Оказывается, можно. И ниже я расскажу, как. Этот пост родился из моего ответа на вопрос, заданный на сайте Quora.
Речь пойдёт о квантовом вакууме. Так он выглядит в представлении художника.
Сredit: lactamme.polytechnique.fr
Вопрос в оригинале звучит так:
Или в переводе:
Вообще говоря, и на это указано в ответах на Quora, вопрос не совсем корректно сформулирован. Свет — это не частица, а волна или (корпускулярно-волновой дуализм!) поток частиц, квантов света — фотонов. Однако эта некорректность не отменяет самого вопроса. Действительно, если свет имеет электромагнитную природу, то почему бы нельзя было воздействовать на него электромагнитными полями?
Приблизительно так обычно изображается электромагнитная волна в учебных курсах.
Почему мне захотелось ответить на этот вопрос, так это потому, что он, на самом деле, имеет двойное дно. Есть ответ очевидный и ответ, который можно дать, только обладая определёнными знаниями, выходящими за рамки школьной программы.
Но сначала договоримся, что дальше речь пойдёт только о вакууме, поскольку на распространение света в среде можно оказывать влияние электрическим или магнитным полем опосредованно через воздействие на эту среду.
Так вот, очевидный ответ: нет, нельзя. Почему нельзя, можно объяснять по-разному в зависимости от того, как представлять свет.
Если описывать свет как электромагнитную волну, то невозможность воздействовать на него электромагнитными полями следует из линейности уравнений Максвелла, которые собственно и описывают все электромагнитные явления в классической физике. Электромагнитная волна — это одно из решений этих уравнений, а внешнее поле — это другое решение. В силу свойства линейности, их сумма также является решением уравнений Максвелла, и потому они никак друг другу «не мешают» и не оказывают друг на друга никакого воздействия.
Уравнения Максвелла в ва��ууме в системе СИ
Если же описывать свет как поток частиц — фотонов — то ответ объясняется тем, что фотоны не обладают электрическим зарядом, а электромагнитные поля действуют только на заряженные частицы. Интересно, что эта ситуация уникальна для электромагнитного взаимодействия. Переносчики двух других фундаментальных взаимодействий, слабого и сильного, сами также могут принимать участие в переносимом ими взаимодействии.
Кто с кем взаимодействует в Стандартной модели.
Credit: Труш Виталий // Wikimedia Commons // CC-BY-SA 3.0
Например, согласно квантовой хромодинамике, сильное взаимодействие переносится глюонами. Они осуществляют взаимодействие между частицами, обладающими так называемым цветным зарядом — аналогом электрического заряда для сильного взаимодействия. При этом глюоны и сами обладают цветным зарядом и потому взаимодействуют и между собой, и с другими частицами с цветным зарядом.
Возвратимся, однако, к нашимбаранам фотонам.
Выше я уже отметил, что очевидный ответ — это лишь первый слой. Давайте снимем и второй. Так вот, неочевидный ответ — да, на свет можно воздействовать внешними полями.
Эта возможность связана с тем, что согласно квантовой электродинамике вакуум, его ещё называют квантовым вакуумом, не является абсолютной пустотой. Более того, она наполнен так называемыми виртуальными частицами, из��естными также как квантовые флуктуации. Их можно представлять себе как рождающиеся на короткий промежуток времени и тут же аннигилирующие пары частицы и античастицы, в первую очередь электрона и позитрона.
Картинка, поясняющая идею квантовых флуктуаций.
Credit: universe-review.ca
Если продолжить описывать квантовый вакуум в виде образов, то во внешнем электрическом (и магнитном, но остановимся только на электрическом) поле виртуальные пары начинают жить чуть дольше, поскольку электрическая сила их слегка «растаскивает». Это приводит к тому, что у вакуума появляется поляризация. А там, где есть поляризация, там есть и диэлектрическая проницаемость!
Если вы помните школьный курс оптики, то дальнейшие рассуждения для вас должны быть очевидны. Действительно, мы знаем, что изменение диэлектрической проницаемости приводит к изменению коэффициента преломления и скорости света, а это, в свою очередь, приводит к преломлению и отражению света.
Этот эффект, конечно, очень слаб, и для его наблюдения требуются совершенно фантастические по величине поля. Кроме того, наблюдать преломление света в таких полях было бы очень сложно из-за его незначительности. Несмотря на это, сейчас уже всерьёз говорят о том, чтобы лет через 10–20 наблюдать влияние поляризации вакуума на распространение света в лаборатории.
Для генерации сверхсильных полей при этом предполагается использовать лазеры сверхвысокой пиковой мощности. На данный момент построены лазеры мощностью более 1 петаватта (пета- означает множитель 1015), с их помощью было получено излучение, электрическое поле в котором достигает величины порядка 1014–1015 вольт на метр. Это всего в 1000 раз меньше так называемого швингеровского предела, при котором и становятся заметны эффекты квантовой электродинамики в вакууме.
Однако для наблюдения эффекта необязательно достигать предела, достаточно полей в десятки раз слабее. А это значит, что уже через одно-два поколения сверхмощных лазеров — при мощностях порядка 100 петаватт — в лаборатории смогут изменить направление распростране��ия света с помощью другого света, то есть с помощью электромагнитных полей. Измерять при этом, правда, будут не направление распространения, а поляризацию света. Дело в том, что вакуум в сверхсильном поле действует как двулучепреломляющая среда. Скорости волн с разной поляризацией в такой среде различны, поэтому при распространении в ней произвольно поляризованной волны, её поляризация будет изменяться и вот это изменение измерить значительно легче.
Речь пойдёт о квантовом вакууме. Так он выглядит в представлении художника.
