Квантовые исследователи показали, как материалы неизбежно поглощают свет, пишет Мэтью фон Хиппель.
В Книге рекордов Гиннесса Иван Смалюх указан как изобретатель самого прозрачного из известных материалов. Его лаборатория в Университете Колорадо в Боулдере разработала гели, которые можно использовать для теплоизоляции окон, тщательно настраивая их до тех пор, пока они не начнут преломлять свет почти так же мало, как воздух, что сделает их прозрачнее самого стекла.
Его работа и другие недавние достижения могут наводить на мысль, что исследователи находятся на пути к созданию полностью прозрачного вещества. Однако эта мечта недавно оказалась ложной, когда группа физиков-теоретиков обнаружила , что ни один материал, преломляющий свет, не может быть полностью прозрачным из-за квантового процесса, превращающего световые волны в звуковые. Исследователи утверждают, что даже самые умные инженеры никогда не смогут создать материал, который не терял бы часть проходящего через него света. Но потери могут быть очень и очень малыми.
Гели Смалюха уже довольно близки к идеалу. Но они предназначены для тонкого нанесения: слой толщиной в фут (около 30 см) будет пропускать очень мало света.
Если вы хотите увидеть дальше, вам лучше посмотреть сквозь оптоволоконный кабель , подобный тем, что используются для соединения интернета через океан. Оптоволокно передает свет по изогнутым траекториям на протяжении многих километров, прежде чем потребуется усилить сигналы для следующего участка кабеля.
Чтобы добиться еще лучших результатов, можно обратиться к более странному веществу. Охладите гелий до температуры всего в несколько градусов выше абсолютного нуля, и он превратится в своего рода жидкость, известную как сверхтекучая жидкость. В сверхтекучей жидкости квантовая механика координирует движение различных атомов, позволяя жидкости течь без всякого трения. Жидкий гелий, в частности, удивительно прозрачен, и хотя он поглощает рентгеновские лучи, ученым пока не удалось измерить его влияние на видимый свет.
Теоретические физики Альберто Николис, Федерико Пьяцца и Анджело Эспозито посвятили свою карьеру изучению странных квантовых материалов, таких как сверхтекучий гелий. Николиса и Пьяццу интересовало, что произойдет с материалом, который был бы максимально прозрачным. Он должен был быть холодным, чтобы свет не терялся в колебаниях уже движущихся молекул, и инертным, без химических реакций или электрических токов, которые могли бы поглощать свет в качестве источника энергии. Они предполагали, что такой материал все же будет поглощать некоторые частицы света, называемые фотонами, посредством тонких квантовых процессов, и поставили перед собой задачу оценить, сколько света будет потеряно.
Николис и Пьяцца рассказали об этом Эспозито, который понял, что сделал аналогичную оценку — не для света, а для темной материи. Он пытался выяснить, как обнаружить гипотетическую частицу, называемую темным фотоном, и понял, что ее потенциально можно обнаружить, если она подтолкнет атомное ядро в сверхтекучем гелии.
«Взаимодействуя с одним из ядер, он придает ему импульс», — говорит Эспозито.
Этот импульс должен был вызвать крошечную вибрацию, своего рода квантово-механическую звуковую волну. По мере того, как это повторялось снова и снова, темные фотоны теряли энергию. Эспозито понял, что то же самое должно происходить и с обычными фотонами. В конце концов, фотоны потеряют столько энергии, что станут необнаружимыми.
Это «в конечном итоге» может занять много времени. Идеальная сверхтекучая жидкость, которую представили физики, настолько прозрачна, что свет может пройти через диаметр Земли, прежде чем станет заметно слабее. Но в конечном итоге свет все равно затухнет. И хотя модель исследователей описывает только сверхтекучие жидкости, они ожидают, что другие материалы будут подчиняться аналогичным правилам.
«Я думаю, это универсально для всех материалов», — говорит Эспозито. Группа опубликовала свои выводы в виде препринта на сайте arXiv.org 8 октября.
«Эта работа мне кажется невероятно интересной», — говорит Борна Салехиан, физик из Швейцарского федерального института технологий в Цюрихе, не принимавший участия в проекте. «В теоретической физике мы ищем фундаментальные ограничения, установленные природой. Эта статья как раз и дает одно из них!»