Учені випадково дізнатися точну форму фотона, окремої частинки світла

Якої форми фотон

Нова модель, розроблена фізиками з Великої Британії, надає повний квантовий опис точки взаємодії світла й матерії, зберігаючи картину того, як ця взаємодія продовжує впливати на частинку, коли вона збільшує масштаб крізь клубок електричних полів. "Розрахунки дозволили нам перетворити, здавалося б, нерозв'язну проблему на те, що можна обчислити", – каже фізик-теоретик Бенджамін Юен з Бірмінгемського університету. 24 Канал ознайомився з його звітом.

Майже як побічний продукт моделі, ми змогли створити зображення фотона, чого раніше не бачили у фізиці,
– додав учений.

Маючи властивості як хвилі, що рябить у нематеріальному океані, так і безмасового об'єкта, що наближається до межі швидкості, фотон кидає виклик нашій уяві своєю двоїстою природою. Його існування є загадкою, чимось, що може бути з надзвичайною точністю представлене математикою ймовірності, але не має зручної аналогії, яку ми могли б використати, щоб уявити, як це могло б виглядати в нашому світі форм, розмірів і кольорів.

Проте деякі властивості світла можуть перетворитися на щось знайоме. У його квантовому коді, відомому як хвильова функція, закладені правила, що диктують межі впливу фотона на навколишнє середовище.

Те, що ми відчуваємо як бліде сяйво неонової вивіски або промені сонця в літній день, є обміном між атомами мовою електромагнетизму. Коли електрони рухаються по своїх орбітах, вони випромінюють відповідні одиниці енергії, відомі як фотони.

Удосконалення нашої технологічної здатності стримувати й спрямовувати цю електромагнітну "розмову" виявило неймовірні складнощі у проходженні світла крізь матеріальний Всесвіт, кажуть учені. Цю подорож більше не можна розуміти як одностороннє проходження енергії від точки випромінювання до місця призначення. Скоріше, її квантова природа зберігає своєрідну пам'ять, яка продовжує повертатися на своєму шляху в тому, що фізики називають немарківською динамікою.

Геометрія та оптичні властивості середовища мають глибокі наслідки для того, як випромінюються фотони, включаючи визначення форми, кольору й навіть ймовірності його існування,
– додала вчена Бірмінгемського університету Анжела Деметріаду.

Щоб краще зрозуміти ці квантові правила немарківської подорожі фотона крізь час і матерію, Юен і Деметріаду розробили унікальну модель, яка описує відкрите середовище, з яким взаємодіє світло одразу після випромінювання атомами в наночастинках кремнію.

Їхня теорія не лише з безпрецедентною точністю описувала поширення світла з початкової точки, але й визначила "шум" взаємодій, який точно описував градієнти напруженості поля, що оточує кванти світла. Таким чином, розуміючи, де починається і куди сягає це поле, вчені змогли зобразити форму фотона.

Форма фотона з позначеними полями електромагнетизму / Фото Бенджамін Юен

Оскільки наше прагнення до менших, швидших, точніших і чутливіших технологій зростає, потреба в точному передбаченні квантових слідів, які фотони залишають по собі, буде ставати все більш важливою.

"Розуміючи це, ми закладаємо основи для інженерії взаємодії світла й матерії для майбутніх застосувань, таких як кращі сенсори, вдосконалені фотоелектричні елементи або квантові обчислення", – підсумовує Бенджамін Юен.