Замедленный свет. Скорость света в среде.





Весной прошлого года научные и научно-популярные журналы мира сообщили сенсационную новость. Американские физики провели уникальный эксперимент: они сумели понизить скорость света до 17 метров в секунду.

Все знают, что свет распространяется с огромной скоростью - почти 300 тысяч километров в секунду. Точное значение ее величины в вакууме = 299792458 м/с - фундаментальная физическая константа. Согласно теории относительности, это максимально возможная скорость передачи сигнала.

В любой прозрачной среде свет распространяется медленнее. Его скорость v зависит от показателя преломления среды n: v = с/n . Показатель преломления воздуха - 1,0003, воды - 1,33, различных сортов стекла - от 1,5 до 1,8. Одно из самых больших значений показателя преломления имеет алмаз - 2,42. Таким образом, скорость света в обычных веществах уменьшится не более чем в 2,5 раза.

В начале 1999 года группа физиков из Роуландовского института научных исследований при Гарвардском университете (штат Массачусетс, США) и из Стэнфордского университета (штат Калифорния) исследовала макроскопический квантовый эффект - так называемую самоиндуцированную прозрачность, пропуская лазерные импульсы через непрозрачную в обычных условиях среду. Этой средой были атомы натрия, находящиеся в особом состоянии, называемом бозе-эйнштейновским конденсатом. При облучении лазерным импульсом он приобретает оптические свойства, которые уменьшают групповую скорость импульса в 20 миллионов раз по сравнению со скоростью в вакууме. Экспериментаторам удалось довести скорость света до 17 м/с!

Прежде чем описывать сущность этого уникального эксперимента, напомним смысл некоторых физических понятий.

Групповая скорость. При распространении света в среде различают две скорости - фазовую и групповую. Фазовая скорость vф характеризует перемещение фазы идеальной монохроматической волны - бесконечной синусоиды строго одной частоты и определяет направление распространения света. Фазовой скорости в среде соответствует фазовый показатель преломления - тот самый, значения которого измеряются для различных веществ. Фазовый показатель преломления, а следовательно, и фазовая скорость зависят от длины волны. Эта зависимость называется дисперсией; она приводит, в частности, к разложению белого света, проходящего через призму, в спектр.

Но реальная световая волна состоит из набора волн различных частот, группирующихся в некотором спектральном интервале. Такой набор называют группой волн, волновым пакетом или световым импульсом. Эти волны распространяются в среде с различными фазовыми скоростями из-за дисперсии. При этом импульс растягивается, а его форма меняется. Поэтому для описания движения импульса, группы волн как целого, вводят понятие групповой скорости. Оно имеет смысл только в случае узкого спектра и в среде со слабой дисперсией, когда различие фазовых скоростей отдельных составляющих невелико. Для лучшего уяснения ситуации можно привести наглядную аналогию.

Представим себе, что на линии старта выстроились семь спортсменов, одетых в разноцветные майки по цветам спектра: красную, оранжевую, желтую и т. д. По сигналу стартового пистолета они одновременно начинают бег, но "красный" спортсмен бежит быстрее, чем "оранжевый", "оранжевый" - быстрее, чем "желтый", и т. д., так что они растягиваются в цепочку, длина которой непрерывно увеличивается. А теперь представим, что мы смотрим на них сверху с такой высоты, что отдельных бегунов не различаем, а видим просто пестрое пятно. Можно ли говорить о скорости движения этого пятна как целого? Можно, но только в том случае, если оно не очень расплывается, когда разница в скоростях разноцветных бегунов невелика. В противном случае пятно может растянуться на всю длину трассы, и вопрос о его скорости потеряет смысл. Это соответствует сильной дисперсии - большому разбросу скоростей. Если бегунов одеть в майки почти одного цвета, различающиеся лишь оттенками (скажем, от темно-красного до светло-красного), это станет соответствовать случаю узкого спектра. Тогда и скорости бегунов будут различаться ненамного, группа при движении останется достаточно компактной и может быть охарактеризована вполне определенной величиной скорости, которая и называется групповой.

Статистика Бозе-Эйнштейна. Это один из видов так называемой квантовой статистики - теории, описывающей состояние систем, содержащих очень большое число частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.

