Как рисовать картины "замороженным светом". Фризлайт — искусство рисования светом Лазерный луч пойман

Каждый знает, что скорость света - одно из непоколебимых свойств Вселенной. Она составляет примерно 300000 км/с в вакууме. В различных веществах скорость света меньше, например, в воде она составляет 75% от скорости в вакууме. Больше всего замедляется свет в алмазе - в 2,4 раза! Но это предел.

Группа исследователей из США под руководством Л.В.Гау* (Кембридж, шт.Массачузетс) поставила себе цель замедлить скорость света в миллионы раз и даже до полной остановки. Реализация этой идеи позволила бы открыть совершенно неожиданные возможности в области телекоммуникаций, хранения информации и ряде других приложений.

Такие условия торможения были созданы в облаке атомов натрия сигарообразной формы длиной 0,2 мм и диаметром 0,05 мм, помещенном в магнитное поле и охлажденном до температуры в одну миллионную долю градуса (практически до абсолютного нуля). Натрий является одновалентным металлом, это означает, что на внешней орбите атома этого металла находится только один электрон. Этот электрон может занимать множество разных орбит вокруг ядра. Например, если он находится на самой низкой орбите, то захватив фотон света, электрон перемещается на более высокую орбиту, причем величина этого перемещения зависит от энергии фотона, а значит, от длины волны света.

Кроме того, такой электрон и ядро атома являются магнитом (как крошечная магнитная стрелка). Направление этой стрелки ассоциируют со спином атома, при одном направлении этой стрелки говорят о согласованном спине, при другом - об антисогласованном. В своих экспериментах исследователи выделили три состояния атома натрия: состояние 1 - электрон на самой низкой орбите, спин анитисогласованный; состояние 2 - электрон на самой низкой орбите, спин согласованный (при этом энергия атома слегка больше); состояние 3 - электрон на высокой орбите, энергия атома при этом в 300000 раз больше. Кстати, переход электрона из состояния 3 в состояния 1 и 2 сопровождается излучением фотона (в этом причина яркой желтой линии в спектре натрия).

В указанное облако атомов натрия посылался импульс света от лазера с тщательно подобранной частотой. При этом атомы натрия дружно переходили из состояния 1 в состояние 3. Через короткое время они возвращались в состояние 1, переизлучая фотоны, но хаотически во времени и в разных направлениях. Облако натрия загоралось желтым светом, но информация о первоначальном импульсе лазера терялась.

Чтобы избежать этого, исследователи использовали открытое в 1992 г. группой Харриса из Стенфордского университета явление электромагнитно-управляемой прозрачности. При этом луч лазера со специально подобранной частотой может изменять прозрачность облака атомов натрия для света другой частоты от непрозрачного как стена до прозрачного как стекло состояния. Луч лазера с такой частотой назывался индуцирующим лучом.

Частота индуцирующего луча как раз и подбиралась так, чтобы использовать энергетическую разность между состояниями 2 и 3. Атомы в состоянии 1 этот луч не воспринимали. Для этих атомов использовали другой луч, называемый испытательным, частота которого соответствовала разности состояний 1 и 3. Самое интересное начинается, когда используют одновременно индуцирующий и испытательный лучи.

Представьте себе, что двое силачей пытаются положить друг другу руку на стол. То же самое происходит и в атомах натрия. Индуцирующий и испытательный лучи не дают друг другу действовать. Этот эффект в физике называется квантовой интерференцией. Атомы не захватывают фотоны испытательного луча, и облако атомов оказывается для этого луча прозрачным. Показатель преломления для испытательного луча считается равным единице (как для пустого пространства).

На самом деле испытательный луч не является строго одночастотным, он содержит набор слегка отличающихся друг от друга частот. Если частота слегка отличается от подобранной, то для нее запрет оказывается не таким строгим, и показатель преломления отличается от единицы. А это значит, что луч на этой частоте замедляется. Поэтому в наборе частот компонента с каждой конкретной частотой движется со своей скоростью.

Если свет распространяется, например, в воде, каждая частотная компонента движется с одинаковой скоростью. Точка, в которой совпадают фазы этих компонент (точка синхронизации), движется с той же скоростью, и эта скорость называется групповой. В облаке атомов натрия точка совпадения фаз движется гораздо медленнее, поскольку скорости компонент разные. Чем сильнее с частотой меняется показатель преломления, тем больше замедление светового импульса.

