Новые фотоны: Модельный ряд Foton 2021 — вся линейка автомобилей Фотон на официальном сайте |

Содержание

Гонки фотонов – Наука – Коммерсантъ

Согласно сформулированной Альбертом Эйнштейном Специальной теории относительности, физические законы одинаковы во всех системах отсчета, равномерно движущихся друг относительно друга. Кроме того, скорость света является постоянной во всех системах отсчета. Математически переходы между системами отсчета называют преобразованиями Лоренца, а постоянство физических законов относительно таких преобразований.

Фото: Алексей Куденко, Коммерсантъ / купить фото

Такие различные фундаментальные физические теории, как общая теория относительности (описывающая гравитацию) и квантовая теория (описывающая явления в микромире), основаны в том числе на лоренц-инвариантности (ЛИ, эффективная масса фотона).

Одной из задач современной теоретической физики является построение объединенной теории, объединяющей как общую теорию относительности, так и квантовую теорию — так называемую теорию квантовой гравитации. С 1930-х годов проводились различные попытки построения такой теории, которые так и не привели к самосогласованным проверяемым результатам. В некоторых современных подходах к построению такой теории предполагается, что лоренц-инвариантность практически точно выполняется при низких энергиях. При высоких энергиях могут наблюдаться эффекты нарушения лоренц-инвариантности, что может, в частности, проявляться в виде зависимости скорости света (кванта света — фотона) от его частоты (энергии). Другими словами, фотон приобретает зависящую от энергии эффективную массу (положительную либо отрицательную), стремящуюся к нулю при малых энергиях фотона.

Чтобы проверять подобные гипотезы и определять величины энергии, при которых можно доверять прогнозам теории, физики экспериментально наблюдают за частицами с очень высокой энергией.

Один из популярных методов проверки таких гипотез — наблюдение за быстрыми гамма-всплесками. Это очень энергичные быстрые события, источники которых находятся на больших расстояниях. Если гипотеза о нарушении лоренц-инвариантности верна и скорость света зависит от его частоты (энергии конкретного фотона), то фотоны большей энергии при распространении от источника до Земли должны обгонять фотоны меньших энергий (либо наоборот). То, что таких эффектов не наблюдается, позволяет поставить ограничения на энергетический масштаб таких теорий.

Другой метод проверки этой гипотезы (который в итоге дает лучшие ограничения) основан на изменении вероятности некоторых процессов, включающих искомые частицы (например, фотоны). Так, в стандартной лоренц-инвариантной теории фотон в вакууме является стабильной частицей: не распадается, например, на электрон-позитронную пару. Однако в электрическом поле атомного ядра такой распад происходит. Данный процесс (происходящий в верхних слоях атмосферы) дает начало атмосферному ливню из заряженных частиц, наблюдая за которым можно сделать вывод об обнаружении фотона высоких энергий (прилетевшего к нам от далеких источников).

В случае зависящей от энергии эффективной массы фотона эти каналы распада меняются. Если эта эффективная масса положительна, фотон становится нестабильным и может распадаться на электрон-позитронную пару или расщепляться на три менее энергичных фотона. В итоге первоначальный фотон высокой энергии не долетит до атмосферы Земли и мы не обнаружим фотонов с такой энергией. С другой стороны, отрицательная эффективная масса стабилизирует фотон. В этом случае даже вероятность разрешенного распада фотона в поле ядра становится подавленной по сравнению с обычным случаем. Атмосферные ливни, порождаемые фотоном в этом случае, образуются сильно ближе к поверхности Земли или даже под ее поверхностью. Итог для этих разных двух случаев един — таких атмосферных ливней, как в стандартном случае, не должно наблюдаться. А из факта, что такие ливни видят в эксперименте, можно поставить ограничения на энергетический масштаб этой теории.

Для данного метода, в отличие от предыдущего, нужны фотоны с максимально возможной энергией. По новым данным, опубликованным коллаборациями Tibet и LHAASO в апреле—мае 2021 года в журналах Science и Nature, максимальная энергия наблюдаемых фотонов увеличилась почти в десять раз по сравнению с предыдущими экспериментами, составив 1 ПэВ (Петаэлектронвольт) = 10^{15} электронвольта. 11 ГэВ, то есть лучше на два-четыре порядка.

Ожидается, что в ближайшие несколько лет на эксперименте LHAASO будут получены новые данные по фотонам высоких энергий, которые позволят ограничить нарушение ЛИ еще сильнее либо, если она есть в природе, найти ее.

Полина Юдина

На Большом адронном коллайдере в столкновении фотонов родились W-бозоны

Физика
Коллайдер

14:47
06 Авг. 2020

Сложность
4.2

ATLAS / CERN, 2020

Эксперимент ATLAS с высокой точностью зарегистрировал редкий процесс столкновения двух фотонов с рождением пары переносчиков слабого взаимодействия W-бозонов. Такой результат, полученный после анализа наработанных в 2015-2018 годах данных, позволяет использовать БАК как источник высокоэнергетических фотонов для прямого исследования электрослабого взаимодействия. Обнаруженный процесс экспериментально подтверждает предсказания электрослабой теории и предоставляет исследователям новые способы изучения этого явления. Физики из ATLAS заявили о результате на прошедшей онлайн-конференции ICHEP, отчет доступен на сайте эксперимента.

