Ничто не может быть полностью прозрачным, доказали физики-теоретики
Идеально прозрачный материал не возможен — и это не инженерное ограничение, а закон природы, доказали физики-теоретики в статье на сервере препринтов arXiv.
В Книге рекордов Гиннесса изобретателем самого прозрачного в мире материала числится профессор Иван Смалюх. В его лаборатории в Колорадском университете в Боулдере разработаны гели для теплоизоляции окон. Они преломляют свет почти так же слабо, как воздух, поэтому получаются прозрачнее самого стекла.
Эта работа и другие подобные достижения могли бы навести на мысль о создании полностью прозрачного вещества. Однако новое исследование убедительно показывает, что любой материал, который хоть немного преломляет свет, будет его поглощать — за счет распада фотона на фотон «послабее» и фонон.
Гели Смалюха близки к абсолютной прозрачности — но их предполагается наносить тонким слоем. И то, если толщина достигнет десятков сантиметров, ни о какой прозрачности речи уже не идет — в силу пористой структуры. А если рассматривать оптоволоконный кабель, соединяющий континенты?
Физики-теоретики Альберто Николи, Федерико Пьяцца и Анджело Эспозито посвятили свою карьеру изучению странных квантовых материалах вроде сверхтекучего гелия. Охлажденный до такого состояния, гелий поразительно прозрачен, и хотя он поглощает рентгеновские лучи, ученым не удавалось измерить его влияние на видимый свет.
Сверхтекучий гелий и темная материя
Николи и Пьяцце было любопытно, что произойдет с материалом, который был бы максимально прозрачным. Он должен быть холодным, чтобы свет не терялся в дрожании уже движущихся молекул, и инертным — без химических реакций или электрических токов, которые могли бы поглощать свет как источник энергии. Они предполагали, что такой материал все равно будет поглощать некоторые фотоны за счет тонких квантовых процессов, и взялись оценить, сколько света будет потеряно.
Николи и Пьяцца рассказали об этом Эспозито, и тот понял, что уже делал похожую оценку — только не для света, а для темной материи. Он пытался понять, как обнаружить гипотетическую частицу под названием темный фотон, и осознал, что ее можно потенциально найти, если она толкнет атомное ядро в сверхтекучем гелии.
«Взаимодействуя с одним из ядер, она сообщает ему импульс», — говорит Эспозито.
Этот толчок породил бы крошечную вибрацию — своего рода квантовую звуковую волну. Поскольку это происходит снова и снова, темные фотоны теряли бы энергию. Физик понял, что то же самое должно происходить и с обычными фотонами. В конце концов фотоны потеряли бы столько энергии, что их стало бы невозможно обнаружить.
Больше самой Вселенной
Это «в конце концов» может длиться очень долго. Воображаемая идеальная сверхтекучая среда настолько прозрачна, что свет мог бы заметно потускнеть, преодолев в ней расстояние, превышающее размер Вселенной.
Хотя модель авторов описывает только сверхтекучие среды, они полагают, что другие материалы подчиняются похожим правилам. «Думаю, это универсально для всех материалов», — считает Эспозито.
«Суперинтересной» назвал эту работу физик Борна Салехиан из Швейцарской высшей технической школы Цюриха.
«В теоретической физике мы ищем фундаментальные ограничения, заданные природой. В этой статье вычислено как раз одно из них!» — пояснил он.
