Топология света: новый ключ к нагреву термоядерной плазмы

Свет пронизывает наш мир, позволяя нам видеть, общаться и исследовать Вселенную. Он также играет важную роль в исследованиях термоядерного синтеза, одного из самых перспективных источников чистой энергии.

Недавно ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) совершили удивительное открытие о фотонах — частицах света. Оказалось, что одна из фундаментальных характеристик фотона, его поляризация, обладает топологической природой.

Топология: неизменность в мире перемен

Что такое топология? Представьте себе резиновую ленту, завязанную в узел. Вы можете растягивать, сжимать и изгибать ленту, но узел останется. Точно так же топологические свойства не меняются при деформации объекта.

Ученые выяснили, что поляризация фотона — направление колебаний его электрического поля — остается неизменной, независимо от того, через какие материалы или среды фотон проходит.

Поляризация: ключ к поведению света

Поляризация влияет на направление движения фотона и ограничивает его распространение в пространстве. Например, луч света, состоящий только из фотонов с одним типом поляризации, не может проникнуть во все части пространства.

Это открытие может иметь важные последствия для исследований термоядерного синтеза. Ученые используют лучи света для нагрева плазмы в токамаках — устройствах, предназначенных для удержания высокотемпературной плазмы с помощью магнитного поля.

Топологические волны: новый инструмент для нагрева плазмы

«Более точное понимание фундаментальной природы фотонов может помочь ученым создать более эффективные лучи света для нагрева и измерения плазмы», — говорит Хун Цинь, ведущий физик-исследователь в PPPL.

Одной из ключевых задач в исследованиях термоядерного синтеза является создание топологических волн в плазме. Эти волны представляют собой устойчивые возмущения, которые могут помочь поддерживать высокие температуры, необходимые для термоядерного синтеза.

Топологические волны встречаются и в природе, например, в атмосфере Земли, где они способствуют возникновению Эль-Ниньо — явления, связанного с аномальным потеплением воды в Тихом океане.

Спин и орбитальный момент импульса фотона: неразделимые части целого

Ученые также обнаружили, что вращение фотона нельзя разделить на внутренний и внешний компоненты, как это можно сделать для вращающихся объектов с массой.

«Большинство экспериментаторов полагают, что момент импульса света можно разделить на спиновый и орбитальный моменты импульса», — говорит Эрик Палмердука, аспирант Принстонской программы по физике плазмы. «Однако, среди теоретиков давно идут споры о том, как правильно сделать это разделение или вообще возможно ли это сделать».

Исследование Палмердука и Цинь показало, что момент импульса фотона нельзя разделить на спиновый и орбитальный компоненты из-за топологических свойств фотона, таких как его поляризация.

Новый взгляд на старые теории

Это открытие вносит поправки в работы выдающегося физика XX века Юджина Вигнера, который разработал систему классификации всех возможных элементарных частиц во Вселенной.

Система Вигнера работает для частиц с массой, но дает неверные результаты для безмассовых частиц, таких как фотоны.

Палмердука и Цинь показали, что, используя топологию, можно модифицировать классификацию Вигнера для безмассовых частиц и получить описание фотонов, которое работает во всех направлениях одновременно.

Топологические волны и будущее термоядерного синтеза

В будущих исследованиях Цинь и Палмердука планируют изучить, как создавать полезные топологические волны, которые нагревают плазму, и избегать нежелательных волн, которые отводят тепло.

«Некоторые вредные топологические волны могут возбуждаться непреднамеренно, и мы хотим понять их, чтобы их можно было удалить из системы», — говорит Цинь. «В этом смысле топологические волны похожи на новые породы насекомых. Некоторые из них полезны для сада, а некоторые — вредители».

Открытия ученых из PPPL дают нам более глубокое понимание природы фотонов и открывают новые пути для исследований термоядерного синтеза — одного из самых перспективных источников чистой энергии будущего.

В статье говорится, что поляризация фотона — это топологическое свойство. Но ведь поляризация может меняться при прохождении света через некоторые материалы, например, поляризаторы. Как же тогда поляризация может быть топологическим инвариантом?

Действительно, поляризация луча света, то есть совокупности множества фотонов, может изменяться при прохождении через поляризаторы. Однако поляризация отдельного фотона, как утверждается в исследовании, остаётся неизменной. Поляризатор не меняет поляризацию фотона, а просто «отфильтровывает» фотоны с нежелательной поляризацией.

Как связаны топологические свойства фотона с его безмассовостью? Может ли массивная частица, например, электрон, обладать аналогичными топологическими характеристиками?

Топологическая нетривиальность фотона возникает из-за «дыры» в пространстве импульсов, связанной с отсутствием фотонов с нулевым импульсом. Эта «дыра» является следствием безмассовости фотона, так как частицы с ненулевой массой всегда имеют ненулевой импульс. У массивных частиц пространство импульсов имеет другую топологию, и поэтому их топологические свойства отличаются от свойств фотонов.

Ученые говорят, что топологические волны могут быть как полезными, так и вредными. В чём состоит разница между ними, и как ученые планируют «отделить зёрна от плевел»?

Полезные топологические волны могут эффективно переносить энергию и способствовать нагреву плазмы. Вредные волны, наоборот, могут приводить к потерям энергии и ухудшению удержания плазмы. Чтобы отличить полезные волны от вредных, ученые изучают их характеристики, такие как частота, длина волны и поляризация. Также они разрабатывают методы возбуждения и управления топологическими волнами, чтобы селективно создавать полезные волны и подавлять вредные.

В статье упоминается теорема о «волосатом шаре», которая, казалось бы, запрещает создание источника света, излучающего фотоны во всех направлениях одновременно. Как же тогда существуют обычные лампочки?

Теорема о «волосатом шаре» действительно утверждает, что невозможно «расчесать» все «волоски» на сфере без создания «вихря». Однако она не учитывает вращение «волосков», то есть вращение электрического поля фотонов. Именно благодаря вращению электрического поля лампочки могут излучать свет во всех направлениях.