За последние несколько лет было много очень вдохновляющих новостей типа "свет удалось замедлить до" каких-то смешных скоростей, сравнимых с пешеходной, а потом, закрыв интригу, "удалось остановить свет". Меня много раз ставили в известность об этом в комментариях под заметками о теории относительности, что, в зависимости от тона комментария, было порой приятно, порой забавно, а иногда вызывало чувство снисходительной жалости. Давайте обсудим эти действительно выдающиеся результаты, и проясним границы территорий.
Итак, когда мы говорим про движение света в теории относительности, имеется в виде свет в вакууме. Если мы и рассматриваем заполненную веществом область, то свету это вещество не мешает. На самом деле, свет здесь для красного словца: речь идет о светоподобных линиях: геодезических, просто каких-то кривых или даже прямых, в зависимости от контекста. Если и говорить о сигналах, то всегда можно найти такую волну, которая пройдет через вещество с пренебрежимо малой задержкой.
В вакууме свет движется с максимальной скоростью независимо от частоты/длины волны. Это не потому, что стоит знак "1.08 млрд км/ч" на белом фоне в красном круге и Polizia Stradale лютует. Аналогия скорее — это рыцарь, который 24 часа скачет на коне предельно быстро. Он за сутки пройдет больше любого другого, но не потому, что есть ограничение. А потому, что больше 24 в сутках скакать нельзя в принципе. Хотя вообще конь не способен скакать галопом или там карьером сколько-нибудь долго: это вам не автомобиль.
Или мельник, который мелет муку: он производит, скажем, мешок в час, что дает 24 мешка в сутки, и больше не выжать. Обычно меньше, потому что надо же и поспать.
В среде свет может двигаться по-разному, и вообще говорить о скорости приходится с пояснениями. Чистая гармоника имеет "фазовую скорость", которая в среде зависит от частоты и коэффициента преломления, который сам зависит от частоты. В итоге получается дисперсия: разные волны разделяются. Можно и радугу устроить, пустив свет в среду под углом: те, кто движутся быстрее, пройдут дальше и повернут меньше, чем тихоходные, и свет разделится на спектр. Сложный сигнал разделится на "ноты", которые могут сильно разойтись по времени, и прибыть по очереди, и о сигнале вообще уже не приходится говорить.
Фазовая скорость в некоторых средах может быть больше скорости света в вакууме, хотя обычно она меньше. Но если и больше, это не противоречит теории относительности, потому что это просто синус, одна "нота".
Поясню на примере звуковых нот. В километре от вас поет в записи тенор, вы слышите его с задержкой где-то в секунду. Если воздух чист и неподвижен, то "о нон лашьяр ми но но но" доносится вполне красиво, хоть и с задержкой. Если в воздухе туман, то звук будет искажен, так как что-то вообще не дойдет, а что-то отстанет, и это будет слышно.
Но вдруг запись заело и звучит одно "ноо ноо ноо ноо ноо ноо ноо ноо..." Так-то "там" прозвучало "ноо" и вы услышали "ноо", без задержки или почти без. А они неразличимы же. Вот и получается, что скорость куда выше скорости звука. Но нет, это фазовая скорость и она не отвечает никакому сигналу.
И гармонику нельзя "включить" и послать сигнал — нет, синус изначально из бесконечности в бесконечность волнами убегает. Любое включение — это уже не фазовая скорость и нужно лезть глубже. Но ни при каких обстоятельствах сигнал быстрее, чем свет в вакууме, не передать.
Есть групповая скорость: это скорость огибающей. Если упрощенно, то это скорость пакета при условии, что он смещается как целое, без искажений. Иногда говорят про скорость максимума. Ее тоже можно сделать выше скорости света в вакууме, но с натяжкой и предварительно подготовив почву, так что сигнал быстрее не передать и противоречий нет.
Скорость передачи сигнала, информации, воздействия — всегда меньше скорости света в вакууме.
Теперь про остановку света или замедление до очень малых скоростей. Вообще, дать свету поглотиться — никакая не проблема. Поставьте черную пластинку на пути света, и она его поглотит. Нагреется. И излучит свет обратно. Правда, другой частоты, в случайном направлении, и если свет нес какой-то сигнал, то сигнал будет потерян.
Допустим, монахи шли так, чтобы первые буквы в имени монахов составляли тайное послание синьору герцогу. А на дороге монастырь! Братья зашли туда, попировали... а наутро те же или другие монахи пошли дальше. Но теперь имена монахов подчинены статистике имен в данной местности и никакого сообщения не несут.
Кстати, если монахи идут чередой и строго "брат Бруно, брат Иридий, брат Павел" и далее так же, то сигнал БИП идет себе, повторяясь. И если монах прибывает каждые 20 минут, то сообщение приходит раз в час. И хотя весь путь монахи проходят за две недели, но БИП приходит каждый час. Только толку от него немного.
Теперь допустим, что мы "научили" атомы материала излучать ровно тот же свет, который они поглотили: теперь уже сигнал движется в веществе с пониженной групповой скоростью. Если атомы излучают свет обратно с задержкой, то сигнал будет идти замедленно.
В терминах монахов, если настоятели монастырей проинструктированы выпускать монахов с теми же именами в том же порядке, то сообщение будет передаваться. Но замедленно. Тем замедленнее, чем дольше длится пирушка.
Замедление может быть каким угодно, хотя в целом сообщение будет доставлено. Можно и вообще остановить свет. В терминах монахов, если они войдут в штопор и начнут осваивать погреба всерьез. Но сообщение-то никуда не делось и в любой момент его можно отправить дальше.
Это открывает возможности хранения информации в фотонной форме: такой материал запомнит сигнал и будет хранить его. Главное, уметь его оттуда вытащить. Большие задержки тоже можно использовать как память, но теперь оперативную, временную. Пустил сигнал в кристалл, он пройдет через него с задержкой. То есть, будет запомнен на какое-то время, а потом можно повторить.
Если можно заставить два сигнала взаимодействовать (интерферировать) так, чтобы, например, получались побитовые операции, то это фотонный процессор... но это уже совсем другая история. Не знаю, будет ли когда-нибудь такое, но перспективы для запоминания информации уже интересные.