В школе учат, что два луча света не могут провзаимодействовать друг с другом. Это верно для классической электродинамики, однако Стандартная модель дает на этот счет совсем другие предсказания. В рамках этой уже классической в физике элементарных частиц теории фотоны — кванты света и переносчики электромагнитного взаимодействия — могут рассеиваться друг на друге, а при прямом столкновении даже рождать новые частицы. Физики на Большом адронном коллайдере уже неоднократно наблюдали подобные явления. К примеру, в 2017 году на ATLAS увидели процесс взаимодействия двух фотонов с рождением двух других фотонов — эффект, который уже давно предсказали в рамках квантовой электродинамики.

Однако в этот раз ученые обнаружили существенно более сложный процесс столкновения двух фотонов с рождением двух W-бозонов. Сами W-бозоны являются переносчиками слабого взаимодействия — одного из четырех существующих взаимодействий наравне с электромагнитным, сильным и гравитационным. Согласно теории электрослабого взаимодействия, являющейся частью Стандартной модели, фотоны и W-бозоны могут взаимодействовать не только с окружающей их материей, но и друг с другом. Ранее ATLAS уже сообщал об обнаружении этого процесса в данных с первого сезона работы Большого адронного коллайдера, но тогда экспериментаторам не удалось достигнуть достаточной для подтверждения открытия статистической точности.

Диаграммы, описывающие процесс столкновения двух фотонов с рождением двух W-бозонов. Слева фотоны рождаются в упругих процессах, в центре один из фотонов рождается в распаде или столкновении протона, справа оба фотона рождаются в неупругих процессах.

ATLAS / CERN, 2020

Теперь накопленные за 2015-2018 годы данные по протон-протонным столкновениям с энергией 13 тераэлектронвольт в системе центра масс позволили ученым правомерно заявить о подтверждении открытия. Как и раньше, процесс столкновения двух фотонов с рождением двух W-бозонов физики отслеживали по продуктам распада последних, ведь сами W-бозоны живут всего порядка 3×10^-25 секунды. Исследователи искали рожденные в таких распадах электрон и мюон с противоположными знаками. Также в этом процессе рождаются нейтрино, однако зарегистрировать их экспериментаторы не могут, а значит восстанавливать присутствие этих легчайших частиц приходилось по импульсам остальных продуктов распада. Осложняло отбор событий и то, что W-бозоны в разы чаще рождаются во взаимодействиях кварков и глюонов. Эти процессы физики отсеивали, следя за треками всех участвующих в событии частиц, отбирая только распады с электроном и мюоном.

В результате физикам удалось добиться статистической точности в 8,4 σ, далеко уйдя за требуемые для официального открытия 5 σ. Ученым также удалось посчитать сечение наблюдаемого столкновения фотонов с рождением W-бозонов, которое составило 3,13 ± 0,59 фемтобарн. В дальнейшем исследователи смогут использовать это значение в моделировании и изучении таких процессов.

Важным результатом работы ATLAS является и то, что экспериментаторы подтвердили возможность использования Большого адронного коллайдера как источника столкновений высокоэнергетических фотонов. Это и правда удивительно, ведь сильное взаимодействие доминирует в столкновениях ускоренной коллайдером материи. Обнаружение на БАК нового способа исследования электрослабого взаимодействия может открыть дорогу для новых исследований по проверке Стандартной модели и поиску Новой физики, которые станут все более реальны с увеличением объема накапливаемых данных. В этом ученым должен помочь проходящий сейчас апгрейд Большого адронного коллайдера, цель которого — повысить светимость установки.

Об еще более долгосрочных планах CERN можно почитать в нашем материале «100 ТэВ на перспективу». О других достижениях ускорительной физики, представленных на проходящей сейчас конференции ICHEP-2020, мы писали в новостях про обнаружение редкого распада бозона Хиггса и ограничение Новой физики распадом К-мезона.

Никита Козырев

Бренд ФОТОН в линейке продукции ГК Новые технологии

Бренд ФОТОН в линейке продукции ГК Новые технологии

Научно-техническое объединение Фотон образовано в 1998 году

Счетчики-расходомеры вихревые РЭВ, погружные РЭВ-П, датчики давления с электронным архивом и т.д

Фирма имеет высококвалифицированных специалистов, способных производить весь комплекс работ по проектированию, установке и пуско-наладке узлов учета на высоком техническом уровне.
В настоящее время приборы успешно эксплуатируются на “Водоканалах” и промышленных предприятиях многих городов России и ближнего зарубежья.
Приборы компании Фотон обладают высокой надежностью, точностью измерений, широкими функциональными возможностями и сравнительно низкой ценой.

Проектирование
Обследование и получение ТУ, разработка ТЭО и документации. Нормативное обеспечение и аттестация.
Монтаж
Подготовка монтажных комплектов, шеф-монтаж и монтаж “под ключ”. Сдача объекта заказчику и надзорным структурам.
Пуско-наладка
Разработка и производство систем управления, прокладка коммуникаций, подключение, настройка, тестирование, обучение заказчика.
Обслуживание
Аудит, поддержка и техобслуживание. Склад запчастей и ремонт с предоставлением временного оборудования.

Имя должно быть не менее 4 символов.

