Физикам впервые удалось экспериментально наблюдать поведение световых импульсов в условиях так называемого «мнимого времени». Это исследование проливает свет на загадочный математический формализм, десятилетиями использовавшийся в теоретических расчётах.
Замедление света и математическая абстракция
Известно, что при прохождении через прозрачные материалы, такие как стекло или вода, свет замедляется. Это происходит из-за взаимодействия фотонов с электромагнитными полями атомов среды. Данный эффект — ключевой инструмент для изучения свойств материалов и рассеяния света. Однако один из методов его теоретического описания долгое время оставался чисто математической абстракцией. Речь идёт об использовании мнимых чисел — величин, квадрат которых является отрицательным числом.
Эксперимент в микроволновом диапазоне
Группа физиков из Мэрилендского университета в лице Изабеллы Джованелли и Стивена Анрачи провела новаторский эксперимент. Они исследовали, как импульсы микроволнового излучения (невидимого глазу света) ведут себя в системе, моделирующей условия «мнимого времени». Для этого учёные использовали замкнутую петлю из коаксиальных кабелей, по которой передавались точно контролируемые импульсы.
С помощью высокоточного осциллографа исследователи регистрировали малейшие изменения частоты сигнала. Меняя параметры импульсов и анализируя данные, им удалось выявить прямую связь между наблюдаемой формой волны и мнимой частью сложного математического уравнения, описывающего процесс.
Физический смысл мнимых величин
Хотя отдельные фотоны всегда движутся с постоянной скоростью света, волновой импульс в среде может вести себя иначе. Взаимодействие с полями атомов может приводить к тому, что сам импульс (групповая скорость) распространяется быстрее или медленнее, чем составляющие его фотоны. Для описания таких сложных сценариев физики используют комплексные числа, включающие как действительную, так и мнимую часть.
До этого эксперимента роль мнимой части оставалась неясной. «Это как скрытая степень свободы, которая раньше не замечалась», — поясняет Стивен Анрачи. Теперь же исследователи показали, что мнимое число в уравнениях соответствует вполне реальному и измеримому физическому параметру — крошечному сдвигу несущей частоты импульса при его прохождении через среду. Этот сдвиг возникает из-за поглощения частью импульса.
Обратите внимание: Японские ученые осваивают технологии создания детей из клеток кожи.
Значение открытия
Таким образом, работа американских физиков впервые придала конкретный физический смысл математическому понятию «мнимого времени» в контексте оптики. Параметр, который считался сугубо теоретическим, теперь можно связать с реальным процессом, при котором световой импульс как бы «обгоняет» собственные фотоны. Это открывает новые возможности для более точного моделирования и управления светом в сложных средах, что важно для развития фотоники, квантовых вычислений и материаловедения.
Исследование было принято к публикации в авторитетном журнале «Physical Review Letters».
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Учёные впервые наблюдали, как ведёт себя свет в условиях загадочного явления, известного как "мнимое время".