Jak zatočit se světlem  
Časopis Science zveřejnil článek s popisem zajímavého experimentu, který je hezkým příkladem toho, jak pomocí optických vlastností materiálu lze monochromatické světlo laseru zpomalit na úroveň rychlosti zvuku a i na krátkou vzdálenost několika centimetrů ho pootočit až o 5 obloukových stupňů.

Rychlost světla ve vakuu je nepřekonatelná a pro tělesa s klidovou hmotností i nedosažitelná. Ale změňme prostředí a světlo se v opticky průhledné kapalině, nebo tuhé látce, například skle částečně zpomalí. Nakolik, to určuje index lomu příslušného materiálu, který je podle definice prostým podílem rychlosti světla ve vakuu a fázové rychlosti v dané látce. Vakuum má index lomu = 1 (c/c) a vzduch jenom o 277 miliontin vyšší hodnotu a tedy světlo zpomaluje zcela nepatrně. Ve vodě se ale paprsky šíří o třetinu a v diamantu téměř dva a půl krát pomaleji než ve vakuu.


Prázdnem se moc manipulovat nedá, ale vzduch proudí, voda a jiné kapaliny tečou a pevnými tělesy můžeme hýbat. Již v roce 1818 francouzský fyzik a technik Augustin-Jean Fresnel, zanícený teoretik i experimentátor, kterého za jeho krátkého 39letého života fascinovaly vlastnosti světla, předpověděl, že pohybující se optické médium ovlivní dráhu prolétajícího paprsku a malinko ho sebou „potáhne“. Přešlo 40 let, než v roce 1859 tuto předpověď experimentálně prokázal další francouzský fyzik Hippolyte Fizeau (skica jeho experimemntálního zařízení je v závěru článku). Pomocí zahnuté skleněné trubice, v níž proudila voda prokázal, že světlo procházející ve směru toku dorazí do interferometru o nepatrný zlomek sekundy dříve, než paprsek letící sice po té samé dráze, ale proti proudu. Tento nepatrný časový rozdíl ale stačil na to, aby způsobil fázový posuv mezi oběma paprsky, jejichž sčítáním se vytvořil interferenční obraz prokazující platnost Fresnelova předpokladu pro pohyb média podél směru paprsku. Že i materiál pohybující se vzhledem k světlu napříč ho „unáší“, to se američanu R. V. Jonesovi podařilo dokázat až v roce 1927. Použil na to skleněný rotující disk.


Částečné zpomalení světla i jeho posuv ve směru pohybu způsobuje absorpce energie procházejících fotonů atomy ve vnitřní struktuře materiálu. To vyvolá vibrace elektronů, které sice nabytou energii opětovně vyzáří v podobě fotonů s těmi jistými parametry, jaké měly ty absorbované, ale než se tak stane, uběhne nepatrný okamžik. Je tím větší, čím je frekvence procházejícího světla bližší rezonanční frekvenci vibrujících elektronů. Znovu vyzářené fotony narážejí do dalších atomů, které je absorbují, proces se opakuje a způsobuje, že se světlo v daném prostředí šíří pomaleji než ve vakuu a míru zpomalení charakterizuje zmíněný index lomu. Když se materiál vůči vnějšímu pozorovateli pohybuje, kratičká časová prodleva mezi absorpcí a reemisí fotonu má za následek, že dojde i k jeho nepatrnému posunu ve směru pohybu. Světlo je tedy nepatrně unášeno.

Amplitudová obálka

 

V posledním čísle Science zveřejňuje čtyřčlenný skotsko-kanadský tým, vedený Sonjou Franke-Arnoldovou z University v Glasgově popis a výsledky experimentu, který je elegantní demonstrací stáčení světelného obrazu rotujícím tělesem. Pomocí 10 cm dlouhého válečku z rubínu, jenž je oxidem hlinitým s příměsí chromu a má z dostupných pevných materiálů opticky průsvitných i při dostatečné tloušťce relativně vysoký index lomu (n = 1,76), vědci dokázali efekt unášení světla pohybujícím se médiem zvětšit natolik, aby byl pozorovatelný i volným okem. Jenže to se dá dosáhnout jenom za podmínky, že materiálem procházející světlo zpomalí přibližně milion krát. Na to je samotný index lomu samozřejmě krátký, vlastně příliš malý. To, oč se při „pomalém světle“ jedná, je takzvaná skupinová (grupová) rychlost s níž materiálem postupuje amplitudový „overal“, tedy vlnová obálka modulované vlny. Jde o hrátky s interferencemi, která výsledný složený signál v pravidelných intervalech potlačí nebo zvýrazní a ten se pak šíří jako vlnové balíčky procházející médiem výrazně nižší rychlostí. Pro zájemce o bližší informace dva odbornější texty zde a zejména zde.

