Техника - молодёжи 2001-11, страница 8

НОВОСТИ НАУКИ

Борис ЛУЧКОВ, Московский инженерно-физический институт

ДВА ГОДА НАЗАД ученый мир облетела сенсационная весть: группа молодых исследователей Роулан-довского института (Кембридж, США) провела эксперимент, показавший, что луч света можно затормозить в 20 млн раз — он движется не быстрее автомобиля в часы пик, со скоростью около 40 миль в час. Сенсация, однако быстро погасла: обсудив детали эксперимента, при шли к выводу, что ничего особенного не произош о

Скорость света в вакууме, равная 300 тыс. км/с, — предельно возможная, ничто в мире не может двигаться быс рее, но тот же свет в среде распространяется медленнее — в зависимости от ее электромагнитных свойств, обычно выражаемых через коэффициент преломления. В стекле и других оптически прозрачных материалах скорость света уменьшается в 1,5—2 раза. Конечно, удивительно, что ее удалось уменьшить в 20 млн раз. Ну нашли какую-то необычную среду — молодцы. Ничего экстраординарного, выходящего за рамки существующих редставлений.

Пошумев немного, проведя похожие эксперименты и убедившись, что такие среды, обладающие экстремально высокими коэффициентами преломления, можно искусственно создать, ученые успокоились и даже слегка пожурили молодежь за излишне сложный метод: вовсе не надо, оказывается, применять сверхнизкие температуры (около абсолютного нуля, равного -273,15°С), что технически довольно сложно, — можно такого же «торможения» света достичь и в теплой среде.

Но молодая группа, руководимая доктором Лин Хау из Гарвардского университета, продолжала работать в прежнем направлении (низкие температуры, сверхвысокий вакуум). Их нежелание прислушиваться к советам, возможно, отчасти объясняется тем, что Лин — женщина, достаточно упрямая и, по-видимому, уверенная в себе. И вот новая сенсация: в январе 2001 г. в журнале «Nature» опубликованы результаты последних исследований группы. Луч света был не только замедлен до «человеческих» скоростей, но на некоторое время задержан в той же необычной, искусственной среде. Неудержимый свет остановлен! Эта новость, еще до выхода статьи, выплеснулась за пределы научных институтов и пошла гулять по экранам телевизоров и страницам газет, обрастая, как положено, и неумышленными ошибками, и откровенной «клюквой».

Если останавливается свет, то, в соответствии с теорией относительности Эйнштейна, должно замереть и время. Вблизи черных дыр, в их огромных гравитационных полях, оно действительно может остановиться (для внешнего наблюдателя). Но чтобы это можно бы

УКРОЩЕНИЕ

ло «организовать» здесь, на Земле, — такого никто не ожидал. Чем не мировая сенсация? В голову приходит фаустовское «Остановись, мгновенье, — ты прекрасно». Почему бы и нет, если со светом творятся такие чудеса? Давайте разберемся, где чудеса, а где — не очень.

МОЖНО ЛИ ЗАМЕДЛИТЬ СВЕТ? Он,

как было известно еще Ньютону, — поток корпускул, названных позднее фотонами. А фотон, как установили в XX в., — элементарная частица с нулевой массой покоя. Посему энергия фотона равна его импульсу, и он всегда движется с одной и той же скоростью — скоростью света в вакууме. Остановить фотон нельзя, он бы тогда просто пропал: энергия покоя = тс² = 0, то есть отсутствует.

Как же так? А замедление луча света в стекле и других прозрачных средах? Дело в том, что нельзя замедлить фотон, но можно — поток фотонов, электромагнитное поле, создаваемое ими и распространяющееся с разными скоростями в разных средах. Взаимодействуя с электромагнитным полем атомов среды, фотонное поле вынуждено уменьшать скорость своего движения. Это можно представить как поглощение и переизлучение фотонов движущегося пучка атомами среды.

В магнитную ловушку, предварительно хорошо вакуумированную, помещали небольшое число (около 10 млн) атомов натрия, практически неподвижных (на физическом языке — лишенных всех степеней свободы). Это достигалось путем глубокого охлаждения, до температуры 0,9 мкК (что само по себе технически очень непросто). Глубокий вакуум в установке до ее заполнения рабочим телом гарантировал отсутствие столкновений атомов натрия с остаточным газом, что могло бы выводить их из летаргического состояния. Образовалось то, что называют Бозе-конденсатом, — газовое облако, все атомы которого занимают низшее энергетическое состояние. Магнитное поле удерживало облако — сигарообразной формы с продольным размером 339 мкм и поперечным 55 мкм — в центре камеры, препятствуя контакту с ее стенками.

И такой крохотный газовый сгусток мог полностью останавливать проходящий через него лазерный импульс! Вследствие чего? Во-первых, из-за большой плотности Бозе-конденсата, но главное — в результате тонкой подстройки энергетических уровней системы: возбужденного уровня натрия (линия D1 с длиной волны 589,6 нм) и энергий двух лазерных пучков. Резонансное поглощение фотонов проходящего лазерного импульса атома-

Блок-схема эксперимента. Цифрами обозначены: 1 — пробный пучок; 2 — расщепитель пучка; 3 — связной пучок; 4 — атомы Na; 5 — пластина изображения; 6 — ФЭУ связного пучка; 7 — расщепитель поляризованного пучка; 8 — линейный поляризатор; 9 — поворотное зеркало; 10 — ПЗС-камера.

Если лучом света называют поток фотонов — например, импульс лазерного излучения, то никакого противоречия нет. Он действительно будет иметь разную скорость в разных материалах. Но к эффекту замедления времени это не имеет никакого отношения.

Эксперимент группы Лин Хау не проверял теорию относительности, его достоинство и новизна совсем в другом.

СРЕДА С БОЛЬШИМ КОЭФФИЦИЕНТОМ ПРЕЛОМЛЕНИЯ. Экспериментаторам впервые удалось создать среду со столь необычными свойствами. Над ней они работали несколько лет, и первый свой опыт провели как испытание нового образца, ставшего мишенью для лазерного импульса.

ми натриевого конденсата и обеспечивало огромный коэффициент преломления среды, характеризующий ее «тормозящие» способности для луча света. Основой для получения аномального «торможения» света стал метод электромагнитно стимулированной прозрачности (ЭСП), предложенный несколько лет назад и успешно примененный в рассматриваемом эксперименте.

СТИМУЛИРОВАННАЯ ПРОЗРАЧНОСТЬ. Говоря кратко (и потому не очень точно), метод ЭСП заключается во взаимодействии двух лазерных пучков с атомами среды, в результате которого возбуждаются два подуровня тонкого расщепления линии D1. Кроме короткого лазерного импульса, тормо

ТЕХНИКА-МОЛОДЕЖИ 11 2001