人類首次發現新光子:質量大、速度慢、相互影響!

2021-03-01 三體引力波

來自2月16日全球頂級學術期刊《科學》的最新消息:美國科學家在實驗室裡發現一種前所未見的奇異光:

由雙光子或者三個光子組合形成的新型光子,具有質量大、速度慢、相互影響等特點。

這不僅是光學領域最新重大發現,而且將在量子應用領域,具有非常實際的重要意義。

先來看看光——按照不同分法,光可以分為很多種:

無線電波、微波、紅外線、近紅外線、可見光、近紫外線、紫外線、X射線、伽馬射線、超高能伽馬射線。

總之,光是人類探知宇宙奧秘、自然規律的最大利器

在粒子物理世界當中,光是由一種基本粒子——光子組成的,

最初愛因斯坦叫它光量子(light quantum)。

你可以理解為一股股的電磁波的能量波包,也就是電磁波的量子。

簡單來說,光子有幾個特點——

負責傳遞電磁力,可以遠距離移動

具有波粒二象性(能夠展現出波動性、粒子性)

靜止質量為0(無質量粒子)

電荷為0

傳播速度為光速(真空中)

……

知道了以上這些,我們就可以理解科學家的最新發現了。

進行該項實驗的哈佛大學和麻省理工學院的科研團隊,是在一種特殊實驗條件下——逼近絕對零度下,

由銣原子形成的「銣原子云」(屬於一種量子非線性介質),

生成了雙光子、三光子,

由此形成了一束非常微弱的雷射束——這就是新型光子。

你可以理解為一對光子或者三合一光子組合成的新光子

這種新型光子跟一般光子相比,具有幾個特點:

我們知道,兩隻手電筒在黑暗狀態下交叉,會是什麼情況?

光束交叉後,還是各行其道。

但最新發現的光子卻不是這樣——兩束新型光子相遇後,就會神奇的合併成一個光束,或者相互拉扯、影響。

根據麻省理工物理學家弗萊迪(Vladan Vuletic)的解釋:新型光子確實可以相互作用!

