Zickzack-Physik: Schlupfloch macht Lichtpartikel betrunken

Eine universelle Faustregel muss möglicherweise neu geschrieben werden: Licht, das sich frei durch den leeren Raum bewegt, muss nicht notwendigerweise mit Lichtgeschwindigkeit reisen.

Wie die Physiker erfahren haben, sollten Lichtteilchen, die sich durch den leeren Raum bewegen, genau 186.282 Meilen pro Sekunde (299.792 Kilometer pro Sekunde) zurücklegen. Diese Geschwindigkeit wird üblicherweise als "Lichtgeschwindigkeit" bezeichnet.

Licht bewegt sich auf natürliche Weise langsamer, wenn es durch ein Medium wie Wasser oder Glas oder künstliche Strukturen, die als Wellenleiter bezeichnet werden, fließt. Aber sobald das Licht durch die andere Seite des Mediums austritt, sollte es sofort wieder auf seinen maximalen Clip aufsteigen. Aber jetzt, neue Forschung schlägt vor, dass es eine Ausnahme von dieser Regel gibt: Licht wird nicht mit Höchstgeschwindigkeit im leeren Raum reisen, wenn die "Struktur" des Lichts zuerst geändert wird.

Etwas so einfaches wie ein Vergrößerungsglas kann die Struktur des Lichts verändern, so die Autoren der neuen Studie. Die Linse sammelt das diffuse Licht und bringt es zu einem einzigen, hellen Punkt zusammen. In ihren Experimenten konnten die Forscher diesen Verlangsamungseffekt isolieren, indem sie das Licht durch speziell entworfene "Masken" aussendeten, die bestimmten Arten von Linsen ähnlich sind.

Die Forscher betonen, dass, obwohl die Ergebnisse auf den ersten Blick seltsam erscheinen, sie den Gesetzen der Physik nicht widersprechen.

"Es ist absolut sinnvoll - es entspricht perfekt unserem Verständnis davon, wie Licht funktioniert und wie Wellen funktionieren und wie die Quantenmechanik funktioniert", sagte Daniel Giovannini, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der Universität von Glasgow in Schottland und Co-Autor der neuen Arbeit .

Während früher Hinweise auf dieses Phänomen berichtet wurden, sagten die Forscher, ihre Arbeit sei die erste, die es direkt demonstriere und eine vollständige Erklärung dafür gebe, warum es passiert.

"Es ist wie eine Barwette", sagte Giovannini. "Du sagst: 'Ich wette, dass ich das Licht im freien Raum bremsen kann.' Und alle anderen werden sagen: "Nein, das kannst du nicht tun." Und wenn du es tust, ist jeder wie "Oh, das war offensichtlich."

Ein krummer Weg

Für Photonen oder Lichtteilchen ist das Aussteigen aus einem Glas Wasser wie der Versuch, eine beengte Party zu verlassen: Das Photon stößt immer wieder auf andere "Partygänger" (die Wassermoleküle) und verhindert, dass der kleine Lichtstrahl geradewegs zu ihm gelangt die Tür. Das Photon bewegt sich schnell zwischen jedem Wassermolekül, aber ein Zickzackweg zwischen zwei Punkten ist langsamer als ein gerader, so dass das Photon letztlich verzögert ist.

Während sie sich durch das Medium bewegen, bewegen sich die Photonen immer mit ihrer maximalen Geschwindigkeit (der Lichtgeschwindigkeit), werden aber durch den veränderten Weg verlangsamt. Sobald das Photon in den offenen Raum entweicht und einen geraden Pfad wieder aufnimmt, sollte es ebenfalls auf seine maximale Geschwindigkeit zurückspringen. Aber laut der neuen Studie kann eine Änderung der Struktur des Lichts das Photon effektiv auf einem Zickzack-Pfad halten und es verlangsamen.

Ein spezieller Linsentyp kann einen so genannten Bessel-Strahl erzeugen, bei dem es sich um einen Lichtstrahl handelt, der zu einem Bullaugenmuster geformt ist. Wissenschaftler experimentieren mit diesen Bessel-Strahlen - und auch mit einem so genannten Gauß-Strahl, einem Lichtpunkt, der in der Mitte am dichtesten ist und allmählich zu den Rändern hin dünner wird -, dass das Licht sich langsamer zu bewegen scheint sollte im freien Raum sein.

