Фотонные часы в природе не существуют, и никто ими, как часами, не пользуется. В основном фотонными часами пользуются, чтобы объяснить, почему и как замедляется время при изменении скорости тела в теории относительности.
Такие часы имеют простое устройство. Это две параллельные отражающие плоскости, между которыми движется фотон.
Фотон отражается от одной плоскости, движется к другой, затем отражается от этой плоскости и возвращается к первой плоскости. Так как скорость фотона постоянна и расстояние между пластинами неизменно, то часы должны быть довольно точными. Период колебания этих часов равен времени пробега от одного зеркала к другому и обратно. Если расстояние между зеркалами равно а, то период колебания таких часов равен Т=2а/c.
А теперь приведем часы в движение со скоростью v.
Теперь путь фотона будет пролегать не по траектории б, туда и обратно, а по траектории вв. Путь от одной поверхности отражения к другой увеличится и станет равным а1. Следовательно, период колебаний часов станет больше. T1=2а1/c. Часы будут идти медленней – время замедлилось.
Все чудесно. Одно не понятно, с какого перепугу фотон, соблюдавший строго закон отражения (угол падения равен углу отражения), вдруг отразился под другим углом отличным от угла падения. Да еще и отразился под углом именно таким, чтобы попасть в центр другого зеркала, улетевшее на какое-то расстояние.
Можно конечно, сказать, что фотон попав в точку О захватился нижним зеркалом и получил дополнительный импульс вправо. В результате этой процедуры фотон должен превысить свою собственную скорость, что, увы, невозможно. Если Вы такие часы начнете двигать, фотон выйдет за пределы отражающих поверхностей и часам конец.
Если же Вы направите исходный фотон при движущихся часах по траектории вв, то эти часы будут работать до тех пор, пока они будут двигаться равномерно и прямолинейно. Как только направление или скорость часов изменится, то сразу же потеряется фотон. А часы без маятника – не часы.
Но ведь при увеличении скорости время замедляется? Часы замедляют свой ход? Да. Но период колебаний увеличивается не за счет увеличения пути фотона, а за счет увеличения времени поглощения и излучения фотона. Мы до сих пор считали, что фотон мгновенно отражается от зеркала. Вернее, даже не считали, а вообще не обращали на этот процесс никакого внимания. Ни в Эйнштейна, ни в Фейнмана, ни у Грина, ни у кого не возникало вопроса: а что происходит во время отражения фотона. А коэффициент преломления показывает, сколь много времени может уходить на процесс поглощения и излучения фотона. И это все из-за того, что фотон длинный – это струна, которую никак не могут найти ученые. Так что как только Вы увеличили скорость часов, фотон начал больше затрачивать времени на процессы поглощения и излучения и период колебаний увеличился. Только есть одна тонкость – ускорять часы для изменения скорости надо только во время поглощения и излучения, иначе потеряется фотон. Кто знает, что такое сила Кориолиса, тот это поймет сразу.
Если фотонные часы мысленный объект, то фотонный ящик это объект реализованный, как говорят, в металле. Этот ящик служит для хранения фотонов с целью их изучения и использования. С. Арош получил за это нобелевскую премию в 2012 году. Эти процессы он изложил в статье “Управление фотонами в ящике и изучение границы между квантовым и классическим”. Статья есть в журнале Успехи физических наук (том 184, №10).
Он использовал фотонный ящик ENS, в котором фотон находился до 170 миллисекунд. Но это ящик не в полном смысле. В закрытом ящике фотон может храниться долго, а это ящик открытый, напоминающий наши часы. И хотя в этом ящике зеркала не плоские, а специальной формы – фотон все равно не мог в нем удерживаться. Зеркала были диаметром 5 сантиметров, а расстояние между ними 2,7 сантиметров. Возможно, манипулирую формой и веществом зеркал, удастся еще немного увеличить жизнь фотона в ящике, но очень долгой жизнь фотона в ящике сделать нельзя. И это нельзя сделать потому что ящик движется относительно вакуума, то есть относительно того же что и фотон. Это происходит из-за вращения Земли вокруг своей оси (смещение Кориолиса), из-за обращения Земли вокруг Солнца и так далее.
В закрытом ящике фотон может хранится долго. Он не выходит за пределы ящика, ибо, дойдя до стенки, он снова отражается обратно в полость ящика. Но с таким фотоном сложно работать, к нему нет обширного доступа. Если же в ящике проделывать какие-то отверстия для входа и выхода, например, частиц, то фотон обязательно рано или поздно выпорхнет через эти проходы.