Создание стопроцентно прозрачного вещества недостижимо, и дело тут не в уровне технологий, а в фундаментальных законах мироздания. К такому заключению пришла группа физиков-теоретиков.
В Книге рекордов Гиннесса за создание самого прозрачного материала отмечен профессор Иван Смалюх из Колорадского университета. Его лаборатория производит особые гели для окон, которые преломляют лучи почти так же, как вакуум, превосходя по чистоте обычное стекло. Подобные успехи могли бы навести на мысль о возможности создания идеальной пустоты в твердом теле. Однако свежие расчеты показывают: любая среда, способная хоть немного преломлять свет, неизбежно начнет его поглощать. Это происходит из-за распада частицы света на более слабый фотон и фонон — квант звуковой волны.
Разработка Смалюха вплотную подошла к идеалу, но лишь при условии тонкого слоя. Стоит сделать панель толщиной в десятки сантиметров, как пористая структура геля поглотит весь свет. Та же участь ждет и оптоволоконные магистрали, тянущиеся между материками.
Авторы исследования — Альберто Николи, Федерико Пьяцца и Анджело Эспозито — давно изучают экзотические квантовые состояния, такие как сверхтекучий гелий. Охлажденный до предела, этот элемент становится кристально чистым. Хотя он задерживает рентген, долгое время наука не могла замерить его воздействие на видимый спектр.
Интерес к абсолютной прозрачности возник у Николи и Пьяццы в ходе поиска темной материи. Для детектора требовался максимально инертный и холодный объект, где свет не терялся бы на тепловом движении атомов. Они смоделировали среду, где поглощение возможно лишь за счет тонких квантовых эффектов, и решили вычислить объем потерь.
Эспозито, присоединившийся к коллегам, узнал в их расчетах свою прошлую работу. Ранее он искал способ поймать «темный фотон» — гипотетическую частицу. Он понял, что при столкновении с ядром гелия такая частица отдаст ему импульс. Это породит микроскопическую дрожь — квантовую звуковую волну. Повторяясь, этот процесс заставляет темные фотоны терять энергию. Эспозито осознал, что обычный свет должен вести себя так же. Рано или поздно фотоны растратят энергию настолько, что их нельзя будет зафиксировать.
Этот финал наступит нескоро. Виртуальная идеальная среда настолько чиста, что луч начнет тускнеть, лишь пройдя путь, превышающий масштаб видимой Вселенной.
Хотя модель сфокусирована на сверхтекучих жидкостях, авторы уверены в универсальности вывода. Эспозито полагает, что это правило работает для любых тел. Коллега из Швейцарской высшей технической школы Цюриха Борна Салехиан назвал труд «суперинтересным». По его словам, теоретикам важно находить рамки, которые ставит сама природа, и в этой работе вычислен именно такой базовый предел.
Итоги работы ученых выложены на сервере препринтов arXiv.
Изображение: разработано Мagnific.
