Методические материалы, статьи

Ну о-о-очень медленный свет…

«Мы, — говорит Лени Вестергаард Хау, — добились такого замедления света, что успевали выйти из лаборатории, выпить чашечку кофе и вернуться, а луч все еще продолжал свое движение внутри установки».

Один комментатор выразил то же самое другими словами. «Группа Лени Хау, — написал он, — заставила свет двигаться медленнее пешехода».

И то и другое, конечно, преувеличение, но не такое уж большое. Упомянутая группа в составе голландской исследовательницы и трех ее коллег сумела уменьшить скорость света в 20 миллионов раз! В их установке он двигался со скоростью 17 метров в секунду, что примерно равняется скорости автобуса, взбирающегося на изрядную горку.

Все мы знаем, что скорость света в вакууме — 300 тысяч километров в секунду — максимальная из возможных, и никакой сигнал, никакое движущееся тело не может ее превзойти. Но в любой среде, отличной от вакуума, имеются атомы с их электронами. Световая волна, омывая такие атомы, поглощается ими, ее энергия расходуется на возбуждение электронов, которые затем успокаиваются и отдают эту энергию в виде переизлученного света. Этот процесс занимает хоть и малое, но ненулевое время, и в результате свет в среде движется чуть медленней, чем в вакууме. Его скорость там зависит от плотности атомов, точнее — не просто от плотности, а от электромагнитных свойств этой совокупности атомов. Так что в принципе замедлить свет- пара пустяков: нужно просто создать очень плотную, но еще прозрачную среду, но замедлить его в 20 миллионов раз-это своего рода экспериментальный рекорд. И, как всякий рекорд, он немедленно вызывает два вопроса: как и зачем?

Ответим сначала на второй. Если выяснится, что полученный результат можно воспроизводить достаточно простыми и дешевыми методами, это может, как утверждают специалисты, открыть пути к созданию ряда новых квантово-оптических приборов — суперочков мощного ночного видения, лазерных прожекторов большой яркости, быстродействующих оптических переключателей, а на основе последних — даже, может быть, нового поколения компьютеров, использующих световые сигналы вместо электрических. Значит, вопрос теперь в том, удастся ли действительно воспроизвести этот результат более просто и более дешево. Может быть, это станет яснее, если внимательней присмотреться к тому, каким способом был получен этот феноменальный результат в нынешнем эксперименте.

В своей статье в журнале «Nature», где авторы сообщили об этом результате, они указывают, что в качестве сверхплотной среды была использована совокупность атомов натрия, переведенная в состояние так называемого конденсата Бозе — Эйнштейна. Такой конденсат представляет собой сверхконденсированное состояние вещества, которое иногда называют также «пятым» его состоянием (после твердого, жидкого, газообразного и плазменного). Хотя возможность перевода вещества в такое состояние была предсказана Бозе и Эйнштейном еще в первые десятилетия нашего века, реализовать такой переход на практике удалось лишь четыре года назад, и этот экспериментальный успех стал тогда сенсацией научного сезона. Главная особенность конденсата Бозе — Эйнштейна состоит в том, что все его атомы ведут себя предельно согласованно, словно составляют один гигантский атом. Поэтому и все свойства вещества в таком состоянии резко меняются, и, в частности, его плотность становится очень высокой. А это, как мы уже говорили, должно вести к замедлению скорости света при прохождении через такой конденсат.

На первой стадии своего эксперимента группа Лени Вестергаард Хау занялась созданием необходимого ей конденсата. Для этого в небольшой магнитной «ловушке» было образовано (с помощью электрического разряда) облако, состоящее примерно из 100 миллионов атомов натрия, — нечто вроде тех сгустков газа, что излучают свет в современных светящихся трубках. Облако в ловушке Хау тоже поначалу светилось ярким оранжевым светом. Затем оно было подвергнуто освещению лучом низкоэнергетичного лазера. При этом энергия (то есть длина волны) световых частиц этого луча была выбрана намного меньше энергии натриевых атомов, и поэтому при каждом соударении какого-то атома со световой частицей этот атом немного замедлялся. Когда все атомы облака были достаточно замедленны, то есть снизили свою энергию, а с ней и температуру, на охлажденное облако атомов было добавочно наложено магнитное поле особой формы. Его силовые линии были расположены таким образом, что атомы, куда бы они ни пытались двигаться, тотчас наталкивались на отбрасывавшую их назад магнитную «стенку» и еще более замедлялись. Прорваться через эти «стенки» могли только самые энергичные атомы, а в результате их ухода («испарения» через «стенки») в облаке оставались только самые-самые медленные, так что средняя скорость атомов в облаке становилась еще меньше, то есть соответствовала совсем уж низкой температуре.

