Szybciej niż światło. Ciemne punkty przekroczyły barierę

Szczególna Teoria Względności mówi, że nic nie może poruszać się szybciej niż światło. Jednak najnowsze badania przeprowadzone przez naukowców z Instytutu Technologii Technion w Hajfie rzucają nowe światło na tę fundamentalną zasadę. Badacze po raz pierwszy w historii zmierzyli prędkość tzw. „ciemnych punktów” wewnątrz fal świetlnych, potwierdzając, że mogą one wyprzedzić fotony.

• Przekroczenie bariery światła. Naukowcy udowodnili, że „punkty ciemności” (miejsca zerowe w fali świetlnej) mogą poruszać się szybciej niż samo światło, ponieważ nie są obiektami materialnymi, lecz geometrycznymi wzorami interferencji.
• Przełomowa technologia pomiarowa. Odkrycie było możliwe dzięki zastosowaniu ultraszybkiej mikroskopii elektronowej, która pozwoliła na rejestrację zjawisk zachodzących w nanoskali z precyzją czasową liczoną w attosekundach.
• Zgodność z teorią Einsteina. Mimo sensacyjnej prędkości, odkrycie nie łamie praw fizyki. Nadświetlne punkty nie przenoszą masy ani informacji, co oznacza, że szczególna teoria względności pozostaje nienaruszona.

Obiekt poruszający się z prędkością światła ma intrygujący wygląd

Przełom w mikroskopii elektronowej

Zespół badawczy z Technion, we współpracy z naukowcami z Harvardu, MIT i Stanforda, opublikował na łamach prestiżowego czasopisma Nature wyniki eksperymentu, który potwierdza prognozy teoretyczne sprzed 50 lat. Kluczem do sukcesu okazało się unikalne połączenie laserów z zaawansowaną mikroskopią elektronową, co pozwoliło na uzyskanie rekordowej rozdzielczości czasowej i przestrzennej.

Obiektem badań były wiry świetlne (light vortices). Są to „punkty zerowe” w falach świetlnych, specyficzne miejsca w fali świetlnej, w których jej amplituda spada do zera. Mówiąc prościej, to punkty całkowitej ciemności uwięzione w polu świetlnym.

Wiry (dziury) w strukturze falowej są powszechnym zjawiskiem w przyrodzie. Spotykamy je w falach oceanicznych, w prądach powietrza, a nawet w kawie, gdy ją mieszamy lub wlewamy do zlewu. Wir w rzece wyprzedzający przepływ wody, w której występuje, to zjawisko rzeczywiste.

Naukowcy wykorzystali system mikroskopowy łączący optykę laserową i ultraszybkie obrazowanie elektronowe. Charakteryzował się on  niezwykle wysoką rozdzielczością. Umożliwiło to jednoczesne śledzenie dziesiątek osobliwości w miarę ich powstawania, przemieszczania się i zanikania w obrębie wzorca falowego.

Jak ciemność może „ścigać się” ze światłem?

Ale jak to wyjaśnić w przypadku światła, które porusza się z największą prędkością w przyrodzie? Teoria względności stosuje to ograniczenie do materii posiadającej masę oraz do sygnałów, które przenoszą energię lub informację. Zrozumienie fenomenu wirów świetlnych wymaga rozróżnienia między ruchem materii lub energii a ruchem wzoru, punktu geometrycznego.

Naukowcy badali te punkty w specjalnym materiale – azotku boru (hBN). Wewnątrz niego fale świetlne tworzą tzw. polarytony, które poruszają się znacznie wolniej niż światło w próżni (nawet o 100 razy wolniej). To właśnie w tym „spowolnionym” środowisku zaobserwowano, że ciemne punkty potrafią „skakać” z miejsca na miejsce z prędkością przekraczającą prędkość światła. Jak to możliwe?

• Brak przenoszenia informacji. Ciemne punkty nie są cząsteczkami materialnymi ani nie niosą ze sobą energii. Są raczej wynikiem interferencji fal.
• Efekt geometryczny. Można to porównać do cienia rzucanego na odległy obiekt lub punktu przecięcia ostrzy gigantycznych nożyczek. Punkt ten może przesuwać się szybciej niż same ostrza, nie łamiąc przy tym praw fizyki.

Dlaczego to odkrycie jest ważne?

Choć odkrycie to nie obala szczególnej teorii względności Einsteina (ponieważ żadna informacja ani masa nie przekracza bariery c), otwiera ono zupełnie nowe możliwości w nauce.

Prof. Ido Kaminer z Technion, jeden z liderów projektu, podkreśla, że bezpośredni pomiar tych zjawisk pozwala nam zajrzeć w miejsca, które dotychczas były zbyt szybkie, zbyt małe lub zbyt ukryte dla standardowej aparatury. Zrozumienie dynamiki tych „punktów zerowych” może doprowadzić do przełomów w:

• nanofotonice: precyzyjniejszym kontrolowaniu światła na poziomie atomowym;
• inżynierii materiałowej: tworzeniu nowych układów optycznych wykorzystujących polarytony;
• kwantowej fizyce fal: głębszym zrozumieniu losowej interferencji fal, która jest wszechobecna w naturze.

Eksperyment z Technion udowadnia, że choć światło uważa się za najszybszego sprintera we wszechświecie, ciemność – rozumiana jako brak fali w konkretnym punkcie – potrafi „dotrzeć na miejsce wcześniej”. To odkrycie nie tylko potwierdza 50-letnie teorie, ale przede wszystkim demonstruje potęgę nowoczesnej technologii pomiarowej, która pozwala rejestrować procesy dziejące się w ułamkach biliardowych części sekundy.