Математиката на светлината: физиците направиха подробен портрет на неуловимия фотон

Физици от университета в Бирмингам разработиха компютърен модел, който им дава възможност да изследват в детайли взаимодействието между светлината и материята. На пръв поглед проблемът изглежда неразрешим, но екипът е намерил начин да го опрости. В резултат на това те са успели да направят това, което преди се смяташе за невъзможно – да създадат изображение, показващо формата на един фотон.

Историята на изучаването на природата на светлината датира от хиляди години. Дълго време учените не можеха да стигнат до консенсус, докато експериментите не доказаха, че светлината притежава свойствата както на вълни, така и на частици. Фотоните – кванти на електромагнитното излъчване – са индивидуални порции енергия и това откритие промени в много отношения хода на по-нататъшните изследвания.

Особено място в квантовата механика заема процесът на взаимодействие на единичните фотони с материята. Редица съвременни технологии, които използваме всеки ден, работят благодарение на това явление. Въпреки това досега описването му оставаше трудна задача – защото светлината може да взаимодейства с околната среда по безкраен брой начини, когато се разпространява в пространството.

Изследователите са превърнали безкрайния брой варианти в ограничен набор от възможности. Създаденият модел описва не само взаимодействието на излъчвателя с фотона, но и разпространението на фотона в така нареченото „далечно поле“ – област от пространството, намираща се на значително разстояние от източника на излъчване. В него характерът на разпространение на вълните става по-подреден и предвидим в сравнение с близкото поле. Светлинните вълни придобиват форма, близка до плоската, което дава възможност за по-точно изучаване на техните свойства.

Оказа се, че средата, в която се разпространява светлината, до голяма степен определя поведението на фотоните – тяхната форма, цвят и вероятност за съществуване. С други думи, формата на фотона не е статична – тя се променя динамично при взаимодействието му с материята. Професор Анджела Деметриаду обяснява: разбирането на тези закономерности открива пътя за контрол на светлината на квантово ниво.

Д-р Бенджамин Юън добавя: „Тази научна работа ни помага да разширим разбирането си за обмена на енергия между светлината и материята и второ, да разберем по-добре как светлината се излъчва в близката и далечната околна среда. По-рано голяма част от тази информация се считаше просто за шум, но сега в нея има толкова много информация, че можем да я осмислим и използваме.“

Резултатите от работата на британските физици ще намерят приложение в различни области – от фундаменталната наука до създаването на нови материали. Познаването на начина, по който светлината и материята си взаимодействат, ще помогне за подобряване на телекомуникационните системи, медицинското оборудване и дори за контрол на химичните реакции на молекулярно ниво. Също така ще можем да произвеждаме по-ефективни слънчеви батерии и да напреднем в разработването на квантовите компютри.