Удивительная теория случайно раскрывает точную форму фотона

Расчеты, предназначенные для определения взаимодействия между светом и материалом, который его производит, могут непреднамеренно описать контур фотона, раскрывая его форму в беспрецедентных деталях.

Новая модель, разработанная британскими физиками, дает полное квантовое описание точки взаимодействия света и материи, сохранение картины того, как это взаимодействие продолжает влиять на частицу, когда она перемещается через клубок полей.

«Наши расчеты позволили нам превратить, казалось бы, неразрешимую задачу в нечто, что можно вычислить», — говорит физик-теоретик Бен Юэн из Бирмингемского университета.

«И почти как побочный продукт модели мы смогли создать это изображение фотона, чего раньше не видели по физике.»

Со свойствами как волны, струящейся по неосязаемому океану, так и масштабирования безмассового объекта вдоль предела сама скорость, двойственная природа фотона бросает вызов нашему воображению.

Его существование — загадка, которую можно разгадать представлено со сверхъестественной точностью с помощью математики вероятности, но не имеет удобной аналогии, которую мы могли бы использовать, чтобы представить, как это могло бы выглядеть в нашем мире форм, размеров и цветов.

Тем не менее, некоторые качества света можно перевести во что-то знакомое. Внутри его квантового кодирования, известного как волновая функция, лежат правила, определяющие границы влияния фотона на окружающую среду.

То, что мы воспринимаем как бледное свечение неоновой уличной вывески или солнечные лучи в летний день, — это обмен между атомами на языке электромагнетизма. Когда электроны перемещаются по своим орбитам, они излучают соответствующие единицы энергии, известные как фотоны.

Усовершенствования в нашей технологическая способность ограничивать и направлять этот электромагнитный диалог выявила невероятные сложности прохождения света через материальную Вселенную.

Это путешествие не может больше не следует понимать как односторонний проход энергии от точки излучения к месту назначения; скорее, его квантовая природа сохраняет своего рода память, которая продолжает обратную связь по своему пути в том, что физики назвали немарковской динамикой.

«Геометрия и оптические свойства окружающей среды имеют глубокие последствия для того, как испускаются фотоны, включая определение формы фотона, цвета и даже вероятности его существования», — говорит физик-теоретик из Бирмингемского университета. Анжела Деметриаду.

Чтобы лучше понять эти квантовые правила немарковского путешествия фотона сквозь время и материю, Юэнь и Деметриаду разработали уникальную модель, описывающую тип света в открытой среде, с которым он будет взаимодействовать сразу после его излучения атомами в наночастице кремния.

Их теория не только, казалось, фиксирует распространение света от его начальной точки с с беспрецедентной точностью, он нашел определение в «шуме» взаимодействий, который точно описывал градиенты интенсивности поля, окружающего кванты света.

Поскольку наше стремление к меньшим, более быстрым, более точным и более чувствительным технологиям возрастает, наша потребность точно предсказывать квантовые следы, которые фотоны оставляют за собой, будет становиться все более важной.

«Понимая это, мы заложили основу для возможности проектировать взаимодействия света и материи для будущих приложений, таких как более совершенные датчики, улучшенные фотоэлектрические энергетические элементы или квантовые вычислений», — говорит Юэнь.

Это исследование было опубликовано в Physical Review Letters.