Фотоны давно описываются как безмассовые частицы, которые не взаимодействуют друг с другом. Направьте два лазерных луча друг на друга, и они просто пройдут насквозь. Физики предполагают, что «основой» темной материи должен быть, так называемый, «темный фотон».
Когда речь заходит о квантовой физике, описывающей мир на уровне атомов и элементарных частиц, все кажется противоречащим нашему привычному пониманию реальности. Тем не менее эта область научных исследований давно прочно вошла в повседневную жизнь, а ученые продолжают открывать новые удивительные явления. Недавно исследовательская группа из Университета Торонто (Канада) и Университета Гриффита (Австралия) экспериментально доказала, что фотоны – кванты света – могут проводить «отрицательное количество времени» в облаке атомов. Новое открытие бросает вызов современным представлениям о том, как свет взаимодействует с материей и имеет фундаментальное значение для науки.
За последнее время количество информации о свойствах и строении элементарных частиц, из которых состоит вся наша Вселенная, значительно возросло. Это позволило ученым узнать больше об устройстве нашего мира. Однако одна вещь до сих пор не дает им покоя: темная материя. Ее наличие подтверждается теоретическими расчетами и даже имеются некоторые данные о том, что она действительно должна существовать. Но «увидеть» элементарную частицу, из которой состоит темная материя пока так и не удалось. Однако физики ЦЕРН (Европейской организации по ядерным исследованиям) предполагают, что «основой» темной материи должен быть, так называемый, «темный фотон». И ученые приступили к его поискам.
«Я провела много времени в темноте в аспирантуре. Не только потому, что я изучала область квантовой оптики — где мы обычно имеем дело с одной частицей света, или фотоном, одновременно. Но и потому, что в моих исследованиях инструментом измерений были глаза. Я изучала, как люди воспринимают мельчайшие количества света, и сама становилась первой испытуемой всякий раз», — рассказывает Ребекка Холмс, физик Национальной лаборатории Лос-Аламоса. Ее работа, о которой вы сейчас прочитаете, была опубликована Physics World and Applied Optics, среди прочих мест. Далее — от первого лица.
Все современные электронные устройства используют для передачи информации электроны. Сейчас вовсю идет разработка квантовых компьютеров, которые многие считают будущей заменой традиционных устройств. Однако есть и еще один, при этом не менее интересный путь развития. Создание, так называемых, фотонных компьютеров. И недавно группа исследователей из Университета Эксетера (Великобритания) обнаружила свойство частицы, которое может помочь в разработке новых компьютерных схем.
Если провести небольшой эксперимент и скрестить лучи двух фонариков, то вы обнаружите, что ничего не произойдет (если, конечно, не считать повышенную яркость). Объясняется это тем, что фотоны света не взаимодействуют между собой, а скорее проходят друг через друга, как призраки. Но что, если бы это было не так и частицы света аналогично обычным атомам могли притягиваться и отталкиваться друг от друга? Вполне возможно, что в таком случае лучи света друг друга дополняли, сливаясь в единый мощный светящийся поток.
Один из фундаментальных постулатов современной физики гласит, что в среде идеального вакуума – пространстве, не содержащем какую-либо материю, – не может существовать такого процесса, как трение, потому как полностью пустое пространство не может воздействовать этой силой на объекты, проходящие через него.
В настоящее время для передачи и обработки информации используется поток электронов, но постоянное увеличение сложности вычислений говорит о том, что современных методик скоро будет недостаточно и электроны неплохо было бы заменить чем-то другим. Фотоны, имеющие гораздо большую скорость, подойдут для этого как нельзя кстати. Группе исследователей из лаборатории Hewlett Packard удалось создать оптический процессор, на чипе которого присутствует 1052 оптических компонента, способные быстро и эффективно выполнять достаточно сложные вычисления.
