Можно Ли Влиять На Свет С Помощью Электрического Поля?

Оказывается, это возможно.

И ниже я расскажу вам как.

Этот пост родился из моего ответа на вопрос — спросили на Quora.

Можно ли влиять на свет с помощью электрического поля?

Мы поговорим о квантовом вакууме.

Вот как это выглядит в воображении художника.

Кредит: Lactamme.polytechnique.fr



Откуда взялся вопрос?

Исходный вопрос звучит так:
Свет – это электромагнитная частица.

Можем ли мы отклонить его путь, приложив к нему электрические или магнитные поля?

Или перевел:
Свет – это электромагнитная частица.

Можем ли мы изменить его траекторию, приложив электрическое или магнитное поле?

Вообще говоря, и это указано в ответах на Quora, вопрос сформулирован не совсем корректно.

Свет – это не частица, а волна или (частично-волновой дуализм!) поток частиц, квантов света – фотонов.

Однако эта некорректность не отменяет самого вопроса.

Действительно, если свет имеет электромагнитную природу, то почему на него не могут влиять электромагнитные поля?

Можно ли влиять на свет с помощью электрического поля?

Примерно так обычно изображают электромагнитную волну в учебных курсах.

Я хотел ответить на этот вопрос потому, что на самом деле у него есть двойное дно.

Есть очевидный ответ и ответ, который можно дать только при наличии определенных знаний, выходящих за рамки школьной программы.

Но сначала условимся, что дальше мы будем говорить только о вакууме, так как на распространение света в среде может влиять электрическое или магнитное поле косвенно, через воздействие на эту среду.



Очевидный ответ

Итак, очевидный ответ: нет, не можете.

Почему бы и нет, можно объяснить по-разному, в зависимости от того, как представлен свет. Если описать свет как электромагнитную волну, то невозможность воздействия на него электромагнитными полями вытекает из линейности уравнений Максвелла, которые фактически описывают все электромагнитные явления в классической физике.

Электромагнитная волна является одним из решений этих уравнений, а внешнее поле — другим решением.

Благодаря свойству линейности их сумма также является решением уравнений Максвелла, а потому они не «мешают» друг другу и не оказывают друг на друга никакого влияния.



Можно ли влиять на свет с помощью электрического поля?

Уравнения Максвелла в вакууме в системе СИ Если мы описываем свет как поток частиц — фотонов, — то ответ объясняется тем, что фотоны не имеют электрического заряда, а электромагнитные поля действуют только на заряженные частицы.

Интересно, что эта ситуация уникальна для электромагнитного взаимодействия.

Носители двух других фундаментальных взаимодействий, слабого и сильного, также могут сами принимать участие в переносимом ими взаимодействии.



Можно ли влиять на свет с помощью электрического поля?

Кто с кем взаимодействует в Стандартной модели.

Фото: Труш Виталий // Викисклад // CC-BY-SA 3.0 Например, согласно квантовой хромодинамике, сильное взаимодействие переносится глюонами.

Они осуществляют взаимодействия между частицами, имеющими так называемый цветовой заряд — аналог электрического заряда сильного взаимодействия.

Более того, сами глюоны обладают цветным зарядом и поэтому взаимодействуют друг с другом и с другими частицами с цветным зарядом.

Однако вернемся к нашим фотонам-овцам.



Не очевидный ответ

Выше я уже отметил, что очевидный ответ – только первый слой.

Давайте снимем и второго.

Итак, неочевидный ответ: да, на свет могут влиять внешние поля.

Такая возможность обусловлена тем, что согласно квантовой электродинамике вакуум, также называемый квантовым вакуумом, не является абсолютной пустотой.

Более того, он наполнен так называемыми виртуальными частицами, также известными как квантовые флуктуации.

Их можно представить как пары частиц и античастиц, прежде всего электрона и позитрона, которые рождаются на короткий промежуток времени и тут же аннигилируют.

Можно ли влиять на свет с помощью электрического поля?

Картина, объясняющая идею квантовых флуктуаций.

Кредит: вселенная-review.ca Если продолжать описывать квантовый вакуум в виде изображений, то во внешнем электрическом (и магнитном, но остановимся только на электрическом) поле виртуальные пары начинают жить немного дольше, так как электрическая сила слегка «притягивает их» отдельно.

" Это приводит к поляризации вакуума.

А где есть поляризация, там 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 показателя преломления и скорости света, а это, в свою очередь, приводит к преломлению и отражению света.

Этот эффект, конечно, очень слабый, и для его наблюдения нужны совершенно фантастические поля.

Кроме того, наблюдать преломление света в таких полях было бы весьма затруднительно ввиду его незначительности.

Несмотря на это, сейчас всерьез говорят о наблюдении влияния поляризации вакуума на распространение света в лаборатории через 10–20 лет. Для генерации сверхсильных полей предлагается использовать лазеры со сверхвысокой пиковой мощностью.

В настоящее время построено лазеры мощностью более 1 петаватта (пета означает множитель 10 15 ), с их помощью было получено излучение, электрическое поле в котором достигает значения порядка 10 14 –10 15 вольт на метр.

Это всего в 1000 раз меньше так называемого предела Швингера, при котором становятся заметными эффекты квантовой электродинамики в вакууме.

Однако, чтобы наблюдать эффект, не обязательно достигать предела; достаточно поля в десять раз слабее.

Это значит, что всего через одно-два поколения сверхмощных лазеров - мощностью порядка 100 петаватт - лаборатория сможет менять направление распространения света с помощью другого света, то есть с помощью электромагнитные поля.

Однако в этом случае они будут измерять не направление распространения, а поляризацию света.

Дело в том, что вакуум в сверхсильном поле действует как двулучепреломляющая среда .

Скорости волн с различной поляризацией в такой среде различны, поэтому при распространении в ней произвольно поляризованной волны его поляризация изменится и это изменение гораздо легче измерить.

Теги: #Популярная наука #физика #квантовая физика #свет #электромагнитное излучение #квантовая электродинамика #петаваттные лазеры

Вместе с данным постом часто просматривают: