Физики впервые зафиксировали поведение света в "мнимом времени"
Учёные впервые наблюдали, как ведёт себя свет в условиях загадочного явления, известного как "мнимое время".
Когда свет проходит через прозрачные материалы, электромагнитные поля атомов замедляют его движение, и каждый фотон тратит больше времени на преодоление среды. Это запаздывание помогает физикам изучать рассеивание света и свойства материалов. Однако до сих пор оставалось неясным, как именно работает один из теоретических методов расчёта этого процесса — использование мнимых чисел.
Эксперимент, проведённый физиками из Университета Мэриленда Изабеллой Джованнелли и Стивеном Анлажем, показал, как импульсы микроволнового излучения (одной из форм света за пределами видимого спектра) ведут себя в условиях "мнимого времени" внутри замкнутой системы кабелей. Их работа также доказала, что мнимые числа могут описывать вполне реальные и измеримые процессы.
Мнимые числа — удобный математический инструмент для решения уравнений, описывающих физические явления. Несмотря на свою абстрактность, они помогают рассчитывать задержки распространения световых импульсов в материи. Однако до сих пор экспериментально не изучалось, какие именно процессы отвечают за их роль в этих расчётах.
Хотя отдельные фотоны всегда движутся с постоянной скоростью, взаимодействие с электромагнитными полями может замедлять или ускорять распространение волновых импульсов. В результате сам импульс может двигаться быстрее, чем составляющие его фотоны. Положительные и отрицательные, действительные и мнимые значения помогают описать эти сложные условия.
В эксперименте использовались коаксиальные кабели, соединённые в кольцо, через которые пропускались микроволновые импульсы. С помощью высокоточных осциллографов учёные фиксировали малейшие изменения частоты. Меняя параметры импульсов и анализируя результаты, исследователи смогли выявить, как волновые паттерны связаны с действительными и мнимыми компонентами уравнений.
"Это как скрытая степень свободы, которую раньше игнорировали, — объяснил Анлаж. — Наша работа придала ей физический смысл".
Оказалось, что мнимые числа описывают не абстрактное явление, а крошечный сдвиг частоты несущей волны при прохождении через материал, вызванный поглощением импульса. Теперь этот параметр, ранее считавшийся чисто математическим, можно связать с реальными процессами, позволяющими световым импульсам "обгонять" собственные фотоны.
Исследование принято к публикации в журнале .