 Manipulowanie prędkością światła
Od dawnych czasów natura światła budziła zainteresowanie filozofów, a później fizyków. W starożytności sądzono, że sygnał świetlny rozchodzi się natychmiast, tzn. z nieskończoną prędkością, Pierwszym uczonym, który próbował wyznaczyć prędkość światła w warunkach ziemskich był Galileusz.
W starożytności sądzono, że sygnał świetlny rozchodzi się natychmiast, tzn. z nieskończoną prędkością, co było zgodne z poglądem Arystotelesa, że światło istnieje w ośrodku, a obecność ciała świecącego powoduje „aktualizację” światła. Tylko nieliczni uczeni wyrażali przypuszczenie, że prędkość światła jest skończona, chociaż jest bardzo duża.
Pierwszym uczonym, który próbował wyznaczyć prędkość światła w warunkach ziemskich, zakładając, że jest ona skończona, był Galileusz. Metoda, którą zastosował, polegała na wysłaniu i odebraniu sygnału świetlnego pomiędzy dwoma wzgórzami znajdującymi się w odległości 35 km i dała wynik negatywny. Światło rozchodzi się zbyt szybko, żeby można było zaobserwować różnicę w czasie nadania i odbioru sygnału przy tak małej odległości. W XVII wieku zasygnalizowano możliwość pomiaru prędkości światła na podstawie obserwacji astronomicznych, np. zaćmień Księżyca (Kartezjusz, Huygens).
Pierwszej udanej próby pomiaru prędkości światła na podstawie astronomicznych obserwacji dokonano w drugiej połowie XVII wieku. Duński astronom Olaf Römer zauważył, że w zaćmieniach księżyca Jowisza Io występują nieregularności, które można wyjaśnić, przyjmując, że światło rozchodzi się ze skończoną prędkością [Römer, 1976]. Römer zinterpretował ten obserwowany fakt, że zaćmienia odbywają się z taką samą regularnością, natomiast obserwowana różnica wynika z tego, że światło potrzebuje czasu, żeby dotrzeć do Ziemi. Istotne jest tu założenie, że prędkość światła jest skończona i wiara w powszechność praw ruchu ciał niebieskich.
Na podstawie opóźnienia zaćmienia (16 min 42 s) można oszacować prędkość światła. Römer nie podał w swoich pracach wartości prędkości światła, jednak znając promień orbity Ziemi, który wynosi 1 AU1, można ją obliczyć. Otrzymujemy oszacowanie około 300 tys. km/s. (…)
Szybciej niż światło
Zgodnie ze szczególną teorią względności i zasadą przyczynowości zjawisk w przyrodzie prędkość żadnego obiektu materialnego nie może przekroczyć prędkości światła w próżni. Istnieją przesłanki teoretyczne, które dopuszczają możliwość zaobserwowania rozchodzenia się impulsów fal elektromagnetycznych szybciej niż c. Wykorzystuje się tu tak zwaną anomalną dyspersję w pobliżu linii absorpcyjnych do wzmocnienia impulsu świetlnego. Autorzy doświadczenia – L.J. Wang, A. Kuzmich, A. Dogariu – przeprowadzonego w laboratorium NEC w Princeton (USA) w 2000 roku i opisanego w czasopiśmie „Nature” [Wang, Kuzmich, Dogariu, 2000] wykorzystali właśnie takie wzmocnienie impulsu świetlnego za pomocą liniowej, anomalnej dyspersji w atomach gazu cezowego.
Prędkość grupowa impulsu laserowego po przejściu przez komorę z parami cezu przewyższała c, podczas gdy kształt impulsu był zachowany. Oznacza to, że impuls świetlny pojawił się na wyjściu komórki wcześniej, niż byłby rozprzestrzeniany, gdyby poruszał się w próżni (…)
Spowolnienie prędkości światła
Wiadomo, że światło w próżni porusza się ze stałą prędkością niezależnie od długości fali i od ruchu obserwatora. Jest to największa prędkość, z jaką może poruszać się obiekt materialny i z jaką może być przekazywana informacja. To jest wniosek ze szczególnej teorii względności i dotychczas nie spotkano przypadku, żeby jakieś ciało lub sygnał poruszały się z większą prędkością.
Światło może poruszać się z prędkością mniejszą niż c, jeżeli przechodzi przez ośrodek materialny. Na przykład w wodzie światło porusza się z prędkością około 0,75 c. Prędkość światła w ośrodku zależy od charakteru ośrodka, a konkretnie od współczynnika załamania materiałów przezroczystych. Na ogół jednak niewiele można w ten sposób spowolnić światło. Diament, który ma jeden z największych współczynników załamania (n = 2,47), może spowolnić światło 2,4 razy, a jest to i tak prędkość ponad 100 tys. km/s. Ponadto prędkość światła przechodzącego przez ośrodek przezroczysty zależy od długości fali. Fale dłuższe rozchodzą się w ośrodku szybciej niż fale krótsze, co oznacza np., że światło czerwone rozchodzi się szybciej niż światło niebieskie.
Jednak aby spowolnić światło wielokrotnie, a nawet wiele milionów razy, potrzeba dokonać specjalnych zabiegów, w których wykorzystuje się kwantowe własności zjawiska. Doświadczenia takie są przeprowadzane w różnych laboratoriach. Pierwsze z nich, które doprowadziło do bardzo znacznego spowolnienia światła, a nawet zatrzymania światła, przeprowadził w 1998 roku w Rowland Institute for Science w Cambridge w stanie Massachusetts (USA) zespół uczonych pod kierownictwem pochodzącej z Danii Lene Vestergaard Hau [Hau i in., 1999]. Przewiduje się, że spowolnienie i zatrzymanie światła może znaleźć ciekawe zastosowanie w telekomunikacji i informatyce – do udoskonalenia metod przechowywania danych oraz przy budowie komputerów kwantowych.
Do spowolnienia światła zespół Hau wykorzystał atomy sodu. Zostały one oziębione do temperatury bliskiej zera bezwzględnego (ok. 10–6 K) i utworzyły chmurę o długości 0,2 mm i średnicy 0,05 mm, uwięzioną w polu magnetycznym. Wybrano sód, ponieważ należy on do rodziny metali alkalicznych, mających na zewnętrznej powłoce tylko jeden elektron walencyjny. Ten elektron może przemieszczać się na orbity o energii większej niż energia stanu podstawowego. Mamy wtedy do czynienia ze stanami wzbudzonymi. Stan atomu określa, w jaki sposób atom oddziałuje ze światłem, np. decyduje o tym, dla jakiej częstości światła występuje silne jego pochłanianie (…)
GRUPA MEDIA INFORMACYJNE & ADAM NAWARA |
