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物理学家成功利用弯折光线传播信息 可大大提高传输数据量

时间:2023-08-14来源:网络作者:小白

  核心提示:新浪科技讯 北京时间12月1日消息,据国外媒体报道,我们在打电话或上网时,每秒钟都有数十亿比特的数据通过光纤进行传播。近期一项实验显示,我们或许能“弯折”光波,从而增加传播数据的数量和距离。在该实验中...

  新浪科技讯 北京时间12月1日消息,据国外媒体报道,我们在打电话或上网时,每秒钟都有数十亿比特的数据通过光纤进行传播。近期一项实验显示,我们或许能“弯折”光波,从而增加传播数据的数量和距离。在该实验中,物理学家利用弯折后的激光,将“世界你好”(Hello World)这条消息从一座岛上传送到了另一座岛上。

该研究团队在两座小岛上的天文台之间用一道绿色的激光束传递了信息,结果接收器成功收到了信号,还能分析出研究人员改变了哪些角动量。

  该研究团队在两座小岛上的天文台之间用一道绿色的激光束传递了信息,结果接收器成功收到了信号,还能分析出研究人员改变了哪些角动量。

  弯折的光子

  人类早就利用光波进行通讯了。无线电就是光的一种形式,激光在光纤中也十分常见。我们可以利用光波的振幅(如AM广播)或频率(如FM广播)、甚至光波的相位和偏振现象传递信息。

  此前,我们只能将信息编入光波的上述四种属性中(又称自由度),这限制了我们利用光子传递的信息量。而维也纳大学一支由各国科学家组成的研究团队希望能将信息编入光波的第五种属性中,也就是光波的角动量,从而大大增加信息传输的距离。他们在加纳利群岛上的两座天文台之间实现了数据传输,距离约为142公里。

  虽然听起来有悖于常理,但光的确是有角动量的。这是因为构成光的光子其实会发生弯折,还会转动若干次。近年来,科学家已经找到了一些增加光子弯折次数的方法,从而改变光的角动量。

  “增加了一个自由度之后,光的波长仍与原来相同,但通过引入因数n,我们便大大增加了传播的信息量。”维也纳大学博士生、此次研究的主要作者马利奥·克莱恩(Mario Krenn)指出。这里“n”指的是光波角动量的“模”数(modes),并且只能是整数。假设传播信息时所用的模数为5,利用了10条波长通道,那么传输的数据量就可以达到原先10条波长通道所传输的5倍。

从照片中可以看出(图片颜色不准确),当放大两倍之后,光波看上去惊人地复杂

从照片中可以看出(图片颜色不准确),当放大两倍之后,光波看上去惊人地复杂

  光的传播

  通常来说,当一束激光击中空白的屏幕时,显示出的会是一个光环。研究人员利用计算机将角动量按不同的方式重叠在一起,从而在光波中编入了可供解读的信息。通过这种方法,研究人员合成了一条可解读为“世界你好”的信息。

  不过,能够解读出信息仅仅是该实验的一部分。接下来,科学家还需要将信息传输到其它地方。此前,大多数科学家都认为光子无法在大气中传播信息,因为他们认为角动量很容易被光的折射率所影响,而气压和空气湿度都会使折射率发生改变。但他们错了。该研究团队在两座小岛上的天文台之间用一道绿色的激光束传递了信息,结果接收器成功收到了信号,还能分析出研究人员改变了哪些角动量。“传播距离能超过3公里,我们就已经很吃惊了。”克莱恩表示。

  但科学家还不清楚信息为何能成功传播,可能是因为此前的假设本身就是错误的,空气并不会对此类传播方式造成干扰。

  此次实验取得圆满成功,今后人们将开展更多的研究工作,逐渐将该技术运用于信息通讯中。克莱恩指出,实验中采用的发送器和接收器其实都很简单,最复杂的要数对信号的处理,不过这也可以通过常见的数学手段来解决。

