Можно ли воздействовать на свет электрическим полем?

    Оказывается, можно. И ниже я расскажу, как. Этот пост родился из моего ответа на вопрос, заданный на сайте Quora.

    квантовый вакуум

    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?

    электромагнитная волна

    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
    Уравнения Максвелла в вакууме 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.

    image
    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 баранам фотонам.

    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, известными 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.

    квантовый вакуум
    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 распространения 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.
    Поделиться публикацией
    AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

    Подробнее
    Реклама

    Комментарии 42

      +4
      Артём, как всегда с удовольствием прочитал твою статью. Спасибо.
        0
        А ещё можно сделать световод типа такого.
          +2
          Это в газе. В средах много чего можно. А вот в вакууме это неочевидно.
            0
            Во втором ответе вакуум рассматривается как материальная среда, которая в частности, может подвергаться поляризации (т.е. на очень короткое, но не нулевое время, из «ничего» появляется «реальное» вещество из частиц и античастиц). Т.о. воздействие на фотоны в таких условиях такое же опосредованное, что и в «обычных» средах.
              +1
              Это наглядное описание этого вакуума выглядит как «среда». Но на самом деле, никаких реальных частиц не рождается ни на какое время, взаимодействие происходит непосредственно между фотонами, просто это взаимодействие описывается через виртуальных электрон-позитронных пар.
                0
                Т.к. в квантовой физике не силен, для понимания сути поляризации вакуума пользовался википедией, в которой утверждается как раз противоположное:
                Петля может существовать очень короткое время, в пределах квантовой неопределённости \delta t \approx \hbar/\delta E, чтобы не нарушать закон сохранения энергии. Но если на вакуум воздействует внешнее поле, то за счёт его энергии возможно рождение реальных частиц. Взаимодействие частиц с вакуумом приводит к изменению массы и заряда частиц.[1]

                Отсюда и мое замечание.
                  0
                  Это тоже наглядное, но неточное описание. В частности, самом существование неопределённости \delta t \approx \hbar/\delta E следует воспринимать с существенными оговорками, вплоть до того, что в некоторых книгах само её существование отрицается.

                  Хотя, конечно, в определённом смысле вы правы. Квантовый вакуум, действительно, в некотором смысле может быть назван «средой». Некоторые физики даже говорили о возвращении в его лице понятия эфира. Конечно, не в том механистическом смысле, как это обсуждалось в XIX веке, но всё же.
                    0
                    К слову об эфире. Слышал из уст одного человека (сотрудника крупного академического института, который на редкость спокойно относился к лженауке) такую фразу:

                    Сейчас никто не говорит «эфир», сейчас надо говорить «физический вакуум».
                      0
                      В общем, да. И я о том же, на самом деле. Физический и квантовый вакуум — суть одно и то же.
                        0
                        Немножко не то, неясно выразился. Мне довольно мутные товарищи пытались втирать про «квантовая механика еще чуть-чуть и рухнет», «эфир возвращается», «новейшие генераторы» (там в конце жир) и все такое. И они очень любили говорить «физический вакуум» — мол, если ты скажешь «эфир» тебе денег не дадут, а так вроде серьезно.

                        Поэтому когда я слышу «физический вакуум», то сначала присматриваюсь. Все-таки в нормальной науке так тоже говорят.
          0
          Кстати над похожей вещью в ИОФАНе года 4 назад работали. Правда, там делали волновод для СВЧ, причем не несколькими пучками, а одним бубликообразным (круг с отверстием посередине). И идея была не в нагреве воздуха, а в ионизации.
          +1
          Отличная статья, спасибо!
          Правда, остался вопрос про виртуальные частицы. Если в среде есть поле, пространство перестает быть изотропным (появляется выделенная ось). Возможно, из-за этого вероятность рождения пар с дипольным моментом вдоль этой оси и против оси (т.е. «сначала электрон, потом позитрон» и наоборот) станет разной, что может изменить порядок величины эффекта.
            0
            Если я вас правильно понял, то как раз про это сказано в конце. В сверхсильном поле будет наблюдаться двулучепреломление вакуума, которое как раз и является следствием анизотропии. И да, оно наблюдается в полях на порядок меньших, чем то, при котором начинается рождение реальных пар.
              0
              Каюсь, все верно у вас. Это я про поляризацию не сразу понял. Пар с диполем, направленным по полю будет рождаться больше, чем против поля (тупо из-за энергии). Ну и после этого их растаскивает поле — получается наведенная поляризация.

