Sciencemag.cz
Doporučujeme
Vědci analyzovali chování světelných pulzů, které se přenášely skleněnými vlákny dlouhými tisíce kilometrů a tenkými jen mikrometry. „Zjistili jsme, že světelné pulzy se zhruba po sto kilometrech uspořádají a pak se chovají spíše jako molekuly běžného plynu,“ uvádí Ulf Peschel z Univerzity Friedricha Schillera v Jeně.
V plynu se částice pohybují různou rychlostí, ale mají střední rychlost odpovídající teplotě. Podobně světlo se šíří skleněným vláknem průměrnou rychlostí asi 200 000 kilometrů za sekundu, ale pulzy nejsou všechny stejně rychlé. Statistické rozdělení jejich rychlostí se přesně rovná rozdělení rychlostí běžného plynu s pevnou teplotou. Fotonový plyn lze dále ovládat prostředky obdobnými manipulaci s běžným plynem, např. ho ochladit prostřednictvím adiabatické expanze (zvětšování objemu bez výměny tepla s okolím). Při ochlazování se snižují rozdíly mezi rychlostmi, a tím se zvyšuje uspořádání. Kdyby šlo docílit 0 K, pak by se všechny světelné pulzy začaly pohybovat přesně stejně rychle.
Možný je ale i opačný proces, tedy „zahřívání“ optického plynu. Ulf Peschel dále říká, že v reálném plynu je tento proces limitován, protože dosáhnout úplně náhodné rychlosti molekul („všechny rychlosti se stejnou pravděpodobností“) by odpovídalo nekonečné teplotě a vyžadovat dodat systému nekonečnou energii. V systému s optickým plynem ale něco takového možné je (pomocí periodické modulace indexů lomu ve vláknu), ba dokonce lze pokračovat dál a dodáním další energie docílit toho, že čím vyšší rychlosti, tím budou zastoupeny častěji – plyn je pak „teplejším než nekonečně horkým“, což odpovídá záporné termodynamické teplotě, alespoň matematicky. Vědci takový systém nyní i připravili, mají v něm dále platit běžná pravidla termodynamiky.
Příslušné výzkumy jsou samozřejmě zajímavé teoreticky, ale mají vztah i k optickým přenosům dat, výsledky by mají podle autorů umožňovat např. zvýšení robustnosti/spolehlivosti přenosů.
A. L. Marques Muniz et al, Observation of photon-photon thermodynamic processes under negative optical temperature conditions, Science (2023). DOI: 10.1126/science.ade6523. www.science.org/doi/10.1126/science.ade6523
Zdroj: Friedrich Schiller University of Jena / Phys.org
Poznámky PH (zcela laické):
U světla se budou na rozdíl od plynu snižovat s teplotou pouze rozdíly v rychlostech, nikoliv průměrná rychlost jako taková?
Jakou roli zde hraje délka/tloušťka vlákna?
Popsané jevy se vždy projevují asi jen pro nějaký malý rozsah vlnových délek?
Jak mohou být „všechny rychlosti“ světla zastoupeny stejně často, když shoda zde existuje limit 300 000 km/s?
Co u světla přesně znamená adiabatická expanze? Že se někde zvětší průměr vlákna?
Viz také: Co jsou to systémy se zápornou termodynamickou teplotou
Myslím, že adiabatické expanze či komprese je dosahováno změnou optického indexu prostředí (viz: „pomocí periodické modulace indexů lomu ve vláknu“), což bych chápal jako jakýsi proces pumpování?
I u plynů se klesající teplotou teplotou klesají rozdíly v rychlostech a nikoliv průměrná rychlost. Když kolem sklenice se studenou vodou poletíte raketou, tak tím tu vodu neuvedete do varu. Tato nejasnost asi vznikla tím, že plyn je obvykle popisován v soustavě, kde je průměrná rychlost nula, zatímco u těch fotonů se popis provádí v soustavě, kde je jejich průměrná rychlost 200 000 km/s.
jojo, ja rychlost predstavoval jako absolutni hodnotu vuci prumeru 0, ne vektorove. nebo o to nejde?
U plynů s klesající teplotou klesá střední kvadratická rychlost (a dalo by se tak říci „průměrné“) rychlosti částic plynu a předpokládám, že s fotony to bude obdobně. Tedy fotony v daném vlákně nemají všechny dokonale stejnou rychlost natož pak v jednom stejném směru (tedy obecně ve vláknu asi „tam“ či „zpět“ ano, ale předpokládám, že se nepodařilo dosáhnout dokonale paralelních fotonů ve všech místech vlákna. To si ani neumím představit. Takže se změnou indexu se bude měnit i střední kvadr. rychlost fotonů. Obzvláště pak, pokud světelné pulzy nebyly monochromatické.
