Original Post

Πλήρες Κείμενο:

Μπορεί το φως να τρέξει όσο ένα ποδήλατο; Όσο ένα μυρμήγκι; 😀😀😀 Στο κενό, το φως κινείται με την τεράστια ταχύτητα: c = 299.792.458 m/s Δηλαδή σχεδόν 300.000 χιλιόμετρα το δευτερόλεπτο.

Θα μπορούσε να κάνει περίπου 7,5 φορές τον γύρο της Γης μέσα σε ένα δευτερόλεπτο.

Κι όμως, το 1999, η Λένε Χάου (Lene Vestergaard Hau) και οι συνεργάτες της στο Πανεπιστήμιο Χάρβαρντ κατάφεραν να μειώσουν την ταχύτητα ενός φωτεινού παλμού στα: v = 17 m/s ≈ 61 km/h Πρόκειται για ταχύτητα συγκρίσιμη με εκείνη ενός πολύ γρήγορου αγωνιστικού ποδηλάτου.

Ο φωτεινός παλμός κινήθηκε σχεδόν 18 εκατομμύρια φορές πιο αργά από το φως στο κενό! Τι ακριβώς επιβραδύνθηκε; Το φως του πειράματος δεν ήταν μια ατελείωτη, συνεχής ακτίνα, αλλά ένας φωτεινός παλμός: ένα σύντομο «πακέτο» ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας.

Κάθε παλμός αποτελείται από πολλά κύματα με ελαφρώς διαφορετικές συχνότητες.

Τα κύματα αυτά συνδυάζονται και σχηματίζουν ένα συνολικό περίβλημα.

Η ταχύτητα με την οποία κινείται αυτό το περίβλημα ονομάζεται ταχύτητα ομάδας: v_g = dω/dk Όπου: ω είναι η γωνιακή συχνότητα του φωτός, k είναι ο κυματικός αριθμός, v_g είναι η ταχύτητα ομάδας.

Αυτή ήταν η ταχύτητα που μειώθηκε στα 17 m/s. Δεν άλλαξε η θεμελιώδης σταθερά c και δεν επιβραδύνθηκε το φως μέσα στο κενό.

Γιατί το φως κινείται πιο αργά μέσα στην ύλη; Στο κενό δεν υπάρχουν άτομα με τα οποία να αλληλεπιδρά το φως.

Μέσα σε ένα υλικό, όμως, το ηλεκτρικό πεδίο του φωτεινού κύματος αναγκάζει τα ηλεκτρόνια των ατόμων να κινηθούν.

Τα άτομα ανταποκρίνονται στο φως και δημιουργούν νέα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, τα οποία συνδυάζονται με το αρχικό.

Έτσι, το συνολικό κύμα διαδίδεται διαφορετικά από ό,τι στο κενό.

Σε ένα απλό διαφανές υλικό γράφουμε κατά προσέγγιση: v = c/n όπου n είναι ο δείκτης διάθλασης.

Στο γυαλί, για παράδειγμα, n ≈ 1,5, οπότε η χαρακτηριστική ταχύτητα διάδοσης είναι περίπου: v ≈ 300.000/1,5 = 200.000 km/s Αυτή παραμένει ασύγκριτα μεγαλύτερη από την ταχύτητα ενός ποδηλάτου.

Για να μειωθεί η ταχύτητα στα 17 m/s χρειαζόταν κάτι πολύ πιο δραστικό.

Το συμπύκνωμα Μπόζε–Αϊνστάιν Η ομάδα της Χάου χρησιμοποίησε ένα αραιό νέφος ατόμων νατρίου, το οποίο είχε ψυχθεί σε θερμοκρασία ελάχιστα μεγαλύτερη από το απόλυτο μηδέν.

Σε τόσο χαμηλή θερμοκρασία, τα άτομα χάνουν σχεδόν όλη τη συνηθισμένη θερμική κίνησή τους.

Πολλά από αυτά περνούν στην ίδια κβαντική κατάσταση και συμπεριφέρονται σαν ένα ενιαίο, συντονισμένο κβαντικό σύστημα.

Αυτή η κατάσταση της ύλης ονομάζεται συμπύκνωμα Μπόζε–Αϊνστάιν.

Δεν σημαίνει ότι τα άτομα συγχωνεύονται.

