Математика света: физики нарисовали детальный портрет неуловимого фотона

Физики из Бирмингемского университета разработали компьютерную модель , позволяющую подробно исследовать взаимодействие света и материи. На первый взгляд задача казалась неразрешимой, однако команда нашла способ её упростить. В результате удалось сделать то, что раньше считалось невозможным - создать изображение, показывающее форму одиночного фотона.

История изучения природы света насчитывает тысячи лет. Долгое время учёные не могли прийти к единому мнению, пока эксперименты не доказали: свет обладает свойствами как волны, так и частицы. Фотоны - кванты электромагнитного излучения - представляют собой отдельные порции энергии, и это открытие во много поменяло курс дальнейших исследований.

В квантовой механике особое место занимает процесс взаимодействия одиночных фотонов с веществом. Многие современные технологии, которыми мы пользуемся каждый день, работают именно благодаря этому явлению. Однако до сих пор его описание оставалось сложнейшей задачей - ведь при распространении в пространстве свет может взаимодействовать с окружающей средой бесконечным числом способов.

Исследователи преобразовали бесконечное множество вариантов в ограниченный набор возможностей. Созданная модель описывает не только взаимодействие излучателя с фотоном, но и распространение фотона в так называемое "дальнее поле" - область пространства, находящаяся на значительном расстоянии от источника излучения. В ней характер распространения волн становится более упорядоченным и предсказуемым по сравнению с ближней зоной. Световые волны приобретают форму, близкую к плоской, что позволяет точнее изучать их свойства.

Оказывается, среда, в которой распространяется свет, во многом определяет поведение фотонов - их форму, цвет и вероятность существования. Другими словами, форма фотона не является статичной - она динамически изменяется при взаимодействии с материей. Профессор Анджела Деметриаду поясняет : понимание этих закономерностей открывает путь к управлению светом на квантовом уровне.

Результаты работы британских физиков найдут применение в самых разных областях - от фундаментальной науки до создания новых материалов. Знания о том, как именно взаимодействуют свет и материя, помогут усовершенствовать телекоммуникационные системы, медицинское оборудование и даже управлять химическими реакциями на уровне молекул. А еще мы сможем производить более эффективные солнечные батареи и продвинуться в разработке квантовых компьютеров.