Ar galima sustabdyti šviesą? Ką apie tai sako mokslas

Kartais užtenka vakare įjungti telefono žibintuvėlį, kad šviesos spindulys atrodytų beveik apčiuopiamas. Jis akimirksniu nušviečia sieną, atsimuša į stiklą, dingsta už kampo. Atrodo, kad šviesa neturi laiko sustoti – ji arba sklinda, arba jos tiesiog nėra. Tačiau fizikai laboratorijose yra privertę šviesos impulsus judėti taip lėtai, kad jų elgesys mažai beprimena įprastą spindulį.

Vakuume šviesos sustabdyti negalima

Šviesa vakuume sklinda maždaug 300 tūkstančių kilometrų per sekundę greičiu. Tai nėra vien praktinis matavimo rezultatas – šis greitis, žymimas raide c, yra viena svarbiausių šiuolaikinės fizikos konstantų. Pagal Alberto Einsteino reliatyvumo teoriją, jokiam objektui, turinčiam masę, neįmanoma pasiekti šio greičio. Elektromagnetinėms bangoms vakuume c yra natūralus sklidimo greitis.

Todėl laisvai erdvėje keliaujančio šviesos fotono tiesiog „pastatyti“ vietoje negalima. Jei bandytume jį sulėtinti vakuume, tai reikštų pakeisti pačią jo būseną – fotonas nustotų būti toks, kokį jį aprašo elektromagnetizmo teorija.

Vis dėlto kasdien matuojamas šviesos greitis ne visada yra toks pats. Šviesa lėtėja medžiagoje: stikle, vandenyje, kristaluose ar dujose. Pavyzdžiui, stikle ji sklinda maždaug 200 tūkstančių kilometrų per sekundę greičiu. Tai nereiškia, kad kiekvienas fotonas paprasčiausiai važiuoja lėčiau kaip automobilis spūstyje. Šviesos sąveika su medžiagos atomais pakeičia bendrą impulso sklidimą.

Lėtėjimas priklauso nuo medžiagos

Kai šviesa patenka į skaidrią medžiagą, jos elektrinis laukas paveikia atomuose esančius elektronus. Šie pradeda virpėti ir išspinduliuoja naują elektromagnetinę bangą. Dėl šių sąveikų šviesos impulsas per medžiagą sklinda lėčiau nei vakuume.

Fizikai čia dažnai kalba apie grupinį greitį. Jis apibūdina ne vienos bangos viršūnės, o šviesos impulso – tam tikro signalo ar informacijos paketo – judėjimą. Ypatingomis sąlygomis grupinį greitį galima sumažinti labai stipriai.

Vienas garsiausių bandymų buvo atliktas su itin šaltu natrio atomų debesiu. Naudodami vadinamąjį elektromagnetiškai sukeltą skaidrumą, mokslininkai šviesos impulsą sulėtino iki kelių dešimčių metrų per sekundę. Tai panašu į dviračio greitį, nors įprastai šviesa per tą patį laiką galėtų apkeliauti Žemę kelis kartus.

Svarbu suprasti, kad tokio eksperimento metu šviesa nėra tiesiog sustabdoma kaip kamuolys ore. Specialiai parinktas lazerio laukas pakeičia atomų kvantinę būseną ir leidžia šviesos informaciją trumpam perkelti į medžiagą. Kai sąlygos atkuriamos, ši informacija vėl išspinduliuojama kaip šviesos impulsas.

Ką iš tiesų reiškia „sustabdyta“ šviesa

2001 metais Harvardo universiteto tyrėjų grupė pademonstravo, kad šviesos impulsą galima beveik visiškai sustabdyti ultratankiame, itin šaltame rubidžio atomų debesyje. Lazerio impulsas pirmiausia įvedamas į terpę, o tada valdančiojo lazerio pagalba jo sklidimas nutraukiamas.

Tuo metu pati šviesa nebesklinda kaip savarankiška banga. Jos informacija įrašoma į atomų kvantinę būseną – į savotišką kolektyvinį atomų sužadinimą. Mokslininkai šią būseną gali išlaikyti tam tikrą laiką, o vėliau panaudoti kitą lazerio impulsą ir vėl sukurti pradinę šviesos bangą.

Kitaip tariant, laboratorijoje „sustabdyta šviesa“ labiau primena šviesos informacijos pavertimą medžiagos būsena. Tai nėra fotono užšaldymas vienoje vietoje. Fotonas, kaip atskira dalelė, tuo metu nekeliauja į priekį, tačiau jo savybės ir informacija išsaugomos atomų sistemoje.

Kai kuriais eksperimentais šviesa buvo sustabdyta ne tik atominiuose debesyse, bet ir kietosiose medžiagose, pavyzdžiui, kristaluose. Juose šviesos signalas paverčiamas ilgiau išliekančiu kvantiniu sužadinimu. Tokie bandymai ypač svarbūs kuriant kvantinės komunikacijos sistemas, kuriose informacija turi būti saugoma ir perduodama neprarandant jos kvantinių savybių.

Kodėl tai svarbu technologijoms

Šviesos kontrolė nėra vien įspūdingas laboratorinis triukas. Ji gali tapti viena iš kvantinių technologijų atramų. Kvantiniuose kompiuteriuose ir ryšio sistemose fotonai yra patogūs informacijos nešėjai, tačiau juos sunku ilgai išlaikyti vienoje vietoje. Tam reikalinga kvantinė atmintis – įrenginys, galintis priimti fotoninį signalą, jį išsaugoti ir vėliau išspinduliuoti.

Lėtos arba „sustabdytos“ šviesos metodai taip pat padeda kurti jautresnius jutiklius, tikslesnius laikrodžius ir naujas optinio ryšio sistemas. Valdydami šviesos ir medžiagos sąveiką, mokslininkai gali geriau tirti atomų sandarą, kvantinius reiškinius ir informacijos perdavimo ribas.

Vis dėlto kasdienėje aplinkoje šviesos sustabdyti taip, kad ją būtų galima laikyti delne, nepavyks. Veidrodžiai gali nukreipti spindulį, optinės ertmės – kurį laiką jį sulaikyti, o medžiagos – smarkiai sulėtinti jo sklidimą. Tačiau kiekvienu atveju šviesa arba toliau juda, arba jos informacija perkeliama į kitą fizinę sistemą.

Šviesa išlieka viena greičiausių gamtos reiškinių, tačiau mokslas parodė, kad jos likimą galima valdyti kur kas lanksčiau, nei leidžia kasdienė patirtis. Sustabdyti ją vakuume neįmanoma, bet trumpam sustabdyti jos kelionę, išsaugoti informaciją ir vėl paleisti – jau nebe mokslinė fantastika, o modernios fizikos eksperimentas.