 

Na základě analýzy rozptylu různých spektrálních složek viditelného světla v rotujícím rubínu vědci pro manipulaci vybrali zelenou barvu s vlnovou délkou 532 nm. Jeho laserovému paprsku pak měnili amplitudu (intenzitu) předem stanovenou frekvencí, tak, aby v důsledku interference záření emitovaných oscilacemi atomů uvnitř materiálu se postup výsledné vlnové obálky snížil na hodnoty v řádu stovky metrů za sekundu.


Protože je unášení světla závislé od rychlosti pohybu optického prostředí jímž se šíří, v rychle se otáčejícímm válečku bude jinak strháván foton procházející v blízkosti středové rotační osy než ten, který prolétá v blízkosti okraje, kde je obvodová rychlost mnohem vyšší. O to více to platí pro zpomalenou skupinovou rychlost. Aby byl efekt stáčení světla rotujícím materiálem dobře pozorovatelný, musí být profil paprsku podélný, zasahující místa s různou obvodovou rychlostí. Skotové zkonstruovali zařízení (následující obrázek), v němž zelený paprsek z laseru procházel optickým systémem deformujícím jeho malý kruhový průřez na ovál s osami 0,9 a 2 mm. Interference v rotujícím rubínu tento tvar ještě více zúžila do podoby tenčího obdélníčku, který se při maximálních otáčkách 30 Hz (1 800 ot./min) pootočil až o 5 obloukových stupňů od původní kolmé orientace oválného profilu vstupujícího světla.
Na následujícím obrázku jsou v černém poli výsledné snímky ze CCD kamery pořízené při 30Hz rotaci doprava i doleva. Změnou otáček lze samozřejmě tento sklon ovlivnit .


 

 

Kratičké video, které je součásti doplňkových informací v časopisu Science.


Přibližme si ještě ten první pokus, kterým v roce 1859 Armand Hippolyte Louis Fizeau (1819 – 1896) prokázal podélné „unášení“ světla tekoucí vodou. Světlo ze zdroje se na polopropustném zrcadle rozdělilo na dva navzájem kolmé paprsky, které pak soustava zrcadel odkláněla do skleněné trubice tvaru písmena U, v níž proudila voda. Když si pozorněji prohlédnete následující schéma, uvidíte, že oba paprsky procházejí stejnou trasou, ale vzájemně v protisměru, přičemž jeden se prodírá proti toku vody, druhý se s ním „veze“. Interferenční obraz v detektoru pak sloužil jako důkaz, že jeden paprsek se vůči tomu druhému fázově posunul, tedy že prošel stejnou dráhu, ale za jiný čas a tedy i jinou rychlostí (mírně modifikovanou verzi zařízení uvádí Wikipedia, která nabízí i schéma Fizeau – Foucaultova přístroje pro měření rychlosti světla.

 

 

 

Zdroj: Sonja Franke-Arnold, Graham Gibson, Robert W. Boyd, Miles J. Padgett: Rotary Photon Drag Enhanced by a Slow-Light Medium, Science 2011, doplňkové informace

Datum: 18.07.2011 20:40
Tisk článku

Plejádské učení - Clow Barbara Hand
 
 
cena původní: 388 Kč
cena: 334 Kč
Plejádské učení
Clow Barbara Hand
Související články:

Nový materiál zlomil rekord v přeměně tepla na elektřinu     Autor: Stanislav Mihulka (16.11.2019)
Fyzici stvořili novou formu světla     Autor: Stanislav Mihulka (18.02.2018)
Nové zařízení vytváří kvazičástice se „zápornou hmotností“     Autor: Stanislav Mihulka (15.01.2018)
Nová metačočka ohýbá paprsky všech barev duhy     Autor: Stanislav Mihulka (02.01.2018)
"Přes pole blíž, po silnici spíš" u světla neplatí     Autor: Josef Pazdera (13.11.2017)



Diskuze:

Limitni rychlost svetla

Petr Simik,2011-07-22 15:33:08

Jak je v clanku uvedeni " pohybující se optické médium ovlivní dráhu prolétajícího paprsku a malinko ho sebou „potáhne" " znamena to ze muze byt prekrocena limitni rychlost svetla ? Teoreticky - co se stane kdyz tento pokus s tekutinami budu delat v rakete letici rychosti svetla ?