正是利用這種光子之間的特殊作用,人類就可以按照想要的方式,有效操控、分配量子信息。

這樣的話,一旦用於信息傳輸等領域,尤其在量子計算和信息傳輸上,就會具有非常實際、非常重大的意義。

這項突破性研究現已得到美國國家科學基金會的支持。

相關焦點

  • 光子是靠什麼「動力」瞬間達到光速的?光子:能慢下來才是高手!
    光子說:不是我快了,是你慢了,快不是本事,誰都會。慢意味著積累了能量,才能穩固下來,歷經歲月。波粒二象性是量子力學的核心,詭異的雙縫幹涉實驗,測不準原理,薛丁格的貓,上帝不擲骰子,平行宇宙和它都脫不了干係。
  • 利用光子,「大質量引力」將被看得很清晰
    然而,一個被提出的新的引力波搜尋者,它將測量光和重力粒子如何相互作用,可能會改變這一狀況。在這一過程中,它能回答關於暗能量和宇宙擴張的重大問題。在這篇新論文中,三個研究員提出了一個全新的方法:通過尋找引力子(假設的攜帶地心引力的微粒)與光子之間直接的相互作用的效果來捕捉引力波,光正是由微粒構成的。這篇新論文的作者之一,位於印度焦特布爾的印度理工學院的物理學家Subhashish Banerjee說到,通過研究這些與引力子相互作用後的光子,你將可以還原出一個引力波的性質。
  • 如果光的速度在某種介質中變慢,會對狹義相對論產生什麼影響?
    光在一些介質中竟然變慢了,這其中出了什麼差錯?會影響狹義相對論嗎?麥克斯韋方程組告訴我們,在真空中,光的傳播速度不變,對所有觀察者來說都一樣。這從根本上與19世紀的絕對時間觀相衝突,狹義相對論的假設解決了這一衝突,廢除了這一觀念。
  • 光子速度為真正的光速 為什麼卻不帶多少能量?
    在牛頓的經典物理學中,質量和能量是兩個完全不同的概念,它們之間全完沒有確定的當量關係,一定質量的物體可以具有不同的能量;能量概念也非常局限,力學中的動能、勢能等。在狹義相對論中,能量概念有了深入發展,愛因斯坦發現了質量和能量確定的當量關係,如果物體的質量為m,則相應的能量為 E=mc。
  • 光子跑得那麼快,想慢都慢不下來,它的能量從何而來?
    一個處於運動中的物體,卻不具有能量,這與宇宙的基本規律是相悖的,所以這種情況是不可能發生的,因為一個物體如果不具有靜止質量,那麼它的運動速度就一定是光速,想慢也慢不下來。 在很長一段時間以來,人類都認為原子是構成物質的基本單位,但後來發現並非如此,原子仍然可以細分,它可以分割為原子核與核外電子,而原子核內又包含了質子和中子。
  • 新理論認為,光子可以揭示「有質量的引力子」
    光子可以揭示「大質量引力」,新的理論認為,與世界上最敏感的引力波探測器相比,這是一個激進的新設計。圖解:兩顆中子星合併的藝術家插圖。但是這篇新論文的研究者做出了一系列的理論預測:當一股引力流撞擊一股光子流時,這些光子會散射。而且這種散射會以一種微小的、可預測的模式—物理學家可以使用研究光的量子物理學家開發的技術來放大和研究這種模式。 自愛因斯坦時代以來,將小量子世界的物理學與大規模的引力和相對論物理學聯繫起來一直是科學家們的目標。
  • 光子可能有質量
    於是這些科學家設想了另一種可能性——也許宇宙中有個最大速度,但光子的速度,即使是在真空中的速度,也不一定能達到最大速度,畢竟我們還不知道宇宙中的最大速度到底是多少,有可能比光速大,有可能就是光速。如果光速就是宇宙中的最大速度,那麼從理論公式推導,光子的質量就是零;若光速小於宇宙的最大速度,計算的結果,光子的質量就不是零了。
  • 光的最慢速度是多少?
    現在在雷射領域的各種實用性的突破,根本原因在於人類對雷射本質特徵有越來越深入的了解。只有在理論上先獲得更大的突破,才能創造性的生產出許多自然界根本就不曾存在過的高端技術。因此對雷射和光的追根溯源遠遠沒有結束。雷射是普通光的一種。而光是原子受到激勵,外圍電子向更高的能級軌道躍遷時釋放出來的光子輻射,這種輻射本質上是電磁波的一種,具備波粒二象性。
  • 如果光子有質量,那麼整個現代物理學體系將會怎麼樣?
    簡單理解來說,科學家通過實驗發現了光子和膠子是無質量的,但是引力子和W和Z玻色子是有質量的,那麼肯定就需要有一個理論來解釋了,這就是希格斯機制誕生的原因。基本粒子通過希格斯機制獲得了質量,而一部分粒子沒有任何影響還是零質量。
  • 如果光子有質量,那麼整個現代物理學體系將會怎麼樣?
    基本粒子通過希格斯機制獲得了質量,而一部分粒子沒有任何影響還是零質量。而玻色子中的光子和膠子就屬於沒有被賦予質量的。儘管光子的靜質量為0,但是它是有能量的。因為光子是擁有質量和電荷這些標籤(屬性)的,只是這些屬性的數量值為零。目前主流物理主張,慣性質量的來源是希格斯粒子。