Все частицы - как заключенные в атоме, так и свободные - делятся на два класса. Для одного из них справедлив принцип запрета Паули, в соответствии с которым на каждом энергетическом уровне не может находиться более одной частицы. Частицы этого класса называются фермионами (это электроны, протоны и нейтроны; в этот же класс входят частицы, состоящие из нечетного числа фермионов), а закон их распределения называется статистикой Ферми-Дирака. Частицы другого класса называются бозонами и не подчиняются принципу Паули: на одном энергетическом уровне может скапливаться неограниченное число бозонов. В этом случае говорят о статистике Бозе-Эйнштейна. К бозонам относятся фотоны, некоторые короткоживущие элементарные частицы (например, пи-мезоны), а также атомы, состоящие из четного числа фермионов. При очень низких температурах бозоны собираются на самом низком - основном - энергетическом уровне; тогда говорят, что происходит бозе-эйнштейновская конденсация. Атомы конденсата теряют свои индивидуальные свойства, и несколько миллионов их начинают вести себя как одно целое, их волновые функции сливаются, а поведение описывается одним уравнением. Это дает возможность говорить, что атомы конденсата стали когерентными, подобно фотонам в лазерном излучении. Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий использовали это свойство конденсата Бозе-Эйнштейна для создания "атомного лазера" (см. "Наука и жизнь" № 10, 1997 г.).

Самоиндуцированная прозрачность. Это один из эффектов нелинейной оптики - оптики мощных световых полей. Он заключается в том, что очень короткий и мощный световой импульс проходит без ослабления через среду, которая поглощает непрерывное излучение или длинные импульсы: непрозрачная среда становится для него прозрачной. Самоиндуцированая прозрачность наблюдается в разреженных газах при длительности импульса порядка 10-7 - 10-8 с и в конденсированных средах - менее 10-11 c. При этом возникает запаздывание импульса - его групповая скорость сильно уменьшается. Впервые этот эффект был продемонстрирован Мак-Коллом и Ханом в 1967 году на рубине при температуре 4 К. В 1970 году в парах рубидия были получены задержки, соответствующие скоростям импульса, на три порядка (в 1000 раз) меньшим скорости света в вакууме.

Обратимся теперь к уникальному эксперименту 1999 года. Его осуществили Лен Вестергард Хэу, Захари Даттон, Сайрус Берузи (Роуландовский институт) и Стив Харрис (Стэнфордский университет). Они охладили плотное, удерживаемое магнитным полем облако атомов натрия до перехода их в основное состояние - на уровень с наименьшей энергией. При этом выделяли только те атомы, у которых магнитный дипольный момент был направлен противоположно направлению магнитного поля. Затем исследователи охладили облако до температуры менее 435 нК (нанокельвинов, т.е. 0,000000435 К, почти до абсолютного нуля).

После этого конденсат осветили "связующим пучком" линейно поляризованного лазерного света с частотой, соответствующей энергии его слабого возбуждения. Атомы перешли на более высокий энергетический уровень и перестали поглощать свет. В результате конденсат стал прозрачным для идущего следом лазерного излучения. И вот здесь появились очень странные и необычные эффекты. Измерения показали, что при определенных условиях импульс, проходящий через бозе-эйнштейновский конденсат, испытывает задержку, соответствующую замедлению света более чем на семь порядков - в 20 миллионов раз. Скорость светового импульса замедлилась до 17 м/с, а его длина уменьшилась в несколько раз - до 43 микрометров.

Исследователи считают, что, избежав лазерного нагрева конденсата, им удастся еще сильнее замедлить свет - возможно, до скорости нескольких сантиметров в секунду.

Система с такими необычными характеристиками позволит исследовать квантово-оптические свойства вещества, а также создавать различные устройства для квантовых компьютеров будущего, скажем, однофотонные переключатели.


Автор: Доктор технических наук А. ГОЛУБЕВ

Источник: .: http://www.nkj.ru/archive/articles/6674/ (Наука и жизнь, ЗАМЕДЛЕННЫЙ СВЕТ)


Комментарии (3)

Всего: 3 комментария
  
#1 | Анатолий »» | 18.02.2016 08:17
  
1
Скорость света в вакууме оказалась непостоянной.


Скорость света в вакууме не является постоянной величиной, утверждают авторы сразу двух статей, опубликованных в одном из ведущих физических журналов Европы European Physical Journal D.

Автор одной из них, Марсель Урбан из Университета Париж-Юг 11 в парижском пригороде Орсэ, вместе со своими коллегами убежден, что вакуум (который не пуст и, по сегодняшним воззрениям, наполнен парами виртуальных, то есть возникающих и тут же исчезающих частиц) характеризуется флуктуирующей энергией - и потому некоторые его свойства, в том числе скорость света в нем, тоже должны иметь флуктуирующие значения.