Неправильный E-mail.

Название должно быть не менее 4 символов.

Обязательное поле

Защита от спама reCAPTCHA Конфиденциальность и Условия использования

Сообщение отправлено удачно!

Пожалуйста, заполните форму правильно.

Отправка…

Капча недействительна.

Повторите попытку позже.

(7273)495-231
(3955)60-70-56
(8182)63-90-72
(8512)99-46-04
(3852)73-04-60
(4722)40-23-64
(4162)22-76-07
(4832)59-03-52
(423)249-28-31
(8672)28-90-48
(4922)49-43-18
(844)278-03-48
(8172)26-41-59
(473)204-51-73
(343)384-55-89
(4932)77-34-06
(3412)26-03-58
(395)279-98-46
(843)206-01-48
(4012)72-03-81
(4842)92-23-67
(3842)65-04-62
(8332)68-02-04
(4966)23-41-49
(4942)77-07-48
(861)203-40-90
(391)204-63-61
(4712)77-13-04
(3522)50-90-47
(4742)52-20-81
(3519)55-03-13
(495)268-04-70
(8152)59-64-93
(8552)20-53-41
(831)429-08-12
(3843)20-46-81
(3496)41-32-12
(383)227-86-73
(3812)21-46-40
(4862)44-53-42
(3532)37-68-04
(8412)22-31-16
(8142)55-98-37
(8112)59-10-37
(342)205-81-47
(863)308-18-15
(4912)46-61-64
(846)206-03-16
(8342)22-96-24
(812)309-46-40
(845)249-38-78
(8692)22-31-93
(3652)67-13-56
(4812)29-41-54
(862)225-72-31
(8652)20-65-13
(3462)77-98-35
(8212)25-95-17
(4752)50-40-97
(4822)63-31-35
(8482)63-91-07
(3822)98-41-53
(4872)33-79-87
(3452)66-21-18
(8422)24-23-59
(3012)59-97-51
(347)229-48-12
(4212)92-98-04
(8352)28-53-07
(351)202-03-61
(8202)49-02-64
(3022)38-34-83
(4112)23-90-97
(4852)69-52-93

Извините, сервис временно недоступен.

Некорректный номер.

Ожидайте звонка на введенный номер.

Заказать обратный звонок

мы перезвоним Вам в рабочее время

Настоящее соглашение является официальным документом OOO «Новые Технологии», ОГРН 1131690023178, ИНН 1656069657 (далее – Администратор) и определяют порядок использования посетителями (далее — Посетитель) сайта Администратора и обработки информации, получаемой Администратором от Посетителя.

Соглашение может быть изменено Администратором в одностороннем порядке в любой момент, без какого-либо специального уведомления Посетителя Сайта.
В случае, если при использовании Посетителями Сайта Администратору будет сообщена какая-либо информация, относящаяся прямо или косвенно к определенному или определяемому физическому лицу (далее – Персональные данные), ее последующая обработка будет осуществляться в соответствии с законодательством Российской Федерации. В отношении всех сообщаемых Персональных данных Посетитель дает Администратору согласие на их обработку. Администратор обрабатывает персональные данные Посетителя исключительно в целях предоставления Посетителю функций Сайта, размещенного на нем контента, маркетинговой, рекламной, иной информации, в целях получения Посетителем персонализированной (таргетированной) рекламы, исследования и анализа данных Посетителя, а также в целях предложения Посетителю своих товаров и услуг. В отношении всех сообщенных Администратору Посетителем своих персональных данных Администратор вправе осуществлять сбор, систематизацию, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), использование, распространение (в том числе передача любым третьим лицам, включая передачу персональных данных третьим лицам на хранение или в случае поручения обработки персональных данных третьим лицам), обезличивание, блокирование, уничтожение, трансграничную передачу, обработку с применением основных способов такой обработки (хранение, запись на электронных носителях и их хранение, составление перечней, маркировка) и иные действия в соответствии со статьей 3 Федерального закона от 27. 07.2006 № 152-ФЗ «О персональных данных».
Посетитель понимает и соглашается с тем, что предоставление Администратору какой-либо информации о себе, не являющейся контактной и не относящейся к целям, обозначенным Администратором Сайта (не относящейся к деятельности Администратора, к продвигаемым им товарам и/или услугам, к условиям сотрудничества Администратора и Посетителя Сайта), а равно предоставление информации, относящейся к государственной, банковской и/или коммерческой тайне, информации о расовой и/или национальной принадлежности, политических взглядах, религиозных или философских убеждениях, состоянии здоровья, интимной жизни Посетителя Сайта или иного третьего лица запрещено.
В случае принятия Посетителем решения о предоставлении Администратору какой-либо информации (каких-либо данных), Посетитель обязуется предоставлять исключительно достоверную и актуальную информацию. Посетитель Сайта не вправе вводить Администратора в заблуждение в отношении своей личности, сообщать ложную или недостоверную информацию о себе.
Администратор принимает меры для защиты Персональных данных Посетителя Сайта в соответствии с законодательством Российской Федерации.
Администратор не проверяет достоверность персональной информации, предоставляемой Посетителем Сайта, и не имеет возможности оценивать его дееспособность. Однако Администратор исходит из того, что Посетитель предоставляет достоверную персональную информацию и поддерживает эту информацию в актуальном состоянии.
Администратор вправе запрещать Посетителю доступ к Сайту или к отдельным частям Сайта.
Посетитель в соответствии с ч. 1 ст. 18 Федерального закона «О рекламе» дает Администратору свое согласие на получение сообщений рекламного характера.
Согласие может быть отозвано субъектом персональных данных или его представителем путем направления письменного заявления ООО «Новые Технологии» или его представителю по адресу: 420030, республика Татарстан, г.о. город Казань, г. Казань, ул. Адмиралтейская, дом 3, этаж 2, помещ. 1013
В случае отзыва субъектом персональных данных или его представителем Согласия на обработку персональных данных, ООО «Новые Технологии» вправе продолжить обработку без разрешения субъекта персональных данных при наличии оснований, указанных в пунктах 2 — 11 части 1 статьи 6, части 2 статьи 10 и части 2 статьи 11 Федерального закона №152-ФЗ «О персональных данных» от 26.06.2006 г.
Настоящее Согласие действует все время до момента прекращения обработки персональных данных по причинам, указанным в п. 9 данного документа.

