закон Малюса

Свет, рождающийся при влёте быстрого электрона в материал, обычно считают изотропным — одинаковым во всех направлениях. Но в кристаллах, где оптические свойства зависят от направления, это не так. Проведите рукой по бархату: в одну сторону он гладкий и блестит, в другую — тёмный и шероховатый. Так и кристалл по-разному реагирует на свет в зависимости от своей ориентации.

Когда лазерный импульс попадает в атом, он вырывает электрон. В классической картине свет — это гладкая электромагнитная волна, и чем выше её интенсивность, тем сильнее ускоряется электрон.

Перовскитная солнечная батарея напоминает молодую спортсменку: на старте демонстрирует выдающиеся показатели, но быстро утомляется. Всего за восемь часов её эффективность заметно снижается, хотя видимых дефектов — трещин, пыли, отслоений — не наблюдается.

Когда два тяжёлых ядра сталкиваются на ускорителе, рождается крошечный огненный шар из кварк-глюонной плазмы — особого состояния вещества, где кварки и глюоны не заперты внутри частиц. Он расширяется и остывает, а вылетающие частицы нередко оказываются «закрученными»: их спины выстраиваются вдоль направления пучка.

На стене — чередование светлых и темных полос. Это классическая интерференционная картина, где свет, складываясь, гасит сам себя. Ещё в XVII веке Христиан Гюйгенс выдвинул гипотезу: свет — это волна. Однако решающий эксперимент поставили Араго и Френель в начале XIX века.

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.

Световая волна похожа на верёвку, которую встряхнули: она колеблется в определённой плоскости. Это свойство — поляризация — рассказывает о форме и составе объектов. Но уловить её непросто, особенно если нужно охватить широкий диапазон цветов. Обычно для этого собирают громоздкие системы из линз и фильтров.

Гравитационные волны — это колебания самой ткани пространства-времени, предсказанные общей теорией относительности.

Два тончайших листа, каждый — всего в один атом толщиной, кладут друг на друга и слегка поворачивают. Как два листа цветной кальки: пока они лежат ровно, картинка одна, а стоит повернуть — появляется муаровый узор. Здесь, правда, узор не виден глазу, зато он полностью меняет то, как материал обращается со светом.

Луч фонарика скользит по неровному стеклу. Стекло — это массивные скопления галактик, а фонарик — древний свет, рождённый вскоре после Большого взрыва. Проходя мимо таких скоплений, свет не просто огибает их, как вода камень. Его траектория слегка смещается вбок, и величина сдвига зависит от того, как свет «закручен» — вправо или влево.

Когда две чёрные дыры сливаются, они встряхивают саму ткань пространства-времени. Новорождённый гигант не успокаивается мгновенно — он звенит, словно космический колокол, испуская характерный рисунок затухающих гравитационных волн — так называемый рингдаун.

Вселенная — не пустота, а огромный кристаллический шар, пронизанный невидимыми границами — доменными стенками, застывшими после фазовых переходов.

Капля воды в сильном электрическом поле вытягивается. Так же ведёт себя и ядро дейтерия — связанная пара из протона и нейтрона, только поле здесь создаёт пролетающий гамма-квант, а вместо вытягивания ядро может просто развалиться на части. В Шанхайской лаборатории SLEGS этот процесс впервые изучили на густой сетке энергий — от 2,33 до 19,65 МэВ — и записали, как часто ядро не выдерживает.

В глубине космоса быстро вращающаяся нейтронная звезда, пульсар по прозвищу Маяк, мчится сквозь разреженный газ. Словно катер, рассекающий воду, он оставляет за собой светящийся след из заряженных частиц. Этот след виден в рентгеновских лучах как яркий хвост и тонкая нить, растянувшаяся на многие световые годы.

В тёмной комнате луч фонарика выхватывает из мрака лишь узкую полоску. Примерно так же Роджер Пенроуз предложил смотреть на гравитационные волны — рябь пространства-времени, бегущую со скоростью света.

Свет от тонких слоёв полупроводников бывает поляризованным — его волны колеблются в одной плоскости. Раньше думали, что направление колебаний задаёт освещение образца. Но новые опыты с двумя слоями разных материалов (WSe2 и WS2) показали иное: при охлаждении до криогенных температур поляризация света почти не меняется, как бы мы ни светили.

Если посветить на кристалл FePS3, он ответит собственным свечением — как неоновая вывеска, но гораздо слабее и в инфракрасном диапазоне. Свечение это не случайное: оно зависит от того, как повёрнут кристалл. Учёные взяли образцы от толстого куска до слоя в один атом и увидели четыре полосы света — при 1,24 электронвольта, 1,79, 2,3 и 2,56.

Обычный свет разбегается во все стороны, как вода из разбитого стакана. Но в некоторых кристаллах световые волны умеют сбиваться в узкие лучи и течь только в одном направлении — как вода в желобе. Физики изучили такой материал: слоистый оксид ванадия α-V2O5. В этом кристалле атомы колеблются по-разному вдоль и поперёк слоёв.

Обычный лист чёрного фосфора похож на слоёный пирог из атомов. Если посветить на него обычной лампой, ничего особенного не произойдёт: электроны в нём сидят ровно, как зрители в тёмном зале. Но короткая вспышка лазера, длящаяся миллионные доли миллиардной секунды, встряхивает этот зал.

