пространственная когерентность

В аквариуме размером с обеденный стол две стаи чёрных неонов плавают в соседних отсеках, разделённых прозрачной стенкой. Они не могут коснуться друг друга, но видят каждое движение. И вот что удивительно: когда одна стая решает повернуть налево, вторая через мгновение делает то же самое. Как будто два маятника, висящие за стеклом, начинают качаться в такт. Рыбы в стае постоянно меняют направление, но не хаотично.

В зале с тысячей зрителей аплодисменты сливаются в общий шум, но стоит кому-то сбиться с ритма — и по залу пробегает рябь. Квантовый мир устроен похоже: атомы в ловушке могут вести себя как единое целое, а могут рассыпаться на независимых одиночек.

Слабый луч лазера — источника когерентного света с узким спектром — падает на крошечную конструкцию: гибридную оптическую полость из металла и стекла. Внутри неё заперта всего одна светящаяся молекула. Обычно такой свет лишь слегка меняет цвет, рассеиваясь на тепловых колебаниях атомов — этот процесс известен как комбинационное рассеяние, или рамановский эффект.

Представьте хор, где каждый певец безупречно держит строй. Громкость такого ансамбля растёт нелинейно: сто голосов звучат не в сто, а в десять тысяч раз громче одного. Это следствие конструктивной интерференции звуковых волн. В микромире подобное явление известно как коллективное излучение — его предсказал физик Роберт Дике.

Камень падает в воду — и во все стороны бегут круги. Бросьте горсть камней разом, и круги наложатся друг на друга: уже не разобрать, где чей след. Примерно так же выглядит пучок нейтронов, упавший на детектор: яркое пятно, размытое сразу от многих причин. Две главные из них — размер каждой отдельной частицы-волны и то, насколько дружно (когерентно) колеблются разные частицы.

Переводчик записывает многочасовой разговор. Если он попытается удержать в голове весь диалог целиком, к концу неизбежно переврёт детали. Примерно так работают гравитационные обсерватории: они слушают «разговор» массивных тел, сближающихся по спирали.

Свет от обычной лампочки кажется совершенно беспорядочным: волны в нём колеблются несогласованно, словно толпа, где каждый идёт в свою сторону. Такой свет называют некогерентным. Долгое время считалось, что изящные топологические структуры — узлы, кольца, зацепления — можно создавать только в когерентном лазерном свете, где все волны идут в ногу.

В тонком бутерброде из полупроводников свет рождает пары — электрон и положительную дырку, которые держатся вместе, как шарик на резинке. Обычно такие пары, экситоны, быстро излучают свет и исчезают. Но есть и другие — тёмные, живущие в сотни раз дольше, потому что их внутреннее устройство запрещает им легко отдавать энергию наружу.

Строй солдат шагает по плацу. Пока все держат ногу, движение остаётся чётким и слаженным. Но стоит кому-то сбиться — стройность теряется. В микромире роль такого строя играют электроны: когда их колебания синхронны, вещество излучает узкую, резкую линию. Как только синхронность пропадает — линия размывается.

Пламя свечи дрожит от сквозняка, но не гаснет — язычок лишь на миг меняет очертания и возвращается. Примерно так же ведут себя световые скирмионы — крошечные вихри в поле луча, напоминающие закрученные водовороты. До недавнего времени их получали только в идеальном, ровном свете лазера. Малейшая рябь — и вихрь рассыпался.

Камень падает в пруд. Круги расходятся, затухают — и вот уже поверхность снова гладкая. Но что, если у пруда нет ни берегов, ни дна, ни даже характерного размера волны? Именно в таком мире — мире без масштаба — живут квантовые системы, когда их окружает среда, не выделяющая ни одной длины или энергии. Вода в таком пруду всегда «помнит» форму камня, и волны никогда не успокаиваются до конца.

Свет, проходя через мутную среду — например, стакан с молоком или матовое стекло, — рассеивается во все стороны. Но иногда вместо того, чтобы разбежаться, он застревает в крошечных «карманах» внутри материала. Эти карманы физики называют локализованными модами: свет в них словно попадает в ловушку и не может выбраться наружу.

Квантовая точка — это как одиночная лампа, которая включается и выключается по команде лазера, испуская ровно один фотон за раз. Но у такого света есть особенность: фотоны не дружат между собой, они летят независимо, как случайные капли из крана.

Свет от одной лампочки обычно расходится во все стороны, и поймать его ровно поровну в несколько каналов — та ещё головоломка. В новой работе свет делится на девять одинаковых лучей без единой линзы или зеркала. Вместо этого — стеклянная пластинка с вытравленными дорожками-световодами, по которым свет сам растекается нужным образом.

Обычный лазер усиливает свет до яркого луча. Если запустить этот процесс в обратную сторону, получится антилазер — устройство, которое всасывает свет без остатка. Но такая машина капризна: достаточно лёгкого беспорядка, чтобы поглощение сорвалось. Физики нашли способ сделать антилазер неуязвимым.

Лазерная указка светит ровным пятном: все световые волны в ней идут в ногу, как солдаты на параде. Такой свет называют когерентным. Но в природе и технике встречается и другой свет — «растрёпанный», где волны не согласованы, как толпа на рынке. Его называют частично когерентным. Долгое время его считали лишь помехой, но недавно выяснилось: в некоторых линиях связи он работает даже лучше ровного.

Квантовая частица, например электрон, может находиться в суперпозиции — быть в двух местах одновременно, — но макроскопические объекты никогда не демонстрируют такого поведения.

Сверхизлучение (суперфлуоресценция) — это синхронизированный «выдох» света кристаллом, когда множество возбуждённых частиц одновременно испускают фотоны. Недавно исследователи впервые наблюдали его зеркальное отражение: суперабсорбцию — скоординированный «вдох», при котором кристалл коллективно поглощает свет, словно время потекло вспять.

В 2019 году телескоп Event Horizon подарил человечеству первое изображение тени чёрной дыры. С тех пор астрофизики мечтают о большем: увидеть, как вещество движется в самой воронке пространства-времени. Одна из загадок — хаос. Теория предсказывает, что орбиты частиц у чёрной дыры могут быть регулярными, как сердцебиение, или хаотическими, как шум.