Но здесь вмешивается одно неприятное обстоятельство. Атомы натрия в облаке хаотически движутся. Это движение приводит к появлению эффекта Доплера. Помните, как изменяется звук от пролетающего самолета? И тогда каждая частотная компонента испытательного луча “размазывается по спектру и первоначальная информация, заложенная в этом луче, теряется. Чтобы минимизировать эффект Доплера, исследователям пришлось опускать температуру натриевого облака до исключительно низких температур - до одной миллионной градуса от абсолютного нуля. При этом атомы натрия оказывались практически неподвижными и эффект Доплера исчезал.

Как это делалось? Помните, как крестьяне сохраняют в летнюю жару воду холодной? Они наливают ее в глиняный кувшин и ставят в тень. Часть молекул воды просачивается через стенки сосуда, испаряется и уносит с собой тепло испарения. Остальная вода остается холодной. Сходный процесс использовали исследователи. Облако атомов натрия удерживалось электромагнитной ловушкой в вакуумной камере (как в кувшине), более горячие атомы вылетали из ловушки (их скорость выше, чем у других) и “отгонялись радиоволнами специально подобранной частоты. В результате удаленные атомы забирали лишнее тепло, а остающиеся охлаждались.

Весь процесс охлаждения до сверхнизкой температуры занимал всего 38 с.

При таком охлаждении лазерный луч тормозился до скорости 160 км/ч. Если на выходе лазера интенсивный луч мог обжечь палец, то на выходе исследовательской установки пальцем даже нельзя было бы ощутить нагрева. А скорость распространения короткого лазерного импульса фиксировалась... кинокамерой - насколько лазерный импульс перемещался от кадра к кадру киносъемки.

Но исследователям этого было мало. Они продолжали охлаждение дальше и достигли состояния в одну 500-миллиардную долю градуса. Когда-то в спектакле “Алиса в стране чудес прозвучала фраза: “Здесь очень странное место. Оказывается, в теоретической физике вещество при такой температуре образует так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, т.е. атомы останавливаются полностью. До сих пор все это была только теория.

Дадим слово исследователям. “Мы сидели перед стеклянной камерой, в которой находилось наше облако атомов натрия. Лазер излучал испытательные импульсы, длительность которых в воздухе составляла один километр. В облаке этот импульс составил двадцатую долю миллиметра. Но как только выключался индуцирующий лазерный сигнал, испытательные импульсы снова становились длиной в километр. Таким образом, замедление составило 20 млн. раз. Мотоциклист мог проехать быстрее этого луча света.

Можно было бы ожидать, что в этом коротком импульсе наблюдается чудовищная концентрация энергии. Оказалось, что большая часть энергии из испытательного луча уходит в индуцирующий. А затем, на выходе из облака, энергия снова возвращалась в испытательный луч.

Все эти процессы зависели от множества разных параметров. Например, если энергия индуцирующего луча была слишком слабой, облако становилось непрозрачным для испытательного луча, и энергия испытательного луча поглощалась атомами натрия. Многое зависело от плотности атомов натрия в облаке, параметров электромагнитного поля ловушки и многих других факторов. Поэтому можно только удивляться терпению исследователей и тонкости экспериментов.

А теперь исследовали попробовали такой эффект. Испытательный импульс входил в облако, и в этот момент индуцирующий лазер выключался. Испытательный импульс останавливался в облаке и фиксировался за счет состояний атомов. Затем, снова включив индуцирующий лазер, исследователи “освобождали сохраненный импульс. Вот и получилась “ячейка памяти для света. При этом можно было считать скорость света равной нулю.

Что это даст технике будущего? Прежде всего явление замедления света даст огромный толчок нелинейной оптике. Эта область физики для получения нелинейных эффектов вынуждена добиваться сверхвысоких мощностей лазеров. А замедление света дает возможность работать с весьма малыми мощностями. Результатом исследований в нелинейной оптике может быть создание сверхчувствительных оптических переключателей.

Другим приложением может быть создание так называемых квантовых компьютеров (если их вообще можно создать). В них привычные “0 и “1 заменяются квантовыми суперпозициями. Быстродействие таких компьютеров на много порядков выше существующих. На них можно было бы решать такие задачи, которые сейчас даже во сне не видят.