              Двулучепреломление разумеется будет (есть одна выделенная ось).
            0
            … с их помощью было получено излучение, электрическое поле в котором достигает величины порядка 1014–1015 вольт на метр

            А в «космической лаборатории» такие поля существуют? Или гравитационные эффекты во много раз сильнее, чтобы наблюдать воздействие магнитных/электрических полей?
              0
              Такие электрические поля, видимо, не встречаются нигде во Вселенной. Так же, как и подобные интенсивности излучения. А вот магнитные поля должны существовать. Во всяком случае, для магнетаров величина магнитного поля оценивается в 1012 тесла, в то время как швингеровский лимит составляет около 4,4х1013 тесла. Другое дело, что это поле, по всей видимости, не в вакууме, а в довольно плотной среде.
              0
              Если описывать свет как электромагнитную волну, то невозможность воздействовать на него электромагнитными полями следует из линейности уравнений Максвелла… 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.

              — можно и придраться к этим утверждениям. Вот, например, интерференция двух волн — это их взаимное «воздействие» (т.е. изменение). Наличие интерференционных полос будем интерпретировать как «помехи», вызываемые одной волной при распространении другой, поскольку в отсутствие другой волны «помех» не возникает
                0
                Это придирка на уровне определений. Что считать «воздействием». В тексте под этим понимается изменение направления распространения, а не перераспределение интенсивности.
                  0
                  Перераспределение интенсивности — это следствие изменения направления распространения. Без интерференции энергия волны попадает в одну точку, после интерференции — в другую, что это, если не изменение направления?
                    0
                    Вы что-то путаете. При интерференции меняется распределение интенсивности в пространстве, но ни частота, ни волновой вектор волны изменений не претерпевают. Если два световых потока перекрываются в некоторой области, то в ней наблюдается интерференция и происходит перераспределение энергии, но из этой области оба потока выходят абсолютно такими же, как если бы ни второго потока, ни интерференции не было.

                    Интерференция не может привести к тому, чтобы энергия попала в точку, в которую она не попадала без неё (два нуля в сумме не могут дать не нуль). Хотя и приводит к тому, что в некоторых точках, где раньше энергия была ненулевой, она становится нулевой.
                      0
                      Ничего я не путаю. Направление распространения волны, как известно, определяется вектором Пойнтинга, иначе говоря, куда идет энергия, туда и волна. Поэтому, в области интерференции волна меняет направление.
                        +1
                        Это опять же спор об определениях. Вектор Пойнтинга может быть не равен нулю даже там, где никаких волн нет. В отрицательных средах волна вообще бежит (в смысле направления фазовой скорости) противоположно вектору Пойнтинга. Так что я не очень согласен считать его направление направлением распространения волны.
                          0
                          Я в свою очередь не стал бы считать направлением распространения волны фазовую скорость, которая не относится к движению каких-либо физических объектов и, вообще говоря, может быть любой величины
                            0
                            Ну что ж, на этом и сойдёмся.
                0
                Кажется, можно предложить еще вариант с искривлением света в гравитационном поле. Локализованный в пространстве (и не локализованный по импульсу) поток фотонов с большей энергией—и потому с большой массой—будет искривлять пространство-время вокруг себя и будет искривлять трактории фотонов, пролетающих рядом. Хотя кто знает, что происходит на таких масштабах плотности и массы фотонов, которые значительно искривляют пространство-время.
                  0
                  А если еще немного подумать, то получается, что любой фотон—поскольку обладает массой и энергией—искривляет пространство-время и потому влияет на фотоны, пролетающие рядом. А те, в свою очередь, на него, хоть и очень слабо. Так что это—возможно—в каком-то смысле правило, а не исключение.
                    0
                    Скорее всего вы имеете в виду релятивистскую массу, т.е. эффективное «утяжеление» высокоэнергетичных объектов. Насколько я помню, этот подход был нужен только для объяснения динамики релятивистских объектов (- Почему не ускоряемся? — Так ведь масса растет, герр капитан!) и не связан явно с гравитацией. Сейчас про релятивистскую массу вообще не говорят и рассматривают только массу покоя.

