Как заставить свет вести себя как кипящую воду: физики увидели фазовый переход в газе фотонов
С водой всё более-менее привычно. Охлаждаем — получаем лёд. Нагреваем — пар. Подбираемся к критической точке — и свойства вещества начинают резко меняться.
Но попробуйте проделать тот же мысленный эксперимент со светом.
Фотоны не лежат в банке, не сталкиваются друг с другом как молекулы газа и, что особенно неудобно, вообще имеют привычку исчезать в стенках сосуда.
И всё-таки физики из Бонна, Гейдельберга и Национального автономного университета Мексики сделали практически именно это: создали двумерный «газ света», подвели его к фазовому переходу и впервые увидели у фотонов характерное критическое поведение.
Самая интересная часть здесь даже не бозе-эйнштейновский конденсат.
Странность в другом: почти не взаимодействующие частицы света начали демонстрировать коллективное поведение по тем же математическим законам, которые описывают фазовые переходы совершенно других физических систем.
Сначала проблема: как вообще сделать газ из света?
Если выпустить фотоны в обычную коробку, газ из них получится довольно плохой.
Молекулу воздуха стенка сосуда обычно просто отбрасывает обратно. Фотон стенка может поглотить — и конкретного фотона больше нет.
Кроме того, обычный газ приходит к тепловому равновесию благодаря огромному количеству столкновений между молекулами. Фотоны в вакууме практически не взаимодействуют друг с другом.
Поэтому исследователи построили довольно хитрую «коробку».
Это оптический микрорезонатор: два зеркала расположены настолько близко, что свет многократно отражается между ними. Пространство для движения фотонов в одном направлении оказывается сильно ограничено, поэтому система фактически становится двумерной.
Между зеркалами находится раствор красителя.
И вот краситель здесь — не декоративная деталь.
Молекулы постоянно поглощают фотоны и снова их испускают. При этих циклах энергия света перераспределяется между фотонами и молекулами красителя.
В результате фотонный газ может термализоваться — то есть прийти к распределению энергий, похожему на распределение частиц обычного газа при определённой температуре.
Фотон исчез при поглощении?
Да.
Потом испустился другой?
Тоже да.
Но для статистической физики важна не биография конкретного фотона, а состояние всей системы.
И это уже первый довольно красивый удар по бытовой интуиции: газ может существовать даже тогда, когда его отдельные «частицы» постоянно уничтожаются и рождаются заново.
А потом свет начали «охлаждать»
Здесь слово «охлаждать» легко понять неправильно.
Исследователи не взяли фонарик и не положили его в морозилку.
В системе с красителем многократные поглощения и переизлучения позволяют фотонам обмениваться энергией со средой. Их распределение постепенно приходит к тепловому равновесию.
А дальше происходит то, ради чего всё строилось.
Когда число фотонов становится достаточно большим, всё больше из них начинают занимать одно и то же низкоэнергетическое состояние.
Возникает бозе-эйнштейновский конденсат фотонов.
Само по себе это уже не новое открытие — фотонные конденсаты экспериментально получают больше десяти лет.
Новым оказалось то, что физики сумели очень внимательно посмотреть на систему не после перехода, а непосредственно при приближении к нему.
И там обнаружилась знакомая странность.
Перед переходом фотоны словно начинают «договариваться» на всё больших расстояниях
Представьте обычный магнит.
При высокой температуре направления микроскопических магнитных моментов сильно перемешаны. Но по мере приближения к температуре фазового перехода возникают всё более крупные области, внутри которых части системы ведут себя согласованно.
Характерный размер таких областей называют корреляционной длиной.
Чем ближе критическая точка, тем она больше.
Причём растёт она не как попало.
У этого роста есть математический закон:
ξ ∝ |T − Tc|⁻ν,
где ξ — корреляционная длина, Tc — критическая температура, а ν — так называемый критический показатель.
И вот здесь начинается самое интересное.
Значение этого показателя определяется не всеми микроскопическими деталями вещества.
Железо не обязано быть похоже на жидкость. Газ атомов — на магнит. Фотоны — на молекулы.
Тем не менее совершенно разные системы около фазового перехода могут подчиняться одинаковым законам.
Это называется универсальностью.
Физики давно умеют наблюдать её в обычных веществах и ультрахолодных атомных газах.
А вот для термализованного газа фотонов такого прямого измерения не было.
