интерференция

Прожектор с изменяемой шириной луча скользит по берегу. Его свет — это длинные океанские волны, которые рождаются в прибойной зоне и расходятся в обе стороны: к пляжу и в открытое море. Раньше этот прожектор считали точечным, но реальная зона обрушения, где рушатся короткие волны, имеет конечную ширину, и она меняется по мере того, как фронт накатывает и отступает.

Две струны натянуты рядом: одна толстая и глухая, другая тонкая и звонкая. Если дёрнуть толстую, звук получится размытым, без чёткой высоты. А тонкая отзовётся чистым тоном. Но если связать их вместе, возникает неожиданный эффект: в спектре появляется резкий провал, будто кто-то выключил звук на одной ноте.

Солнечная корона — внешняя атмосфера Солнца, разогретая до миллионов градусов. Механизм её нагрева остаётся загадкой. Один из кандидатов — крутильные волны: они закручивают магнитные силовые линии, подобно скручиванию резинового жгута. Такие волны недавно удалось зарегистрировать на новом солнечном телескопе имени Дэниела Иноуэ.

Бросьте два камешка в воду на некотором расстоянии друг от друга. Волны от них побегут навстречу и в некоторых местах погасят друг друга — вода станет гладкой, хотя каждый камень по отдельности создал бы рябь. Похожим образом ведёт себя пара фотонов — квантов света, рождённых в одном кристалле и разлетевшихся в разные стороны. Только вместо волн на воде здесь интерферируют их волновые функции.

Камень падает в пруд — и по воде расходятся круги. Так же массивные тела рождают гравитационные волны — колебания самого пространства-времени. До сих пор эти волны ловили огромными детекторами: они чуть вздрагивают, когда волна проходит сквозь них. А что творится на микроуровне, внутри крошечного кусочка вещества?

Графен, лист углерода толщиной в один атом, ведёт себя как водная гладь — пока не появляется сверхпроводимость. Тогда по нему, словно круги от брошенного камня, расходятся необычные волны: пары электронов движутся без трения. Но в особом, хиральном состоянии эти волны закручены в одну сторону, как вода в сливе ванны.

Плазма — это не просто горячий газ, а целый оркестр заряженных частиц, где каждая группа играет свою партию. Тяжёлые ионы (атомы, потерявшие электроны) задают медленный ритм, а лёгкие электроны носятся в десять тысяч раз быстрее.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная пережила стремительное расширение — инфляцию, раздувшую квантовые флуктуации до масштабов, которые сегодня видны в реликтовом излучении.

В 1915 году Альберт Эйнштейн и Вандер Йоханнес де Хааз показали, что при намагничивании железного стержня тот слегка поворачивается — угловой момент электронов передаётся кристаллической решётке.

Радиосигналы в замкнутом пространстве ведут себя подобно акустическим волнам в концертном зале: многократно отражаясь от стен, мебели и других поверхностей, они формируют уникальную интерференционную картину — своего рода безмолвную «мелодию» каждого места. Смартфон, оснащённый приёмником, подобно чуткому уху, регистрирует эту картину через анализ помех и искажений сигнала.

Луч света входит в мутное стекло и гаснет — обычное дело. Но физики давно умеют делать так, чтобы свет проходил насквозь, не теряя ни фотона. Этот трюк называется электромагнитно-индуцированной прозрачностью: две световые волны гасят друг друга в нужной точке, и поглощение исчезает. Теперь похожий фокус провернули с атомами.

Графен — двумерный кристалл углерода — долгое время манил физиков надеждой на высокотемпературную сверхпроводимость. Его электроны подчиняются релятивистскому уравнению Поля Дирака, несутся с огромной скоростью, почти не замечая друг друга.

В первые мгновения после Большого взрыва Вселенная была не безмолвной пустотой, а кипящим котлом плазмы, пронизанной звуковыми волнами. Когда температура падала, космос переживал фазовые переходы — спонтанные перестройки, рождавшие пузыри новой фазы.