Фризлайт — это рисование светом,причем в буквальном смысле этого слова. Дословно это переводится как замороженный свет, потому что именно так это и выглядит на фото.

Для того чтобы сделать рисунки в стиле фризлайт нужно несколько вещей.

1. Нужна фотокамера профессиональная и полупрофессиональная с возможностью регулировать длительность выдержки от 10 до 30 секунд, это время создания фотографии. Также немаловажны такие параметры как светочувствительность, число ISO не должно превышать 100 единиц, и диафрагма, чем меньше число диафрагмы тем больше света и наоборот.
2. Нужен источник света. Это может быть что угодно, например, фонарик, свеча, бенгальский огонь, все чем можно сделать рисунок в воздухе.
3. Вам потребуется штатив, без которого невозможно сделать не смазанные фризлайт снимки . Фотокамера обязательно должна находиться на ровной поверхности. Если у вас нет штатива и возможности его приобрести,то вы можете использовать любую другую ровную поверхность, например, стол, стул, пол. Если же вы снимаете на улице это может быть тротуар, лавочка и т.д.

А теперь собственно о самом процессе искусства рисования светом — создания фризлайт снимка. Для того чтобы снимок получился качественным и красивым делать его нужно в темном помещении или ночью, если вы снимаете на улице. Вы ставите определенное время выдержки на фотокамере, например, 30 секунд. В течение этих 30 секунд вы должны успеть сделать рисунок, фонариком или другим источником света, и выйти из кадра пока не сработала вспышка, если вы хотите чтобы вас не было видно на фото.

Если идея снимка предусматривает человека в кадре, то стоять он должен неподвижно, чтобы избежать смазанности изображения. Существуют два основных метода фризлайта: статический и динамический. При статическом неподвижные предметы на короткое время подсвечиваются. При динамическом рисунок создается движущимися источниками света.

Фризлайт — искусство рисования светом, нередко называют такими терминами как люминография, light graffiti и т.д. Но на самом деле это не одно и то же.

Люминография — это фото световых рисунков, где двигается не источник света, а фотокамера. Light graffiti — это световые надписи, а не рисунки сделанные также с помощью фотокамеры и источника света. Также существуют такие понятия как светографика — это подсвечивание и обрисовка одного или нескольких объектов, которые во время создания снимка могут переставлять, двигать или убирать из кадра.

Первопроходцем в этом интересном деле считается некто иной как Ласло Мохой-Надь — венгерский художник. Он очень любил экспериментировать с фотографией и был первым кто начал рисовать абстрактные световые картины.

Пабло Пикассо (испанский художник, график, дизайнер, скульптор, керамист) также был среди первых кто начал заниматься люминографией. Его работы в этой области были осмысленными, хоть и не совсем четкими. Пикассо узнал о таком способе рисования от своего друга фотографа Гийона Мили, который рассказал ему о том как прикреплял маленькие фонарики на ботинки конькобежцев, благодаря чему на фото получал световые полосы застывшие в воздухе.

В 1949 году Пикассо сделал свой первый световой рисунок — это был кентавр. В январе 1949 в журнале «LIFE» вышел репортаж с остальными работами Пикассо в стиле фризлайт.

Для создания более качественных и красивых снимков нужен не один человек а несколько, не забывая, что фризлайт — искусство рисования светом очень увлекательное занятие и им можно заниматься не только в одиночестве, но и с друзьями, что делает процесс создания снимков более интересным и веселым занятием.

Видео: Фризлайт. Как рисовать светом?

Исследователям из университета Дармштадта (Германия) удалось остановить поток света на одну минуту. Свет, как наиболее быстрая материя известная во вселенной (скорость 300.000 км/с) был остановлен внутри кристалла. Таким образом, делается возможным создание, так называемой световой памяти , когда информация, переносимая светом, аккумулируется кристаллом. Помимо того, что само по себе подобное исследование будоражит воображение, оно, с весьма большим успехом, может стать подоплекой для создания квантовых сетей дальнего действия, и может быть, это исследование даст подсказки на то, как можно сделать скорость света больше значения, ограниченного вселенной.

Если обратиться к истории, то в 1999 году ученым удалось снизить скорость света до 17 м/с., а затем, два года спустя, та же группа исследователей полностью остановили свет, но всего лишь на несколько долей секунды. Ранее, в этом году, исследователям из института технологий Джорджии (США) удалось остановить свет на 16 секунд, и теперь, ученые из Дармштадта увеличили этот порог на минуту.