Авторы второй статьи, http://link.springer.com/article/10.1140/epjd/e2013-30577-8 Герд Лёхс и Луис Санчес-Сото из Института физики света им. Макса Планка в Эрлангене (ФРГ) http://www.mpl.mpg.de/en/institute/the-institute.html , пришли к тому же выводу, изучив электрические характеристики вакуума.

Концепция вакуума – одна из самых загадочных в физике. Сегодня считается, что полной пустоты в природе вообще не существует. Даже там, где «вообще ничего нет», постоянно рождаются и тут же исчезают пары, - такие, как «электрон-позитрон» или «кварк-антикварк». Урбан и его коллеги впервые детально исследовали квантовый механизм, определяющий намагничивание и поляризацию вакуума, получив возможность оценить такие свойства вакуума, как его поляризация, диэлектрическую проницаемость - и, в конечном счете, скорость света в нем.


Этот анализ привел исследователей к выводу: в единице объема вакуума может находиться только ограниченное число виртуальных частиц. Из этого теоретически следует, что скорость фотона в вакууме должна варьироваться - по оценкам группы Урбана, в пределах 50 аттосекунд (аттосекунда – это 10- 18, то есть одна миллиардная часть от одной миллиардной части секунды) при пересечении квадратного метра вакуума. Это очень мелкие флуктуации, но их можно поймать с помощью новых сверхбыстрых лазеров, заявляют ученые.

Лёхс и Санчес-Сото, с другой стороны, рассмотрели пары виртуальных заряженных частиц в вакууме как электрические диполи и постарались на этой основе определить электрические характеристики вакуума. В частности, импеданс (условно говоря, электрическое сопротивление), который, в свою очередь, влияет на величину скорости света в вакууме. Импеданс вакуума, выяснилось, определяется не массой частиц, а только суммой квадратов их зарядов, иначе говоря, общим количеством элементарных заряженных частиц, имеющихся в природе. Исследователи утверждают, что имеющиеся экспериментальные результаты говорят в пользу этой гипотезы, а поскольку это число из-за свойств вакуума флуктуирует, то и скорость света тоже должна меняться!

Что же, Эйнштейну и его последователям следовало говорить не о том, что скорость света есть максимум, который нельзя превзойти, а всего лишь о том, что в мире существует максимальная скорость передвижения, без всякой ссылки на свет?

Источник: http://polit.ru

Автор одной из них, Марсель Урбан
http://link.springer.com/journal/10053
  
#2 | Анатолий »» | 18.02.2016 08:33
  
1
Свет: Новые исследования движения частиц света привели к интересным результатам.


Универсальное правило, возможно, должно быть переписано: свет, свободно двигающийся в пустом пространстве, не обязательно распространяется со скоростью света. Физики знают, световые частицы, двигающиеся в пустом пространстве, проходят расстояние в 186,282 мили за секунду (299,792 километра в секунду). Эта та скорость, которую принято называть "скоростью света".

Естественно, что свет замедляет свою скорость, когда он проходит через среду, как вода, стекло, или искусственные структуры, называемые волноводами. Но как только свет выходит с другой стороны среды, он должен сразу же нарастить скорость до своего максимального значения. Однако новое исследование показывает, что есть исключение из этого правила: свет не будет двигаться на максимальной скорости в пустом пространстве, если его "структура" изначально изменилась.

По мнению авторов нового исследования, даже столь простое, как обычная линза может изменить структуру света. Линза собирает рассеянный свет и объединяет его в единую, яркую точку. В своих экспериментах исследователи смогли изолировать этот замедляющий эффект, посылая свет через специально разработанные "маски", которые подобны определенным типам линз. Исследователи подчеркивают, что хотя на первый взгляд результаты кажутся не такими уж и странными, они не поддаются законам физики.

"Все это имеет смысл - это прекрасно согласуется с нашим пониманием того, как распространяется свет, и о том, как работает квантовая механика", сказал Даниэль Джованнини, научный сотрудник Университета Глазго в Шотландии.

Хотя о намеках этого явления сообщали ранее, исследователи заявили, что их работа является первой, цель которой продемонстрировать его непосредственно и предложить полное объяснение того, почему это происходит.

Изогнутый путь
Фотоны, или частицы света стараясь выйти из стакана воды, пытаются оставить переполненную среду: молекулы воды, в которые врезаются фотоны, препятствуют тому, чтобы небольшой луч света шел к выходу прямолинейно. Фотон перемещается быстро между каждой молекулой воды, но зигзагообразный путь между двумя точками медленнее, чем прямой, так, в конечном счете, фотон замедляется.