[email protected]

Россия

пн-пт 6:00-23:00, сб 8:00-22:00, вс 8:00-18:00

физиков создают новую форму света | MIT News

Проведите небольшой эксперимент: возьмите два фонарика в темную комнату и посветите ими так, чтобы их световые лучи пересекались. Заметили что-нибудь необычное? Скорее антиклиматический ответ, вероятно, нет. Это потому, что отдельные фотоны, из которых состоит свет, не взаимодействуют. Вместо этого они просто проходят мимо друг друга, как равнодушные духи в ночи.

Но что, если бы легкие частицы могли взаимодействовать, притягивая и отталкивая друг друга, как атомы в обычном веществе? Одна дразнящая, хотя и научно-фантастическая возможность: световые мечи — лучи света, которые могут тянуть и толкать друг друга, создавая ослепительные эпические столкновения. Или, что более вероятно, два луча света могут встретиться и слиться в один светящийся поток.

Может показаться, что такое оптическое поведение потребует отклонения от законов физики, но на самом деле ученые из Массачусетского технологического института, Гарвардского университета и других стран продемонстрировали, что фотоны действительно можно заставить взаимодействовать — достижение, которое может открыть путь к использование фотонов в квантовых вычислениях, если не в световых мечах.

В статье, опубликованной сегодня в журнале Science , группа под руководством Владана Вулетича, профессора физики Лестера Вулфа в Массачусетском технологическом институте, и профессора Михаила Лукина из Гарвардского университета сообщает, что они наблюдали группы из трех фотонов, взаимодействующих и , по сути, слипаясь, образуя совершенно новый вид фотонной материи.

В ходе контролируемых экспериментов исследователи обнаружили, что когда они направляли очень слабый лазерный луч через плотное облако ультрахолодных атомов рубидия, вместо того, чтобы выходить из облака в виде одиночных, случайно расположенных фотонов, фотоны связывались вместе в пары или тройки, предполагая, что некоторые своего рода взаимодействие — в данном случае притяжение — имеет место между ними.

В то время как фотоны обычно не имеют массы и движутся со скоростью 300 000 километров в секунду (скорость света), исследователи обнаружили, что связанные фотоны на самом деле приобрели часть массы электрона. Эти недавно утяжеленные световые частицы также были относительно медленными, перемещаясь примерно в 100 000 раз медленнее, чем обычные невзаимодействующие фотоны.

Вулетик говорит, что результаты показывают, что фотоны действительно могут притягиваться или запутываться друг с другом. Если их можно заставить взаимодействовать другими способами, фотоны можно будет использовать для выполнения чрезвычайно быстрых и невероятно сложных квантовых вычислений.

«Взаимодействие отдельных фотонов десятилетиями было очень давней мечтой, — говорит Вулетик.

Соавторами Vuletic являются Ци-Юнг Лян, Серджио Канту и Трэвис Николсон из Массачусетского технологического института, Лукин и Адитья Венкатрамани из Гарварда, Майкл Гулланс и Алексей Горшков из Университета Мэриленда, Джефф Томпсон из Принстонского университета и Ченг Чинг из Чикагский университет.

Все больше и больше

Вулетик и Лукин возглавляют Центр сверххолодных атомов Массачусетского технологического института и Гарварда, и вместе они ищут способы, как теоретические, так и экспериментальные, для поощрения взаимодействия между фотонами. В 2013 году усилия окупились, поскольку команда впервые наблюдала, как пары фотонов взаимодействуют и связываются вместе, создавая совершенно новое состояние материи.

В своей новой работе исследователи задались вопросом, могут ли взаимодействия происходить не только между двумя фотонами, но и между другими.

«Например, вы можете объединить молекулы кислорода, чтобы образовать O ₂ и O ₃ (озон), но не O ₄ , а для некоторых молекул вы не можете образовать даже молекулу из трех частиц», — говорит Вулетик. «Так что это был открытый вопрос: можете ли вы добавить больше фотонов в молекулу, чтобы сделать все больше и больше?»