Для остановки света, ученые воспользовались так называемой техникой электромагнитно индуцированной прозрачности (EIT) . Они использовали криогенно охлажденный полностью непрозрачный кристалл сплава силиката иттрия и празеодима. Управляемый луч лазера направляется в кристалл, и тем самым, создает сложную реакцию на квантовом уровне, делая кристалл полностью прозрачным. Второй источник света (источник данных/изображения) затем направляется на полностью прозрачный кристал. Затем, управляемый лазер выключается, возвращая кристаллу состояние полной непрозрачности. Это действие не только позволяют заключить свет, переносящий данные в ловушку кристалла, но и позволяют устранить его отражение за счет непрозрачности. Таким образом, свет остановлен.

Из за отсутствия свободы передвижения, энергия фотонов собирается атомами кристалла и данные, переносимые светом, преобразуются в атомные спины (не путать с человеческой спиной). Чтобы освободить свет из кристалла, проводят повторное включение управляемого лазера, делающего кристалл вновь прозрачным и атомные спины выпускаются на фотонах. Эти атомные спины могут сохранять когерентность (целостность данных) в течение минуты, после чего луч света пропадает. В сущности, создание подобных условий позволяет обеспечить хранение и получение данных из световой памяти.

На изображении сверху, Вы можете видеть, как ученые успешно сохранили простое изоображение (три горизонтальные линии) в кристалле на 60 секунд. Представляется возможным хранение данных в кристалле на более длительный период времени в случае использования других химических элементов, как например европий, легированный силикатом иттрия и с использованием специально созданных магнитных полей.

В фотографии много жанров и приёмов съёмки, но одним из самых необычных является рисование светом (freezelight - замороженный свет). Для этого вида фотографии не нужен очень хороший фотоаппарат. Можно обойтись даже компактной камерой с функцией ручной установки выдержки. Обычно компакты могут выполнять выдержку до 15 секунд. Этого вполне достаточно.

Можно встретить множество названий этого жанра фотографии. Его именуют светографикой, световое граффити, freezelight (замерзший свет) и люминография. В далёком 1910 году, когда этот стиль съёмки только зарождался, фотохудожников называли лучистами. В России прославился данной деятельностью фотограф-футуролог Михаил Ларионов. Из-за того, что фотоаппаратура в те далёкие времена была очень дорогой, и не многие фотографы питали слабость к рисованию светом, данный жанр фотографии был не слишком популярен и не известен широкой публике.

Фризлайтер или люминограф использует свет вместо краски. Для «рисования» нужен источник света. Подойдёт что угодно: фонарик, мобильный телефон, свеча, горящая шерсть на верёвке… Сочетая различные источники света можно добиться лучших результатов. Сам свет создаёт композицию. Вам не нужно подсвечивать предметы. Они могут быть вовсе не видны.

Цифровые фотоаппараты позволяют бесконечно экспериментировать, не тратя на это ничего, кроме незначительного количества электроэнергии.

Для рисования светом не нужно долго учиться. Достаточно понять принцип создания картин и почувствовать пространство. Рисуя замкнутые фигуры нужно знать, где они начинаются. Но и тут есть хитрость. Вы можете поставить в пространстве палец одной руки в то время пока второй рукой рисуете при помощи фонарика. В конце нужно просто вернуться к пальцу. Главное не сбиться. Немного практики и всё получится. С большими фигурами всё сложнее.

Для креативной работы лучше запастись различными фонариками. Светодиодные панели оставляют характерные полосы. Фонари с рассеивателем рисуют жирные линии. Мигающие режимы на фонариках позволяют рисовать точками.

Перед началом съёмки следует установить камеру на штатив и настроить режим длительной выдержки. Длительность зависит от внешнего освещения и длительности рисования фигуры. Вам может хватить и двух секунд для создания простых полос. Для сложного рисунка установите 5-10 секунд. Закрывайте диафрагму, если фотографии будут слишком светлыми. Чаще всего придётся варьировать значения выдержки в диапазоне от 10 до 30 секунд.

Не устанавливайте высокое значение ISO. Если выбран Авто ISO, то камера попытается его увеличить, чтобы снимок получился светлым. Нам это не надо. Выберите значение вручную и начните с минимального. При необходимости немного увеличьте, но чем меньше значение, тем качественнее будет изображение.