                    С другой стороны, мне кажется что фотон как переносчик ЭМ взаимодействия вообще не должен влиять на гравитацию (flerant может меня поправить).

                    Так что будьте поосторожнее, говоря «масса фотона». Лучше говорите «импульс».
                      0
                      Согласно теории Эйнштейна, гравитационное поле создаёт тензор энергии-импульса. Всё, что обладает энергией и импульсом участвует в гравитационном взаимодействии. И фотоны тоже.
                        0
                        Похоже на правду. Но про массу фотона все равно лучше не говорить.
                    0
                    Это намного порядков более слабый эффект. Скорее всего, в чистом виде он вообще ненаблюдаем.
                    0
                    Скорость, (распространение) света зависит, от диэлектрической и магнитной проницаемостей среды. Меняя эти величины меняется и характер распространения света.
                      0
                      Всё правильно. В статье рассказывается о том, что сильное поле может менять диэлектрическую проницаемость вакуума.
                      –2
                      Видится, можно проще. Свет — явление распространения возмущений в вакууме («волны давления» от фотона — полная аналогия с движением подводной лодки в толще воды). Электрическое и магнитные поля способны менять состояние вакуума, т.к. по своей природе составляют его часть. Больше в локальном объеме напряженность магнитного и/или электрического поля — меньше других компонентов вакуума. Соответственно, при изменении их напряженности средняя (условно) плотность вакуума, по которой свет распространяется, меняется, что сказывается на характере его распространения.
                        0
                        Никак не могу примирить у себя в голове скорость света в таких вот задачах и в ОТО. Согласно ОТО в любой системе отсчета фотон движется со скоростью света. С другой стороны, ЧД называются ЧД, потому что гравитационное поле не дает фотонам вылететь за её пределы. Но как ЧД может не давать фотонам вылететь, если нельзя замедлить фотон, который всегда движется со скоростью с? Если гравитационную линзу еще можно понять, мы меняем направление световой волны, но не влияем на скорость, то вот такие вот вопросы остаются для меня без ответа…
                          0
                          Тут как раз все просто. Чтобы «вылететь», т.е. перестать быть спутником ЧД, свету нужно развить вторую космическую скорость. Для массы ЧД, по определению, эта скорость превышает скорость света в вакууме. Т.о., все фотоны навсегда становятся «спутниками» ЧД, с орбитами, расположенными не выше, ее горизонта событий.
                            0
                            По форумам претензий нет. Вопрос, что физически происходит? Если 2 космическая у ЧД будет 1.1c, то мы же не сможем увидеть фотон, который затягивается в ЧД на скорости 0.1с, ведь в любой СО фотон будете лететь со скоростью света в направлении движения. Тогда как это будет выглядеть «изнутри»?
                              0
                              Физически, пространство падает в дыру со скоростью большей, чем скорость света. Это как плыть против течения, когда скорость потока выше вашей.
                                0
                                Ну примерно так я и представлял. Спасибо.
                          0
                          Можно, используя нелинейную среду, например ниобат лития.
                            0
                            Повторюсь, что в посте говорится исключительно о вакууме. В среде это проблем не составляет.
                            0
                            Мне тут вспомнилась история, но не помню источник.
                            А. Эйнштейн пришёл к П. Л. Капице, известному умением индуцировать самые мощные на тот момент магнитные поля, и спросил: «Влияет ли магнитное поле на распространение света?»
                            Пётр Леонидович ответил, что, насколько они могут судить, — не влияет никак.
                            Уходя, Эйнштейн сказал, что должно влиять. Мол, работайте дальше.

                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                            Самое читаемое