Чтобы выяснить это, команда использовала тот же экспериментальный подход, что и для наблюдения за двухфотонными взаимодействиями. Процесс начинается с охлаждения облака атомов рубидия до сверхнизких температур, всего лишь одной миллионной доли градуса выше абсолютного нуля. Охлаждение атомов замедляет их почти до полной остановки. Затем через это облако иммобилизованных атомов исследователи направляют очень слабый лазерный луч — настолько слабый, что в каждый момент времени сквозь облако проходит лишь горстка фотонов.

Затем исследователи измеряют фотоны, когда они выходят с другой стороны облака атомов. В новом эксперименте они обнаружили, что фотоны вылетают парами и тройками, а не выходят из облака через случайные промежутки времени, как одиночные фотоны, не имеющие ничего общего друг с другом.

Помимо отслеживания количества и скорости фотонов, команда измерила фазу фотонов до и после прохождения через атомное облако. Фаза фотона указывает на частоту его колебаний.

«Фаза говорит вам, насколько сильно они взаимодействуют, и чем больше фаза, тем сильнее они связаны друг с другом», — объясняет Венкатрамани. Команда заметила, что, когда трехфотонные частицы одновременно покидают атомное облако, их фаза смещается по сравнению с тем, что было, когда фотоны вообще не взаимодействовали, и было в три раза больше, чем фазовый сдвиг двухфотонных молекул. «Это означает, что эти фотоны не просто взаимодействуют друг с другом независимо друг от друга, но все вместе сильно взаимодействуют».

Памятные встречи

Затем исследователи выдвинули гипотезу, объясняющую, что вообще могло вызвать взаимодействие фотонов. Их модель, основанная на физических принципах, предлагает следующий сценарий: когда одиночный фотон движется через облако атомов рубидия, он ненадолго приземляется на соседний атом, а затем перескакивает к другому атому, подобно пчеле, порхающей между цветами, пока не достигнет другой конец.

Если другой фотон одновременно путешествует по облаку, он также может провести некоторое время на атоме рубидия, образуя поляритон — гибрид, который является наполовину фотоном, наполовину атомом. Тогда два поляритона могут взаимодействовать друг с другом через свою атомарную составляющую. На краю облака атомы остаются там, где они есть, а фотоны выходят, все еще связанные вместе. Исследователи обнаружили, что то же самое явление может происходить с тремя фотонами, образуя даже более сильную связь, чем взаимодействия между двумя фотонами.

«Что было интересно, так это то, что эти тройняшки вообще сформировались», — говорит Вулетик. «Также было неизвестно, будут ли они связаны одинаково, меньше или сильнее по сравнению с парами фотонов».

Все взаимодействие внутри облака атомов происходит за миллионную долю секунды. И именно это взаимодействие заставляет фотоны оставаться связанными вместе даже после того, как они покинули облако.

«Хорошо то, что когда фотоны проходят через среду, они «вспоминают» все, что происходит в среде, когда выходят», — говорит Канту.

Это означает, что фотоны, которые взаимодействовали друг с другом, в данном случае посредством притяжения между ними, можно считать сильно коррелированными или запутанными — ключевое свойство для любого бита квантовых вычислений.

«Фотоны могут очень быстро перемещаться на большие расстояния, и люди используют свет для передачи информации, например, по оптическим волокнам», — говорит Вулетик. «Если фотоны могут влиять друг на друга, то, если вы можете запутать эти фотоны, а мы это сделали, вы можете использовать их для распространения квантовой информации интересным и полезным способом».

В дальнейшем команда будет искать способы принуждения к другим взаимодействиям, таким как отталкивание, при котором фотоны могут разлетаться друг от друга, как бильярдные шары.

«Это совершенно ново в том смысле, что мы иногда даже качественно не знаем, чего ожидать», — говорит Вулетик. «При отталкивании фотонов могут ли они быть такими, что образуют правильный узор, как кристалл света? Или что-то еще произойдет? Это очень неизведанная территория».

Это исследование было частично поддержано Национальным научным фондом.

Поделитесь этой новостной статьей:

Упоминания в прессе

Newsweek

Письмо для Newsweek, Кэтрин Хигнетт сообщает, что впервые ученые наблюдали группы из трех фотонов, взаимодействующих и эффективно производящих новую форму света. «Свет, — говорит профессор Владан Вулетич, руководивший исследованием, — уже используется для очень быстрой передачи данных на большие расстояния по оптоволоконным кабелям. Возможность манипулировать этими фотонами может позволить распространять данные гораздо более эффективными способами».

Полная история через Newsweek →

Материнская плата

Физики Массачусетского технологического института создали новую форму света, позволяющую связывать вместе до трех фотонов, пишет Даниэль Оберхаус для Материнская плата . Хотя исследование носит экспериментальный характер, Оберхаус пишет, что три фотона «гораздо прочнее связаны друг с другом и, как следствие, являются лучшими носителями информации», чем другие фотонные кубиты.

Полная история через материнскую плату →

Smithsonian Magazine

Исследование, опубликованное в журнале Science , демонстрирует способность фотонов связываться друг с другом способом, который ранее считался невозможным, — создавая новую форму света. «Фотонный танец происходит в лаборатории Массачусетского технологического института, где физики проводят настольные эксперименты с лазерами», — пишет Марисса Фессенден для Smithsonian . «Фотоны, связанные таким образом, могут нести информацию — качество, полезное для квантовых вычислений».

