Можно ли воздействовать на свет электрическим полем?

в 8:41, , рубрики: квантовая физика, квантовая электродинамика, Научно-популярное, петаваттные лазеры, свет, физика, электромагнитное излучение

Оказывается, можно. И ниже я расскажу как. Этот пост родился из моего ответа на вопрос, заданный на сайте Quora.

квантовый вакуум
Речь пойдёт о квантовом вакууме. Так он выглядит в представлении художника.
Сredit: lactamme.polytechnique.fr

Откуда вопрос?

Вопрос в оригинале звучит так:

Light is an electromagnetic particle. Can we deviate its path by applying electric or magnetic fields to it?

Или в переводе:

Свет — это электромагнитная частица. Можем ли мы изменить его траекторию, приложив электрическое или магнитное поле?

Вообще говоря, и на это указано в ответах на Quora, вопрос не совсем корректно сформулирован. Свет — это не частица, а волна или (корпускулярно-волновой дуализм!) поток частиц, квантов света — фотонов. Однако эта некорректность не отменяет самого вопроса. Действительно, если свет имеет электромагнитную природу, то почему бы нельзя было воздействовать на него электромагнитными полями?

электромагнитная волна
Приблизительно так обычно изображается электромагнитная волна в учебных курсах.

Почему мне захотелось ответить на этот вопрос, так это потому, что он, на самом деле, имеет двойное дно. Есть ответ очевидный и ответ, который можно дать, только обладая определёнными знаниями, выходящими за рамки школьной программы.

Но сначала договоримся, что дальше речь пойдёт только о вакууме, поскольку на распространение света в среде можно оказывать влияние электрическим или магнитным полем опосредованно через воздействие на эту среду.

Очевидный ответ

Так вот, очевидный ответ: нет, нельзя. Почему нельзя, можно объяснять по-разному в зависимости от того, как представлять свет.

Если описывать свет как электромагнитную волну, то невозможность воздействовать на него электромагнитными полями следует из линейности уравнений Максвелла, которые собственно и описывают все электромагнитные явления в классической физике. Электромагнитная волна — это одно из решений этих уравнений, а внешнее поле — это другое решение. В силу свойства линейности, их сумма также является решением уравнений Максвелла, и потому они никак друг другу «не мешают» и не оказывают друг на друга никакого воздействия.

уравнения максвелла
Уравнения Максвелла в вакууме в системе СИ.

Если же описывать свет как поток частиц — фотонов — то ответ объясняется тем, что фотоны не обладают электрическим зарядом, а электромагнитные поля действуют только на заряженные частицы. Интересно, что эта ситуация уникальна для электромагнитного взаимодействия. Переносчики двух других фундаментальных взаимодействий, слабого и сильного, сами также могут принимать участие в переносимом ими взаимодействии.

image
Кто с кем взаимодействует в Стандартной модели.
Credit: Труш Виталий // Wikimedia Commons // CC-BY-SA 3.0

Например, согласно квантовой хромодинамике, сильное взаимодействие переносится глюонами. Они осуществляют взаимодействие между частицами, обладающими так называемым цветным зарядом — аналогом электрического заряда для сильного взаимодействия. При этом глюоны и сами обладают цветным зарядом и потому взаимодействуют и между собой, и с другими частицами с цветным зарядом.

Возвратимся, однако, к нашим баранам фотонам.

Неочевидный ответ

Выше я уже отметил, что очевидный ответ — это лишь первый слой. Давайте снимем и второй. Так вот, неочевидный ответ — да, на свет можно воздействовать внешними полями.

Эта возможность связана с тем, что согласно квантовой электродинамике вакуум, его ещё называют квантовым вакуумом, не является абсолютной пустотой. Более того, она наполнен так называемыми виртуальными частицами, известными также как квантовые флуктуации. Их можно представлять себе как рождающиеся на короткий промежуток времени и тут же аннигилирующие пары частицы и античастицы, в первую очередь электрона и позитрона.

квантовый вакуум
Картинка, поясняющая идею квантовых флуктуаций.
Credit: universe-review.ca

Если продолжить описывать квантовый вакуум в виде образов, то во внешнем электрическом (и магнитном, но остановимся только на электрическом) поле виртуальные пары начинают жить чуть дольше, поскольку электрическая сила их слегка «растаскивает». Это приводит к тому, что у вакуума появляется поляризация. А там, где есть поляризация, там есть и диэлектрическая проницаемость!

