Tak wygląda foton. Ten kształt widzimy pierwszy raz w historii naszej cywilizacji

Światło to jedno z największych cudów natury, łączące w sobie dwie, pozornie sprzeczne, formy istnienia. Z jednej strony jest falą elektromagnetyczną – płynącym morzem energii, które porusza się w przestrzeni niczym niewidzialne fale na wodzie.

To dzięki temu możemy obserwować zjawiska takie jak tęcza, migoczące refleksy na powierzchni jeziora czy światło rozszczepione przez pryzmat. Fale elektromagnetyczne mają różne długości, od mikroskopijnych promieni gamma, przez światło widzialne, po długie, leniwe fale radiowe. To ich długość decyduje o tym, czy widzimy je jako czerwień, błękit, czy ultrafiolet – niewidzialny dla ludzkiego oka.

Jednak światło to także cząstka – foton, maleńki "pakiet energii", który zachowuje się jak nieuchwytny posłaniec, przenoszący energię z jednego punktu do drugiego. Z kwantowego punktu widzenia światło jest strumieniem fotonów. Fotony mogą zderzać się z atomami, odbijać się, być pochłaniane i oddziaływać z materią, co pozwala na istnienie zjawisk takich jak fotosynteza czy aparaty cyfrowe.

Foton, choć jest cząstką światła, wymyka się naszym intuicyjnym wyobrażeniom o materii. Nie posiada masy spoczynkowej. To właśnie brak masy pozwala fotonowi poruszać się z prędkością światła – 299 792 458 m/s, najszybciej, jak tylko pozwala natura. Światło płaci za to wysoką cenę. Może poruszać się tylko z prędkością światła.

Naukowcy od dawna próbują zrozumieć, jak te dwa oblicza harmonijnie współistnieją, odkrywając coraz głębsze tajemnice wszechświata, który oświetlają. I oto kolejna bariera padła na naszych oczach, a kolejne niemożliwe stało się możliwe.

Badania przeprowadzone na Uniwersytecie w Birmingham, których wyniki opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters, zgłębiają naturę fotonów z niespotykaną dotąd szczegółowością.

O zadziwiającej fizyce przeczytasz na Spider's Web:

Nowa teoria wyjaśniająca, w jaki sposób światło i materia oddziałują na poziomie kwantowym, pozwoliła naukowcom określić dokładny kształt pojedynczego fotonu. 

Natura tych oddziaływań prowadzi do nieskończonych możliwości istnienia i rozprzestrzeniania się światła lub podróżowania przez otaczające je środowisko. Te nieograniczone możliwości sprawiają, że są one wyjątkowo trudne do modelowania i jest to wyzwanie, nad którym fizycy kwantowi pracują od kilku dekad.  

Naukowcy z Birmingham pogrupowali te możliwości w odrębne zestawy, dzięki czemu zespołowi udało się stworzyć model opisujący oddziaływania między fotonem a materią oraz sposób, w jaki światło promieniuje do swojego bliskiego i dalekiego otoczenia.

Jednocześnie udało im się wykorzystać obliczenia do stworzenia wizualizacji samego fotonu. 

Praca ta jest ważna, ponieważ otwiera nowe ścieżki badań dla fizyków kwantowych i nauki o materiałach.

Dzięki możliwości precyzyjnego zdefiniowania interakcji fotonu z materią i innymi elementami otoczenia naukowcy mogą projektować nowe technologie nanofotoniczne (procesory, które przesyłają informacje za pomocą sygnałów świetlnych), które mogłyby zmienić sposób, w jaki się komunikujemy, wykrywamy patogeny lub kontrolujemy reakcje chemiczne na poziomie molekularnym.  

To odkrycie otwiera zupełnie nowe możliwości w dziedzinie optyki kwantowej. Dzięki dokładnemu poznaniu kształtu fotonów naukowcy będą mogli projektować bardziej zaawansowane urządzenia optyczne, takie jak lasery czy czujniki. Określenie kształtu fotonu otwiera nowe możliwości w dziedzinie technologii kwantowej, takich jak ultrabezpieczne komunikacje kwantowe czy rozwój komputerów kwantowych.

Ponadto odkrycie rzuca nowe światło na nasze rozumienie podstawowych praw fizyki.

Odkrycie naukowców z Birmingham to kolejny dowód na to, że świat kwantowy jest pełen niespodzianek. Dzięki temu przełomowemu badaniu zyskaliśmy głębsze zrozumienie natury światła. To odkrycie otwiera nowe drzwi dla przyszłych badań i technologii, które mogą zrewolucjonizować nasz świat.