Сredit: lactamme.polytechnique.fr
Откуда вопрос?
Вопрос в оригинале звучит так:
Light is an electromagnetic particle. Can we deviate its path by applying electric or magnetic fields to it?
Или в переводе:
Свет — это электромагнитная частица. Можем ли мы изменить его траекторию, приложив электрическое или магнитное поле?
Вообще говоря, и на это указано в ответах на Quora, вопрос не совсем корректно сформулирован. Свет — это не частица, а волна или (корпускулярно-волновой дуализм!) поток частиц, квантов света — фотонов. Однако эта некорректность не отменяет самого вопроса. Действительно, если свет имеет электромагнитную природу, то почему бы нельзя было воздействовать на него электромагнитными полями?
Приблизительно так обычно изображается электромагнитная волна в учебных курсах.
Почему мне захотелось ответить на этот вопрос, так это потому, что он, на самом деле, имеет двойное дно. Есть ответ очевидный и ответ, который можно дать, только обладая определёнными знаниями, выходящими за рамки школьной программы.
Но сначала договоримся, что дальше речь пойдёт только о вакууме, поскольку на распространение света в среде можно оказывать влияние электрическим или магнитным полем опосредованно через воздействие на эту среду.
Очевидный ответ
Так вот, очевидный ответ: нет, нельзя. Почему нельзя, можно объяснять по-разному в зависимости от того, как представлять свет.
Если описывать свет как электромагнитную волну, то невозможность воздействовать на него электромагнитными полями следует из линейности уравнений Максвелла, которые собственно и описывают все электромагнитные явления в классической физике. Электромагнитная волна — это одно из решений этих уравнений, а внешнее поле — это другое решение. В силу свойства линейности, их сумма также является решением уравнений Максвелла, и потому они никак друг другу «не мешают» и не оказывают друг на друга никакого воздействия.
Уравнения Максвелла в ва��ууме в системе СИ
Если же описывать свет как поток частиц — фотонов — то ответ объясняется тем, что фотоны не обладают электрическим зарядом, а электромагнитные поля действуют только на заряженные частицы. Интересно, что эта ситуация уникальна для электромагнитного взаимодействия. Переносчики двух других фундаментальных взаимодействий, слабого и сильного, сами также могут принимать участие в переносимом ими взаимодействии.
Кто с кем взаимодействует в Стандартной модели.
Credit: Труш Виталий // Wikimedia Commons // CC-BY-SA 3.0
Например, согласно квантовой хромодинамике, сильное взаимодействие переносится глюонами. Они осуществляют взаимодействие между частицами, обладающими так называемым цветным зарядом — аналогом электрического заряда для сильного взаимодействия. При этом глюоны и сами обладают цветным зарядом и потому взаимодействуют и между собой, и с другими частицами с цветным зарядом.
Возвратимся, однако, к нашим
Неочевидный ответ
Выше я уже отметил, что очевидный ответ — это лишь первый слой. Давайте снимем и второй. Так вот, неочевидный ответ — да, на свет можно воздействовать внешними полями.
Эта возможность связана с тем, что согласно квантовой электродинамике вакуум, его ещё называют квантовым вакуумом, не является абсолютной пустотой. Более того, она наполнен так называемыми виртуальными частицами, из��естными также как квантовые флуктуации. Их можно представлять себе как рождающиеся на короткий промежуток времени и тут же аннигилирующие пары частицы и античастицы, в первую очередь электрона и позитрона.
Картинка, поясняющая идею квантовых флуктуаций.
Credit: universe-review.ca
Если продолжить описывать квантовый вакуум в виде образов, то во внешнем электрическом (и магнитном, но остановимся только на электрическом) поле виртуальные пары начинают жить чуть дольше, поскольку электрическая сила их слегка «растаскивает». Это приводит к тому, что у вакуума появляется поляризация. А там, где есть поляризация, там есть и диэлектрическая проницаемость!
Если вы помните школьный курс оптики, то дальнейшие рассуждения для вас должны быть очевидны. Действительно, мы знаем, что изменение диэлектрической проницаемости приводит к изменению коэффициента преломления и скорости света, а это, в свою очередь, приводит к преломлению и отражению света.
Этот эффект, конечно, очень слаб, и для его наблюдения требуются совершенно фантастические по величине поля. Кроме того, наблюдать преломление света в таких полях было бы очень сложно из-за его незначительности. Несмотря на это, сейчас уже всерьёз говорят о том, чтобы лет через 10–20 наблюдать влияние поляризации вакуума на распространение света в лаборатории.
Для генерации сверхсильных полей при этом предполагается использовать лазеры сверхвысокой пиковой мощности. На данный момент построены лазеры мощностью более 1 петаватта (пета- означает множитель 1015), с их помощью было получено излучение, электрическое поле в котором достигает величины порядка 1014–1015 вольт на метр. Это всего в 1000 раз меньше так называемого швингеровского предела, при котором и становятся заметны эффекты квантовой электродинамики в вакууме.
Однако для наблюдения эффекта необязательно достигать предела, достаточно полей в десятки раз слабее. А это значит, что уже через одно-два поколения сверхмощных лазеров — при мощностях порядка 100 петаватт — в лаборатории смогут изменить направление распростране��ия света с помощью другого света, то есть с помощью электромагнитных полей. Измерять при этом, правда, будут не направление распространения, а поляризацию света. Дело в том, что вакуум в сверхсильном поле действует как двулучепреломляющая среда. Скорости волн с разной поляризацией в такой среде различны, поэтому при распространении в ней произвольно поляризованной волны, её поляризация будет изменяться и вот это изменение измерить значительно легче.