Klesá střední kvadratická odchylka od průměrné rychlosti, ne střední kvadratická rychlost. Viz můj příklad s raketou letící kolem sklenice se studenou vodou¸- pozorovatel v raketě nevidí, že se vaří. (Přesněji by se mělo mluvit o hybnostech.)
Samozřejmě, pokud popisujete plyn v soustavě spojené s jeho těžištěm, je to to samé (a tak se to většinou dělá).
No, to rozhodně nesouhlasím. Mění-li se optický index, mění se i střední kvadratická rychlost vůči pozorovateli. Opět upozorňuji na mou předchozí úvahu, ne všechny fotony mají stejnou rychlost a její směr, už z principu. Srovnání s raketou je v tomto směru nesprávné, tj., nezpomalujeme letící nehybný objekt, ale plyn samotný. Tudíž mění se nám nejen rozložení rychlosti, ale i střední hodnota její velikosti. Opět upozorňuji – ne všechny fotony v pulzu ve vlákně letí stejným směrem a stejnou rychlostí, což je klíčové pro daný jev. Samozřejmě, pokud by se jednalo o absolutně monochromatické, absolutně nedivergentní světlo, pak by to byl případ „s raketou“, čehož ve skutečnosti lze jen těžko dosáhnout.
Pro zlepšení představy – stane-li se světelný pulz jakýmsi balíčkem letícím rychlostí V, pak pomalejší fotony se pohybují vůči balíčku v „protisměru“ a rychlejší „rychleji po směru“ nehledě na pohyby do stran (reálný nedivergentní paprsek). To pak tvoří směsici rychlostí, z nichž lze určit střední kvadratickou rychlost – počítáno vůči balíčku jako celku. Tedy krabice letícího plynu, u níž lze stanovit stř.kv.r. a tudíž „teplotu“.
pardon: (reálný DIVERGENTNÍ paprsek)
Promiňte, ale uvědomte si, v jaké souvztažné soustavě to chcete popisovat. Půlka příspěvku je v soustavě spojené s laboratoří a druhá v soustavě spojené s „balíčkem“.
Ten příklad s tou vodou je naprosto správný, i v té vodě se jednotlivé molekuly pohybují různými rychlostmi, při popisu v soustavě spojené s tou sklenicí se některé pohybují po směru a jiné proti směru pohybu rakety, v soustavě spojené s raketou se některé pohybují rychleji a jiné pomaleji – přesně to, co píšete o fotonech v tom „balíčku“. A teplota vody nezávisí na rychlosti rakety, ale jen a pouze na odchylce rychlostí jednotlivých molekul vody od průměrné rychlosti, tedy rychlosti celé sklenice.
Nezlobte se na mě, ale není. Vezmete-li v potaz odrazy a pohyby v příčném směru vlákna, bude se s měnícím se indexem měnit jak rychlost vůči střední rychlosti balíčku, tak vůči pozorovateli, vč. jejího rozložení. Zkuste si to, prosím, nakreslit a soustřeďte se pro jednoduchost na složky rychlostí v příčném směru, nehledě na změnu indexu spojenou s následným zvětšením či zmenšením rozptylu fotonů ve svazku vůči podélnému směru vlákna.
Příklad s raketou není správný, protože sklenice vody nemění rychlostní profily v závislosti na rychlosti rakety. Zde nepohybujete raketou, ale sklenicí v níž dochází při průletu různými prostředími ke změnám vektorů (aby to bylo zřejmější) rychlostí molekul.
Prostě autoři článku mají pravdu.
Ano, autoři článku mají pravdu, teplota fotonového plynu závisí na rozdílu rychlostí fotonů (jak se tady snažím stále vám vysvětlit a jak to stojí v tom článku), ne na rychlostí fotonů v laboratorní soustavě (což, pokud vás dobře chápu, tady stále dokola tvrdíte vy). Pokud jste to myslel jinak, tak se omlouvám, ale váš výklad jsem vůbec nepochopil.
No tak to jen viz můj první příspěvek. Kde vidíte, že hovořím o absolutní rychlosti fotonu???
To Vy jste začal s těmi vztažnými soustavami a tou sklenicí, která nebyla vhodným příměrem, protože nepopisuje ani stav fotonů ve vztažné soustavě vůči sobě jako „klubku“, ani vůči pozorovateli, což jsem jako odbočku zdůraznil. Naopak se snažím vysvětlit, že vlivem změny optického indexu dojde ke změnám rychlostí (jakožto vektorových veličin, ať je to jasnější) a tudíž i v rozložení rychlosti (vlivem okolností již mnou popsaných).