Знание - сила, 2003 № 08 (914)

За россыпью разнородных, затрагивающих чуть ли не все области физики экспериментов — блестящих, порой нобелевского ранга экспериментов, замаячила тень разобщенности, рассогласованности, фрагментаризации. Это ощущение в данном случае особо важно подчеркнуть. Дело в том, что постепенно раскрывая свои тайны, скорость света возникала практически везде, где речь шла о самых глубинах физической науки. Ее всеобщность, воистину универсальность связывали вместе расползавшиеся вширь и вглубь знания о природе, служили «скрепами» в построении единой физической картины мира. Поэтому недавние опытные результаты, вернее, многообразие их интерпретаций, можно было расценить как покушение на долго и мучительно выстраиваемую цельность.

Отсюда понятно, почему в спорах теоретиков нет никакого праздного любопытства — столь велика цена неразрешенных расхождений, тем более когда возникает соблазн пересмотреть сложившуюся картину и тем паче переписать ее на новых основаниях. Актуальности этой теме придает и практическая ее направленность. Опыты, о которых идет речь, связаны в том числе с одной из самых привлекательных научно- технических идей будущего — с созданием квантового компьютера (о нем наш журнал писал в № б за этот год) и с одним из самых загадочных явлений — передачей гравитационного воздействия (о чем мы непременно еще напишем в скором будущем).

Жидкий свет?

Испанский физик Хумберто Мичинел из университета города Виго столкнулся с удивительным явлением. Он проводил опыты с лазером, замедляя его лучи с помощью специально подобранных материалов. Моделируя происходящее на компьютере, ученый рассекал замедленные лучи лазера на отдельные импульсы, длившиеся несколько миллисекунд. Оказалось, что эти пучки света начинают принимать форму капель, да и вообще ведут себя, как жидкость: они обладают поверхностным натяжением; лопаются, как капли воды, встречая препятствие. До сих пор, с физической точки зрения, это считалось невозможным. Да, свет обладает не только волновыми, но и корпускулярными свойствами, например, оказывает давление. Но разве может свет превращаться в твердое вещество или жидкость, ведь он состоит не из атомов — из фотонов? Однако в моделях Мичинела заманчиво кружились капельки света.

Конечно, экран компьютера — не лабораторная установка. Сделанные выводы надо подтвердить экспериментальным путем. Если свет и впрямь можно превращать в отдельные капли, то они найдут применение в оптическом компьютере. Подобные машины будут работать намного быстрее традиционных компьютеров. Сейчас разрабатываются оптические компьютеры, но — вот проблема! — световыми лучами трудно управлять. Другое дело — капли света! Так существуют ли они?

Свет рассекает твердь

Еще в конце шестидесятых годов стало известно, что лазерный луч может самофокусироваться. Энергия падающей световой волны повышает коэффициент преломления среды, которая действует как фокусирующая линза. Позднее выяснилось, что в воздушной среде инфракрасные импульсы света могут вновь расширяться, если их интенсивность достигнет определенного уровня. В середине девяностых годов удалось сбалансировать фокусирующие и дефокусирующие эффекты, подобрав интенсивность и диаметр светового луча. Итак, инфракрасные импульсы длительностью всего несколько сотых фемтосекунды могли распространяться в воздухе на несколько сотен метров, не меняя диаметра (одна фемтосекунда равна 0,000 000 000 000 001 секунды).

Французский физик Стелиос Цорцакис с коллегами впервые доказали, что подобное явление возможно и в твердой среде. Во время опыта они направляли ультракороткие инфракрасные импульсы в сторону кварцевого блока. Как выяснилось, световой луч проникал в глубь кварца более чем на сантиметр, а его диаметр изменялся всего на 20 микрометров.

Это открытие пригодится при создании оптического компьютера, а также при обработке различных материалов.

«Связать» скорее света?

В квантовом мире действует странная «телепатия»: разные частицы могут вести себя так, словно это одна и та же частица. Не способные даже обменяться информацией со своими двойниками, они, тем не менее, моментально узнают о любых переменах их свойств и вторят им. Так, можно представить себе эти частицы в виде игральных костей: если бросок одной из костей в Каире принесет «шестерку», то вторая кость, брошенная в ту же секунду на стол в Багдаде, принесет также шесть очков. Эти частицы ведут себя, словно зеркала, отражающие лишь друг друга.

До сих пор удавалось «связать» самое большее всего четыре атома. Чем больше частиц «сообщаются» друг с другом, тем неустойчивее их связь. Любое внешнее влияние нарушает ее.

Тем удивительнее опыт, поставленный группой датских ученых во главе с Брианом Юльсгаардом. В течение некоторого времени они удерживали в «связанном» состоянии триллионы (!) атомов.

«Связанные» атомарные облака можно использовать для телепортации квантовых состояний из одной области пространства в другую. Подобные эффекты будут играть важнейшую роль в квантовых компьютерах. Правда, вместо атомарных облаков в них будут использованы электроны в полупроводниковых материалах: спины электронов ориентируют с помощью магнитного поля, а затем направят на них лазерный луч, что и вызовет переход к связанному состоянию. Впрочем, пока неизвестно, удастся ли компьютеру, устроенному по такому принципу, проделать хотя бы несколько сотен операций, прежде чем «связанное» состояние пройдет.

Свет, который движется быстрее себя

Сенсация назревала давно. Потом журнал «Physical Review Letters» сообщил, что группе итальянских физиков во главе с Ранфаньи удалось создать короткоживущий световой импульс, который на очень коротком расстоянии (меньше метра) двигался со скоростью, в пять-семь раз больше скорости света в вакууме (которая, согласно теории относительности Эйнштейна, является предельной скоростью передачи физической информации в космосе).

Сообщение вызвало легкий шумок в соответствующих научных кругах, однако не показалось вполне убедительным. Утверждения о том, что световые импульсы определенного характера могут преодолевать «световой барьер», циркулировали в физике уже с 70-х годов, и соответствующие экспериментальные результаты время от времени появлялись в печати уже с тех самых пор (например, работа Стивена Чу 1982 года), но неизменно оказывались неоднозначными. На сей раз ситуация оказалась иной.

Почти одновременно с итальянской публикацией появилось сообщение, что в журнал «Nature» подана и находится на рецензировании сенсационная статья Ли-Джунг Ванга и его коллег из Принстонского университета, описывающая эксперимент, в котором скорость светового импульса в сотни раз (!) превысила скорость света. Экспериментаторы посылали протяженный (90 метров длиной) световой импульс на прозрачную камеру длиной 6 сантиметров, заполненную газом из цезиевых атомов, и наблюдали поразительный факт: выходящий из камеры импульс появлялся по другую сторону камеры раньше, чем исходный импульс успевал войти в нее.

Возникало головокружительное ощущение, что рушится не только Эйнштейнов «световой барьер», но само представление о причинности: свет появляется из прибора раньше, чем успевает в него войти. Однако детальный анализ процессов распространения световых импульсов показывает, что ситуация не столь парадоксальна. Цезиевый газ в камере как бы восстанавливает импульс уже по его (очень дальнему) переднему фронту, не дожидаясь, пока придет его пик.

Остается лишь решить, не происходит ли здесь передача информации со сверхсветовой скоростью? Это действительно нарушило бы и основной принцип теории относительности, и принцип причинности. Однако априори, без специальной экспериментальной проверки ответить на этот вопрос нельзя. Информация, передаваемая световыми импульсами, переносится ими как целым, она «закодирована» в форме каждого импульса. Но из эксперимента не следует, что восстанавливается точная форма импульса, то есть содержащаяся в нем информация.