Разбираемся с «замедлением» фотонов в вакууме

Пару дней назад научно-популярные СМИ облетела новость, будто бы учёные обнаружили, что фотоны в вакууме могут распространяться со скоростью ниже скорости света. Для этого достаточно пропустить их через особую маску. Это сообщение вызвало у меня определённый скепсис, который я отразил кавычками в названии этого поста, и желание разобраться, что же там произошло на самом деле.

Картинка из [пресс-релиза](http://www.gla.ac.uk/news/headline_388852_en.html).
Картинка из пресс-релиза.

Естественно, первым делом я решил проверить, не закралась ли ошибка при переводе. Такое время от времени случается в рунете. Дело в том, что работой с англоязычными источниками у нас занимаются единицы, остальные просто делают рерайт с уже переведённых новостей. Были случаи, когда, например, Лента.ру допускала при переводе ошибку, и она тиражировалась в десяток других СМИ.

Поэтому я разыскал изначальный пресс-релиз, и прочитав его, понял, что ошибки при переводе не было. Действительно, утверждается, что были получены фотоны, скорость которых в вакууме ниже скорости света:

Co-lead author Jacquiline Romero said: «…This finding shows unambiguously that the propagation of light can be slowed below the commonly accepted figure of 299,792,458 metres per second, even when travelling in … vacuum.»

Следующий шаг заключался в том, чтобы проверить, нет ли ошибки в пресс-релизе. Журналисты даже в весьма серьёзных изданиях не гнушаются для красного словца приукрасить результаты. Даже сами учёные в своих комментариях для пресс-релиза иногда пользуются не очень удачной аналогией или гиперболой, не замечая, что она искажает суть их работы.

В общем, я заглянул в саму научную статью, опубликованную в более чем авторитетном журнале Science. К своему удивлению, там я увидел то же самое утверждение, причём вынесенное прямо в название:

Spatially structured photons that travel in free space slower than the speed of light

Это означало, что надо разбираться в работе по сути.

Итак, авторы берут источник света, делят его излучение на два луча, один из которых пускают по линии задержки, не искажая его профиля, а второй пропускают через специальную маску — линзу определённой формы. Длину линии задержки подбирают таким образом, чтобы фотоны и там, и там достигали выхода в один и тот же момент времени. После этого регистратор отодвигают на некоторое расстояние и смотрят, через какое время приходят два фотона. Если их скорости одинаковы, они должны прийти в один и тот же момент времени, если нет — то с некоторой разницей.

Оказалось, что фотон, прошедший по первому пути, приходит заметно раньше, при этом его измеренная скорость оказалась равной скорости света, что и ожидаемо. Но это означает, что у фотона, прошедшего вторым путём, скорость меньше скорости света. Вроде всё сходится, и новости совершенно верно отражают результат проведённого эксперимента.

Но дьявол, как известно, кроется в деталях.

Давайте посмотрим, что собой представляет использованная маска. Исследователи изучали два вида маски. Первая придавала пучку огибающую в виде функции Гаусса, а вторая — в виде функции Бесселя. Дальнейшие рассуждения удобнее проводить на примере бесселевого пучка, поскольку, фактически, это случай конической фокусировки, для которого линза выглядит как-то так:

Если взглянуть на эту картинку получше, то можно понять, что линза, фактически, разбивает падающую волну на две волны равной амплитуды, бегущих под углом к первоначальному направлению распространения. Если вспомнить, что фотон это не просто частица, но и волновой объект (корпускулярно-волновой дуализм, однако), то ясно, что и он в такой линзе «разбивается» на два «субфотона», бегущих под углом к первоначальному направлению распространения. Если говорить по-научному, то фотон помещается в суперпозицию двух состояний с различными импульсами.

При этом в среднем фотон продолжает лететь, куда летел, и в эксперименте как раз и измеряется скорость этого усреднённого движения. Каждый из «субфотонов», однако, летит всё с той же скоростью света, и измеряемая усреднённая скорость — это просто проекция их скорости на первоначальное направление распространения.

Для гауссова пучка рассуждения аналогичны, за тем исключением, что фотон в нём помещается в суперпозицию не двух, а бесконечного числа состояний с разными импульсами.

Конечно, эти «субфотоны» не более чем воображаемые объекты, которые я ввёл для наглядности. Реален лишь фотон, находящийся в суперпозиции двух состояний. Поэтому интерпретация результата, данная в работе, имеет право на существование. Но если бы фоторегистратор отнесли подальше, то на нём после пролёта большого количества фотонов экспериментаторы увидели бы два разнесённых пятна, и тогда неоднозначность их интерпретации стала бы более очевидной.

Чтобы подчеркнуть только что сказанное, приведу ещё один пример. Если мы пустим фотон на полупрозрачную пластинку с коэффициентом пропускания 50%, то будем регистрировать его то с одной стороны от пластинки, то с другой. Его средняя скорость, таким образом, будет равна нулю. Но это и так очевидно, никакого сверхрезультата здесь нет.

Резюмируя. В эксперименте, действительно, была измерена скорость фотона ниже скорости света. Но следует иметь в виду, что это довольно специфическая скорость. Результат, однако, важен для некоторых приложений, и поэтому имел право на публикацию.

P.S. В некотором смысле обратный эффект, кстати, был использован в недавней статье про «самоускоряющиеся» электроны. Поскольку электроны тоже демонстрируют волновые свойства, то можно поместить их в такую суперпозицию состояний, что для большинства электронов время их прихода к детектору будет относительно велико, но небольшая фракция частиц придёт на детектор очень быстро, продемонстрировав тем самым как бы увеличение скорости.


Статья изначально была опубликована на сайте GeekTimes.

comments powered by Disqus