Свет поплыл против течения: физики нарушили привычное правило Ньютона

Бросьте лист в реку — и вода понесёт его вниз по течению. Чтобы двигаться в противоположную сторону, лодке нужен мотор, рыбе — мышцы. Поэтому эксперимент, в котором световой луч самостоятельно смещается против потока другой «жидкости света», выглядит почти невозможным. Ещё удивительнее причина: исследователи создали взаимодействие, для которого привычная симметрия действия и противодействия перестаёт работать.

Сразу уточним: физики не отменили третий закон Ньютона для всей природы и не обнаружили лазер, способный произвольно двигаться против течения. Эксперимент относится к специально созданной неравновесной оптической системе с невзаимными взаимодействиями. Именно в ней привычная интуиция классической механики перестаёт быть достаточной.

Что вообще означает «жидкость света»? В вакууме фотоны свободно распространяются и практически не взаимодействуют друг с другом. Но в некоторых нелинейных оптических материалах распространение света зависит от интенсивности излучения. Коллективное поведение светового поля тогда можно математически описывать похожими уравнениями, что и движение некоторых квантовых жидкостей.

Возникает удивительный лабораторный аналог: лазерный свет приобретает свойства, позволяющие говорить о плотности, потоке и взаимодействующих возмущениях. Это не означает, что свет буквально превратился в воду. Зато физики получают удобную экспериментальную модель, в которой сложные явления квантовой гидродинамики можно наблюдать с помощью оптики.

В новом эксперименте исследователи использовали два лазерных луча, проходивших через нелинейный кристалл. Широкий луч играл роль движущейся жидкости, а более узкий — своеобразного пловца. Наклоняя широкий луч, экспериментаторы задавали направление и скорость поперечного оптического потока.

Казалось бы, дальше должно происходить нечто совершенно предсказуемое. Поток воздействует на узкий луч и увлекает его за собой — примерно как река воздействует на плавающий предмет. В контрольной конфигурации исследователи действительно наблюдали движение вниз по потоку.

Но при изменении характера взаимодействия произошло противоположное. Узкий световой луч начал смещаться навстречу оптическому течению. Он буквально выполнял роль пловца, который без видимого двигателя движется вверх по реке.

Секрет заключался в невзаимности взаимодействия двух компонентов. В привычной механической картине мы ожидаем симметрии: если объект A воздействует на B определённой силой, то B отвечает A равной по величине и противоположной силой. Это и есть знаменитая схема действия и противодействия, связанная с третьим законом Ньютона.

Однако эффективные взаимодействия в специально созданных неравновесных системах могут быть невзаимными. Грубо говоря, влияние первого компонента на второй уже не обязано зеркально повторять влияние второго на первый. В результате динамика всей системы приобретает свойства, невозможные для обычной пары частиц с простыми взаимными силами.

В эксперименте узкий луч деформировал окружающую его оптическую жидкость несимметрично. С одной стороны от «пловца» интенсивность становилась выше, чем с другой. Возникшая асимметрия, в свою очередь, воздействовала на сам луч таким образом, что он смещался против направления потока.

Можно представить человека, стоящего между двумя пружинами. В обычной системе изменение одной стороны вызывает предсказуемую ответную реакцию другой. Здесь же словно одна пружина воздействует на человека сильнее, чем человек способен воздействовать на неё обратно. Такая аналогия несовершенна, но показывает, почему поведение становится настолько непривычным.

Особенно любопытно, что эффект не усиливался бесконечно с увеличением скорости или плотности оптической жидкости. Максимальное движение против потока наблюдалось при промежуточных значениях этих параметров. При слишком слабом потоке взаимодействия недостаточно для выраженного эффекта, а при слишком сильном система снова ведёт себя иначе.

Подобная зависимость характерна для многих сложных нелинейных систем: максимальная реакция возникает не на границе возможностей, а в определённом диапазоне условий. Поэтому исследователям пришлось искать своеобразную «золотую середину», при которой асимметрия вокруг пловца становилась наиболее эффективной.

Ранее физика уже знала примеры движения против потока в необычных средах. Но механизм мог сохранять привычный баланс импульса, например посредством образования и отделения вихрей. Новый эксперимент интересен тем, что движение возникает именно из-за искусственно созданной невзаимности эффективных взаимодействий.

Это сближает квантовую оптику с ещё одной быстро развивающейся областью — физикой активной материи. К активным системам относятся, например, коллективы микроорганизмов или искусственных микрочастиц, способных получать энергию из окружающей среды и превращать её в направленное движение. Такие системы находятся далеко от равновесия и демонстрируют поведение, которого нет у обычной пассивной материи.

Теперь похожие идеи можно исследовать в оптической квантоподобной среде. Свет становится удобной экспериментальной площадкой: форму, интенсивность и направление лазерных лучей можно чрезвычайно точно контролировать, а происходящие изменения — непосредственно регистрировать.

Важно, что эксперимент пока не проводился с материальной квантовой жидкостью вроде ультрахолодного атомного газа или сверхтекучего гелия. Исследователи создали оптический аналог. Поэтому следующий интересный вопрос заключается в том, удастся ли воспроизвести сходное движение в других квантовых платформах.

Практическая перспектива связана с устройствами, способными управлять распространением сигналов асимметрично. Невзаимные взаимодействия уже интересуют разработчиков фотонных и квантовых технологий, поскольку позволяют создавать системы, где сигнал распространяется или воздействует на соседние элементы различным образом в зависимости от направления.

Но пока главный результат фундаментальный. Эксперимент показывает, насколько странной становится динамика, если убрать одно из наиболее привычных для нас условий — взаимность взаимодействия. Световой «пловец» не обладает мотором и не принимает решение двигаться против течения. Направление возникает из самой архитектуры взаимодействий.

Поэтому говорить, что учёные просто «сломали третий закон Ньютона», было бы слишком громко. Они сделали нечто интереснее: построили систему, в которой привычная симметрия действия и противодействия не является подходящим описанием эффективных сил между компонентами. И оказалось, что этого достаточно, чтобы свет начал вести себя почти как живой пловец, упорно движущийся против течения.