Принцип квантовой электродинамики в резонаторах: сложная физика на примере просто гонга
Предложенный опыт с китайским гонгом по концепции повторяет эксперимент Карла Дрексхаге — изменение времени жизни возбужденных состояний атомов вблизи зеркала. Это явление относится к первым экспериментам в области квантовой электродинамики в резонаторах. Эксперимент описан в статье в Physical Review Letters.
В классическом эксперименте 1968 года Карл Дрексхаге помещал очень тонкий слой флуоресцентного комплекса европия рядом с зеркальным слоем серебра, золота или алюминия. Расстояния между красителем и зеркалом были строго определены и колебались от единиц до сотен нанометров. Физик облучал комплекс ультрафиолетовым излучением, после чего следил за тем, как быстро затухает его красное свечение.
Оказалось, что время затухания свечения зависело от расстояния между зеркалом и флуоресцентным красителем. К тому же оно изменялось периодически — увеличиваясь и уменьшаясь. Это явление объясняется интерференцией между излучением, испускаемым красителями и отраженным излучением от зеркала.
В следующих экспериментах другие группы ученых добавили к установке второе зеркало, получив резонатор, и показали, что в нем можно настраивать и изучать квантовые состояния одиночных частиц. За это в 2012 году Сержу Арошу и Дэвиду Вайнленду дали Нобелевскую премию по физике.
В новой работе ученые нашли способ построить аналогичный по концепции акустический эксперимент. В роли возбужденного атома физики использовали китайский гонг сhao. Он представляет собой круглую латунную пластину с загнутыми краями. Гонг помещали рядом с бетонной стеной на различных расстояниях и изучали то, как менялись спектральные характеристики звука и его продолжительность.
Физики обнаружили, что с изменением расстояния между стеной и гонгом продолжительность звучания менялась — возрастая и убывая, как и в эксперименте Дрексхаге. Кроме того, ученые обнаружили, что при расстоянии до стены в 20 сантиметров резонансы колебаний пластинки сместились на 0,1 герца. Вероятно, это произошло из-за деформации гонга отраженными звуковыми волнами.
Кроме того, авторам удалось извлечь информацию об эффективности преобразования механической энергии колебаний гонга в звук. Это прямая аналогия исследованию квантового выхода флуоресценции в резонансных экспериментах.
Физики надеются, что эксперимент с гонгом может стать наглядной аналогией оптическим экспериментам с флуоресцентными красителями. Вместе с тем, сам акустический эффект может послужить хорошим тестом для проверки добротности гонгов и наличия в них дефектов.
Владимир Королёв