Полная история через Smithsonian Magazine →

New Scientist

Исследования кандидата физико-математических наук Серджио Канту привели к открытию новой формы света, который возникает, когда фотографии слипаются, а не проходят друг через друга. «Мы посылаем свет в среду, он эффективно наряжается, как если бы он был атомом, а затем, когда он снова превращается в фотоны, они вспоминают взаимодействия, которые происходили в среде», — объясняет Канту Лие Крейн в New Scientist .

Полная история через New Scientist →

Ссылки по теме

Владан Вулетич
MIT-Гарвардский центр ультрахолодных атомов
Научно-исследовательская лаборатория электроники
Факультет физики
Научная школа

Ссылка на фотографии

| Умные новости

Абстрактное изображение, потому что трудно увидеть три отдельных фотона.
ractapopulous через Pixabay

Это проблеск научной фантастики, ставший фактом: ученые создали новую форму света, которая когда-нибудь может быть использована для создания световых кристаллов. Но до того, как потенциальные джедаи начнут требовать свои сабли, продвижение, скорее всего, приведет к интригующим новым способам общения и вычислений, сообщают исследователи на этой неделе в Наука .

Свет состоит из фотонов — быстрых крошечных сгустков энергии. Как правило, фотоны вообще не взаимодействуют друг с другом, поэтому при использовании фонарика «вы не видите, как световые лучи отражаются друг от друга, вы видите, как они проходят друг через друга», — объясняет Серджио Канту, доктор философии. кандидат атомной физики Массачусетского технологического института. Однако в новых экспериментах физики уговорили отдельные фотоны прижаться друг к другу и соединиться, подобно тому, как отдельные атомы слипаются в молекулах.

Танец фотонов происходит в лаборатории Массачусетского технологического института, где физики проводят настольные эксперименты с лазерами. Канту, его коллега Адитья Венкатрамани, доктор философии. кандидат атомной физики Гарвардского университета и их сотрудники начинают с создания облака охлажденных атомов рубидия. Рубидий — это щелочной металл, поэтому он обычно выглядит как серебристо-белое твердое вещество. Но испарение рубидия с помощью лазера и поддержание его в ультрахолодном состоянии создает облако, которое исследователи помещают в небольшую трубку и намагничивают. Это удерживает атомы рубидия рассеянными, медленными и в сильно возбужденном состоянии.

Затем команда стреляет слабым лазером в облако. Лазер настолько слаб, что в облако попадает всего несколько фотонов, поясняется в пресс-релизе Массачусетского технологического института. Физики измеряют фотоны, когда они покидают другую сторону облака, и тогда все становится странным.

Обычно фотоны движутся со скоростью света — или почти 300 000 километров в секунду. Но при прохождении через облако фотоны движутся в 100 000 раз медленнее, чем обычно. Кроме того, вместо случайного выхода из облака фотоны проходят парами или тройками. Эти пары и тройки также излучают другую энергетическую сигнатуру, фазовый сдвиг, который говорит исследователям, что фотоны взаимодействуют.

«Поначалу было непонятно, — говорит Венкатрамани. Команда уже видела взаимодействие двух фотонов, но не знала, возможны ли тройные фотоны. В конце концов, объясняет он, молекула водорода представляет собой стабильное соединение двух атомов водорода, но три атома водорода не могут оставаться вместе дольше одной миллионной доли секунды. «Мы не были уверены, что три фотона будут стабильной молекулой или что-то такое, что мы сможем увидеть», — говорит он. «Чем больше вы добавляете, тем сильнее они связаны», — говорит Венкатрамани.

Но как фотоны собираются вместе? Теоретическая модель физиков предполагает, что, когда один фотон движется через облако рубидия, он перескакивает с одного атома на другой, «как пчела, порхающая между цветами», поясняется в пресс-релизе. Один фотон может кратковременно связываться с атомом, образуя гибрид фотон-атом или поляритон. Если два таких поляритона встречаются в облаке, они взаимодействуют. Когда они достигают края облака, атомы остаются позади, а фотоны плывут вперед, все еще связанные вместе. Добавьте больше фотонов, и то же самое явление приведет к триплетам.

«Теперь, когда мы понимаем, что делает взаимодействие привлекательным, вы можете спросить: можно ли вместо этого заставить их отталкивать друг друга?» говорит Канту. По сути, игра с взаимодействием может открыть новое понимание того, как работает энергия или откуда она берется, говорит он.

В целях технического прогресса фотоны, связанные таким образом, могут нести информацию — качество, полезное для квантовых вычислений. А квантовые вычисления могут привести к созданию невзламываемых кодов, сверхточных часов, невероятно мощных компьютеров и многого другого. Привлекательность кодирования информации в фотонах заключается в том, что фотоны могут очень быстро переносить информацию на большие расстояния. Фотоны уже ускоряют нашу связь по волоконно-оптическим линиям. Связанные или запутанные фотоны могли почти мгновенно передавать сложную квантовую информацию.

