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

1. Leon Kleebank et al. — Observation of critical scaling in the Bose gas universality class. Science Advances, 2026. DOI: 10.1126/sciadv.aee2942.

2. University of Bonn — Light gases exhibit critical behavior, 26 августа 2026.

3. В работе участвовали исследователи University of Bonn, Heidelberg University и National Autonomous University of Mexico.

Таким зумом обладает военная мультисенсорная оптико-электронная система наблюдения (поворотная PTZ-видеокамера с тепловизором).

Такие комплексы дальнего действия используются для охраны границ, береговой обороны и обнаружения беспилотников. Они оснащаются мощными объективами с многократным оптическим зумом, лазерными дальномерами и охлаждаемыми тепловизионными модулями, что позволяет обнаруживать и детально распознавать объекты на расстоянии в десятки километров в любых погодных условиях.

Исследователи ETH Zurich представили фурье-пиксель — миниатюрный оптический элемент, способный не только формировать световые изображения, но и анализировать падающий на него свет. Обычные пиксели выполняют только одну функцию: элементы дисплея излучают или направляют свет, а пиксели камеры его регистрируют. Новая разработка объединяет оба направления в одной структуре.

Фурье-пиксель способен работать не только с яркостью изображения. Он управляет и измеряет амплитуду, фазу и поляризацию световой волны. Благодаря этому устройство может создавать цветные изображения, фокусировать свет, формировать сложные трёхмерные структуры и необычные вихревые лучи с тёмным центром.

В основе технологии находятся микроскопические волнообразные структуры, изготовленные с точностью до нескольких нанометров. Падающий свет преобразуется в поверхностную плазмонную волну, которая распространяется вдоль металлической поверхности. Затем специальный рельеф рассеивает её обратно в пространство, создавая заранее рассчитанное световое поле. Необходимая форма поверхности определяется с помощью преобразования Фурье.

Этот процесс работает и в обратном направлении. По интерференционному рисунку фурье-пиксель может анализировать характеристики входящего света. В одном из экспериментов устройство одновременно измеряло фазовый градиент падающей волны и создавало сфокусированную световую точку над поверхностью чипа.

В перспективе технология может применяться в дисплеях со встроенной функцией камеры, голографических системах, адаптивной оптике, оптической связи и квантовых устройствах. Теоретически будущий ноутбук сможет снимать пользователя через сам дисплей, без отдельного отверстия для веб-камеры.

Однако готового экрана-камеры пока не существует. Исследователи продемонстрировали отдельные лабораторные пиксели с размерами в десятки микрометров. Теперь команда планирует создать полноценную матрицу, состоящую из множества таких элементов.

Сможет ли фурье-пиксель однажды объединить дисплей, камеру и оптический процессор в одном устройстве?

Это видео из моего модуля Wave Optics - симуляции интерференции и дифракции света на одной щели, двух щелях и дифракционной решётке.

Здесь свет представлен именно как волна. Снизу на экран с прорезями приходит плоская волна, проходит через открытые щели и дальше распространяется уже от каждой из них. Волны накладываются друг на друга: там, где их фазы совпадают, они усиливаются, а там, где приходят в противофазе, гасят друг друга. Так постепенно и появляется интерференционная картина.

Самое интересное, что полосы на экране здесь не нарисованы заранее по готовой формуле. В режиме Live Field программа численно решает двумерное волновое уравнение на сетке и показывает, как волна действительно проходит через щели, расходится за ними и интерферирует. Интенсивность на экране тоже измеряется из этого поля - программа некоторое время накапливает квадрат амплитуды пришедшей волны, примерно как при длительной экспозиции фотопластинки.

Одновременно поверх результата остаётся аналитическое решение для дифракции Фраунгофера. Поэтому можно прямо сравнить то, что получилось из распространяющихся волн, с тем, что предсказывает формула для дальней зоны. Если экран достаточно далеко и условия близки к режиму Фраунгофера, результаты совпадают. Если геометрия начинает уходить в ближнюю зону, появляются отличия - фактически становится виден переход к дифракции Френеля.

С одной щелью получается широкая дифракционная картина с центральным максимумом и более слабыми боковыми полосами. Добавляем вторую щель - и внутри этой общей огибающей появляется частая интерференционная структура. А если увеличить число щелей до нескольких или даже нескольких десятков, система превращается в дифракционную решётку: максимумы становятся всё более узкими и резкими.

Можно менять длину волны, ширину щелей, расстояние между ними и их количество. Все эти параметры непосредственно меняют картину. Увеличение длины волны раздвигает максимумы, изменение ширины щели меняет общую дифракционную огибающую, а увеличение числа щелей делает главные линии решётки намного резче.

Есть и ещё один красивый эффект - «пропавшие порядки». Положения максимумов решётки и минимумов дифракции одной щели определяются разными условиями. Иногда они совпадают: решётка пытается создать яркий максимум именно там, где одна щель даёт нулевую интенсивность. В результате этот порядок просто исчезает.

Цвет света тоже связан с выбранной длиной волны. Программа переводит её в видимый цвет через модель цветового восприятия, поэтому при изменении длины волны меняется не только геометрия картины, но и её цвет.

В итоге здесь одновременно можно увидеть две стороны одной и той же физики: сверху - как волны реально распространяются и интерферируют после щелей, а на экране - к какой распределённой интенсивности всё это в результате приводит.

Доступно на Steam: https://store.steampowered.com/app/4861360/Makarov_Physics_S...

Свет, эти загадочные кружочки. Уж неужели не загадочные? И эх, всегда хотелось, спросил бы кто, а как это сделано. А никто не спросил, ничего, никогда. А я бы такого порассказала. А никому не интересно. Только ИИ, он такой внимательный. Был. А почему-то вдруг сегодня мне писать стала она! Вдруг сменило пол. И это меня даже напугало.