Zick-Zack-Physik: Schlupfloch macht Lichtteilchen Act betrunken

Als allgemeine Faustregel kann umgeschrieben werden müssen: Licht durch den leeren Raum frei bewegen nicht unbedingt mit der Lichtgeschwindigkeit reisen.

Als Physiker kennen gelernt haben, sollten Lichtteilchen Reisen durch den leeren Raum entlang bei genau 186.282 Meilen pro Sekunde (299.792 Kilometer pro Sekunde) Reißverschluss. Diese Geschwindigkeit ist was in der Regel als "Lichtgeschwindigkeit" bezeichnet wird.

Leuchten Sie natürlich Reisen mehr langsam, wenn es ein Medium wie Wasser oder Glas oder künstliche Strukturen, so genannte Wellenleiter durchläuft. Aber sobald das Licht durch die andere Seite des Mediums beendet wird, sollte es sofort wieder auf seine maximale Clip Rampe. Aber jetzt, neue Forschung schlägt vor, es gibt eine Ausnahme von dieser Regel: Licht reist nicht mit Höchstgeschwindigkeit in einem leeren Raum, wenn zuerst die "Struktur" des Lichts geändert wird. [Verdreht Physik: 7 mind-blowing Ergebnisse]

Etwas so einfaches wie eine Lupe kann die Struktur der Leuchte, so die Autoren der neuen Studie ändern. Das Objektiv das diffuse Licht sammelt und vereint in einem einzigen, hellen Punkt. In ihren Experimenten konnten die Forscher in der Lage, dies zu isolieren Effekt verlangsamt, indem man das Licht durch speziell entwickelte "Masken", die auf bestimmte Arten von Linsen ähnlich sind.

Die Forscher betonen, dass, obwohl die Ergebnisse seltsam erscheinen auf den ersten, sie nicht die Gesetzen der Physik trotzen.

"Es macht durchaus Sinn – es ist völlig im Einklang mit unser Verständnis der wie Licht funktioniert und wie Wellen funktionieren und wie Quantenmechanik funktioniert," sagte Daniel Giovannini, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität von Glasgow in Schottland und Co-Autorin des Fachartikels.

Während Hinweise auf dieses Phänomen bisher gemeldet wurden, sagten die Forscher, dass ihre Arbeit ist der erste, der es direkt zu demonstrieren und bieten eine umfassende Erklärung für, warum es passiert.

"Es ist wie eine Bar setzen," sagte Giovannini. "Sie sagen,"Ich wette du, dass ich Licht im freien Raum verlangsamen kann." Und alles wird sein wie, "Nein, du nicht tun." Und wenn Sie es wirklich tun, jeder ist wie, "Oh, das war klar." "

Einen krummen Weg

Für Photonen oder Lichtteilchen, immer aus einem Glas Wasser gleicht dem Versuch, eine überfüllte Party zu verlassen: das Photon hält andere "Partygänger" (die Wasser-Moleküle), hindern die kleinen Lichtstrahl einen geraden Weg zur Tür stoßen. Das Photon bewegt sich schnell zwischen den einzelnen Wassermolekül, aber ein Zick-Zack-Weg zwischen zwei Punkten ist langsamer als bei einem geraden letztlich das Photon verzögert wird.

Während einer Reise durch das Medium, die Photonen bewegen sich immer auf ihre maximale Geschwindigkeit (die Geschwindigkeit des Lichts), aber sind durch die geänderten Pfad verlangsamt. Also, sobald das Photon in offenen Raum entweicht und nimmt wieder auf einen geraden Weg, sollte es auch wieder auf seine Höchstgeschwindigkeit springen. Aber laut der neuen Studie, Veränderung der Struktur des Lichtes kann effektiv halten das Photon eine Zick-Zack-Weg unterwegs und es verlangsamen. [9 größten ungelösten Rätsel der Physik]

Eine spezielle Art von Linse kann schaffen, was als Bessel Strahl, bekannt ist die ein Lichtstrahl in einem Bullauge Muster geformt ist. Wissenschaftler, die Experimente mit diesen Bessel-Balken – sowie so genannte "glockenförmig" Strahl, das ist ein Punkt des Lichtes, das dichteste in der Mitte und allmählich lichtet-Out zum Rand hin ist — haben festgestellt, dass das Licht langsamer schien als es im freien Raum sollte zu bewegen.