Команда предполагает управлять притягивающими и отталкивающими взаимодействиями фотонов настолько точно, чтобы они могли упорядочивать фотоны в предсказуемые структуры, которые удерживаются вместе, как кристаллы. Некоторые фотоны будут отталкивать друг друга, раздвигаясь, пока не найдут свое собственное пространство, в то время как другие удерживают большее образование и удерживают отталкивающиеся фотоны от рассеяния. Их узорчатое расположение будет световым кристаллом. В световом кристалле «если вы знаете, где находится один фотон, то вы знаете, где за ним находятся остальные через равные промежутки времени», — говорит Венкатрамани. «Это может быть очень полезно, если вы хотите иметь квантовую связь через регулярные промежутки времени».

Будущее, которое могут обеспечить такие кристаллы, может показаться более туманным, чем то, где люди сражаются на световых мечах, но оно может принести еще более впечатляющие и невообразимые достижения.

Примечание редактора: Эта история была исправлена, чтобы отразить, что фотоны, а не атомы, входят в рубидиевое облако, и их скорость замедляется по мере прохождения.

Рекомендуемые видео

Что такое фотоны? | Живая наука

Абстрактное представление фотонов.
(Изображение предоставлено Диззо через Getty Images)

Фотоны — это фундаментальные субатомные частицы, несущие электромагнитную силу, или, проще говоря, частицы света (и многое другое). Фотон также является «квантом» или фундаментальной единицей электромагнитного излучения . Все окружены фотонами: свет, исходящий от экрана, который вы смотрите, состоит из фотонов, рентгеновский снимок, который врач использует для осмотра костей, состоит из фотонов, радиоприемник в автомобиле получает сигнал от фотонов, а магниты на холодильнике используют фотоны, чтобы держаться.

Как и все другие субатомные частицы, фотоны проявляют корпускулярно-волновой дуализм, а это означает, что иногда они ведут себя как крошечные частицы, а иногда действуют как волны. Фотоны не имеют массы, что позволяет им двигаться со скоростью скорости света в вакууме (299 792 458 метров в секунду) и могут перемещаться на бесконечное расстояние.

Открытие фотона

Хотя физики изучают природу света на протяжении столетий, споры о том, состоит ли свет из мельчайших частиц или имеет волнообразную природу, продолжаются. Однако в конце 1800-х годов новаторская работа немецкого физика Макса Планка изменила всю картину.

Планк изучал нечто, называемое излучением абсолютно черного тела, или свет от специального устройства, которое максимально эффективно излучало свет на всех частотах. До Планка никто не мог объяснить спектр света, исходящего от этих устройств, поэтому Планк добавил «исправление» в уравнения. Предполагая, что свет может излучаться только дискретными порциями энергии, известными как кванты, он смог разработать формулу, которая прекрасно объясняет спектры абсолютно черного тела, согласно HyperPhysics (открывается в новой вкладке).

Физики точно не знали, что делать с результатом Планка, но несколько лет спустя Альберт Эйнштейн сделал еще один шаг вперед. Чтобы объяснить фотоэлектрический эффект , который представляет собой высвобождение электронов из металла, когда на него падает свет, Эйнштейн предположил, что свет сам по себе состоит из отдельных маленьких кусочков, согласно Американскому физическому обществу . Со временем эти маленькие кусочки стали известны как фотоны.

Работа Планка, Эйнштейна и других по изучению природы света положила начало развитию квантовая механика .

Фотоэффект — испускание электронов при попадании фотонов на металлическую поверхность. (Изображение предоставлено: petrroudny через Getty Images)

Являются ли фотоны частицами?

Строго говоря, фотоны не являются ни частицами, ни волнами; они представляют собой комбинацию обоих. В одних ситуациях больше проявляется их корпускулярная природа, а в других более очевидна их волновая природа.

Например, детектор может зарегистрировать прибытие одиночного фотона, который выглядит как точечная частица. В процессе, известном как комптоновское рассеяние, фотон сталкивается с электроном, и в этой ситуации фотон действует как частица.

Однако невозможно точно предсказать, где и когда фотон попадет на детектор. В квантовой механике событиям можно присваивать только вероятности. Эти события моделируются уравнениями для волн, с пиками волн, соответствующими областям высокой вероятности получения фотона, и впадинами, соответствующими областям низкой вероятности, согласно AccessScience, McGraw Hill (открывается в новой вкладке).

Эта концепция лучше всего иллюстрируется знаменитым экспериментом с двумя щелями, который укрепил двойную волновую и корпускулярную природу света (и, в конечном счете, других субатомных частиц). Когда свет проходит через экран с двумя прорезанными в нем щелями, он образует интерференционную картину на детекторе с другой стороны экрана, где пики волн в некоторых местах совпадают друг с другом, а пики и впадины взаимно компенсируются. друг друга в других. Несмотря на то, что за раз через экран проходит только один фотон, причем каждый отдельный фотон действует как частица, интерференционная картина, возникающая на детекторе, точно такая же, как если бы вместо этого через щели проходили волны.

Эксперимент с двумя щелями показывает, что свет ведет себя как частица и как волна. (Изображение предоставлено Grayjay через Shutterstock)

Имеют ли фотоны массу и импульс?

Фотоны имеют нулевую массу, что позволяет им двигаться с максимально возможной скоростью во Вселенной, со скоростью света. Однако у них есть энергия и импульс. Энергия фотона определяется как постоянная Планка, умноженная на частоту света, а импульс фотона определяется как постоянная Планка, умноженная на частоту света, умноженная на скорость света, согласно веб-сайту энергетического образования Университета Калгари (открывается в новой вкладке).