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2011-07-24 08:02:00

Když budete letět v té raketě (letící pro ní nedosažitelnou rychlostí světla) a uděláte Fizeaův pokus, zjistíte přesně to, co na povrchu Země, kde na optické zákonitosti také nepůsobí např. úhlová rychlost daná rotací planety (od cca půl km/s na rovníku po 0 km/s na pólu), ani její oběh okolo Slunce (průměr 30 km/s, ale v průběhu roku se mírně mění) nebo oběh Slun. soustavy okolo galaktic. centra (250 km/s).

Problém asi nastává když budeme řešit otázku pozorovatele na Zemi. Pro něj by i Vámi vyzářené světlo mělo dosahovat jenom rychlost c (300 tis. km/s). To že řešíme fyzikálně nekorektní situaci se projeví na otázce červeného posuvu. Jak by se to projevilo na vlnové délce, kdyby zdroj světla se pohyboval rychlostí c od pozorovatele, příp. k němu?

Odpovědět

Barak Obava,2011-07-20 14:55:51

Na skleněné tabuli mého okna se příliš mnoho elektronů neexcituje. Určitě by to šlo zařídit laserem s vhodnou vlnovou délkou, ale takový za oknem skutečně nemám. Narážím na tu větu, kde se tvrdí, že elektron vyzáří pohlcenou energii ve formě fotonu. Pak tedy muselo dojít k jeho excitaci a výsledný foton má náhodný směr (jinak by těžko šlo realizovat třeba laserové ochlazování plynů). Pokud je to celé jinak tak bych rád dostal vysvětlení toho principu pohlcení/vyzáření fotonu případně zmíněných "vibrací elektronů".

Odpovědět


Laser je koherentní

Jaromír Kopeček,2011-07-26 15:34:05

Jakkoli se vůbec necítím být povolaný komentovat cokoli kolem laserů, dovolil bych si podotknout, že laserový svazek je koherentní (tj. částice - fotony mají shodnou fázi), proto neplatí téměř nic, na co jsme zvyklí z kurzů kvantové elektrodynamiky pro začátečníky. Takže, fotony jsou zjevně absorbovány, následně vyzářeny, ale vlivem existujícího koherentního pole není emise náhodná, ale řízená polem, v tomto případě extrémně, proto to tak vybrali. Tane mi v mysli termín "bunch off effect", nevím jestli je to správně, ale princip je podobný, jako samotný princip generace laserového svazku v krystalu. Světlo se neabsorbuje ve smyslu převedení jeho energie na kmity mřízě nebo excitace jiných hlasin - krystal je tedy průhledný a proto se nám energií svazku neroztaví. Fotony způsobují krátkodobé oscilace (z hlediska kvantové elektrodynamiky ovšem extrémně dlouhé), čili zachycení fotonu a jeho následné vyzáření ve stejném směru vlivem interakce s ostatními fotony. Proč je amplituda pravděpodobnosti největší právě v původním směru vzhledem k atomu (proto se to podaří otočit) je patrně otázka výpočtu nesdělitelná příměrem.

Odpovědět

?

Barak Obava,2011-07-19 12:42:36

"To vyvolá vibrace elektronů, které sice nabytou energii opětovně vyzáří v podobě fotonů s těmi jistými parametry, jaké měly ty absorbované" - jak vypadá taková vibrace elektronu? Domnívám se, že dojde k excitaci elektronu na vyšší hladinu a následně k návratu a vyzáření fotonu. Ten rozhodně nebude mít ty samé parametry, jako foton pohlcený - k vyzáření totiž dojde náhodným směrem, takže jeho vektor hybnosti bude jiný.

Odpovědět


Dagmar Gregorova,2011-07-19 13:43:40

ale to byste za oknem viděl zcela jiný svět, než když ho otevřete...
samozřejmě, že dochází k difuzi,ale reemitovaný foton nemůže mít "náhodný směr". Jak by například vznikal spektrální rozklad na "duhu"?
Blíže například zde (i s animací):
http://www.physicsclassroom.com/Class/refrn/u14l1d.cfm

Odpovědět


Karel Š,2011-07-19 20:24:35

K excitaci elektronu na vyssi hladinu prave nedojde, kdyby k ni doslo nebyla by latka pro dane zareni pruhledna a nasledne vyzareny foton by se skutecne vyzaril "nahodnym smerem". Tady se jen elektromagneticke vlny scitaji podobnym zpusobem jako male a velke vlny na mori. I kdyz v tomto pripade ty velke vlny "stoji na miste" a meni geometrii prostoru ve kterem se ty male pohybuji tak, ze "celni vlna" (tedy to co se pohybuje rychlosti svetla) se interferenci vyrusi a to co po interferencnim skladani zustane je vlna ktera se pohybuje o neco pomaleji.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace