Jak zatrzymać światło?

Shine On You Crazy Diamond

Niedawno sieć obiegła informacja o zatrzymaniu światła na minutę przez naukowców z Technische Universität Darmstadt. Otrzymałem prośbę o napisanie notki na ten temat. Nie ukrywam, przeszło mi to przez myśl wcześniej, ale zbierałem się do tego jak pies do jeża. Ostatecznie wyszła notka o tym, że fotony zawsze poruszają się z tą samą prędkością. Nie zwalniają, nie zatrzymują się.

Co zatem zaszło w Darmstadt? I jakim sposobem światło ma zawsze stałą prędkość skoro mówi się o jego prędkości w próżni czy o współczynnikach załamania? Zacznijmy od prędkości światła w różnych ośrodkach. Jest stała. Zawsze. 299 792 458 metrów w ciągu sekundy. W świecie fizycznym, pełnym względności i drobnych niuansów, powinno to być pocieszające. Ale kiedy dowiadujemy się, że c jest tak stała, że nawet zbliżające się ku sobie dwie wiązki światła poruszają się względem siebie z prędkością c a nie 2c robi się dziwnie. Na szczęście ta notka nie jest o relatywistyce.

Prędkość światła w ośrodku, inna od tak zwanej prędkości światła w próżni, to w rzeczywistości uproszczenie. Fotony, podróżując przez ośrodek materialny natrafiają na atomy. Foton to kwant pola elektromagnetycznego o energii odpowiadającej długości jego fali (barwie). Gdy uderza w atom przestaje istnieć, zostaje zaabsorbowany. Atomy nie lubią być podekscytowane, więc wkrótce zaabsorbowana energia zostaje ponownie wyemitowana. Foton wędruje dalej. Nowy foton „kontynuuje” podróż poprzednika. Opóźnienie wynikające z przygody z atomem sprawia, że pozornie prędkość światła jest mniejsza.

To pozorne zmniejszenie prędkości w ostatnich latach doprowadzono do niecałego milimetra na sekundę wykorzystując egzotyczny stan skupienia ekstremalnie schłodzonej materii – kondensat Bosego-Einsteina. Ale jak „zatrzymano” je całkowicie? Sprytnym trikiem. Nieprzezroczysty kondensat uczyniono przezroczystym (dla światła z lasera A) oświetlając go laserem B. Gdy laser A nadał trzy impulsy światła, wyłączono laser B. Kondensat nagle stał się nieprzezroczysty i „uwięził” światło w sobie.

Oczywiście już wiemy, że fotony zawsze poruszają się z prędkością 299 792 458 metrów na sekundę, zatem w materiale nie uwięziono światła, a „jedynie” utrwalono wzbudzone stany atomów. Ograniczenie czasu do minuty wynika z tego, że materia, nawet schłodzona do niedorzecznie niskiej temperatury, wciąż jest w ruchu i w końcu dojdzie do oddziaływania pomiędzy spinami wzbudzonych atomów. Więc po „odblokowaniu” kondensatu odzyskalibyśmy energię w postaci fotonów, ale trzy impulsy byłyby „rozmyte” a naukowcy z Darmstadt chcieli jednocześnie pokazać, że „zatrzymane” światło może przechować również informację.

Mam nadzieję, że to wyjaśnia sławny eksperyment i różne prędkości światła w różnych materiałach. Jednocześnie jeśli usłyszycie, że foton wydostaje się z jądra Słońca przez tysiące lat, będziecie wiedzieli, że nie chodzi o to, że jest tam tak silne przyciąganie, że nawet fotony „wylatują z niego wolno”. Przy tej gęstości materii, przebycie około 700 000 km z jądra na powierzchnię, oznacza bezustanne absorbowanie przez atomy i tułaczkę nowych fotonów w losowych kierunkach, by w końcu wydostać się na powierzchnię. Więc foton, który dociera na Ziemię powstał jakieś 8 minut temu, nie tysiące lat wcześniej. Ale foton, który zapoczątkował ten łańcuch wydarzeń rzeczywiście powstał zanim narodziła się nasza cywilizacja.


Bardzo dziękuję Maciejowi Pylakowi z NCBJ za pomoc przy przygotowaniu notki.


PS. Profil na facebooku osiągnął ponad 400 polubień. Wielkie dzięki!


Neil deGrasse Tyson on photons and relativity
Light completely stopped for a minute
http://www.badastronomy.com/bitesize/solar_system/#note
http://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetically_induced_transparency
Tytułowa fotka - Reddit