Что быстрее света: ученые дали неожиданный ответ после нового эксперимента

В новом эксперименте физики наблюдали явление, которое, на первый взгляд, противоречит основным законам Вселенной. Речь идет о необычном поведении световых волн и эффекте, который десятилетиями существовал только в теории. Подробнее читайте в статье а.

Поводом для обсуждения стала работа физиков из Техниона – Израильского технологического института. Впервые исследователи непосредственно измерили движение так называемых «темных пятен» внутри световых волн и подтвердили старую теорию: при определенных условиях такие пятна могут двигаться быстрее, чем сама световая волна. Научная работа была опубликована в журнале Nature.

Важно уточнить: исследование не доказывает, что материя, энергия или информация превышали скорость света в вакууме. Ограничение Альберта Эйнштейна все еще актуально. Специальная теория относительности не запрещает некоторым математическим или геометрическим структурам двигаться быстрее этого предела, если они не являются носителями сигнала.

Что такое «темная точка» внутри света?

Свет можно представить не только как луч, идущий из одной точки в другую, но и как волну. Волна имеет гребни и впадины, фазу, направление распространения и амплитуду. Когда несколько волн перекрывают друг друга, они могут усиливать или, наоборот, гасить друг друга. В момент, когда амплитуда становится равной нулю, света практически нет — внутри светового поля появляется темная область.

Возможно ли путешествие быстрее скорости света?

Такие точки называются фазовыми сингулярностями или оптическими вихрями. Вокруг них фаза волны как будто скручивается, но в самом центре амплитуда равна нулю. Следовательно, это не объект в обычном понимании: он не имеет массы, не передает энергию и не несет сообщения. Это скорее особенность волнового рисунка, как рисунок на воде, который возникает в результате сложения нескольких ряби.

Как тьма опережает свет?

Простая аналогия — тень быстро движущегося объекта. Если провести фонариком по дальней стене, пятно света или тени может пробежаться по поверхности со скоростью, превышающей скорость света. Но это не значит, что что-то материальное действительно пролетело быстрее света от одного края стены к другому. Каждый участок стены освещался собственным лучом, исходящим от источника, и видимое движение пятна представляло собой геометрический эффект.

Однако в эксперименте речь идет не об обычной тени на стене, а о гораздо более тонком эффекте. Темные точки появляются внутри сложного волнового поля. При изменении формы поля меняется и положение этих точек. Иногда две такие сингулярности появляются парами, движутся навстречу друг другу, сближаются и исчезают. В момент такого рождения или разрушения их видимая скорость может стать очень высокой.

Это похоже на ситуацию с водоворотом в реке. Сам водоворот – это не отдельная частица воды, а структура в потоке. Он может двигаться быстрее, чем отдельные элементы окружающей среды, поскольку его положение определяется не одним объектом, а общей конфигурацией волн и течений. Именно эта идея оптических вихрей теоретически обсуждалась с 1970-х годов, но долгое время ее не могли проверить и доказать.

Основная трудность заключалась в масштабе. Эти процессы происходят одновременно очень быстро и очень тонко: нужно видеть изменения на наноуровне и практически в реальном времени. Обычной оптики для этого недостаточно, поэтому команда использовала специальную систему электронной микроскопии с лазерной установкой.

Зачем нужен был нитрид бора?

Чтобы наблюдать это явление, исследователи использовали гексагональный нитрид бора — материал, в котором свет может преобразовываться в особые гибридные волны, называемые фонон-поляритонами — электромагнитные волны, связанные с колебаниями атомной решетки материала. Поэтому такие волны ведут себя как нечто промежуточное между светом и звуком.

В этом материале волны движутся гораздо медленнее, чем свет в вакууме — примерно в сто раз медленнее, по данным Техниона. Это замедление важно: оно облегчает измерение сверхбыстрых процессов. В таком замедленном поле можно увидеть, как темные точки появляются, двигаются и исчезают.

Именно в этой среде ученым удалось зафиксировать, что некоторые темные точки движутся быстрее, чем волна, внутри которой они существуют. Но, опять же, это не означает, что энергия или информация превысили световой предел. Двигалась геометрия нулевой амплитуды – место, где волна погасла.

Подобные случаи не уникальны в физике. Например, световое пятно от лазера на удалённом объекте или краю тени может двигаться быстрее скорости света, но это не приводит к сверхсветовой передаче информации. Новый эксперимент отличается тем, что впервые подобный принцип наблюдается на уровне оптических особенностей в сложном материале.

Ранее мы писали, почему скорость света является абсолютным пределом.