Эта хитроумная методика охлаждения облака натриевых атомов с помощью лазерного луча и «испарения» энергичных атомов в магнитном поле позволила исследователям в конечном счете понизить температуру облака до отметки, всего на 50 миллиардных(!) долей градуса превышающей абсолютный нуль. А это как раз та температура, при которой облако натриевых атомов переходит в желанное состояние конденсата Бозе — Эйнштейна, приобретая необходимую для эксперимента огромную плотность.

Образовавшийся в результате такого перехода конденсат оказался, как и предсказывала теория, практически непрозрачным для света. Выяснилось, однако, что при определенных условиях его можно сделать чуть-чуть прозрачнее, хотя лишь для некоторых определенных длин световых волн. Для этого нужно пропустить сквозь него два лазерных луча, идущих перпендикулярно друг другу — например, вдоль длины и ширины магнитной ловушки. Один из этих лучей создает тогда искусственную «частичную прозрачность» для некоторых определенных световых частот, а второй, имеющий частоту из этого диапазона, проходит через конденсат. Но «проходит» в кавычках — он не мчится, не идет, а точней всего — ползет, причем с невероятно малой скоростью. Если в воздухе, по пути от лазера к конденсату, он несется практически беспрепятственно, проходя по 300 тысяч километров в секунду, то на входе в магнитную ловушку с конденсатом замедляется так, словно натыкается на невидимую стенку: световой импульс с первоначальной длиной 750 метров на границе конденсата мгновенно сжимается до 0,04 миллиметра.

Войдя в ловушку с конденсатом, этот импульс-коротышка ползет сквозь толщу охлажденного натриевого облака с упомянутой в начале «автобусной» скоростью. Но и эта фантастически пониженная скорость — далеко не предел. Если верить Лени Вестергаард Хау, усовершенствование методики эксперимента позволит довести скорость света до совсем смехотворной, даже немыслимой величины — всего несколько сантиметров в секунду! Такой световой импульс сможет обогнать разве что черепаху, но никак не Ахиллеса. Ахиллес по сравнению с ним будет мчаться «со скоростью света«…

Все это может показаться всего лишь дорогостоящим фокусом, но, как мы уже сказали выше, этот «фокус» может открыть многообещающие и важные практические перспективы, если удастся найти простые и дешевые пути его повседневной технической реализации. Судя по тому, каких трудов потребовало осуществление эксперимента Лени Хау и ее аспирантов, создание подобных простых и компактных «светозамедляющих» устройств — дело не такое уж легкое и, во всяком случае, не такое уж близкое.

Рафаил Нудельман



См. также:
Курсы английского языка для школьников в центре «Милленниум»
ПРОЕКТ
осуществляется
при поддержке

Окружной ресурсный центр информационных технологий (ОРЦИТ) СЗОУО г. Москвы Академия повышения квалификации и профессиональной переподготовки работников образования (АПКиППРО) АСКОН - разработчик САПР КОМПАС-3D. Группа компаний. Коломенский государственный педагогический институт (КГПИ) Информационные технологии в образовании. Международная конференция-выставка Издательский дом "СОЛОН-Пресс" Отраслевой фонд алгоритмов и программ ФГНУ "Государственный координационный центр информационных технологий" Еженедельник Издательского дома "1 сентября"  "Информатика" Московский  институт открытого образования (МИОО) Московский городской педагогический университет (МГПУ)
ГЛАВНАЯ
Участие вовсех направлениях олимпиады бесплатное

Номинант Примии Рунета 2007

Всероссийский Интернет-педсовет - 2005