Физики в очередной раз бросили вызов фундаментальным принципам Вселенной — в нашем случае научились управлять скоростью света. Нет, никаких постулатов современной науки нарушено не было, речь идет о локализованных импульсах электромагнитного излучения, которые также называют «световыми пулями».
Симуляция «световых пуль» / ©Li, Z., Kawanaka, J. Optical wave-packet with nearly-programmable group velocities. Commun Phys 3, 211 (2020)
Поражающий воображение любителей фантастики эксперимент провели Чжаоян Ли (Zhaoyang Li) и Юнжи Каванака (Junji Kawanaka) в Институте лазерной инженерии Осакского университета, Япония. Правда, не на какой-то высокотехнологичной установке, а в рамках симуляции. Ее результаты опубликовали в рецензируемом журнале Communications Physics. Каванака и Ли этим летом уже доказали теоретическую возможность управлять скоростью световых пуль, а теперь развили собственный успех.
Они использовали комбинацию деформируемых зеркал, пространственный модулятор излучения и делитель луча. Проходящие через такую установку импульсы излучения получают определенную форму, от которой и зависит скорость разных их участков в пространстве. Управляя таким образом световыми пулями, можно определять как их скорость, так и ускорение. Причем несколько подобных импульсов излучения с разными параметрами могут распространяться по одному пути и при этом никак не взаимодействовать друг с другом.
Конечно, симуляция накладывает определенные ограничения на эксперимент. Несмотря на всю точность модели, пока не до конца ясно, как ее лучше реализовать на практике. Возможно, потребуется долгий процесс подбора конкретных материалов всех узлов установки и длины волны излучаемого света. Однако принципиальных препятствий для воплощения впечатляющей концепции «в металле» еще не обнаружили.
Каванака и Ли не уточняют, когда можно ждать следующих результатов их работы уже на материальных установках. Но, учитывая темп работы ученых из Японии, прогресс не должен заставить себя ждать.
«Световые пули» — чрезвычайно любопытный феномен, который предсказали в 1990 году, а продемонстрировали спустя десять лет. Он выглядит перспективным как с точки зрения теоретической физики с оптикой, так и во многих практических применениях. Например, для создания оптических интегральных схем или передачи информации. При создании световых пуль характеристики импульса излучения подбирают так, чтобы он способствовал своей самофокусировке и таким образом компенсировал рассеяние в среде. Любопытным свойством такого пучка фотонов становится чрезвычайная стойкость к изменению формы (вектора распространения и длины волны) в результате дисперсии и дифракции.
Несмотря на то что скорость света — величина постоянная и фундаментальная, — она различается для разных сред. Знаменитая непреодолимая константа — это скорость света в вакууме. Для воды или других прозрачных сред она меньше. А если какие-то фотоны начинают двигаться быстрее, возникают всяческие любопытные физические эффекты, например так называемое черенковское излучение. В своей симуляции японские ученые моделировали световые пули так, чтобы их скорость либо превышала, либо соответствовала, либо была ниже скорости света в среде. Получились три возможных состояния импульса излучения.