  • 光子:你低估我的速度了,只需一瞬間
    如果飛船的速度再快一點,飛船上光鍾斜線的傾斜角就會越小,從而導致,光子到達反光鏡的路線更長,於是我們就會得到「嘀------------嗒」,也就是說飛船速度越快,嘀嗒的間隔就會越大,飛船上的鐘就會走的越慢!我們可以得出一個震驚的結論「速度時間膨脹」,速度越快時間膨脹得越快!這就是愛因斯坦要告訴我們的「時間是相對的」。
  • 如果光子沒有質量,它是怎麼受到引力的影響的?
    光子一般來說是沒有質量的,這是物理學家在用狹義相對論來形容光子的粒子性時所說的。邏輯是是辯證的,是要從多角度去思考的,就和如下的例子一樣。找一個孤立的系統(稱為「粒子」)並加速它到一個速度v(速度v是矢量)。牛頓定義這個粒子的動量為p(也是矢量)這個動量p在這個粒子加速過程或碰撞中表現為一種簡單的形式。
  • 新理論表明,光子可以揭示「質量與重力」形成的原因
    在一篇新的論文中,三位研究者提出了一種激進的新方法:抓捕引力波,通過尋找引力子之間直接相互作用的影響-攜帶引力的理論粒子-光子,組成光的粒子。通過研究這些光子與引力子的相互作用,應該能夠重建引力波的性質,這篇新論文的合著者,也是印度喬德布爾印度理工學院的物理學家。
  • 直接檢測實驗徹底排除了人類所希望的弱相互作用大質量粒子
    對粒子暗物質的探索使人類開始尋找有可能隨原子核而反衝的弱相互作用大質量粒子。在電弱尺度上或接近電弱尺度的弱力驅動粒子構成暗物質的最佳激勵方案已經被排除。暗物質不僅是宇宙中物質最豐富的形式,也是最神秘的。
  • 光子的靜止質量為零,為什麼還能被黑洞吸引?
    而引力是時空的一種幾何屬性,有質量的物體可以彎曲它附近的時空,引力則是時空彎曲的外在表現,並且質量和能量越大,空間曲率越大,相對應的引力效應就越強。普朗克首次提出了電磁波攜帶的能量是量子化的,不同頻率電磁波的能量量子為hν,而且他認為光子一份一份的能量單元仍然是一種振動的波,但是愛因斯坦則認為這一份一份的能量單元不是那麼簡單的,當時只知道光是一種電磁波。
  • 30萬千米每秒的速度該如何停止?科學家:人類首次讓光停止運動
    根據物理學知識,光在真空中傳播的速度約是30萬千米每秒。同時,我們知道,在人類目前已知領域內,光速代表著物質運動的極限速度。任何具有靜態質量的物體,其運動速度永遠不可能達到或者超越光速。通過進一步物理實驗,我們會發現,當光遇到介質的時候,其運動速度便會減慢。舉個簡單的例子,當光穿過玻璃時,其運動速度減慢為20萬千米每秒。據記載,在2001年時,物理學家通過運用超低溫的鈉原子云,成功地使光子的平均運動速度降至17米每秒。無獨有偶,除了超低溫的鈉原子云,光子晶體同樣會對光子的運動起到較大的阻礙作用。
  • 光子之謎:光子到底有沒有質量?
    ,相信隨著人類智能的發展,這一切玄幻的東西都將被合理解釋。光子既是一種粒子,同時也表現為一種波。那麼,波是有能量無質量,粒子是有質量無能量。光子既可以說是能量(光波),也可以說是質量(粒子),就看以何種角度去看待。質量與能量可以轉換,本源上是一個事物的兩種屬性,其連接的紐帶是速度,也就是E=mc^2。這個速度又正好就是光速,因此,光子就成了最終極的質能轉換媒介。光速c成了理論上不能突破的終極速度。
  • 研究發現單個光子無法超越光速
    ,結果發現在單個光子情形下,愛因斯坦的理論依舊有效:單個的光子速度仍然無法超越光速的極限。 由香港科技大學杜勝望教授領銜的一個物理學家小組近日在《物理評論快報》上發表了他們有關單個光子速度的論文。這一研究結果對於最大信息傳播速度理論有著深遠影響,它首次證實單個光子情形下因果律依然有效,即:結果不能先於原因出現。 愛因斯坦理論中最廣為人知的說法之一就是「光速無法超越」,這也確實是現代物理中最基本的基礎之一。
  • 比光子還快的電子,在這個實驗中電子可以跑贏光子
    愛因斯坦拓展了人類知識的視野,同時也對所有有質量的物體製造了嚴重的物理限制。他發明了一個公式,其中包含以下內容:m-靜止物體的質量,m-運動中的質量,v物體的速度,c-真空中的光速常數等於= 300000千米/秒任何有質量的物體在真空中的傳播速度都不能超過光速隨著物體速度的增加,質量也隨之增加。
  • 光的速度快還是力的速度快?
    先來說說力的概念,現代科學更願意把「力」稱為「相互作用」,因為根據牛頓第三定律,力都是相互的。根據量子力學,力是通過交換特定粒子來實現相互作用的。到目前為止人們發現自然界存在四種相互作用力,即強相互作用、弱相互作用力、電磁力和引力。