Физики заставили узкий луч света двигаться против потока более широкого светового поля, которое имитировало квантовую жидкость. В эксперименте направление движения изменилось из-за невзаимного взаимодействия между двумя лучами, при котором привычная симметрия действия и противодействия перестала выполняться.
На первый взгляд результат выглядит как нарушение третьего закона Ньютона: если один объект действует на другой с определённой силой, второй должен отвечать равной по величине и противоположно направленной силой. Однако фундаментальные законы механики исследователи не отменили. Нарушение относится к эффективному взаимодействию двух оптических компонентов внутри управляемой неравновесной системы, где обмен воздействием между ними специально сделали несимметричным.
Для проверки физики пропустили через нелинейный кристалл два синхронизированных лазерных луча. Широкий луч играл роль текущей жидкости, а более узкий выступал в качестве условного пловца. Наклоняя широкий луч, исследователи меняли направление и скорость поперечного потока.
При обычном взаимодействии узкий луч смещался вместе с потоком, как предмет, который уносит вода. После перехода к невзаимному режиму картина перевернулась: узкий луч начал двигаться навстречу потоку. Причиной стала асимметрия, которую луч создавал вокруг себя. Интенсивность световой жидкости с двух его сторон становилась разной, поэтому результирующее воздействие толкало луч против течения.
Невзаимность здесь означает, что два компонента влияют друг на друга по-разному. В обычной системе воздействие одного участника сопровождается соответствующим обратным воздействием второго. В экспериментальной оптической системе такое равенство между двумя лучами отсутствовало, благодаря чему внутреннее взаимодействие создавало направленное движение.
Сила эффекта зависела не только от самого механизма. Исследователи меняли скорость потока и плотность световой жидкости и обнаружили, что лучше всего луч двигался против течения при промежуточных значениях обоих параметров. Простое увеличение плотности или скорости не усиливало движение бесконечно.
Свет уже заставляли двигаться против потока в похожих системах, но прежде работал другой механизм. В предыдущем эксперименте объект создавал позади себя пары вихрей, которые уносили импульс по течению и тем самым давали обратный толчок. Такое движение полностью укладывалось в принцип действия и противодействия. Новая работа показывает, что добиться того же направления можно без такого механизма, используя невзаимное взаимодействие.
Авторы отдельно подчёркивают, что эксперимент проводили не с жидким гелием или газом ультрахолодных атомов. Установка представляет собой оптический аналог квантовой жидкости, в котором распространение и взаимодействие света воспроизводят часть поведения настоящих квантовых сред. Поэтому результат пока нельзя автоматически переносить на любые квантовые жидкости.
Исследователи рассматривают установку прежде всего как способ изучать активное поведение квантовых систем, где направленное движение возникает благодаря особенностям взаимодействия компонентов. Следующим шагом может стать проверка похожего эффекта в атомных газах и искусственных квантовых материалах, а в более далёкой перспективе невзаимные взаимодействия могут помочь управлять направлением света в квантовых устройствах.
