Rychlost světla představuje nezpochybnitelnou jistotu v úžasném chaosu vesmíru. Anebo ne? Už dlouho není tajemstvím, že fotony svištící rychlostí světla mohou o něco zpomalit, když se dostanou do vody, skla či podobného prostředí. Až doteď se ale považovalo za prakticky nemožné zpomalit světlo letící prázdným prostorem, kde nemusí procházet žádným poťouchlým materiálem. Jenže to už neplatí.
Tým Milese Padgetta z Optické skupiny Univerzity v Glasgow totiž vůbec poprvé zpomalil fotony v prázdném prostoru. Samozřejmě to nešlo jen tak. Padgett a spol. museli pro fotony postavit speciální optickou soustavu, kterou přirovnávají k cyklistickému závodu.
Světelný paprsek je pak pro ně jako skupina cyklistů, kteří se během závodu postupně střídají v náročné jízdě na přední pozici. Celá skupina se sice po dráze pohybuje jako celek, ale rychlost jednotlivých cyklistů se může měnit s tím, jak si vyměňuje pozice ve skupině. Když jede skupina závodníků, tak bývá obtížné určit jednu rychlost pro všechny dohromady. Pro světlo je to podobné. Jeden puls světla obsahuje mnoho fotonů a ví se, že jednotlivé fotony v takovém pulsu mají poněkud odlišnou rychlost.
Vědci ve svém experimentu pořádali závody, v nichž vypouštěli současně dva fotony, které se proletěly po stejně dlouhé dráze. Jeden z nich prostě letěl prázdným prostorem, druhý foton ve dvojici ve své optické soustavě prostorově strukturovali, což ho ve výsledku zpomalilo. Padgett a spol. spolehlivě naměřili, že jim na dráze dlouhé jeden metr prostorově strukturované fotony zpomalovaly o 20 vlnových délek.
Autoři se dušují, že jde o úplně jiný druh zpomalení fotonů, než když procházejí opticky hustším prostředím. V takovém případě totiž fotony zpomalí jen v tomto prostředí. Když se z něj dostanou ven, tak se zase vrátí ke klasické rychlosti světla. Prostorové strukturování oproti tomu omezuje nejvyšší rychlost, kterou se pak dotyčný foton může pohybovat. První autor studie publikované prestižním časopisem Science Daniel Giovannini, taktéž z Univerzity v Glasgow, připouští, že 20 vlnových délek není na první pohled moc. V jejich experimentu to z délky dráhy jeden metr představovalo pár mikrometrů. Mají to ale dobře podložené a průkazné.
Padgettův tým prý použil důvěrně známé optické principy. S jejich pomocí vědci doložili, že světlo v prázdném prostoru je doopravdy možné zpomalit z rychlosti 299 792 458 metrů za sekundu. Měřili to sice pro jednotlivé fotony, jde to ale udělat i pro celé paprsky světla. V takovém případě podle výzkumníků nejlépe fungují velké čočky a vysílání paprsků na krátkou vzdálenost.
Podle Padgetta to může znít překvapivě, pozorovaný jev ale má solidní teoretické základy, takže v tom vlastně není nic extra převratného. Přesto jde o pozoruhodný počin, který by mohl vyústí v zajímavé aplikace. O to víc, že podobný postup by měl fungovat i s jinými vlnami, než jsou fotony. Třeba se někomu brzy povede tímto způsobem zpomalit zvuk.
Video: Miles Padgett: Optical tweezers and twisted beams of light. Kredit: SPIETV.
Video: Miles J. Padgett Photonics West 2013 plenary talk: Light in a Twist: Optical Angular Momentum. Kredit: SPIETV.
Literatura
University of Glasgow News 23. 1. 2014, Science online 22. 1. 2015.
Diskuze:
Vašek Potoček,2015-02-16 15:58:49
@Karel Petr: anglická literatura to rozlišuje, svazek je "beam" a paprsek "ray". Díky za poskytnutí rychlého vysvětlení, jen bych dodal, že ani fázová rychlost není c automaticky a může c snadno překročit, zrovna u Besselových paprsků to tak platí.
Karel Petr,2015-01-28 11:33:58
V experimentu šlo o světelné SVAZKY vytvořené složením několika světelných PAPRSKŮ, tedy rovinných harmonických vln kolmých k paprsku (anglické popularizační články nerozlišují, pro ně je to BEAM; bohužel nerozlišuje ani český článek). Tyto svazky, detekované v experimentu jako dopadající fotony, si představte jako balíčky se složitější strukturou (měnící se amplituda a polarizace). V nich se energie šíří grupovou rychlostí (neznáte-li, jukněte třeba na wikipedii), nikoli rychlostí fázovou (to je ta slavná konstanta). Když se podíváte na níže doporučený článek o Besselově svazku, uvidíte, že je tvořen navzájem nerovnoběžnými paprsky, které se tedy šíří šikmo k šíření energie ve svazku, jehož rychlost byla měřena.
Zajímá mě toto
Josef Řeřicha,2015-01-27 08:19:53
Mluví se tu v několika příspěvcích o tom, že „když se šíří světlo kolmo…“ anebo „když se šíří světlo šikmo…“, že pak je rychlost c větší resp. menší (?). Může mi to někdo více osvětlit ? Kdy se vesmírem šíří světlo „kolmo“ a kdy „šikmo“ ? A když se šíří „šikmo“ tak pozorujeme ve spektrech jiné posuvy než spektra z „kolmého světla“ ?
Je jasné že část fotonu představuje "hmotu&qu
Karel Rabl,2015-01-26 18:51:01
a ta je bržděna dráhou po kterou urazí v prostoru takže rotující dráha fotonu je delší a pomalejší než u přímého průletu i když opustí médium které rotaci způsobí.
to zas někdo na něco přišel... (publish or perish)
Petr Ka,2015-01-26 09:11:22
i v jejich článku
http://www.sciencemag.org/content/early/2015/01/21/science.aaa3035
je, že to platí pro rovinné vlny (nekonečné svazky).
Our work highlights that, even in free space, the invariance of the speed of light only applies to plane waves.
To je známo i pro klasickou definici rychlosti světla (jinak je nutno použít difrakční korekce). Tady nejde o nějaké debilní fotony.
Besselovský svazek
http://en.wikipedia.org/wiki/Bessel_beam
má efektivní rychlost menší než c, protože se prostě šíří šikmo (to je jen geometrie a trochou klasického elektromagnetismu).
Gaussovský svazek
http://en.wikipedia.org/wiki/Gaussian_beam
(i ve vakuu) umožňuje, že část svazku se šíří (grupovou či fázovou) rychlostí menší než c, ale část větší než c (a to ve vakuu).
http://www.ilp.physik.uni-essen.de/vonderLinde/Publikationen/APB96_gouy.pdf
Kdo se dobře učil ve škole, tak to musí znát (Louis Georges Gouy to pozoroval zhruba před 100 lety). :-)
Xavier Vomáčka,2015-01-26 11:42:22
Kouzlo je v tom, že je to dokonce i v článku napsáno, že se nejedná o nic nového, že to je stará známá věc:
"Podle Padgetta to může znít překvapivě, pozorovaný jev ale má solidní teoretické základy, takže v tom vlastně není nic extra převratného."
:-D
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
