Журнал «Юный техник» - Юный техник, 2005 № 03
Ученым и раньше удавалось замедлить свет или даже остановить его совсем (см. подробности, например, в «ЮТ» № 9 за 1999 г.). Однако до сих пор существовало два способа замедления света: с помощью экзотических материалов, таких, например, как пары рубидия, или с использованием суперсложного холодильного оборудования, понижающего почти до абсолютного нуля температуру среды, сквозь которую проходил луч. Лазерная технология, предложенная Байгелоу, работает уже при комнатной температуре.
«Давно известно, — рассказал сам ученый, — что скорость света в разных средах неодинакова. Она зависит от показателя преломления материала. Так, если в вакууме свет распространяется со скоростью приблизительно 300 тыс. км/с, то, скажем, в стекле его скорость уменьшается примерно до 200 тыс. км/с».
Дальнейшее замедление удавалось осуществить, лишь замораживая фотоны разными экзотическими способами. В частности, самому Байгелоу еще в студенческие годы удалось таким образом замедлить свет до скорости 57 м/с — немногим больше 200 км/ч. Однако уже тогда Байгелоу не оставляла идея отыскать такой материал, который бы сам по себе, словно стекло, только в еще большей степени, замедлял распространение светового луча. Он стал методично перебирать всевозможные прозрачные материалы, определяя, как изменяется в них скорость света.
Даже известие о том, что в 2002 году группе исследователей Австралийского национального университета под руководством профессора Пинг Кой Лама удалось создать ловушку, в которой фотоны света исчезают совсем, чтобы затем появиться в пространстве на расстоянии метра от места исчезновения, не остановило его опытов. «Австралийцы осуществили эксперимент по квантовой телепортации — то есть мгновенному перемещению фотонов в пространстве, а вовсе не по поимке и замедлению света», — пояснил Байгелоу свое решение.
И вот наконец пришла долгожданная победа. Ученому, успевшему исследовать уже тысячи материалов, удалось заметить уникальные свойства александрита — драгоценной разновидности минерала хризоберилла.
Поначалу он обратил внимание на одну странность александрита: он кажется зеленым при свете дня и красным при свете ламп накаливания. Дальнейшие исследования показали, что странности расцветки кристалла определяются его внутренней структурой, которая пропускает волны света лишь определенной длины, удерживая остальные. Да и пропускаемые волны можно как бы притормозить с помощью интерференции, смешивая основную частоту с аналогичными волнами из лазера с подстраиваемой частотой излучения.
В итоге Мэтью Байгелоу удалось построить относительно несложную установку. Один лазер испускает основной луч света, а второй — его контролирует, словно светофор на автомобильной трассе. Взаимодействие между двумя частотами создает маленькие интервалы в полосе световых частот — основной луч как бы «притормаживает» на перекрестке, замедляя свою скорость в 5 млн. раз! И это не предел, полагает исследователь.
Впрочем, даже достигнутое замедление уже нашло себе применение на практике. Говорят, что изобретение Байгелоу сыграет положительную роль в… ускорении передачи данных по Интернету. Дело в том, что с ростом объема передаваемой информации растет и количество «пробок» в сети, возникающих, когда в одном коммуникационном узле сходятся пакеты информации из разных точек.
Для уменьшения нагрузки оптико-волоконной линии часть данных приходится тогда переправлять окольными путями или переводить на линии задержки. Примерно так самолеты в перегруженном аэропорту отправляют на запасные аэродромы или заставляют кружить над посадочной полосой, ожидая, когда она освободится. Однако сами по себе такие линии задержки довольно громоздки — каждая требует около 1,5 км кабеля. «Замедлитель света» Байгелоу в тысячи раз более компактен.
Кроме того, как полагают, новый инструмент поможет лучше познать мир квантовой оптики. Заодно, возможно, и удастся наглядно показать, как это два световых луча, даже складывая свои скорости, все равно не могут дать в сумме больше с 300 000 км/с? Или Эйнштейн, быть может, все же ошибался?..
В. АНДРЕЕВ
Кстати…ОТНОСИТЕЛЬНО НАУЧНЫЙ РЭП.
