic nigdy nie podróżuje szybciej niż c.
W niektórych przypadkach, powolne światło może wytwarzać pewne bardzo interesujące zjawiska fizyczne. Prawdopodobnie słyszeliście o boomie sonicznym. Normalny” poddźwiękowy samolot będzie gładko odchylać powietrze wokół swoich skrzydeł. Samolot naddźwiękowy – czyli taki, który porusza się szybciej niż dźwięk (ponad 340 m/s) – będzie w rzeczywistości poruszał się znacznie szybciej niż powietrze, które odchyla. Rezultatem jest nagła zmiana ciśnienia lub fala uderzeniowa, która rozchodzi się od samolotu w kształcie stożka z prędkością dźwięku.
Dr Manhattan
Prędkość fazowa światła w ośrodku o współczynniku załamania n wynosi v
światła = c/n. Woda ma współczynnik załamania około 1,3, więc prędkość światła w wodzie jest znacznie mniejsza niż prędkość światła w próżni. Nie tylko elektron może poruszać się szybciej niż światło przez inny ośrodek – inne cząstki również. Jeśli naładowana cząstka porusza się szybciej niż światło w jakimś ośrodku, to powstaje słabe promieniowanie. W wodzie, na przykład, naładowana cząstka wzbudza cząsteczki wody, które następnie wracają do swojego normalnego stanu emitując fotony niebieskiego światła. Światło rozchodzi się w stożku do przodu od regionu, w którym nastąpiło oddziaływanie, analogicznie do boomu dźwiękowego.
Efekt ten, znany jako promieniowanie Czerenkowa, został zaobserwowany jako słaba niebieska poświata przez Pawła Czerenkowa w 1934 roku, gdy poproszono go o przyjrzenie się efektom radioaktywności w cieczach. Ludzie pracujący przy reaktorach jądrowych często widzą tę charakterystyczną niebieską poświatę. W kulturze popularnej potężny Doktor Manhattan z klasycznej powieści graficznej „Watchmen” Lana Moore’a jest zawsze otoczony niebieską poświatą.
Ta dyskusja rodzi pytanie: jak bardzo możemy spowolnić światło?
Dead stop
Chociaż nigdy nie możemy faktycznie przyspieszyć lub zmniejszyć prędkości światła, która zawsze jest stała, naukowcy odnieśli sukces w manipulowaniu czasem potrzebnym na podróż światła przez różne nośniki. W temperaturze pokojowej atomy są niewiarygodnie szybkie i zachowują się jak kule bilardowe, odbijając się od siebie podczas interakcji. W miarę obniżania temperatury (pamiętaj, że temperatura odzwierciedla pobudzenie atomów), atomy i cząsteczki poruszają się wolniej. W końcu, gdy osiągniesz około 0,000001 stopnia powyżej zera absolutnego, atomy stają się tak gęsto upakowane, że zachowują się jak jeden superatom, działający unisono. Jest to domena mechaniki kwantowej, więc przygotuj się na wiele dziwactw.
Jest to w rzeczywistości odrębny stan materii znany jako kondensat Bosego-Einsteina, który nie przypomina codziennych obserwowalnych stanów, takich jak ciecz, gaz, ciało stałe lub plazma. BEC, w skrócie, został po raz pierwszy przewidziany w latach dwudziestych przez Alberta Einsteina i indyjskiego fizyka Satyendra Bose i dopiero bardzo późno w 1995 roku naukowcy byli w stanie wyprodukować warunki niezbędne do wystąpienia tego ekstremalnego stanu materii.
W 1999 roku, Lene Vestergaard Hau, profesor na Uniwersytecie Harvarda, wycelował wiązkę laserową przez taką chmurę prawie nieruchomych atomów sodu tylko 1/125 cala długości. Najpierw początkowa wiązka, zwana wiązką sprzęgającą, świeci na chmurę, czyniąc ją przezroczystą. Czyni to z niezwykle szybkim tempem zmiany współczynnika załamania.
Druga wiązka laserowa, impuls sondy, wystrzeliwuje przez tę teraz przezroczystą chmurę gazu, która ma współczynnik załamania sto bilionów razy większy niż szkło w światłowodzie. To właśnie w tych warunkach światło pełzało z oszałamiającą prędkością 38 mil na godzinę. Konie są szybsze.
Pływające światło
Nie spoczywając na laurach, profesor Hau popchnął kopertę do ostatecznego punktu: zatrzymania światła w jego torach. Aby całkowicie zatrzymać światło, naukowcy wykorzystali podobny, ale znacznie potężniejszy efekt. Badacze schłodzili gaz magnetycznie uwięzionych atomów sodu do poziomu kilku milionowych części stopnia zera absolutnego (-273 st. C). Konfiguracja eksperymentu wyglądała bardzo podobnie do pierwszej próby, tylko tym razem, jeśli zespół wyłączył laser sprzęgający, podczas gdy laser sondy wciąż świecił na chmurze, to impuls sondy zatrzymywał się w miejscu. Jeśli wiązka sprzęgająca zostanie ponownie włączona, impuls sondy pojawi się w nienaruszonym stanie, tak jakby czekał na wznowienie swojej podróży. Zdumiewające! Odkrycia te zostały powtórzone w tym samym roku (2001) przez dr Ronalda Walswortha z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge.
Od tego czasu wyznaczono różne kamienie milowe. W 2013 roku zespół z niemieckiego Uniwersytetu w Darmstadt całkowicie zatrzymał światło wewnątrz struktury krystalicznej i utrzymał je w takim stanie przez pełną minutę. Wykorzystali też pułapkę do przechowywania, a następnie odtwarzania obrazu składającego się z trzech pasków. „Pokazaliśmy, że można odcisnąć złożone informacje na wiązce światła” – powiedział główny badacz George Heinze. W 2015 r. naukowcy z Uniwersytetu w Glasgow znaleźli sposób na spowolnienie prędkości światła, który nie wymaga przeprowadzenia go przez medium. Zasadniczo zmienili jego prędkość pośrednio, przepuszczając światło przez specjalną maskę – filtr, który ukształtował wiązkę w wiązkę Gaussa lub Bessela.
Po przejściu przez medium, powiedzmy szkło, wodę lub jakikolwiek materiał, z którego można zrobić filtr, światło ma przyspieszyć z powrotem do swojej normalnej stałej. Eksperyment wykazał, że światło może być spowodowane do podróży wolniej niż c, zmieniając swój kształt. Było to 0,001 procenta wolniej niż powinno. Nie jest to tak imponujące jak hamowanie światłem, ale wciąż fascynujące. Może światło jest bardziej plastyczne niż fizycy wcześniej myśleli.
Istnieją oczywiście praktyczne zastosowania tych „sztuczek”. Należą do nich obliczenia kwantowe i zastosowania komunikacji kwantowej. Mimo to, robienie tego rodzaju przełomowej nauki tylko dla niej samej brzmi dla mnie równie niesamowicie.
.