Существуют ли электромагнитные волны отрицательной частоты и фотоны отрицательной энергии?

Можно ли представить себе свет с отрицательной частотой? (Иллюстрация Aurich Lawson / Thinkstock.)

Как известно, если из уравнения следует что-то, чего, на взгляд физика, не существует, то обычно пишут: «Не имеет прямого физического смысла» или «Смысл пока остаётся неясным». Иногда, правда, через какое-то время оказывается, что смысл всё-таки есть.

Именно так, похоже, обстоит дело с уравнениями Максвелла, описывающими распространение света. Уравнения требуют, чтобы мы считали электромагнитное поле имеющим как положительную (нормальную), так и отрицательную частоту. При этом негативная частота должна обозначать волну, состоящую из фотонов негативной (отрицательной) энергии. Как к этому относились? Ну, скажем так, спокойно. Долгое время (с позапрошлого века) никто даже не думал заявлять: «Надо бы нам поискать фотоны отрицательной энергии».

Группа исследователей под руководством Э. Рубино из Инсубрийского университета (Италия) представила работу, в которой утверждает, что с уравнениями Максвелла всё в порядке.

По мнению учёных, в определённом смысле негативные частоты могут наблюдаться посредством генерирования с их помощью излучения с положительной частотой (нормального излучения). Для этого они проверили идею на распространении лазерного импульса в оптически прозрачной среде при условиях возникновения эффекта Вавилова — Черенкова. При очень мощных и коротких импульсах лазера электромагнитное излучение начало возбуждать электроны материала среды. И те стали излучать свет с меньшей длиной волны, чем у самого лазерного импульса (сдвинутой ближе к фиолетовой части спектра).

В этом случае, если мы учтём компонент положительной частоты, то у уравнений будет четыре решения: относящиеся к световым волнам, имеющим положительную и отрицательную частоту, и волнам, путешествующим через среду в том же и в прямо противоположном направлении относительно первоначального импульса света.

Два последних решения физики проигнорировали. Из оставшихся одно имеет положительную частоту, распространяется вместе с первоначальным импульсом и может быть усилено. Именно это и есть нормальный случай распространения света. Последнее решение — свет отрицательной частоты, также распространяющийся совместно с первоначальным импульсом. Все полагали, что это артефакт, ведь фотонов с отрицательной энергией «не бывает».

Интересно, что при этом, рассматривая его как реально существующее, следует признать, что отрицательным компонентом излучения с отрицательной частотой является излучение с положительной частотой (нормальное). Таким образом, несмотря на то что напрямую зафиксировать свет отрицательной частоты (фотоны отрицательной энергии) невозможно, его опосредованное влияние на усиление нормального света всё же существует, и, как предположили учёные, его можно рассчитать, а расчёты — подтвердить экспериментально.

Как во фториде кальция, так и в оптоволоконных средах третий импульс света, в полном соответствии с расчётами, был обнаружен. (Иллюстрации E.Rubino et al.)

В конкретных условиях прозрачной среды, куда попадает лазерное излучение, кроме первого светового импульса (лазера) и второго (от возбуждённых им электронов), должен наблюдаться третий импульс нормального света (отрицательный компонент излучения с отрицательной частотой). По идее, он должен быть сдвинут ещё дальше в фиолетовую часть спектра, нежели два вышеописанных. Очевидно, что если он генерируется, то в спектре излучения должен наблюдаться резкий скачок более высокой частоты.

Естественно, пришлось провести эксперимент. Он — как вы уже догадались — показал, что в определённом смысле излучение с отрицательной частотой существует. Пик более высокой частоты, следовавший из теоретического существования излучения с отрицательной частотой, действительно наблюдался.

Конечно, излучение с негативной частой возникало лишь в случае существования обычного импульса света, создающего свой негатив. И тем не менее речь идёт о чём-то чрезвычайно необычном. Что такое фотон с отрицательной энергией? Возможен ли его анализ в поле классической электродинамики? Нужна ли для этого квантовая электродинамика и как физически интерпретировать свет с отрицательной частотой? Насколько влияние излучения такого рода может присутствовать в важнейших наблюдаемых астрофизических явлениях?..

Все эти вопросы исследователи в рамках своей краткой работы оставили без ответа. Однако значимости их открытия это не снижает: в конце концов, Эйнштейн тоже до поры не знал, что из его уравнений следует нестационарность Вселенной.

Соответствующая публикация появилась в журнале Physical Review Letters.

Подготовлено по материалам Ars Technica.