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科学家发现光线减速新方法:改变光子形状
2015-01-29 新浪科技

  据国外媒体报道,科学家们早已知道,当光穿过水或玻璃之类的材料时,速度会稍微有所减慢。但人们普遍认为,光子在穿过自由空间时,速度是不可能降低的,因为不会有任何物质对它造成阻碍。然而在一项最新的研究中,科学家们首次在自由空间中减缓了光子前进的速度,说明光速远比我们想象的还要复杂。

  该研究结果被发表在1月23日的《科学快讯》(Science Express)上。

  来自格拉斯哥大学(the University of Glasgow)以及赫瑞瓦特大学(Heriot-Watt University)的研究人员描述了他们在自由空间中减慢光子速度的过程。他们称,通过为光束戴上一副“面具”,他们改变了光子的形状,从而减慢了光子的速度。

  该研究团队将一道含有许多光子的光束比作一队自行车手,其中车手们轮流骑在队伍最前方。这样一来,尽管车队是作为一个整体在路上前进的,但单个车手的速度在改变位置的时候就会发生变化。因此,我们很难为所有车手定下一个统一的速度。同样的原理也适用于光子。一道光线脉冲中含有许多光子,而科学家们知道,光线脉冲中的每个光子速度大不相同。

  该研究团队的实验被设置为定时赛形式,实验中同时释放两个光子,让它们穿过一段相当长的距离,奔向终点线。研究人员发现,其中一个光子按预期时间到达了终点,但被“面具”改变了形状的光子则要到达得晚一些,说明它在自由空间中的前进速度要更慢。

  传播距离为3.3英尺(1米)时,研究团队发现减慢的速度达到了20个波长,这远远超过了测量精度,说明该结果并非试验误差。由此说明,在让光束通过“面具”之后,光子的前进速度比之前减慢了。

  最重要的是,这和光线在通过玻璃和水之类的介质时速度放缓的原理大不相同。在穿过玻璃和水时,光线只有在通过介质时速度才会变慢,穿过介质之后,速度便会恢复成原速。但如果让光线穿过了“面具”,光子前进的最快速度便会始终受到一定的限制。

  丹尼尔·吉尔凡尼尼(Daniel Giovannini)是该研究报告的主要作者之一,他表示:“改造后的光束减慢的速度很不起眼,前进了一米之后,它仅仅慢了几微米,但它仍然非常重要。”

  “我们测量了两种不同的光束,一种叫贝塞尔光束(Bessel beams),一种叫高斯光束(Gaussian beams),都得到了类似的结果。”

  另一位主要作者杰奎琳·罗梅罗(Jacquiline Romero)说道:“在获得这些结果的过程中,我们运用了一些巧妙的、但广为人知的光学原理。”

  “研究成果清晰地显示,即使是在空气或真空中传播时,光速也可以低于通常认为的299792458米/秒。”

  “虽然我们测量的只是单个光子,但这一结果也同样适用于一束光。用来制造光束的透镜越大,传播距离越短,效果就越明显,说明这一效应只适用于短距离传播。”

  迈尔斯·帕杰特教授(Miles Padgett)是该研究团队的领导人,他补充道:“光线传播的速度竟然能变缓,乍看上去的确令人吃惊,但这一结果是建立在坚实的理论基础之上的,我们也对自己的观测过程抱有很强的信心。”

  “这一研究结果让我们得以用一种全新的方式思考光的特性,我们渴望能继续进行这项研究,并探索它在未来的应用潜力。”

  “我们希望这一效果能被运用到任何波动说当中去,这样一来,我们就可以在其它波中制造类似的减速效果了,比如说声波。”(米米)

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