Листок, що впав у річку, йде туди, куди його несе течія. Щоб рухатися вгору, щось повинно штовхнути – мотор, весло або плаваюча тварина, яка спалює енергію.
Усе це описано в третьому законі руху Ісаака Ньютона, одному з найпоширеніших законів фізики: на кожну дію існує рівнозначна протилежна реакція.
Але фізики в Китаї створили «річку» світла і побачили інший шматочок світла, який рухається вгору без руху.
Хитрість полягала в тому, щоб створити невзаємну взаємодію, коли ефективна сила однієї частини системи не відповідає рівному протилежному значенню іншої. Іншими словами, між двома взаємодіючими пучками порушується нормальна симетрія дії-реакції.
«Для мене найбільший висновок полягає в тому, що активна поведінка не обов’язково потребує частинок або активного плавання», — сказав І Ху, фізик з Нанкайського університету та автор дослідження. Новий вчений.
Плавець зі світла
Дослідники не змушували фотони плавати в реальній рідині. Замість цього вони створили оптичний аналог квантової рідини, використовуючи світло, що поширюється через кристал нелінійно.
Вони послали два лазерних променя через кристал. Один був широким і грав роль текучої рідини. Трохи нахиливши цей промінь, дослідники могли визначити напрямок і швидкість його обертового струму.
Друга балка була значно вужчою і виконувала роль «поплавка». Вона була сформована в єдину стоячу хвилю та надіслана через оптичну рідину.
Під впливом простої взаємності експеримент повівся так, як підказала інтуїція: оптична рідина, що текла, понесла плавця вниз. Потім дослідники змінили спосіб взаємодії двох променів.
Вони розробили систему таким чином, щоб поплавок впливав на навколишню оптичну рідину інакше, ніж рідина впливала на поплавок. Такий тип взаємодії називається неспецифічним.
Нерівномірний розподіл світла створював на поплавок силу, спрямовану проти напрямку течії. Замість того, щоб рухатися вниз, палиця рухалася вгору.
У простій взаємодії сили між двома об’єктами діють у рівних і протилежних парах. Таким чином, ефективні сили між поплавком і оптичною рідиною не збалансовані, що дозволяє поплавцю рухатися проти течії, щоб забезпечити власну тягу.
Цікаво, що розгортання всього на максимум дало не найсильніший ефект. Плавець рухався проти течії ефективніше зі швидкістю та густиною проміжної рідини.
Це не означає, що фізики виявили, що Ньютон помилявся. Третій закон Ньютона безпосередньо стосується механічної взаємодії частинок. Імпульсні сили можуть порушити симетрію дії-реакції у відкритих, нерівноважних системах, де інші частини середовища беруть участь в обміні імпульсом. Раніше вчені вивчали такі аномальні ефективні сили в плазмі, колоїдах і живих системах.
Ще один спосіб плисти проти світла
Цікаво, що це не перший раз, коли фізики бачать, як щось рухається вгору крізь світлову рідину.
На початку цього року інша команда продемонструвала оптичний плавець, який плавав, відкидаючи за собою пари квантових вихорів. Як кальмар, що викидає воду, плавець відсахнувся від того, що він послав за течією, хоча механізм відповідав нормальній симетрії реакції.
Новий експеримент досягає того самого широкого результату зовсім іншим способом. Для забезпечення тяги не потрібен вихровий слід.
Матіас Альберт, фізик з Університету Лазурного берега, який працював над попереднім експериментом, але не над новим дослідженням, сказав Новий вчений що результат відповідає галузі фізики, що швидко розвивається.
«Наразі це питання витає в повітрі, і кілька груп досліджують, як поєднати концепцію активної матерії з квантовими рідинами та фотонними системами», — сказав Альберт.
Дослідники вже почали поширювати ідею нефізичної активної речовини на квантову фізику. Наприклад, у 2025 році фізики запропонували квантові спіни, які взаємодіють і створюють колективну динаміку, що нагадує смугу. Раніше у 2026 році Ху та його колеги також продемонстрували незвичайні коливання імпульсу у взаємодіючих оптичних хвилях.
Потім команда Ху сподівається розробити більш складні системи, включаючи експерименти з кількома плавцями одночасно.
Зрештою, керування взаємодією рухомих пучків світла може бути корисним у фотонних або квантових інформаційних пристроях. Незабаром експеримент виявляє незвичайний спосіб пересування: іноді об’єкту не потрібен власний двигун. Йому просто потрібно, щоб світ навколо нього повернувся іншим.
Результати були описані в журналі Фізичне обстеження А.
