Быстрее света

ТЕКСТ: Александра Борисова

ФОТО: На границе слоев создается картина интерференции волн, которая влияет на время пути через материал // JQI

Скорость света уже не предел. Ученым удалось провести отдельные фотоны через прозрачную пластину с кажущейся сверхсветовой скоростью.

Возможность превышения скорости света ― универсальной константы в рамках существующей физической модели ― будоражит умы не только писателей-фантастов, но и ученых. Так, например, существуют гипотезы, что в так называемой квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Также обсуждался так называемый парадокс Хартмана ― сверхсветовая скорость при туннельном эффекте. Однако эти опыты, как показал их детальный анализ, принципиально не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо сигнала или перемещения вещества.

Однако неудачи предшественников не останавливают ученых. Группа американских физиков сообщила, что им удалось разогнать фотоны ― элементарные частицы нулевой массы, которые можно назвать «частицами света», до скорости, при наблюдении кажущейся больше скорости света. Это исследование опубликовано в Optics Express.

Фотоны пропустили через «стопку» слоев материалов различной природы. Этот экспериментальный опыт подтверждает теоретические предсказания квантовых физиков: время пути света через сложный многослойный материал не зависит от толщины слоев, как это происходит в случае простых материалов, например стекла. Это время определяется порядком расположения слоев из разного материала. Это первое опубликованное экспериментальное исследование такой зависимости для отдельных фотонов.

Строго говоря, свет способен достичь своей максимальной скорости лишь в вакууме ― собственно, константа 299 792 458 м/с и представляет собой именно скорость света в вакууме.

В прозрачных средах скорость света падает: отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде представляет собой показатель преломления среды, причем эта величина больше единицы. Это верно для сред типа стекла или воды, а также для более сложных сред ― например, многослойных диэлектриков. Они обладают изолирующими свойствами и могут использоваться для создания высокоотражающих материалов ― оптических покрытий, зеркал и оптических волокон.

В ходе работы по изучению скорости света физики разработали опытный материал, состоящий из тонких диэлектрических слоев. Всего таких слоев было 30, каждый толщиной около 80 нм ― это в четыре раза меньше длины волны света, проходящего через материал. Слои не были одинаковыми: половина имела высокий (Н) показатель преломления, а половина ― низкий (L), причем такие слои чередовались. Такой механизм менял направление света и степень его отражения в разной степени. Каждый фотон, попадавший на границу слоев H и L, таким образом, с некоторой долей вероятности отражался либо проходил сквозь материал к следующему слою.

Когда свет падает на такую тридцатислойную чередующуюся «стопку», вероятность фотонов пройти сквозь все слои весьма мала ― лишь небольшая часть частиц проникает через препятствие. На это частицам требуется 12,84 фс (фемтосекунд, 10^―15 с). Однако при добавлении в самом конце дополнительного слоя с низким показателем преломления время пути фотонов резко и непропорционально возрастало до 16,36 фс ― на 3,52 фс! Если принять время пути зависимым только от толщины слоя и показателя преломления, время пути через один дополнительный слой должно составлять всего 0,58 фс. При добавлении одного слоя с высоким показателем преломления, напротив, время пути резко сокращается ― до 5,34 фс.

Получается, что отдельные фотоны проходят сквозь пластину толщиной 2,5 микрона со скоростью, кажущейся сверхсветовой.

Ученые считают, что это явление объясняется с позиций корпускулярно-волновой природы света (свет представляет собой и волну, и поток частиц ― фотонов ― одновременно). В проведенном эксперименте свет и начинает, и заканчивает свой путь как частица ― фотон. Однако, когда один из этих фотонов пересекает границу между слоями материала, на каждой поверхности он создает волну. Эти волны взаимодействуют друг с другом, создавая интерференционную картину (интенсивности волн перераспределяются, создавая картину из четких максимумов и минимумов подобно тому, как при встречных волнах в океане образуется приливной сулой ― взброс воды). При определенном расположении H- и L-слоев интерференция волн вызывает эффект «раннего прибытия» части фотонов. При этом другие фотоны, напротив, прибывают заметно позже «обычного» из-за возникновения интерференционных минимумов на картине.

В сущности же, превышения скорости света не происходит, наблюдаемая скорость является некоторой иллюзией.

«ранних пташек». В таком случае усреднение даст обычную скорость света.