Физики из Бирмингемского университета (Великобритания) совершили впечатляющий прорыв в области квантовой физики – с помощью компьютерного моделирования им удалось определить точную форму одиночного фотона. Это достижение может значительно улучшить наше понимание того, как свет взаимодействует с материей.
От волны к частице
Природа света долгое время оставалась одной из главных загадок физики. В конце XVII века сформировались два противоположных взгляда: Ньютон считал свет потоком частиц, а Гюйгенс настаивал на его волновой природе. В XIX веке после работ Юнга и Максвелла волновая теория казалась окончательно доказанной. Однако в начале XX века выяснилось нечто поразительное: свет проявляет свойства и волны, и частиц одновременно. Этот феномен назвали корпускулярно-волновым дуализмом, и позже выяснилось, что такими же свойствами обладает вся материя во Вселенной.
Почему это важно?
Взаимодействие между отдельными фотонами и материей лежит в основе множества современных технологий, от экранов смартфонов до солнечных батарей. Однако изучать эти взаимодействия крайне сложно – распространяясь в пространстве, свет имеет бесконечное количество возможных путей.
Как решили проблему?
Британские исследователи нашли способ упростить задачу. Вместо анализа бесконечного числа вариантов они создали ограниченный набор возможностей. Это позволило им смоделировать как взаимодействие фотона с излучателем, так и его распространение в пространстве.
«Наши расчеты позволили превратить практически неразрешимую задачу в нечто вычислимое, — рассказывает ведущий автор исследования доктор Бенджамин Юэн. — И, практически как побочный результат модели, мы смогли получить это изображение фотона – то, чего раньше в физике никто не видел».
Практическое применение
Профессор Анджела Деметриаду, соавтор исследования, поясняет:
«Геометрия и оптические свойства среды оказывают глубокое влияние на то, как излучаются фотоны, определяя их форму, цвет и даже вероятность существования».
Это теоретическое исследование может найти применение в различных областях:
- Создание более эффективных солнечных батарей;
- Разработка высокоточных оптических датчиков для измерительных приборов;
- Развитие квантовых компьютеров, где взаимодействие света с материей играет ключевую роль;
- Улучшение оптоволоконных систем связи для более быстрой и надежной передачи данных;
- Точный контроль химических реакций на молекулярном уровне с помощью света.
«Многое из того, что раньше считалось просто «шумом», на самом деле содержит важную информацию, которую теперь мы можем понять и использовать», – добавляет доктор Юэн.
Это открытие не только расширяет наши фундаментальные знания о природе света, но и закладывает основу для создания новых технологий. Созданная учеными математическая модель позволяет предсказывать поведение света на квантовом уровне, что раньше считалось практически невозможным. С ее помощью можно будет улучшить существующие технологии и создать новые — от более эффективных солнечных батарей до сверхбыстрых оптических компьютеров.
Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Physical Review Letters.
