фокус

Луч света, проходя вблизи массивного тела, испытывает отклонение от прямолинейного пути — это явление, известное как гравитационное линзирование. Аналогия со струёй воды, огибающей камень в ручье, хорошо передаёт суть: гравитация массивного объекта искривляет траекторию фотонов, подобно тому как препятствие изменяет течение воды.

Если в комнату из приоткрытой двери просачивается запах, можно встать посредине и принюхиваться. Но точнее всего момент появления запаха уловит тот, кто стоит прямо у порога. Примерно так же действует клетка, когда ей нужно измерить концентрацию какого-то вещества вокруг.

Камера смотрит на две далёкие искры. Они так близко друг к другу, что сливаются в одно мутное пятнышко. Кажется, разглядеть их по отдельности уже невозможно — классический предел оптического разрешения пройден. Но квантовая механика подсказывает: световое поле всё ещё хранит тайну о том, где именно сидит каждая искра.

Свет в линзе меняет направление — это знают все. Гравитационные волны, проходя мимо массивного тела, тоже искривляют путь. Но авторы этой работы заглянули дальше: что происходит с самим «цветом» волны — её поляризацией, то есть направлением колебаний.

23 ноября 2023 года детекторы LIGO уловили нечто странное. Сигнал гравитационных волн от слияния двух чёрных дыр, получивший номер GW231123, указывал на рекордные массы — 137 и 101 солнечных — и аномально быстрое вращение. Это была бы самая массивная и быстровращающаяся пара, когда-либо зарегистрированная.

С тех пор как Эйнштейн предсказал гравитационное линзирование, а гравитационные волны были впервые услышаны детекторами LIGO, физики мечтали поймать линзированное эхо — повторяющийся сигнал одного слияния, размноженный гравитацией массивного тела.

Космический луч подлетает к чёрной дыре почти по касательной. Он не падает сразу, а задерживается на неустойчивой орбите — как акробат, балансирующий на канате над пропастью. Сделав несколько витков, свет всё же уходит к далёкому наблюдателю. Такие лучи рождают многократные изображения одного и того же источника — их называют изображениями высшего порядка.

В микромире действует принцип запрета Паули: фермионы — частицы с полуцелым спином, такие как электроны, — не могут находиться в одинаковом квантовом состоянии. Это фундаментальное правило современной физики заставляет электроны в атомах занимать разные орбитали, придавая веществу объём и структуру.

Вселенная говорит на двух фундаментальных языках — гравитации и света. В обычных условиях они не смешиваются: гравитационные волны скользят сквозь материю, не оставляя следа, а фотоны пляшут в зеркальных лабиринтах.

Прохождение света вблизи массивного тела, например чёрной дыры, сопровождается искривлением его пути — эффект, предсказанный Эйнштейном в рамках общей теории относительности.

Свет, как верёвка, которую встряхнули, колеблется в определённой плоскости. Астрономы и инженеры часто поворачивают картинку с помощью системы из трёх зеркал — так называемого K-зеркала, — но при этом плоскость колебаний света невольно поворачивается тоже. Для точных измерений это беда.

Обычный датчик света отвечает на вопрос «сколько света», но не «откуда он пришёл». Для этого ставят линзы, зеркала или целые матрицы. В новой работе предложен датчик, который сам, без всякой оптики, определяет направление луча. Внутри датчика — тонкий слой, где электроны свободно скользят, как вода в мелкой тарелке. По краям слоя прижаты два металлических контакта.

Камешек падает в пруд — и по воде разбегаются ровные круги. Но дно пруда усеяно стёклышками-невидимками: каждое чуть задерживает волну, где-то рассеивает, где-то меняет её шаг. Примерно так гравитационные волны — дрожь самого пространства — проходят сквозь далёкие галактики и тёмные сгустки материи. Эти сгустки работают как линзы, только не световые, а гравитационные.

Электронный пучок в ускорителе похож на стаю птиц: летит плотной группой, но со временем разлетается. Чтобы удержать частицы вместе, обычно ставят тяжёлые магниты. Здесь обошлись без них — пучок сам себя сжал. В эксперименте на установке FACET-II пучок из 10 миллиардов электронов (заряд 1 нКл) с энергией 10 ГэВ пропустили через стопку тонких металлических фольг.

Крошечная зелёная водоросль хламидомонада всю жизнь гребёт двумя жгутиками к свету, как пловец к берегу. Свет она чувствует белком-фоторецептором, а позади него лежит красное пятнышко — «глазок», который отбрасывает тень и помогает понять, откуда свет идёт. Но у мутантов без этого пятнышка поведение переворачивается: они уплывают от света, хотя белок на месте.

Два крошечных излучателя, каждый размером с атом, могут вместе сделать то, что поодиночке им не под силу. Речь о рассеянии света — когда свет налетает на частицы и разлетается в стороны. Обычно пара частиц рассеивает свет лишь немного сильнее, чем одна. Но в новых расчётах найден режим, где отклик пары становится огромным — как если бы два слабых фонарика вдруг засветили ярче прожектора.

Пучок заряженных частиц, как тонкое перо, выводит на металлической плёнке невидимый узор. В местах, которых он коснулся, материал меняет внутренний порядок атомов: из плотной упаковки, похожей на пирамидку из апельсинов в ящике, атомы перестраиваются в более рыхлую, как кубики, сложенные в коробку.

Свет — это не просто луч, а волна, у которой есть электрическое поле, меняющееся со скоростью, невообразимой для обычных часов. До сих пор это поле удавалось измерить лишь в одной точке, как температуру одним градусником. Теперь исследователи создали метод, который показывает всё поле сразу, как тепловизор показывает карту тепла.

Линза «рыбий глаз» — это необычное стекло: его показатель преломления меняется от центра к краю так, что любой луч, выпущенный из произвольной точки, собирается в точке строго напротив. Сделать такую линзу из обычного стекла почти невозможно, но физики нашли обходной путь.

Футбольный мяч, закрученный ударом, летит не по прямой, а сгибает траекторию вбок. Примерно так же ведёт себя луч света, если его сильно сфокусировать: он начинает толкать атом не только вперёд, но и в сторону. Физики измерили этот сдвиг на одиночном ионе кальция, пойманном в световую ловушку. Луч направляли на атом, как прожектор на песчинку.

Исследователи описали новый тип невидимой звезды, ведущей себя как дышащая гравитационная линза. Такая звезда состоит из сверхлёгких скалярных бозонов — гипотетических частиц, которые пока не обнаружены экспериментально.

Тёмная материя — невидимый каркас Вселенной, проявляющий себя лишь через гравитацию. Вера Рубин, изучая вращение галактик, обнаружила, что звёзды на периферии движутся слишком быстро — так, словно их удерживает незримая масса.

Свет — капризный гость. Влетает в резонатор, но не задерживается: часть импульса неизбежно отражается и уносит с собой квантовую информацию. Классические схемы захвата с одним проходом упираются в этот предел, сколько ни улучшай управление. Отражение считали потерей, но авторы новой работы предлагают взглянуть на него иначе.

Луч фонарика, пройдя сквозь узкую щель, не остаётся тонкой полоской, а расплывается в стороны. Свету свойственно огибать края препятствий, и из-за этого самое маленькое световое пятно, которое можно получить обычной линзой, не бывает меньше половины длины волны. Этот предел казался нерушимым, пока не появилась идея провести свет сквозь игольное ушко, сохранив его узким.