Если вокруг слишком светло, то используйте фильтры нейтральной плотности.

При съёмке на улице обратите внимание на внешнее освещение. Оно не должно быть слишком сильным или его не должно быть вовсе.

Выпускник физтеха создал прототип машины времени

Лазерный фантом приходит на смену человеку.

Поток фотонов остановлен. Похоже, нынешние физики-экспериментаторы восприняли знаменитую гетевскую строчку – «Остановись, мгновенье, ты прекрасно!» – именно как руководство к действию.

Речь идет об экспериментах по записи световой информации. Остановить мгновенье – это буквально и означает остановить луч света.

На эксперименты по «остановке света» можно взглянуть, рассматривая всю, почти двухвековую, историю записи световой информации.

Первый этап. Запись информации на энергетическом уровне. Это фотография, начавшаяся с «гелиографии» Жозефа Нисефора Ньепса в тридцатых годах XIX века. Это была запись черно-белых неподвижных изображений на светочувствительном материале. В фотографии записывается только пространственное распределение интенсивности света.

Второй этап – волновой уровень. В голограмме записывается информация не только об интенсивности, но и о фазе света; в ней запечатлена картина света, освещающего объекты, вместе со светом, отраженным от объекта. Метод голографии был открыт полвека назад.

И, наконец, – третий этап. Это запись информации о свете на квантовом уровне в специально созданных средах, чувствительных ко всей информации о свете: длине волны, фазе световых колебаний, направлении распространения. К этому этапу и относятся пионерские эксперименты Михаила Лукина, выпускника Московского физико-технического института, ныне – руководителя лаборатории в Гарвардском университете (США).

Исследователи из Гарвардского университета (США) сообщили, что им удалось мгновенно записывать абсолютно всю информацию о световом луче и столь же быстро, «по требованию» контрольного лазерного луча, – считывать эту информацию в виде полностью «восстановленного» первоначального луча. В качестве среды для «заморозки» был выбран пар из сверхохлажденных (почти до абсолютного нуля!) атомов рубидия. На атомы рубидия, как на магнитную пленку, и «записывались» все квантово-механические характеристики лазерного излучения.

Лазерный луч пойман

Михаилу Лукину и его коллегам удалось «затормозить» лазерный луч на одну секунду. По масштабам квантового мира – это гигантский промежуток времени. Почти вечность! Но что такое – секундная «остановка» луча света? Фактически это реализованная в «железе» машина времени, способная вернуть нас назад на целую секунду! Пока на секунду.

А можно ли «заморозить» световой луч на время большее, чем одна секунда? Ведь в случае положительного ответа зафиксированные, например, сегодня события, предметы, люди могли бы буквально оживать по нашему желанию через десятки, сотни, а может быть, и тысячи лет в своем первозданном виде. А найди мы способ «оживлять» случайно созданные природой «замороженные» состояния (скажем, где-то в открытом космосе), то это означало бы возможность путешествовать не только вперед, но и назад во времени. Подобная возможность уже давно описана в одном из ранних романов братьев Стругацких «Возвращение. Полдень. XXII век».

Коллектор рассеянной информации (КРИ) собирал сведения обо всех событиях, происходивших в природе и обществе. «В конечном счете они представляют собой энергию в той или иной форме, – пишут Стругацкие, – и проблема сбора очень осложняется тем, что за миллионы лет первичные формы претерпевают многократные изменения. Теоретически любой след можно отыскать и восстановить – и след столкновения кванта света с молекулой в шкуре бронтозавра, и след зубов бронтозавра на древовидных папоротниках». КРИ и создан был, чтобы фильтровать и восстанавливать эту информацию. В итоге физик из XXII века бодро заявляет: «Мы стали свидетелями вспышки сверхновой вблизи от Солнца сто миллионов лет назад. Мы видели драки динозавров и эпизоды из битвы при Пуатье, звездолеты пришельцев и еще что-то странное и непостижимое, чему мы не имеем пока ни соответствий, ни аналогий».

«Законов, запрещающих это, нет, – подчеркнул в беседе со мной заведующий лабораторией лазерной спектроскопии Института спектроскопии РАН, профессор Владилен Летохов. – Сейчас больше секунды хранить такое состояние нельзя, но я не могу утверждать, что это в принципе невозможно. Квантовая физика это не запрещает».