Σημαίνει ότι οι κβαντικές κυματοσυναρτήσεις τους επικαλύπτονται και τα άτομα αποκτούν συλλογική συμπεριφορά.

Πώς έγινε το ατομικό νέφος διαφανές; Κανονικά, τα άτομα νατρίου θα απορροφούσαν το φως του πειράματος.

Οι ερευνητές, όμως, χρησιμοποίησαν δύο ακτίνες λέιζερ: έναν ασθενή φωτεινό παλμό, τον οποίο ήθελαν να επιβραδύνουν, ένα ισχυρότερο «λέιζερ ελέγχου». Τα άτομα διέθεταν τρεις κατάλληλες ενεργειακές στάθμες.

Το λέιζερ ελέγχου δημιούργησε δύο εναλλακτικές κβαντικές διαδρομές με τις οποίες τα άτομα θα μπορούσαν να απορροφήσουν τον ασθενή παλμό.

Οι δύο διαδρομές συμβάλλουν καταστρεπτικά: η μία ακυρώνει την άλλη.

Έτσι, η απορρόφηση σχεδόν μηδενίζεται και το αρχικά αδιαφανές νέφος γίνεται διαφανές σε μια πολύ στενή περιοχή συχνοτήτων.

Το φαινόμενο ονομάζεται ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενη διαφάνεια — Electromagnetically Induced Transparency ή EIT.

Παράλληλα, ο δείκτης διάθλασης μεταβάλλεται πολύ απότομα με τη συχνότητα.

Αυτή η ιδιότητα ονομάζεται ισχυρός διασκεδασμός και προκαλεί την τεράστια μείωση της ταχύτητας ομάδας: v_g = c/ Ο όρος dn/dω περιγράφει πόσο γρήγορα μεταβάλλεται ο δείκτης διάθλασης όταν αλλάζει η συχνότητα.

Στο πείραμα ήταν τόσο μεγάλος, ώστε η ταχύτητα του παλμού έπεσε στα 17 m/s. Τι είναι το πολαριτόνιο; Όταν ο φωτεινός παλμός εισέρχεται στο ατομικό νέφος, δεν παραμένει απλώς «καθαρό φως». Συνδέεται κβαντικά με τα άτομα και σχηματίζει μια νέα, κοινή διέγερση φωτός και ύλης.

Αυτή ονομάζεται πολαριτόνιο.

Το πολαριτόνιο είναι ένα οιονεί σωματίδιο ή ψευδοσωματίδιο.

Δεν είναι ένα καινούργιο στοιχειώδες σωματίδιο, όπως το ηλεκτρόνιο.

Είναι ένας απλός τρόπος με τον οποίο οι φυσικοί περιγράφουν μια συλλογική κίνηση που συμπεριφέρεται σαν ενιαία οντότητα.

Μπορούμε να το φανταστούμε σαν ένα «υβρίδιο»: πολαριτόνιο = μέρος φωτεινό κύμα + μέρος ατομική διέγερση Στην περίπτωση της ηλεκτρομαγνητικά επαγόμενης διαφάνειας δημιουργείται ένα πολαριτόνιο σκοτεινής κατάστασης.

Ονομάζεται «σκοτεινό» επειδή αποφεύγει σχεδόν εντελώς την ενεργειακή κατάσταση στην οποία τα άτομα θα απορροφούσαν και θα επανεξέπεμπαν το φως.

Γι’ αυτό ο παλμός μπορεί να περάσει χωρίς να χαθεί.

Συμβολικά μπορούμε να γράψουμε: Ψ = cosθ · E − sinθ · S Όπου: Ψ είναι το πολαριτόνιο, E είναι το φωτεινό ή φωτονικό μέρος, S είναι η συλλογική ατομική διέγερση, θ καθορίζει πόσο «φως» και πόση «ύλη» περιέχει.

Η συλλογική ατομική διέγερση σημαίνει ότι πολλά άτομα βρίσκονται σε μια συγχρονισμένη κβαντική υπέρθεση δύο ενεργειακών καταστάσεων.

Σε αυτήν τη συλλογική κατάσταση μπορούν να αποθηκευτούν το πλάτος, η φάση και οι υπόλοιπες πληροφορίες του φωτεινού παλμού.