事件真相:世界十大杰出物理学家是怎么回事?牛顿排第六

世界上也许有一些真正伟大的物理学家,他们在自己的工作领域上是杰出的,但我们从来没有听说过他们。因为除了他们的才华,他们的工作是相对模糊的,是不被人们所了解的。因此我们选出了在实现科学目的方面最有影响力的十位物理学家,让我们一起看下去,了解在世界范围排名前十的物理学家吧。10.阿那克西曼德阿那克西曼德认为地球不需要什么东西来支撑它,地球漂是浮在无限中心的,因为它与宇宙的其他部分距离相等。这个观点,改变了我们对地球的看法,并同时引入了地球与天空中的行星和恒星之间的吸引力。9.阿基米德阿基米德是古代最伟大的科学家,他将数学,物理和工程学推向了新的高度。他创建了力学和静力学的物理科学,发现了杠杆和滑轮的规律,并发现了物理学中最重要的概念之一重心。8.伽利略伽利略是第一批用望远镜研究天空的人之一,他是第一个发现卫星围绕另一个星球运行的人,发现木星的四个最大的卫星和钟摆法。他发现了牛顿的第一运动定律,在力学领域的发现破坏了亚里士多德的错误物理学,这种物理学已经在西方思想中占据了两千年的主导地位。7.约翰内斯开普勒约翰内斯·开普勒打破了数千年天文学的传统,发现天体遵循椭圆形路径,开普勒的行星运动定律是我们对宇宙理解的关键突破。他是第一个证明对数如何工作的人,发现我们的眼睛反转了图像,我们的大脑纠正了颠倒的图像。6.牛顿艾萨克·牛顿发明了微积分,即变化的数学,没有它,我们就无法理解物体像电子一样微小或像星系一样大的行为。牛顿发现了万有引力定律,证明了月球绕地球运行的原因与苹果从树上落下的原因完全相同。此外他建造了世界上第一台反射望远镜。5.法拉第迈克尔法拉第通过改变磁场,在电线中产生电流,并因此发现电磁感应,这是当今几乎所有发电厂产生电力的手段。他是发现电磁旋转电动机的先驱,他发明了法拉第笼,可以防止闪电损坏其中的任何物质,并防止外部干扰影响敏感的电子和电子实验。4.欧内斯特·卢瑟福欧内斯特·卢瑟福是核化学和核物理之父。他发现并命名了原子核,质子,α粒子,β粒子,还预测了中子的存在。与他一起工作的非常多的年轻科学家继续赢得诺贝尔奖,包括詹姆斯查德威克,塞西尔鲍威尔。3.尼尔斯玻尔尼尔斯玻尔彻底改变了我们对原子和世界的看法,当物体是原子大小或更小时,他意识到经典物理会发生灾难性的失败。他重塑了原子,在这样做的过程中,他创立了量子力学。后来,作为哥本哈根量子力学解释的主要设计师,他帮助重塑了我们对自然界如何在原子尺度上运作的理解。2.欧文施罗丁格他建立了量子力学的波动力学公式,允许一定程度的可视化。薛定谔将电子描绘成波浪,而不是在任何给定的位置展开。他表明,他的波和海森堡的矩阵公式虽然表面上不同,但在数学上是等价的。在晚年,薛定谔对量子力学感到不满,并以薛定谔猫的思想实验而闻名.1.艾尔伯特爱因斯坦爱因斯坦重写了自然法则,他彻底改变了我们理解事物行为的方式,如光,重力,空间和时间。他确定每个人,无论他们自己相对于光线的速度如何,都会在真空中测量光速为每秒3亿米的速度。他重写了牛顿的万有引力定律,提出了广义论。

天体物理学家预测2029年发生重大小行星撞击的几率(略有)增加

小行星撞击产生的一个脉冲 Δv = 10−1 m s−1 的情况图例已应用于阿波菲斯。来源:uux.cn《行星科学杂志》(神秘的地球uux.cn)据《大众科学》(安德鲁·保罗):一颗巨大的小行星不太可能很快撞击地球。然而,根据一位天体物理学家的说法,某些事件可能会增加与大约1210英尺宽的太空岩石99942阿波菲斯发生灾难性交会的机会。尽管根据现有证据,可能性仍然很小,但人类当然不希望情况像理论上的那样发展。阿波菲斯是历史上研究最多的近地小行星之一,不是因为它有任何引人注目的物理特征,而是因为它的轨迹。天文学家在2004年发现地球后,最初对与地球相撞的可能性表示担忧,并认为发生这种灾难的几率为2.7%。这些计算最初使阿波菲斯在都灵撞击危险等级中获得了4级,这是有史以来最高的。然而,很快,修订后的分析表明,阿波菲斯的路线仍然相对靠近地球,但安全无需担心。到2006年,其都灵级别降至0,此后一直保持不变。2021年,美国国家航空航天局喷气推进实验室表示,这颗小行星在未来100年内不可能撞击地球。但正如西安大略大学的Paul Wiegert在《行星科学杂志》上发表的新研究中所指出的那样,只要没有任何东西影响其路径,这些结论就仍然是铁板一块。与另一颗小行星的相遇,即使只有两英尺宽,也可能足以改变其路线。将该天体的大小增加到仅11英尺,它可能会在2029年4月13日最接近地球时撞上阿波菲斯,使其成为人类的一个问题。虽然Wiegert在他的研究摘要中指出,“阿波菲斯目前的轨道使其在几个地球半径的距离安全地经过我们的星球”,但那天,遇到另一颗小行星“就像那些经常和不可预测地撞击地球的小行星”可能需要天文学家迅速修改他们的计算。为了确定这种情况的可能性,Wiegert参考了每年穿过地球大气层的直径在0.6到3.4米(1.96到11.15英尺)之间的物体的数量。每年大约有120颗较小的陨石,只有一颗较大的岩石。然后,他将这些数字整合到计算类似小行星撞击阿波菲斯的概率中。如果恒星(或者更准确地说,小行星)对齐,那么与阿波菲斯约会的几率将提高到10-8。正如该研究9月12日的公告所解释的那样,这个新数字“当然很低”。从长远来看,2029年4月13日之前发生的任何事情,“恰到好处的命中率可能是20亿分之一”。计算出阿波菲斯在2036年和2068年的未来飞越,这一概率增加到百万分之一——呈指数级增长,但仍然极不可能。至于人类何时可以绝对确定阿波菲斯不会朝这个方向发展,Weigert说,这要到2027年才会发生,届时它将成为天文学家最容易观察到的。Weigert在他的研究中解释说:“一颗小行星在几年或几十年内与任何小行星碰撞的可能性很小,在几乎任何其他情况下都可以被认为小得可以忽略不计。”。“正是这颗小行星不同寻常的轨迹及其对我们星球带来的风险促使我们在这里详细研究这种情况。”但即使几乎完全不可能,“随之而来的风险”也值得考虑。天体物理学家估计,阿波菲斯的大小和速度将产生相当于1200兆吨TNT的能量,足以形成一个17000英尺宽的陨石坑。虽然不是世界末日,但也不会令人愉快。这也将破坏美国国家航空航天局用他们的OSIRIS-APEX太空探测器研究它的计划,该探测器将于2029年6月与阿波菲斯会面。
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