За мгновения до полного солнечного затмения по земле скользят быстрые полосы теней — будто рябь от камешков, брошенных в воду. Это явление, известное как теневые полосы, столетиями ставило учёных в тупик. Оказалось, всё дело в волновой природе света. Солнце — не точечная лампа, а огромный диск. Когда Луна почти полностью закрывает его, остаётся тонкий светящийся серп.

Физики реализовали трёхмерную андерсоновскую локализацию электромагнитных волн — явление, при котором волны навсегда запутываются в случайном лабиринте из металлических частиц и перестают распространяться.

Бросьте в пруд два камешка одновременно — круги на воде пойдут ровно и слаженно. Так и в квантовом интерферометре: частицу расщепляют на две волны, которые движутся разными путями, а потом встречаются. В идеале их гребни совпадают. Но если сквозь одну из волн пролетело что-то невидимое — например, частица тёмной материи, — совпадение нарушится.

Камень падает в пруд, и по воде разбегаются круги. Если на пути кругов встретится торчащая коряга, часть ряби отразится, а часть обогнёт препятствие. Похоже ведут себя и гравитационные волны — рябь самого пространства-времени, — когда проходят мимо скоплений галактик или чёрных дыр.

Брошенный в пруд камешек рождает круги, что разбегаются во все стороны. А теперь вообразите, что сам пруд вдруг превращается в кисель, причём мгновенно, быстрее, чем волна успевает сделать один гребень. Часть кругов продолжит расходиться, но изменит шаг, а часть — неожиданно развернётся и побежит назад, к месту броска, словно время для неё потекло вспять.

Солнечный свет падает на кремниевую пластину — и в цепи возникает ток. Это привычная работа фотоэлемента: свет выбивает электроны, а p-n переход (граница двух слоёв с разной проводимостью) заставляет их двигаться в одном направлении. Но в некоторых кристаллах ток рождается иначе — без всяких переходов, просто за счёт того, как сам материал устроен внутри. Среди таких откликов выделяют два.

Бросьте камень в пруд — по воде разойдутся круги. Если бросить два камня рядом, круги пересекутся, создавая узор из усиленных и погашенных волн. Это интерференция. В квантовом мире роль таких кругов играют волны вероятности, а способность частицы создавать интерференцию называют когерентностью.

Два почти одинаковых маятника запускают одновременно. Один затухает быстро, другой колеблется долго. В какой-то момент их движения накладываются друг на друга — и в общей картине проступает тонкий сдвиг, незаметный по отдельности.

Камень падает в пруд — и по воде расходятся круги. Но если камень очень мал, а вода не совсем обычна, круги проходят сквозь него, даже не заметив. Примерно так ведут себя звуковые колебания в сверхтекучем гелии: при крайне низких энергиях они просачиваются через препятствия, словно тех и нет. Физики называют это аномальным туннелированием.

Детекторы гравитационных волн работают как чуткие микрофоны, улавливающие дрожь пространства от далёких космических катастроф. После того как две чёрные дыры сливаются в одну, новорождённый объект звенит, словно колокол, и этот звон — уникальный «голос» гравитации.

Камень падает в пруд — круги разбегаются и исчезают. Но в узком канале волна иногда собирается в горб и катится, не меняя формы, километр за километром. Такие упрямые одиночные волны называют солитонами. А если гребень не гладкий, а заострённый, как сжатая до предела пружина, — это пикон. Пикон впервые появился в уравнении Камассы–Холма, которое родилось из задачи о волнах на мелкой воде.

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.

Платиновая пластинка в камере с разреженным газом — и по ней бегут волны. Не водяные, а химические: пятна, где поверхность покрыта кислородом, сменяются пятнами, где сидит угарный газ. Раньше эти волны видели как тёмные и светлые области на снимках, но не могли точно сказать, какое пятно чему соответствует.

Пловец, рассекающий воду со скоростью бегущих по ней волн, оказывается в странном положении: волны, которые он сам же и порождает, не могут ни обогнать его, ни отстать. Они скапливаются у носа пловца и застывают. Похожее явление возникает, когда источник света движется внутри вещества со скоростью, совпадающей со скоростью переноса энергии волн.

