Lysets nye tøven

En dansk fysiker har fået lyset til at bevæge sig lige så langsomt som en cykel. Denne overraskende opdagelse kan åbne nye tekniske muligheder for computere og optiske apparater, men foreløbig er den dog en raritet indefor partikelfysikken


Af Robin Engelhardt

Den danske fysiker Lene Vestergaard Hau har taget de danske medier med storm. Med lysets hast spredtes nyheden om, at hun og hendes kolleger fra Rowland Institute i Cambridge i Massachusetts, USA, har bremset lysets hastighed ned til 61 kilometer i timen ­ en fart, som er cirka 20 millioner gange langsommere end det lys, der bevæger sig igennem det tomme rum.

Politiken kaldte opdagelsen for 'revolutionerende', og Jyllands-Posten citerede diverse forskere for det aldeles 'epokegørende' i hele projektet.

På trods af det opsigtsvækkende resultat må man nok erkende, at Lene Haus arbejde foreløbig forbliver i raritetskabinettet over spektakulære opdagelser inden for partikelfysikken.
 
Den væsentligste årsag til det er, at man kun kan opnå de lave lyshastigheder ved ekstreme kuldegrader ­ ja, ved temperaturer, der er langt lavere end temperaturen i det tomme rum. Kun med sofistikerede køleteknikker og brug af stærke magnetfelter kunne forskerne holde lysstrålen fanget i det kolde medium, som er forudsætningen for opdagelsen, og som kun en håndfuld laboratorier er i stand til at producere.

Men videnskabelige opdagelser behøver heller ikke altid at blive målt på graden af anvendelighed: Selve erkendelsen er ofte løn nok. Og hvem ved: Måske kan der trods alt findes anvendelser om en årrække; man ved jo aldrig. Ifølge forskerne selv kunne en mulig teknologisk anvendelse for det langsomme lys være, at stabilisere optiske computere, som til forskel fra almindelige computere opererer med lyspartikler (fotoner) i deres kredsløb.

I RØMERS FODSPOR
I almindelighed anser vi lysets hastighed i det tomme rum, udtrykt ved konstanten c, som en slags absolut størrelse , nemlig 300.000 kilometer i sekundet. Denne værdi kom en anden stor dansk fysiker til: Ole Rømer. På baggrund af sine observationer af Jupitermånen Io ­ mere præcist de eksakte tidspunkter for dens forsvinden om bag Jupiter i løbet af en jordomdrejning om solen, kunne Rømer registrere en afvigelse på 22 minutter i forhold til, hvad han havde forventet. Han fortolkede det, som et udtryk for, at lysets hastighed ikke var uendelig. Når jorden på sin bane omkring solen står modsat Jupiter, vil han på grund af den endelige lyshastighed registrere måneformørkelsen senere, end når Jupiter står på samme side af solen.

Men siden 1676 er der sket meget i fysikken. Man har længe vidst, at lyshastigheden kan bremses en smule i transparente og lysbrydende medier såsom glas og vand. Men der har altid været en nedre hastighedsgrænse, fordi opbremsningen i sådanne lysbrydende materialer er tæt associeret med en absorbering af lyset i materialet.

Lene Verstergaard Hau og hendes kolleger har i deres artikel i tidsskriftet Nature vist, at der findes omstændigheder, hvor denne nedre grænse kan overvindes betydeligt.

BOSE-EINSTEIN KONDENSAT
Atomer tæt ved det absolutte nulpunkt bevæger sig næsten ikke. Forskerne kunne så bruge laserlys og magnetfelter til at nedkøle de frosne atomer endnu mere ved at lade de varmeste atomer fordampe. Ved at producere et så stærkt nedkølet system, bestående af en kobling af natriumatomer og laserlys kunne Hau skabe et medium, som på grund af stærke kvanteeffekter har en absorptionsgrad lig med nul. Det betyder, at atomerne ikke længere optager nogen varmeenergi fra laserstrålen eller lyskilden. Da transparens og absorption dermed er blevet uafhængige af hinanden, kunne den danske forsker øge brydningsgraden så meget, at lyset bevægede sig 20 millioner gange langsommere end i det tomme rum.

Hvis nedkølingen er stærk nok, kommer atomerne i en tilstand, det kaldes for et Bose-Einstein kondensat. Bose-Einstein kondensater blev for første gang opdaget i 1995, hvor Eric Cornell og Carl Wieman i et berømt eksperiment kunne vise, at atomer ved 0,000.000.435 grader over det absolutte nulpunkt (som er -273.15°C) danner en enestående tilstand, karakteriseret ved at alle atomer er i én og den samme kvantetilstand.

Fysikerne Satyendra Nath Bose og Albert Einstein havde allerede i 1920 erne og 30 erne forudsagt, at kvantemekanikken tillod atomer at være i sådanne mærkelige tilstande og med meget specielle egenskaber til følge. Atomerne i et sådant kondensat er nedkølet så meget, at de næsten ikke kan bevæge sig. Atomernes bevægelse, eller momentum, er derfor nem at måle meget præcist.

USIKKERHEDSPRINCIP
Men ifølge Heisenbergs usikkerhedsrelation gælder der, at jo bedre vi kender en partikels bevægelse, desto mindre kan vi kende til dens position. I Bose-Einstein kondensatet bliver atomernes positioner derfor nødt til at tværes ud og overlappe hinanden, så der dannes et slags superatom bestående af alle atomer i samme kvantemekaniske tilstand (så de kan beskrives ud fra samme bølgefunktion). I denne kuriøse tilstand, som altså kun kan opnås under meget ekstreme forhold, har forskere med held fisket efter mange mærkelige fænomener inden for partikelfysikken, men Lene Vestergaard Haus opdagelse må siges at høre til de mere spektakulære.

HØJ IKKE-LINEARITET
Et andet vigtigt aspekt af Haus arbejde var observationerne af meget store optiske ikke-lineariteter.
 
Graden af ikke-linearitet kan måles ved det såkaldte refraktive index af et medium, og er et mål for, hvor meget et bestemt materiale bøjer lyset. Det refraktive index af Haus kondensat kunne måles til at være omkring 100 trillioner gange større end for eksempel for glas eller optiske fibre. Og det er her, mulige anvendelser tegner sig i horisonten.
 
Ikke-lineariteterne og det høje refraktive index førte i eksperimentet til atypiske koblinger mellem lyspartiklerne. Hvis det var muligt på et tidspunkt at gøre disse koblinger og vekselvirkninger stærke nok og kontrollere dem præcist, ville man kunne lave optiske kontakter eller afbrydere ud af en enkel foton. Man ville måske kunne bygge apparater, som kan få lys til at skifte frekvens og dermed farve, fx gøre ultraviolette lys synligt.
 
Ifølge Lene Hau kunne det langsomme lys også bruges til at filtrere støj fra optiske kommunikationssystemer, og computere kunne bruge optiske kontrolporte i stedet for de mere energikrævende elektriske kontrolporte, som bruges i computerne i dag.

Forskerholdet arbejder i dag på at forbedre deres nedkølingssystem endnu mere, så det i den nære fremtid vil blive muligt at reducere lysets hastighed yderligere ­ fra cykel- til fodgængerhastighed.

0 comments:

There was an error in this gadget