Η ταχύτητα του πολαριτονίου δίνεται, σε απλουστευμένη μορφή, από τη σχέση: v_g ≈ c · cos²θ Όταν το πολαριτόνιο είναι κυρίως φωτεινό, κινείται γρήγορα.

Όσο μεγαλύτερο γίνεται το ατομικό του μέρος, τόσο περισσότερο επιβραδύνεται.

Δεν έχουμε, λοιπόν, φωτόνια που κινούνται αργά σαν μικροσκοπικά μπαλάκια.

Έχουμε ένα υβριδικό κβαντικό κύμα φωτός και ύλης, του οποίου μόνο ένα μέρος παραμένει φωτεινό.

Μπορεί το φως να σταματήσει εντελώς; Το 2001 η ίδια ερευνητική ομάδα έκανε το επόμενο βήμα.

Αφού ο παλμός είχε εισέλθει και συμπιεστεί μέσα στο ατομικό νέφος, οι ερευνητές έκλεισαν σταδιακά το λέιζερ ελέγχου.

Τότε το φωτεινό μέρος του πολαριτονίου μηδενίστηκε και η πληροφορία του παλμού μεταφέρθηκε εξ ολοκλήρου στη συλλογική κβαντική κατάσταση των ατόμων.

Παρέμεινε αποθηκευμένη εκεί για χρονικό διάστημα έως και ενός χιλιοστού του δευτερολέπτου.

Όταν το λέιζερ ελέγχου ενεργοποιήθηκε ξανά, η διαδικασία αντιστράφηκε: ατομική διέγερση → πολαριτόνιο → φωτεινός παλμός Ο παλμός επανεμφανίστηκε και συνέχισε την πορεία του.

Επομένως, η έκφραση «σταμάτησαν το φως» χρειάζεται προσοχή.

Δεν υπήρχε ένα φωτόνιο ακίνητο μέσα στο νέφος.

Η πληροφορία του φωτός μετατράπηκε προσωρινά σε ατομική κβαντική μνήμη και αργότερα μετατράπηκε ξανά σε φως.

Παραβιάζεται η θεωρία της σχετικότητας; Όχι.

Η ταχύτητα c εξακολουθεί να είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό και το ανώτατο όριο μετάδοσης αιτιακής πληροφορίας.

Στο πείραμα ελέγχθηκε η ταχύτητα ομάδας ενός παλμού μέσα σε ένα ειδικά προετοιμασμένο υλικό μέσο.

Μόλις ο αναδημιουργημένος παλμός βγει από το νέφος και κινηθεί ξανά στο κενό, διαδίδεται με ταχύτητα c. Γιατί είναι σημαντικό το αργό φως; Η δυνατότητα μετατροπής του φωτός σε συλλογική ατομική διέγερση ανοίγει τον δρόμο για: κβαντικές μνήμες, αποθήκευση φωτονικών πληροφοριών, κβαντικά δίκτυα επικοινωνίας, συγχρονισμό φωτεινών σημάτων, οπτικούς διακόπτες και κυκλώματα, εξαιρετικά ευαίσθητους αισθητήρες, ισχυρότερες αλληλεπιδράσεις μεταξύ φωτός και ύλης.

Άρα, το φως μπορεί πράγματι να κινηθεί όσο ένα γρήγορο ποδήλατο — αλλά μόνο όταν μετατραπεί σε ένα ελεγχόμενο, υβριδικό κύμα φωτός και ύλης.

Στο κενό εξακολουθεί να είναι ο αξεπέραστος πρωταθλητής του Σύμπαντος.

Βιβλιογραφία 1. Hau, L. V. et al., “Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas”, Nature 397, 594–598 (1999). 2. Liu, C. et al., “Observation of coherent optical information storage in an atomic medium using halted light pulses”, Nature 409, 490–493 (2001). 3. Phillips, D. F. et al., “Storage of Light in Atomic Vapor”, Physical Review Letters 86, 783–786 (2001). 4. Fleischhauer, M., Imamoglu, A. & Marangos, J. P., “Electromagnetically induced transparency: Optics in coherent media”, Reviews of Modern Physics 77, 633–673 (2005).

Η επιλογή των posts/links γίνεται με ένα στατιστικό μοντέλο και μπορεί να μην απεικονίζει επακριβώς τη σειρά δημοτικότητάς τους