Stulbinantis atradimas: fizikai aptiko visiškai naują šviesos formą

Daug kam gali kilti pagunda manyti, kad apie šviesą žinome jau viską. Tačiau vos praėjusiais metais mokslininkai aptiko visiškai naują, esminę šviesos savybę, o dabar Airijos mokslininkų komanda parodė, kad šviesa gali įgauti netikėtas, naujas formas, rašo sciencealert.com.

Vienas iš būdų išmatuoti šviesos spindulį yra judesio kiekio momentas – pastovus dydis, parodantis, kiek smarkiai kūnas suksis aplink tam tikrą sukimosi ašį veikiant išorinei jėgai. Iki šiol buvo manoma, kad visų šviesos formų judesio kiekio momentas yra sveikasis skaičius – fizikoje naudojama Planko konstanta.

Tačiau mokslininkai iš Šv. Trejybės koledžo Dubline pademonstravo, kad egzistuoja nauja šviesos forma, kurios judesio kiekio momentas yra lygus tik pusei šios vertės.

„Šis rezultatas džiugina tuo, kad ši esminė šviesos savybė, kuri, kaip visada manė fizikai, yra fiksuota, gali būti pakeista“, – teigė pagrindinis tyrintojas Paulas Easthamas.

Šioje vietoje sustokime ir pasiaiškinkime, ką tai reiškia. Mokslininkė Kyle Ballantine aiškino: „Šviesos spindulį charakterizuoja jo spalva, arba bangos ilgis, ir mažiau žinomas dydis, vadinamas judesio kiekio momentu. Judesio kiekio momentas parodo, kiek kažkas sukasi. Šviesos spindulys, nors ir sklindantis tiesia linija, taip pat gali suktis apie savo paties ašį. Taigi kai šviesa iš veidrodžio ryte patenka į jūsų akį, kiekvienas fotonas vienu ar kitu būdu šiek tiek iškreipia jūsų akį“.

Kad ir kaip būtų sunku tai suprasti, fizikai tai gerai suvokia. Tačiau jie nenumanė, kad gali egzistuoti šviesa, kurios judesio kiekio momentas nėra sveikasis skaičius. Kad tai sužinotų, mokslininkų komanda perleido šviesą per kristalus, kad išgautų šviesos spindulius, turinčius iškraipytą, varžtą primenančią struktūrą.

Jie ieškojo naujų šviesos savybių, kurios leistų pagerinti optinį ryšį, tačiau kai jie išanalizavo konkretų spindulį pagal kvantinės mechanikos teoriją, pasirodė, kad jo judesio kiekio momentas yra lygus tik pusei skaičiaus – to jie tikrai nesitikėjo atrasti.

Tuomet jie sugalvojo eksperimentą, kad patikrintų šią prognozę, ir sugebėjo sukonstruoti prietaisą, kuris išmatavo judesio kiekio momento tėkmę šviesos spindulio viduje, taip pat šios tėkmės variacijas, sukeltas kvantinių efektų.

Paprastai nė viena iš šių kvantinių variacijų neturėtų priversti judesio kiekio momentą pakisti visu sveiku skaičiumi. Tačiau šie eksperimentai kiekvieno fotono judesio kiekio momente atskleidė nedidelį pokytį, lygų pusei Planko konstantos.

Tai jaudinanti žinia ne tik dėl to, kad buvo atrasta nauja šviesos forma, bet ir dėl to, kad nuo 9-ojo dešimtmečio teorinės fizikos mokslininkai spėjo, kad kvantinė mechanika turėtų suteikti galimybę egzistuoti dalelėms, kurių kvantiniai skaičiai yra trupmenos.

Dabar šis darbas, kuriam buvo pasitelktos vienos geriausiai ištyrinėtų dalelių, pirmą kartą parodė, kad šios prognozės buvo teisingos. „Šviesos tema visada domino fizikus ir buvo laikoma viena iš sričių, kuri yra geriausiai perprasta, – sakė vienas iš mokslininkų Stefano Sanvito. – Šis atradimas reiškia persilaužimą tiek fizikos pasauliui, tiek visam mokslui“.

Be to, kad sukrėtė mūsų supratimą apie šviesą, ši nauja informacija gali pasitarnauti gerinant optinio pluošto kabelių greitį bei saugumą ir leisti naudotis greitesniu bei saugesniu interneto ryšiu. Tačiau dar prieš tai, kai galėsime mėgautis šios naujos šviesos formos privalumais, kitai mokslininkų komandai dar teks atkartoti ir patvirtinti šiuos eksperimentus, kad įsitikintų, jog tai nebuvo vienkartinis įvykis.

Mokslas dažnai būna lėtas procesas, tačiau neverta neigti, kad jaudinantis. Minėtų eksperimentų rezultatai skelbiami leidinyje „Science Advances“.