Вопрос о том, может ли луч света создавать тень, звучит как своего рода парадокс дзен, но физики всё же смогли это продемонстрировать. Они использовали лазерный луч, чтобы блокировать другой лазерный луч, хотя и с некоторой помощью кристаллов. Учёные говорят, что эта работа потенциально позволит одному лазеру управлять другим, однако, если они не предпримут попытку создать с его помощью световой меч, мы хотим, чтобы нам были возвращены наши налоговые отчисления.
Если направить два лазерных луча так, чтобы их пути пересекались, они пройдут друг через друга, не нарушая своего хода. Те, кто наблюдает за объектом, освещенным одним из лучей, не узнают, включен ли другой луч, если только он не попадает в их поле зрения. Это долгое время считалось одним из фундаментальных свойств света, следствием безмассовости фотонов, но было обнаружено своего рода исключение.
«Ранее считалось невозможным, чтобы лазерный свет отбрасывал тень, поскольку свет обычно проходит через другой свет, не взаимодействуя с ним, — сказал доктор Рафаэль Абрахао (Raphael Abrahao), ранее работавший в Университете Оттавы, в заявлении. — Наша демонстрация очень нелогичного оптического эффекта заставляет нас пересмотреть наше представление о тени.»
В рамках более широкого исследования того, как световые лучи могут взаимодействовать в необычных условиях, Абрахао и его коллеги направили зеленый и синий лазеры под прямым углом друг к другу в кубе из рубинового кристалла.
Эта техника работает, потому что зеленый лазер (с длиной волны 532 нанометра) изменяет способ, которым кристалл реагирует на некоторые другие длины волн света, включая 450 нм синего лазера. В результате кристалл начинает блокировать путь синего лазера, создавая тень на ближайшем экране.
Конкретно, зеленый лазер возбуждает некоторые электроны в кристалле, переводя их в возбужденное состояние, и когда они возвращаются в исходное состояние, они поглощают синий свет, который в обычных условиях прошел бы сквозь кристалл. Это работает только потому, что сечение поглощения перехода, вызванного зеленым лазером, больше, чем у лазера в рубине, что является исключением для большинства кристаллов.
Созданная тень реальна, но можно поспорить о том, стоит ли её приписывать зеленому лазеру или рубиновому кристаллу. Статья, описывающая эту работу, относится к этому вопросу несколько философски.
Регулируя мощность зеленого лазера, авторы смогли изменить индуцированное сопротивление синему свету, максимально снизив пропускание синего лазера на 22%. Это может показаться незначительным, но они отмечают, что это похоже на тень, отбрасываемую листьями в солнечный день. Авторы утверждают, что тень трудно отличить невооруженным глазом от той, которую создает черный волос.
И хотя работа не была вдохновлена тем, как свет принимает физическую форму во вселенной «Звездных войн», идея пришла из другой сферы фантастики: программного обеспечения для 3D-визуализации. Члены команды отметили, что такое программное обеспечение иногда изображает лазерные лучи так, как если бы они были непрозрачными цилиндрами, создавая тень в проходящем через них свете.
«То, что началось как забавная дискуссия за обедом, привело к разговору о физике лазеров и нелинейно-оптическом отклике материалов, — сказал Абрахао. — Исходя из этого, мы решили провести эксперимент, чтобы продемонстрировать тень от лазерного луча.»
«Это открытие расширяет наше понимание взаимодействия света и материи и открывает новые возможности для использования света способами, которые мы раньше не рассматривали.»
«Наше понимание теней развивалось параллельно с нашим пониманием света и оптики», — отметил Абрахао.
Как отмечают авторы, «На протяжении всей истории человечества люди видели, что тени отбрасываются материальными объектами, такими как деревья, облака или Луна».
Понимание того, как образуются тени, имело решающее значение для развития перспективы в искусстве эпохи Возрождения и расчета окружности Земли Эратосфеном.
«Это новое открытие может оказаться полезным в различных областях применения, таких как оптическая коммутация, устройства, в которых свет управляет присутствием другого источника света, или технологии, требующие точного управления светопропусканием, такие как мощные лазеры», — сказал Абрахао.
Исследование доступно в открытом доступе в журнале Optica.
