Вперше дослідники змогли експериментально показати, як світлові хвилі поводяться під час загадкового явища, яке фізики називають «уявним часом».
Коли світло проходить через будь-який прозорий матеріал, його рух сповільнюється через взаємодію з електромагнітними полями всередині речовини. Це затримка — ніби «корки» на фотонному шосе — дає фізикам інформацію про структуру матеріалу, через який воно проходить.
Але один особливий спосіб опису цієї затримки — через так званий «уявний час» — досі був лише теоретичним інструментом. Тепер дослідники з Університету Меріленду, Ізабелла Джованеллі та Стівен Анлаге, змогли показати на практиці, що ж відбувається зі світлом під час цього явища.
Що таке «уявні числа» і чому це важливо
Уявні числа — це математичні поняття, які допомагають вирішувати рівняння у фізиці. Наприклад, квадратний корінь з від’ємного числа не існує у звичайних умовах, але уявні числа дозволяють описувати дуже реальні фізичні процеси.
Для світлових хвиль уявні числа давно використовували, щоб пояснювати затримки під час проходження через матеріал. Але досі не було зрозуміло, що саме фізично стоїть за цими абстрактними поняттями.
Як проводили дослід
Щоб розібратися в цьому, вчені створили просту, але хитру установку: замкнули пару коаксіальних кабелів у кільце, створивши ідеальний «тренажер» для мікрохвильових імпульсів (це теж форма світла, тільки з довшою довжиною хвилі).
Вони надсилали імпульси мікрохвиль через це кільце й фіксували дуже незначні зміни у частоті за допомогою високоточного осцилографа. Це дозволило їм відстежити зміни, які в математичних описах відповідають реальним і уявним складовим.
Що з’ясували фізики
Дослід показав: «уявна» частина затримки — це не якась вигадка чи абстрактна математика, а цілком реальний процес — дуже маленький зсув у частоті несучої хвилі, коли вона проходить через матеріал і взаємодіє з ним.
Тобто уявні числа описують справжню фізичну зміну, яку можна виміряти. Завдяки цим зсувам імпульси світлових хвиль можуть ніби рухатися швидше або повільніше, ніж окремі фотони.
Чому це важливо
Ця робота дає новий погляд на те, як світло взаємодіє з матерією на фундаментальному рівні. Як зазначив Стівен Анлаге, це як прихована «ступінь свободи», яку раніше ігнорували, а тепер їй надали фізичного змісту.
Розуміння цих процесів може допомогти у майбутньому розробляти нові оптичні матеріали, вдосконалювати телекомунікації чи навіть наблизити нас до створення квантових комп’ютерів.