Во время “путешествия” в среде, фотоны всегда двигаются на максимальной скорости (скорости света), но замедляются из-за измененного пути. Так, когда фотон выходит в открытый космос и возобновляет прямой путь, он должен снова перейти к своей максимальной скорости. Однако согласно новому исследованию, изменение структуры света может эффективно задержать фотон, движущегося по зигзагообразному пути, и замедлить его.

Особый тип линзы может создать то, что известно как луч Бесселя, сформированного по образцу “яблочка” в мишени. Ученые, проводящие эксперименты с этим лучом, а также с лучом Гаусса, который является точкой света, имеющего большую плотность в середине и постепенно редеющего к краям, отметили, что свет, двигается медленнее, чем должен двигаться в свободном пространстве.

Линзы могут повлиять на световые лучи по-разному, поэтому, чтобы удалить лишние эффекты, исследователи использовали специализированные "маски" — в основном очень тонкую пленку, состоящую из кристаллических структур, которые могут формировать путь отдельных фотонов.

Фотон – это единица света, который не может быть разбит на более мелкие куски. Тем не менее, световая волна технически имеет несколько компонентов, говорят исследователи. Это подобно тому, как у географического местоположения могут быть широта, долгота и даже высота: три различных числа описывающих единственное местоположение. Точно так же единичный фотон может быть описан многократными волновыми компонентами.

Когда волна света проходит через маску, ее компоненты направляются по разным путям; некоторые двигаются прямо вперед, в то время как другие направляются на медленные, угловые пути, которые замедляют их. Скорость фотона - средняя скорость всех волновых компонентов и таким образом, фотон получает замедление всеми теми отклоненными компонентами.

Структуры, называемые волноводами, могут создать такой же эффект замедления. "Если Вы посылаете свет по волноводу, то он будет отражаться от его стен и двигаться зигзагами", рассказал Джованнини Live Science. "То, что мы здесь делаем, создаем более или менее ту же самую структуру, кроме свободного пространства, а не в волноводе. Мы убираем стены и просто даем свету распространяется в свободном пространстве после того, как мы его структурировали ".

Гонки фотонов
Исследователи поставили эксперимент, в котором один из фотонов пропустили через “маску”, тогда как второй перемещался в свободном пространстве. Цель эксперимента – посмотреть, какой из фотонов пересчет “финишную черту” первым. Результаты показали, что фотон, прошедший через маску прибыл к “финишу” с измеримой задержкой.

"Задержка, которую мы ввели структурированному лучу, маленькая, измеренная в нескольких микрометрах [миллионная часть метра] на расстоянии распространения в 1 метр, но это существенно", сказал Джованнини в заявлении. По словам исследователей, эта задержка может быть замечена как у групп фотонов, так и отдельных фотонов.

Ранее исследователи, экспериментируя с разными специальными типами линз, обнаружили, что свет, выходящий из этих линз, двигался чуть-чуть медленнее, чем реальная скорость света. Тогда этот эффект был впервые выделен и изучен непосредственно, говорят исследователи. Объяснение исследователей, вовлекший "зигзагообразный" путь и структуру света, является первым полным теоретическим объяснением этого феномена.

"То, что мы делали, было действительно понятно, это эксперимент, который удаляет любую двусмысленность", сказал Хаккилине Ромеро, научный сотрудник Университета Глазго со-ведущий автор исследования. "В то время как некоторые люди скажут: "Все это очевидно ", возможно, другие скажут: "Да, это очень здорово!".

На данный момент результаты пока не имеют каких-либо применений, говорят исследователи, но они могут быть важны в прецизионных измерениях (сверхточные измерения), связанных со светом.
"Это действительно очень любопытный эффект, на который прежде никто не обращал особого внимания", сказал Джованнини.


Источник: http://tayny.info/310-svet-novye-issledovaniya-dvizheniya-chastic-sveta-priveli-k-interesnym-rezultatam.html
  
#3 | Анатолий »» | 19.02.2016 22:39
  
0
ОПТИКА
Основные Формулы

Скорость света в среде u = c/n,
где с - скорость света в вакууме ; n показатель преломления среды.
Оптическая длина пути световой волны
L = n ℓ,
где ℓ - геометрическая длина пути световой волны в среде с показателем преломления n.


Продолжение обсуждения смотрите здесь:

http://www.decoder.ru/list/all_1/topic_185_10_1692/#c141
Добавлять комментарии могут только
зарегистрированные пользователи!
 
Имя или номер: Пароль:
Регистрация » Забыли пароль?
 
© decoder.ru 2003 - 2017, создание портала - Vinchi Group & MySites