О новости про «замедление» фотона

Пару дней назад научно-популярные СМИ облетела новость, будто бы учёные обнаружили, что фотоны в вакууме могут распространяться со скоростью ниже скорости света ^[1]. Для этого достаточно пропустить их через особую маску. Это сообщение вызвало у меня определённый скепсис, который я отразил кавычками в названии этого поста, и желание разобраться, что же там произошло на самом деле.

Картинка из пресс-релиза Университета Глазго ^[2]

Естественно, первым делом я решил проверить, не закралась ли ошибка при переводе. Такое время от времени случается в рунете. Дело в том, что работой с англоязычными источниками у нас занимаются единицы, остальные просто делают рерайт с уже переведённых новостей. Были случаи, когда, например, Лента.ру допускала при переводе ошибку, и она тиражировалась в десяток других СМИ.

Поэтому я разыскал изначальный пресс-релиз ^[3], и прочитав его, понял, что ошибки при переводе не было. Действительно, утверждается, что были получены фотоны, скорость которых в вакууме ниже скорости света:

Co-lead author Jacquiline Romero said: «...This finding shows unambiguously that the propagation of light can be slowed below the commonly accepted figure of 299,792,458 metres per second, even when travelling in… vacuum.

Следующий шаг заключался в том, чтобы проверить, нет ли ошибки в пресс-релизе. Журналисты даже в весьма серьёзных изданиях не гнушаются для красного словца приукрасить результаты. Даже сами учёные в своих комментариях для пресс-релиза иногда пользуются не очень удачной аналогией или гиперболой, не замечая, что она искажает суть их работы.

В общем, я заглянул в саму научную статью, опубликованную в более чем авторитетном журнале Science ^[4]. К своему удивлению там я увидел то же самое утверждение, причём вынесенное прямо в название:

Spatially structured photons that travel in free space slower than the speed of light

Это означало, что надо разбираться в работе по сути. К счастью, моя квалификация это позволяет.

В чём же заключается суть работы? Авторы берут источник света, делят его излучение на два луча, один из которых пускают по линии задержки, не искажая его профиля, а второй пропускают через специальную маску — линзу определённой формы. Длину линии задержки подбирают таким образом, чтобы фотоны и там, и там достигали выхода в один и тот же момент времени. После этого регистратор отодвигают на некоторое расстояние и смотрят, через какое время приходят два фотона. Если их скорости одинаковы, они должны прийти в один и тот же момент времени, если нет — то с некоторой разницей.

Оказалось, что фотон, прошедший по первому пути, приходит заметно раньше, при этом его измеренная скорость оказалась равной скорости света, что и ожидаемо. Но это означает, что у фотона, прошедшего вторым путём, скорость меньше скорости света. Вроде всё сходится, и новости совершенно верно отражают результат проведённого эксперимента.

Но дьявол, как известно, кроется в деталях.

Давайте посмотрим, что собой представляет использованная маска. Исследователи изучали два вида маски. Первая придавала пучку огибающую в виде функции Гаусса, а вторая — в виде функции Бесселя. Дальнейшие рассуждения удобнее проводить на примере бесселевого пучка ^[5], поскольку, фактически, это случай конической фокусировки, для которого линза выглядит как-то так:

Автор: Egmason ^[6]. Источник: Wikimedia Commons ^[7]

Если взглянуть на эту картинку получше, то можно понять, что линза, фактически, разбивает падающую волну на две волны равной амплитуды, бегущих под углом к первоначальному направлению распространения. Если вспомнить, что фотон это не просто частица, но и волновой объект (корпускулярно-волновой дуализм, однако), то ясно, что и он в такой линзе «разбивается» на два «субфотона», бегущих под углом к первоначальному направлению распространения. Если говорить по-научному, то фотон помещается в суперпозицию двух состояний с различными импульсами.

При этом в среднем фотон продолжает лететь, куда летел, и в эксперименте как раз и измеряется скорость этого усреднённого движения. Каждый из «субфотонов», однако, летит всё с той же скоростью света, и измеряемая усреднённая скорость — это просто поекция их скорости на первоначальное направление распространения.

Для гауссова пучка рассуждения аналогичны, за тем исключением, что фотон в нём помещается в суперпозицию не двух, а бесконечного числа состояний с разными импульсами.

Конечно, эти «субфотоны» не более чем воображаемые объекты, которые я ввёл для наглядности. Реален лишь фотон, находящийся в суперпозиции двух состояний. Поэтому интерпретация результата, данная в работе, имеет право на существование. Но если бы фоторегистратор отнесли подальше, то на нём после пролёта большого количества фотонов экспериментаторы увидели бы два разнесённых пятна, и тогда неоднозначность их интерпретации стала бы более очевидной.

Чтобы подчеркнуть только что сказанное, приведу ещё один пример. Если мы пустим фотон на полупрозрачную пластинку с коэффициентом пропускания 50%, то будем регистрировать его то с одной стороны от пластинки, то с другой. Его средняя скорость, таким образом, будет равна нулю. Но это и так очевидно, никакого сверхрезультата здесь нет.

Резюмируя. В эксперименте, действительно, была измерена скорость фотона ниже скорости света. Но следует иметь ввиду, что это довольно специфическая скорость. Результат, однако, важен для некоторых приложений, и поэтому имел право на публикацию.

P.S. В некотором смысле обратный эффект, кстати, был использован в недавней статье про «самоускоряющиеся» электроны ^[8]. Поскольку электроны тоже демонстрируют волновые свойства, то можно поместить их в такую суперпозицию состояний, что для большинства электронов время их прихода к детектору будет относительно велико, но небольшая фракция частиц придёт на детектор очень быстро, продемонстрировав тем самым как бы увеличение скорости.

Автор: flerant

Источник ^[9]