Тот факт, что фотоны обладают импульсом, позволяет использовать их во множестве приложений. Например, солнечные паруса — это экспериментальные двигательные установки, использующие солнечный свет для толкания космического корабля. Согласно НАСА , солнечные фотоны отражаются от отражающего паруса, тем самым передавая свой импульс парусу и приводя в движение космический корабль.

Фотоны испытывают время?

Наше понимание скорости течения времени исходит из специальной теории относительности Эйнштейна , которая утверждает, что объекты, движущиеся все ближе и ближе к скорости света, будут испытывать все меньшие и меньшие скорости течения времени. Другими словами, движущиеся часы идут медленно, по словам Джона Д. Хортона из Университета Питтсбурга .

Однако математика специальной теории относительности применима только к объектам, движущимся медленнее скорости света, и не применима непосредственно к фотонам, которые движутся со скоростью света. Таким образом, невозможно сказать, что фотон «испытывает» с точки зрения течения времени, потому что у ученых нет математического языка для поддержки этого. Другими словами, концепция течения времени не имеет смысла для фотонов.

Влияет ли гравитация на фотоны?

Истории по теме

Поскольку фотоны обладают энергией и импульсом, на них влияет гравитация . Согласно общей теории относительности Эйнштейна, которая является нашим современным пониманием гравитации, все, что имеет любую форму энергии (включая массу, импульс и кручение), находится под влиянием гравитации. В частности, безмассовые частицы, такие как фотоны, следуют «геодезическим», то есть траекториям минимального расстояния от одной точки к другой, согласно EarthSky (открывается в новой вкладке).

В общей теории относительности пространство-время искривлено из-за влияния массивных объектов. Это может сделать путь «минимального расстояния» изогнутой линией, точно так же, как самолеты должны следовать по изогнутой траектории, чтобы лететь прямо из одного города в другой, потому что Земля сама по себе искривлена.

Кривизна пространства-времени влияет на фотоны несколькими способами. Когда фотоны перемещаются из области с сильной гравитацией в область с меньшей гравитацией, они теряют энергию, что понижает их частоты до более красного конца спектра. Когда фотоны проходят вблизи массивных объектов, их направление движения меняется.

Дополнительные ресурсы

Вы можете глубже изучить взаимосвязь между светом и временем в этом видео YouTube (откроется в новой вкладке), размещенном автором этой статьи, астрофизиком Полом М. Саттером.
Для интересного исследования природы квантовой механики (где, конечно, также обсуждаются фотоны), ознакомьтесь с «Как научить собаку квантовой физике» (открывается в новой вкладке) (Scribner, 2010) физика Чад Орзель.
В Психиатрической больнице есть отличное видео, объясняющее природу фотона, которое вы можете смотреть здесь (откроется в новой вкладке).

Библиография

Афеворк, Б., Бехлер, Э., Кэмпбелл, А., Ханания, Дж., Хеффернан, Б., Дженден, Дж. , Стрит, К., и Донев, Дж. (2021, октябрь 22). Фотон . Энергетическое образование. https://energyeducation.ca/encyclopedia/Photon (открывается в новой вкладке)

Американское физическое общество. (2005, январь). Этот месяц в истории физики: Эйнштейн и фотоэффект . Новости АПС. https://www.aps.org/publications/apsnews/200501/history.cfm#:~:text=Light%2C%20Einstein%20said%2C%20is%20a, столкновение%20производит%20%20фотоэлектрический%20эффект (открывается в новой вкладке)

Hall, L. (2021, 6 октября). Усовершенствованная композитная система солнечного паруса: использование солнечного света для исследования дальнего космоса . НАСА. https://www.nasa.gov/directorates/spacetech/small_spacecraft/ACS3 (открывается в новой вкладке)

Клеппнер, Д. (2019 г.). Фотон . Доступнаука. https://www.accessscience.com/content/511100 (откроется в новой вкладке)

Nave, R. (nd). Излучение черного тела . Гиперфизика. Получено 8 марта 2022 г. с http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mod6.html (открывается в новой вкладке)

Norton, JD (2018, 10 октября). Общая теория относительности . Эйнштейн для всех. https://sites.pitt.edu/~jdnorton/teaching/HPS_0410/chapters/general_relativity/ (открывается в новой вкладке)

Уитт, К. К. (2021, 8 сентября). Что такое гравитационное линзирование? Земное небо. https://earthsky.org/space/what-is-gravitational-lensing-einstein-ring/#:~:text=Gravitational%20lensing%20occurs%20when%20massive,bending%20and%20magnifying%20the%20light (открывается в новая вкладка)

Пол М. Саттер — профессор-исследователь в области астрофизики в Университете SUNY Стоуни-Брук и Институте Флэтайрон в Нью-Йорке. Он регулярно появляется на телевидении и в подкастах, в том числе «Спросите космонавта». Он является автором двух книг: «Твое место во Вселенной» и «Как умереть в космосе», а также регулярно публикуется на Space.com, Live Science и других ресурсах. Пол получил докторскую степень по физике в Университете Иллинойса в Урбана-Шампейн в 2011 году и провел три года в Парижском институте астрофизики, после чего прошел стажировку в Триесте, Италия.