Крошечный алмазный мостик вибрирует так сильно, что начинает «петь» сразу на многих частотах. Раньше такие колебания сами себя тормозили: чем сильнее раскачивался резонатор, тем труднее было добавить ему энергии. Физики нашли лазейку в этом правиле. Они использовали свет, чтобы раскачивать алмаз. Свет давит на мостик, и тот начинает дрожать.

В обычном проводнике электрический ток течёт симметрично: электроны движутся одинаково легко в обоих направлениях, подобно воде в прямой трубе. Однако на границе нормального металла и сверхпроводника эта симметрия исчезает.

Реснички — это крошечные волоски на поверхности клеток. Они бьются, как вёсла, и двигают жидкость. В лёгких они выталкивают пыль и микробов наружу. Но их длина разная: у человека — тысячные доли миллиметра, у гребневиков — несколько миллиметров. Как такие разные реснички работают вместе? Учёные построили машину, которая резко дёргает жидкость, как будто ресничка ударила. Они снимали это на скоростную камеру.

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.

Обычный белый свет — это смесь всех цветов сразу, как шум толпы, где каждый говорит на своей частоте. Учёным же нужен свет, в котором частоты выстроены строго по линейке — как клавиши пианино, где каждая нота звучит отдельно и точно. Такие «гребёнки частот» давно умеют делать в инфракрасном диапазоне, но в ультрафиолете это сложнее: там свет легко теряется и его трудно усилить.

В маленькой медной коробочке, похожей на спичечный коробок, живут магнитные волны. Они возникают в крошечном кристалле из железо-иттриевого граната, когда через него пропускают радиоволны. Две волны с разными характерами — одна быстрая, другая медленная — обычно не замечают друг друга.

Если сжать пластинку с ячейками-гармошками, по ней побежит волна перегиба — как складка по ковру, когда его толкают ногой. Такие волны умеют переключать материал между двумя устойчивыми формами, и на этом строят механическую память. Но стоит на пути складки оказаться ножке стола, и она застревает. В новой работе показали, как сдвинуть её с места без грубой силы.

Обычный сверхпроводник при охлаждении теряет сопротивление, и ток в нём течёт без потерь. Но в сверхтонких плёнках всё иначе: материал колеблется между обычным и сверхпроводящим состоянием, и в этом промежутке возникают странные волны сопротивления. Сопротивление то растёт, то падает, как будто кто-то поворачивает ручку громкости.

Бросьте в пруд горсть камешков — и расходящиеся круги пересекутся, создавая всплески и затишья. Примерно так же ведут себя гравитационные волны — колебания метрики пространства-времени, предсказанные Эйнштейном в общей теории относительности. Только колеблется не вода, а само пространство-время.

Взрывная волна бьёт по поверхности, и та начинает морщиться, как ковёр, по которому резко провели ногой. Эти морщины растут, закручиваются в вихри и перемешивают всё вокруг. В термоядерном синтезе такое перемешивание — большая беда: топливо не сжимается ровно, и реакция затухает. Физики нашли способ остановить этот процесс, не трогая саму волну. Они напечатали на 3D-принтере мишень с пустотами под поверхностью.

Радиотелескоп ловит сигнал из Крабовидной туманности — и на экране вместо ровной линии появляются светлые и тёмные полосы, как на шкуре зебры. Это излучение пульсара — быстро вращающейся нейтронной звезды, которая осталась после взрыва сверхновой.

Если бросить камень в пруд, по воде пойдут круги. В крошечном магнитном кристалле тоже бывают волны — только колеблется не вода, а направление намагниченности. Такие волны называют спиновыми. Они бегут по кристаллу, как рябь по поверхности, и могут переносить информацию. Физики взяли пластинку из иттриевого феррита-граната — это прозрачный оранжевый кристалл, который любят за чистоту магнитных колебаний.

В сверххолодном облаке атомы калия ведут себя как волны, которые могут складываться и усиливать друг друга — примерно как звуковые волны в музыкальном инструменте создают громкий аккорд. Физики научились управлять этим процессом, меняя силу взаимодействия между атомами с помощью магнитного поля.