Во время грозы небо работает как гигантская батарейка: в облаке копится электрический заряд, и разряд молнии его сбрасывает. Заряд этот невидим, но его чувствуют космические частицы — мюоны, которые постоянно сыплются на Землю из космоса. Пролетая сквозь заряженное облако, мюон слегка ускоряется или тормозится, и по этим изменениям можно судить о напряжении в облаке.

Луч света можно заставить выглядеть как цветок с несколькими лепестками. Если такой луч пропустить сквозь облако холодных атомов рубидия и включить магнитное поле, лепестки начнут поворачиваться. Угол поворота напрямую связан с силой поля.

Свет от Солнца обычно неполяризован: его волны колеблются во всех направлениях, как толпа, где каждый машет руками как хочет. Но 3 мая 2023 года астрономы в Локарно (Швейцария) заметили, что во время вспышки свет от гелия стал организованным — волны выстроились в одном направлении, как солдаты на параде.

Нейтронная звезда размером с город крутится быстрее кухонного блендера и швыряет вокруг себя частицы. Вокруг неё возникает светящееся облако — его называют пульсарным гало. Форма этого облака зависит от невидимых магнитных полей, которые, как течения в океане, направляют частицы.

Солнце — не спокойный шар. Внутри него постоянно гуляют волны, как в колоколе после удара. Эти колебания выходят на поверхность и выдают, что происходит на обратной, невидимой стороне. Астрономы давно умеют «слушать» этот звон и находить там большие группы пятен. Но до сих пор не могли сказать главного: где у пятна северный магнитный полюс, а где южный.

Рентгеновский пульсар Центавр X-3 — это нейтронная звезда, которая быстро вращается и испускает импульсы рентгеновского света, как маяк. Учёные направили на неё три космических телескопа и изучили поляризацию излучения — то, как колеблется электрическое поле световой волны.

Свет, проходя сквозь тонкий кристалл, может поменять цвет и направление колебаний. В пластинке дисульфида молибдена толщиной в сотни атомов инфракрасный луч превращается в зелёный, а его поляризация — то, как колеблется световая волна — подчиняется геометрии кристалла.

В огромном ускорителе частиц, где протоны на скорости, близкой к световой, врезаются в неоновую мишень, рождаются очарованные барионы — частицы, которые живут меньше миллиардной доли секунды. Учёные из коллаборации LHCb впервые сумели измерить, как эти частицы «крутятся» — точнее, как направлен их спин, — и обнаружили неожиданную разницу между частицами и их зеркальными двойниками.

В тёмном облаке L43, где рождаются звёзды, пылинки кружатся, как крошечные компасы. Свет от молодой звезды толкает их, а магнитное поле выстраивает в определённом направлении. Когда пылинка повёрнута к нам боком, её тепло приходит к нам поляризованным — как свет, прошедший сквозь узкую щель.

Свет от звезды HD 163296 проходит сквозь окружающий её газопылевой диск, как луч фонарика сквозь мутную воду. Частицы диска рассеивают свет, и он приобретает особое свойство — поляризацию: волны начинают колебаться в одной плоскости, словно верёвка, которую встряхивают строго вверх-вниз.

Терагерцовое излучение лежит между микроволнами и инфракрасным светом. Оно проходит сквозь одежду, бумагу и пластик, но задерживается водой и металлом. Поэтому такие волны используют в сканерах безопасности и для контроля качества материалов. Но у этого излучения есть ещё одно свойство — поляризация, то есть направление колебаний волны.

Луч света с круговой поляризацией падает на кристалл перовскита MAPbI3. Электроны внутри кристалла начинают вести себя как крошечные волчки, чьи оси выстраиваются вдоль луча. Это явление называют оптической ориентацией спинов.

Световая волна похожа на толпу, где каждый человек машет флажком в свою сторону. Чтобы такая толпа прошла сквозь узкий коридор, не растеряв порядка, нужны направляющие. В оптоволокне роль направляющих играет поляризация — строгое направление колебаний световой волны.

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.

Свет от далёких галактик проходит через линзы телескопа, как через стопку оконных стёкол. Каждое стекло покрыто тонкой плёнкой, чтобы меньше бликовать. Но эта плёнка работает как поляризационный фильтр: одна составляющая световой волны проходит чуть свободнее, другая — чуть хуже. В результате волна слегка поворачивается, и телескоп видит не ту картину, что была в небе.

Свет, бегущий по оптоволокну, похож на толпу в узком коридоре: каждый фотон идёт своим путём, и если пути перемешаются, на выходе будет каша. В обычных полых волокнах — тонких стеклянных трубочках, где свет летит по воздуху, а не по стеклу, — две поляризации (направления колебаний световой волны) идут вперемешку.

Чёрная дыра не просто поглощает материю — она, подобно гигантскому космическому водовороту, искривляет саму ткань пространства-времени, заставляя лучи света огибать себя и собираясь в фокус.

В 1976 году канадский физик Билл Унру задал простой вопрос: что видит наблюдатель, который разгоняется в пустоте? Ответ оказался странным: пустота перестаёт быть пустой. Ускоряющийся наблюдатель купается в тепловом излучении с температурой, пропорциональной ускорению.