Atskiras fotonas negali viršyti šviesos greičio

Visiems žinomas dėsnis, kad niekas gamtoje negali judėti greičiau už šviesos greitį vakuume, yra vienas pagrindinių gamtos dėsnių. Iki šiol šviesos greičio riba buvo tikrinama perduodant informaciją didele fotonų grupe. Fizikai pradėjo spėlioti, ar vienas fotonas ir jo perduodama informacija gali viršyti šviesos greitį? Naujame tyrime mokslininkai sukūrė vieną kontroliuojamos bangos formos fotoną ir parodė, kad atskiri fotonai taip pat neviršija šviesos greičio ribos.

Fizikų grupė, vadovaujama Honkongo mokslo ir technologijos universiteto profesoriaus Shengwang Du, atspausdino savo darbą apie atskiro fotono didžiausią greitį „Physical Review Letters“ žurnale. Šio eksperimento rezultatai rodo, kad vienas fotonas negali perduoti informacijos greičiu, didesniu už šviesos greitį.

„Pagrindinė mūsų darbo reikšmė yra tai, kad atlikto eksperimento rezultatai priartėja prie debatuose keliamo klausimo apie informacijos, kurį perneša atskiras fotonas, greitį, – pasakė Du. – Tai pagilina mūsų supratimą apie fotonų dualumą, kai fotonas vienu metu pasižymi banginėmis ir dalelinėmis savybėmis. Kartu gilinamas supratimas apie kvantinės mechanikos prigimtį. Tai suteikia aiškų vaizdą apie fotoną, kuriam pavadinimas buvo sugalvotas Einšteino daugiau kaip prieš šimtą metų. Eksperimento rezultatai leidžia pataisyti kai kuriuos buvusius neteisingus fotonikos aiškinimus.“.

Per paskutinius kelerius metus patobulėjus technologijoms, daugelis mokslinių grupių tiria, kaip greitai šviesa gali sklisti. Nors ankstesniuose eksperimentuose buvo nustatyta, kad šviesos grupinis greitis gali būti didesnis už signalinį greitį, kuriuo perduodama informacija, tačiau signalinis greitis negali viršyti šviesos greičio. Esant tokiai situacijai mokslininkai pradėjo kelti klausimą, ar atskiras fotonas keliauja grupiniu greičiu, ar signaliniu greičiu?.

Du kartu su kolegomis savo bandymo tikslams pasiekti teko pasigaminti atskirus fotonus. Taip pat svarbus dalykas buvo optinio pirmtako, kuris yra bangos formos sklidimas optinio impulso pradžioje, išskyrimas iš kitos fotono dalies. Ankstesni eksperimentai, kurie nagrinėjo makroskopinį elektromagnetinės bangos sklidimą su daugeliu fotonų, parodė, kad optinis pirmtakas yra greičiausia sklindančio optinio impulso dalis. Šiame eksperimente pirmą kartą nustatyta, kad optinis pirmtakas egzistuoja atskiro fotono lygmenyje ir, jie yra greičiausia atskiro fotono bangų paketo dalis.

Siekdami atskirti optinį pirmtaką nuo likusios fotono dalies, mokslininkai sukūrę fotonų porą. Tada vienas iš fotonų buvo perleistas per šaltus rubidžio atomus, kartu naudojant elektro-optinius moduliatorius fotono bangos pavidalui formuoti. Atomai pasižymėjo efektu, vadinamu elektromagnetiškai iššauktu skaidrumu. Tai leido mokslininkams atskirti atskiro fotono optinius pirmtakus nuo pagrindinio bangų paketo. Kai optinis pirmtakas ir pagrindinis bangų paketas keliavo per antrą rubidžio atomų grupę, mokslininkai pamatavo abiejų fotonų komponenčių greičius.

Mokslininkai atrado, kad atskiro fotono pirmtako bangos frontas visada juda šviesos greičiu, tai yra panašiai kaip ir didelės fotonų grupės signalinis greitis. Atskiro fotono pagrindinis bangų paketas bet kokioje aplinkoje negali judėti greičiau už šviesos greitį. Bangų paketas gali būti sulaikytas iki penkių šimtų sekundžių lėtos šviesos aplinkose, kuriose grupinis šviesos greitis yra mažesnis už šviesos greitį.

„Lėtos šviesos atveju, tai yra, kai grupinis greitis yra mažesnis už šviesos greitį, centrinė pagrindinio bangų paketo dalis juda grupiniu greičiu, – paaiškino Du. – Kai aplinkos tankis didėja (yra daugiau atomų), grupinis greitis mažėja. Greitos šviesos atveju (grupinis greitis yra didesnis už šviesos greitį arba jis yra neigiamas), atrodo lyg pagrindinis bangų paketas pasimeta ir jis nebejuda grupiniu greičiu. Mes esame įsitikinę, kad pagrindinis bangų paketas negali judėti greičiau nei pirmtakas, kuris juda šviesos greičiu.“

Gauti rezultatai sutampa su anksčiau atliktais tyrimais, kuriuose buvo nagrinėti atskiri fotonai, kai pirmtakas ir pagrindinės bangos pavidalas nebuvo atskirti. Anksčiau vykdytuose eksperimentuose stebėta virpesių struktūra gali būti paaiškinta pirmtako ir lėčiau judančio bangos pavidalo interferencija.

Gauti duomenys, kad atskiras fotonas negali judėti didesniu už šviesos greičiu, gali turėti praktinį pritaikymą, leisiantį mokslininkams geriau suprasti kvantinės informacijos perdavimą. „Kadangi optinio pirmtako kylančio fronto amplitudė nepatiria nuostolių bet kokioje aplinkoje, tai optinis pirmtakas gali būti panaudotas optinėje komunikacijoje informacijos perdavimui nuostolingose ar absorbuojančiose aplinkose, tokiose, kaip povandeninė optinė komunikacija,“ – pasakė Du. Jis taip pat pažymėjo, kad optinis pirmtakas iš tikrųjų praktikoje patiria tam tikrus nuostolius.

Du taip pat paaiškino, kad optinio pirmtako panaudojimas komunikacijoje yra ribojamas šiuolaikinių technologijų, ir todėl nėra praktiškas. Tačiau jis mano, kad technologijos tobulės ir sudarys sąlygas šiam metodui konkuruoti su dabartiniais komunikavimo metodais.

   

Facebook komentarai