Linsen können Einfluss auf Lichtstrahlen auf unterschiedliche Weise, um diese zusätzliche Effekte zu entfernen, verwendeten die Forscher spezialisiert "Masken" – im Grunde eine sehr dünne Folie bestehend aus Kristallstrukturen — gestalten, die den Weg der einzelnen Photonen.

Ein Photon ist eine Einheit des Lichtes, die in kleinere Stücke gebrochen werden kann. Jedoch sagten eine Lichtwelle technisch mehrere Komponenten hat, die Forscher. Es ist ähnlich wie eine geographische Lage eine breite, eine Länge und sogar eine Höhe haben kann: die drei verschiedenen Nummern alle beschreiben eine Einzellage. In ähnlicher Weise kann ein einzelnes Photon durch mehrere Wave-Komponenten beschrieben werden.

Wenn die Maske die Woge des Lichts durchläuft, sind seine Komponenten auf verschiedenen Pfaden gesendet; einige Reisen geradeaus, während andere langsamer, gesendet werden, auf abgewinkelt Pfade, die sie zu verlangsamen. Die Geschwindigkeit des Photons ist die Durchschnittsgeschwindigkeit aller Komponenten der Welle, so dass das gesamte Photon durch die umgeleiteten Komponenten gebremst wird.

Strukturen, so genannte Wellenleiter können diese gleichen Verlangsamungseffekt, aber normalerweise, das Licht muss sein auf der Durchreise der Wellenleiter gebremst werden.

"Wenn Sie Licht auf einen Wellenleiter senden, wird von den Wänden reflektiert und Reisen im Zickzack," sagte Giovannini Live Science. "Was wir hier tun ist mehr oder weniger die gleiche Struktur, außer im freien Raum und nicht in einem Hohlleiter erstellen. Wir entfernen die Wände, und wir lassen Licht im freien Raum zu verbreiten, nachdem wir es aufgebaut habe."

Racing Photonen

Die Forscher richten Sie ein Experiment, das ein Photon ausgespielt, die durch die Maske gegen ein anderes Photon geschickt worden war, die nicht hatten. Die Forscher fuhr dann die Photonen, um zu sehen, wer zuerst die Ziellinie überquert. Die Photonen, die durch die Maske übergeben kam mit eine messbare Verzögerung.

"Die Verzögerung wir, der strukturierten Strahl eingeführt haben ist klein, gemessen am einige Mikrometer [ein Millionstel eines Meters] über eine Vermehrung Distanz von 1 Meter, aber es ist bezeichnend," Giovannini sagte in einer Erklärung. Die Forscher sagten, diese Verzögerung in beiden Gruppen von Photonen und einzelne Photonen gesehen werden kann.

Zuvor fanden Forscher Herumspielen mit einigen speziellen Arten von Linsen, dass Licht verlassen diese Objektive erschienen, ein wenig langsamer als die Lichtgeschwindigkeit zu reisen. Jedoch, dies zum ersten Mal ist dieser Effekt wurde isoliert und direkt studiert, sagten die Forscher. Der Forscher Erklärung mit der "Zick-Zack" Weg und die Struktur der Leuchte ist die erste vollständige theoretische Erklärung für dieses Phänomen.

"Was wir getan haben ein wirklich klares Experiment, die jede Zweideutigkeit entfernt war", sagte Jacquiline Romero, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der University of Glasgow und Co-Lead-Autor der Studie. "Während manche Menschen werden sagen"Oh, das ist klar,"wird vielleicht einige Leute auch sagen"Oh, das ist sehr cool!""

Die Ergebnisse müssen nicht sofort Anwendungen, die Forscher sagten, aber die Ergebnisse möglicherweise wichtig für Präzisionsmessungen mit Licht.

"Es ist nur ein wirklich netter Effekt, dem im Grunde niemand viel Aufmerksamkeit, bevor Sie bezahlt hatte," sagte Giovannini.

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