Своеобразный способ популяризации теории относительности Эйнштейна придумали британские преподаватели. В перечень мероприятий школьной кампании, проводящейся по случаю столетнего юбилея знаменитой теории, они включили исполнение песни «Einstein (Not Enough Time)» известного в Англии музыканта, работающего в стиле рэп, Джона Вадера. В свою относительно короткую композицию он умудрился вплести рифмованное описание проявлений основ физики и теории относительности в окружающем нас мире.
Узнав о признании своего произведения педагогами, музыкант, как и Эйнштейн, не проявлявший особого рвения к учебе в школьные годы, сказал, что будет просто счастлив, если его произведение сможет заинтересовать подрастающее поколение.
К сказанному остается добавить, что это далеко не первая попытка разбавить прозаические научные истины поэтическими метафорами и рифмами.
Одна из первых научных энциклопедий — поэма «О природе вещей» — была создана древнеримским мудрецом и поэтом Титом Лукрецием Каром (около 99–55 гг. н. э.). Предполагается, что она декламировалась нараспев в сопровождении музыкальных инструментов.
В ней, в частности, есть такие строки:
Вот посмотри: всякий раз, когда солнечный свет проникаетВ наши жилища и мрак прорезает своими лучами,Множество маленьких тел в пустоте ты увидишь, которыеМечутся взад и вперед в лучистом сиянии света;Будто бы в вечной борьбе они бьются в сраженьях и битвах…
Такое вот художественное изложение броуновского движения и атомарной теории строения вещества.
ВЕСТИ ИЗ ЛАБОРАТОРИЙ
Шум электронов…
… можно существенно снизить если они перестанут «толкаться»
Как известно, электроны, бегущие по проводнику, ведут себя различно. Они могут нагревать материал, оказывающий им сопротивление, а могут и проникать сквозь него, демонстрируя эффект сверхпроводимости, а то и тоннелирования. Еще сложнее поведение электронов в полупроводниках. Там они то бегут согласованно, то начинают «толкаться».
И вот, пытаясь понять загадочную «электронную душу», физики ныне разрабатывают новую теорию, ставящую под сомнение некоторые устоявшиеся представления физики твердого тела.
Речь, по словам физиков из Австралийского Национального университета во главе с Макандой Дасом, идет о поведении электронов в сверхминиатюрных устройствах. Когда их число снижается до единиц, становятся значимыми квантовые эффекты и так называемые «электронные шумы», приводящие к искажению информации.
До сих пор главной теорией, описывающей поведение электронов в таких условиях, была теория, созданная в 80-х годах XX века Рольфом Ландауером и Маркусом Бюттикером, в то время работавшими в корпорации IBM. Ею пользуются и по сей день, хотя она не в состоянии объяснить результаты некоторых опытов.
В 1995 году в израильском институте Вайзмана, например, доктор Михаил Резников изучал прохождение потока электронов по так называемым «квантовым контактам», способным пропускать лишь по одному электрону.
Добавление в систему второго такого контакта приводило к кратковременному повышению электронного шума, который затем резко падал. Так получалось на практике неоднократно в то время, как теория Ландауера и Бюттикера предсказывала лишь рост шума.
И вот Маканда Дас объявил, что ему и его коллегам удалось снять указанное противоречие. Говоря совсем уж упрощенно, электроны ведут себя в квантовом проводнике, подобно автомобилям на запруженном шоссе. В тесноте, когда бамперы едва не касаются друг друга, машинам деваться некуда, потому они движутся общим потоком, согласованно. Но стоит шоссе чуть расшириться, появиться еще одной полосе движения, как на нее тут же устремляются наиболее нетерпеливые автомобилисты. Первым из них удается прорваться, резко увеличив скорость, а вот следующие за ними вполне могут образовать затор. И тогда общая скорость транспортного потока не увеличится, а уменьшится.
Аналогично и в микросхеме: когда появляется новый контакт (лишний ряд), шум возрастает, пока часть электронов движется по свободному пространству, а потом резко падает, когда образуется «пробка».
Несмотря на кажущуюся простоту объяснений «на пальцах», на самом деле создание новой теории движения электронов потребовало около четырех лет напряженной работы и привлечения множества предшествующих гипотез и выводов.