Linsen können die Lichtstrahlen auf unterschiedliche Weise beeinflussen. Um diese zusätzlichen Effekte zu beseitigen, verwendeten die Forscher spezielle "Masken" - im Grunde genommen ein sehr dünner Film aus Kristallstrukturen -, die den Weg einzelner Photonen formen können.

Ein Photon ist eine Lichteinheit, die nicht in kleinere Teile zerlegt werden kann. Allerdings hat eine Lichtwelle technisch mehrere Komponenten, so die Forscher. Es ist ähnlich wie ein geographischer Ort eine Breite, eine Länge und sogar eine Höhe haben kann: Die drei verschiedenen Zahlen beschreiben alle einen einzigen Ort. In ähnlicher Weise kann ein einzelnes Photon durch mehrere Wellenkomponenten beschrieben werden.

Wenn die Lichtwelle durch die Maske hindurchgeht, werden ihre Komponenten auf unterschiedlichen Wegen gesendet; einige reisen geradeaus, während andere auf langsameren, gewinkelten Pfaden geschickt werden, die sie verlangsamen. Die Geschwindigkeit des Photons ist die Durchschnittsgeschwindigkeit aller Wellenkomponenten, so dass das gesamte Photon durch diese abgelenkten Komponenten verlangsamt wird.

Strukturen, die Wellenleiter genannt werden, können diesen gleichen Verlangsamungseffekt erzeugen, aber normalerweise muss das Licht den Wellenleiter passieren, um verlangsamt zu werden.

"Wenn Sie Licht in einen Wellenleiter schicken, wird es von den Wänden springen und im Zickzack wandern", sagte Giovannini gegenüber Live Science. "Was wir hier machen, erzeugt mehr oder weniger die gleiche Struktur, außer im freien Raum und nicht in einem Wellenleiter. Wir entfernen die Wände und lassen Licht einfach im freien Raum propagieren, nachdem wir es strukturiert haben."

Rennende Photonen

Die Forscher bauten ein Experiment auf, bei dem ein Photon, das durch die Maske geschickt wurde, gegen ein anderes Photon, das nicht durchgelassen wurde, in die Luft eindrang. Die Forscher takten dann die Photonen, um zu sehen, welche die Ziellinie zuerst überquerte. Die Photonen, die die Maske passierten, kamen mit einer messbaren Verzögerung an.

"Die Verzögerung, die wir in den strukturierten Strahl eingeführt haben, ist klein, gemessen bei einigen Mikrometern über eine Ausbreitungsdistanz von 1 Meter, aber es ist signifikant", sagte Giovannini in einer Erklärung. Die Forscher sagten, dass diese Verzögerung in beiden Gruppen von Photonen und einzelnen Photonen zu sehen ist.

Zuvor fanden Forscher, die mit einigen speziellen Arten von Linsen herumspielten, heraus, dass das Licht, das aus diesen Linsen austrat, sich etwas langsamer als die Lichtgeschwindigkeit bewegte. Dies ist jedoch das erste Mal, dass dieser Effekt isoliert und direkt untersucht wurde, so die Forscher.Die Erklärung des Forschers über den "Zick-Zack" -Pfad und die Struktur des Lichts ist die erste vollständige theoretische Erklärung für dieses Phänomen.

"Was wir getan haben, war ein wirklich klares Experiment, das jede Zweideutigkeit beseitigt", sagte Jacquiline Romero, eine Forschungsassistentin an der Universität von Glasgow und Mitautorin der Studie. "Während einige Leute sagen, Oh, das ist offensichtlich, 'vielleicht werden manche Leute auch' Oh, das ist sehr cool! '"

Die Ergebnisse haben keine unmittelbaren Anwendungen, sagten die Forscher, aber die Ergebnisse könnten bei Präzisionsmessungen mit Licht wichtig sein.

"Es ist nur ein wirklich netter Effekt, dem im Grunde niemand zuvor viel Beachtung geschenkt hat", sagte Giovannini.

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