Около 85 процентов материи в нашей Вселенной невидимы. Учёные называют это вещество «тёмной материей», так как оно никак не взаимодействует с фотонами и электромагнитными волнами. Присутствие тёмной материи выдаёт лишь гравитационный эффект, благодаря которому современная наука вообще знает о её существовании. Ведущие физики ЦЕРН поставили перед собой задачу обнаружить так называемый тёмный фотон, гипотетическую элементарную частицу, предположительно являющуюся аналогом фотонов для тёмной материи.
Совсем недавно мы писали о совместной разработке российских и японских физиков по замедлению света. Но их австралийским коллегам удалось продвинуться еще дальше. Они смогли «заморозить» световой пучок. Отчет о проведенном исследовании опубликован в свежем номере журнала Nature Physics.
Группа ученых из МГУ имени М. В. Ломоносова и Технологического университета Тойохаши (что в Японии) разработала метод управления поворотом поляризации света. Как утверждают физики, это сможет открыть новые горизонты для развития систем оптической обработки информации, а также поможет в создании нового типа сверхбыстрых компьютеров, в которых вместо электронов работают фотоны.
Теперь, когда фотонные чипы уже стали реальностью, они должны пройти последний, самый важный тест: в космосе. NASA разрабатывает интегрированный фотонный модем, который будет использован для тестирования высокоскоростной лазерной связи между Землёй и космическим кораблём на низкой околоземной и геостационарной орбитах. Космическое агентство планирует протестировать фотонный чип на борту Международной космической станции в 2020 году.
Этот год отметился многими научными прорывами, но Колорадский университет явно хочет завершить 2015-й большой встряской. Представители этого университета заявили, что смогли создать первый процессор, передающий данные с помощью света, а не электричества.
Фраза «телепортация фотона» звучит не так впечатляюще, если вспомнить всё то, что мы видели в фантастических фильмах и телесериалах. Разумеется, вряд ли в ближайшие десятилетия наука научится телепортировать людей из одного места в другое, но достижение группы исследователей из Национального института стандартов и технологий всё-таки является очень важным для науки. Ведь ранее рекордное расстояние, на которое удавалось телепортировать фотон, составляло всего 25 километров, а учёные смогли увеличить его в целых четыре раза.
Научные сотрудники Квинслендского университета в Австралии заявляют, что они успешно имитировали поведение отдельно взятого фотона, как если бы он вернулся назад во времени и стал взаимодействовать со своей же копией из прошлого. Полученные при таких обстоятельствах результаты говорят о том, что законы квантовой механики стали бы еще запутаннее, чем они представляются сейчас.
Впервые в мире была создана оптическая память — ключевой компонент для квантовых компьютеров. На примере оптоволокна с пустым ядром была показана работа с единственной частицей света — фотоном.
Современные микроскопы хоть и могут увеличивать изображения во много раз, но иногда ученым даже их мощности бывает недостаточно. Но для преодоления ограничений современных микроскопов ученые из университета Хоккайдо и университета Осаки, Япония, разработали первый квантовый микроскоп, который использует запутанные фотоны для придания большей контрастности изображению.
Вполне возможно вы думаете, что для использования технологии 3D-сканирования, которая позволяет создавать виртуальные модели объектов в высоком разрешении, требуется наличие хорошего и постоянного источника света, хотя бы того же лазера или фотонного детектора, но как доказали инженеры Массачусетского технологического института — это совершенно необязательно.
Уже в конце 17 века стало понятно, что у каждого действия есть равное противодействие. Таков третий закон Ньютона. Но группа немецких ученых недавно выдумала трюк, который может нарушить этот закон, то есть ускорить свет. Возможно, это ляжет в основу более быстрой электроники.
Работая с коллегами из Центра ультрахолодных атомов Harvard-MIT, группа под предводительством гарвардского профессора физики Михаила Лукина и профессора физики Массачусетского технологического института Владана Вулетича смогла связать фотоны вместе с образованием молекулы — это состояние вещества, до недавнего времени, было исключительно теоретическим. Работа была описана 25 сентября в журнале Nature.