Если вы помните школьный курс оптики, то дальнейшие рассуждения для вас должны быть очевидны. Действительно, мы знаем, что изменение диэлектрической проницаемости приводит к изменению коэффициента преломления и скорости света, а это, в свою очередь, приводит к преломлению и отражению света.

Этот эффект, конечно, очень слаб, и для его наблюдения требуются совершенно фантастические по величине поля. Кроме того, наблюдать преломление света в таких полях было бы очень сложно из-за его незначительности. Несмотря на это, сейчас уже всерьёз говорят о том, чтобы лет через 10–20 наблюдать влияние поляризации вакуума на распространение света в лаборатории.

Для генерации сверхсильных полей при этом предполагается использовать лазеры сверхвысокой пиковой мощности. На данный момент построены лазеры мощностью более 1 петаватта (пета- означает множитель 1015), с их помощью было получено излучение, электрическое поле в котором достигает величины порядка 1014–1015 вольт на метр. Это всего в 1000 раз меньше так называемого швингеровского предела, при котором и становятся заметны эффекты квантовой электродинамики в вакууме.

Однако для наблюдения эффекта необязательно достигать предела, достаточно полей в десятки раз слабее. А это значит, что уже через одно-два поколения сверхмощных лазеров — при мощностях порядка 100 петаватт — в лаборатории смогут изменить направление распространения света с помощью другого света, то есть с помощью электромагнитных полей. Измерять при этом, правда, будут не направление распространения, а поляризацию света. Дело в том, что вакуум в сверхсильном поле действует как двулучепреломляющая среда. Скорости волн с разной поляризацией в такой среде различны, поэтому при распространении в ней произвольно поляризованной волны, её поляризация будет изменяться и вот это изменение измерить значительно легче.

Автор: flerant

Источник


  1. Игорь:

    Спасибо за статью. Меня интересует этот вопрос в свете обнаружения эфирного ветра. Эфиродинамика утверждает, что устойчивое образование в эфире – это вихрь в виде тороида. Частицы эфира -это энергетические частицы, закручивание в вихрь, приводит к уплотнению эфира в данной точке, т.е. к росту энергии, и в какой-то момент времени происходит качественный скачок М=Е/С^2, Энергия превращается в Массу – рождается частица вещества! Вот такая флуктуация. Основная ошибка в опытах по обнаружению эфирного ветра, думаю то, что ветра и не должно быть или он очень слабый, т.к. вокруг нашей планеты такой же тороидальный вихрь, который и создал эту планету и вращается вместе с ней (проскальзование допустимо), и вокруг солнца вихрь по течению которого мы и плывем, абсолютно не ощущая ветра. Я подумал, если река смещает волну от камня, изменяя ее частоту в направлении по течению и против, как в эффекте Доплера, то, возможно, удастся обнаружить эфир по распространению света, там где присутствует сильное течение эфира (по эфиродинамике), а именно, в направлении по оси вихря. Если взять соленоид с постоянным током, то поле, возникающее вокруг него, напоминает вихревой тороид. Поле внутри его однородно, сильно уплотнено и направлено в одну сторону, по идее, это и должно быть течение эфира. Пустим монохромный свет по оси соленоида, если течение эфира есть, то частота волны изменится, возможно мы увидим изменение цвета, хотя изменение частоты должно быть небольшим, поэтому лучше определить по спектрометру. Это просто идея. Эфир надо разогнать до больших скоростей, соизмеримых со скоростью света, чтобы эффект стал явным. Нужны мощные соленоиды, такие как на ускорителях частиц. Вот бы попробовать!? Вы, я думаю, не приверженец эфира, но как вы объясните явление инерции массы. С позиций эфира это легко. Представьте, что вы стоите в бассейне по шейку в воде. Попробуйте двинуться вперед, трудно. Вода, всеми своими молекулами, препятствует этому, пока не начнет обтекать вас со всех сторон. А течение реки легко уносит вас. Но вода давит на площадь тела, а эфир на каждую частичку вашего тела. Вот такая инерция. Научившись управлять эфиром мы преодолеем гравитацию и инерцию. НЛО, наверно, это уже давно использует, поэтому перегрузки его экипажу не страшны – их просто нет!

* - обязательные к заполнению поля


https://ajax.googleapis.com/ajax/libs/jquery/3.4.1/jquery.min.js