До сих пор.
Как измерить корреляцию между фотонами
Одно из зеркал микрорезонатора исследователи предварительно наноструктурировали лазером.
Так внутри него возник потенциал, напоминающий плоскую коробку, в которой удерживался двумерный фотонный газ.
Затем учёные измеряли угловое распределение света, выходящего из резонатора.
После математической обработки — в частности, преобразования Фурье — из этих данных можно восстановить пространственные корреляции фотонов.
И увидеть, как они меняются при приближении к конденсации.
Результат оказался именно таким, какого требует теория критических явлений:
корреляционная длина резко возрастала.
То есть фотоны, находящиеся всё дальше друг от друга, становились частью одного коллективного поведения.
Исследователи смогли определить критический показатель и сопоставить его с предсказаниями для бозе-газа.
По формулировке Боннского университета, эксперимент впервые показал критический скейлинг в фотонном газе и позволил отнести его к соответствующему классу универсальности.
Вот что здесь действительно странно
Никакой отдельный фотон не знает, что система приближается к фазовому переходу.
У неё вообще нет центрального «управляющего механизма».
Но чем ближе переход, тем на больших расстояниях части системы начинают вести себя согласованно.
И эта закономерность почти не интересуется тем, из чего именно сделана система.
Это одна из самых красивых идей статистической физики.
Если смотреть на вещество под микроскопом, вода, магнит, атомный газ и свет устроены совершенно по-разному.
Если же приблизиться достаточно близко к определённому фазовому переходу и смотреть на систему в большом масштабе, многие микроскопические различия становятся несущественными.
Остаются несколько фундаментальных характеристик — размерность системы, симметрия, характер взаимодействий.
Поэтому природа внезапно начинает использовать одну и ту же математику для объектов, которые внешне вообще не похожи друг на друга.
Но означает ли это, что физики сделали «жидкий свет»?
Вот здесь начинается зона, где красивый заголовок легко превращается в хайп.
Нет, исследователи не налили свет в пробирку.
Экспериментальная система очень специальная.
Фотоны удерживаются микрорезонатором. Их эффективное двумерное движение определяется геометрией зеркал. Термализация возникает благодаря постоянному взаимодействию с молекулами красителя.
Кроме того, система не является идеальным равновесным газом в школьном смысле: фотоны постоянно теряются и должны пополняться внешней накачкой.
Авторы специально рассматривают режим, где эти процессы достаточно хорошо позволяют описывать фотонный газ методами равновесной статистической физики.
Есть и ещё одно важное ограничение.
Работа демонстрирует критическое поведение конкретной управляемой фотонной системы. Она не означает, что любой интенсивный свет начинает превращаться в бозе-конденсат или что похожий эффект можно получить между двумя зеркалами дома.
Это лабораторная квантовая система с очень тщательно подобранными условиями.
Тогда зачем всё это нужно?
Прежде всего потому, что фотоны дают физикам необычную площадку для исследования статистической механики.
Параметры такой системы можно менять гораздо свободнее, чем свойства куска реального вещества.
Можно проектировать форму потенциала.
Менять размерность.
Управлять числом фотонов.
Изменять потери и накачку.
И наблюдать, что происходит с фазовым переходом, когда система постепенно отходит от почти равновесного режима.
А это уже особенно интересно: большая часть окружающего нас мира вообще-то находится не в идеальном термодинамическом равновесии.
Так что эксперимент с «газом света» — не попытка сделать странную лампочку.
Это способ взять один из фундаментальных вопросов физики — почему совершенно разные системы около фазового перехода начинают подчиняться одинаковым законам — и проверить его на материи, которая даже не является материей в обычном смысле.
И, пожалуй, именно это здесь самое неожиданное.
Физики заперли свет между зеркалами.
Фотоны постоянно рождались и исчезали.
Почти не взаимодействовали друг с другом.
А когда система приблизилась к фазовому переходу, всё равно начали играть по универсальным правилам коллективной физики.
Не всё так просто.
Первоисточники
Leon Kleebank et al. — Observation of critical scaling in the Bose gas universality class. Science Advances, 2026. DOI: 10.1126/sciadv.aee2942.
University of Bonn — Light gases exhibit critical behavior, 26 августа 2026.
В работе участвовали исследователи University of Bonn, Heidelberg University и National Autonomous University of Mexico.
