În interiorul fasciculului de lumină, unde energia și mișcarea par să domnească suprem, pot exista puncte de întuneric complet. Ei nu transportă energie, nu transmit informații și nu sunt materie. Dar se mișcă. Și se mișcă atât de repede încât lasă în urmă lumina însăși.
O echipă de cercetători de la Technion – Institutul de Tehnologie din Israel -, pentru prima dată în istorie, a înregistrat aceste „puncte întunecate” în timp real și le-a măsurat viteza. Rezultatul, publicat în revista Nature, confirmă o predicție făcută de fizicieni încă din anii 1970: singularitățile din câmpurile de undă sunt capabile să atingă viteze care depășesc în mod oficial viteza luminii. Și, în același timp, nu încălcați legile relativității lui Einstein.
Ce este o singularitate optică
Fenomenul pe care l-au studiat oamenii de știință se numește singularitate de fază optică. Acestea sunt regiuni microscopice dintr-o undă luminoasă în care amplitudinea acesteia scade la zero. Imaginați-vă o suprafață de apă în care există puncte în care suprafața rămâne absolut nemișcată în timp ce valurile răzvrătesc în jurul vostru. Ceva asemănător se întâmplă aici – dar cu lumină.
Aceste „puncte întunecate”, pe care cercetătorii le numesc și vârtejuri, nu sunt particule în sensul tradițional. Nu au masă, nu transferă energie și nu pot servi ca purtători de informații. Acest lucru, după cum explică autorii lucrării, le permite să demonstreze mișcarea care pare superluminală, fără a intra în conflict cu limitarea fundamentală stabilită de Einstein. Limita de viteză în vid se aplică obiectelor cu masă și semnalelor care transportă energie sau informații. Punctele de întuneric absolut din interiorul luminii nu se încadrează în niciuna dintre aceste categorii.
Cum ai reușit să-i prinzi?
Pentru a observa vârtejurile evazive, cercetătorii aveau nevoie de un mediu special. Au folosit nitrură de bor hexagonală, un material preparat de profesorul Hanan Herzig Scheinfuchs de la Universitatea Bar-Ilan. În acest material, lumina este capabilă să se transforme în pachete hibride de unde, care sunt numite unde „lumină-sunet”. Ele se mișcă semnificativ mai încet decât lumina în vid – de peste o sută de ori mai încet în condițiile acestui experiment. Această încetinire a făcut posibilă observarea cu o precizie extraordinară.
Pentru a înregistra procesele, echipa a creat o instalație microscopică specializată la Centrul de microscopie electronică Technion. Sistemul a combinat un laser, componente optic-mecanice și un microscop electronic cu transmisie ultra-rapidă. Rezoluția spațială a instalației a ajuns la 20 de nanometri, iar rezoluția temporală – 3 femtosecunde. Acest lucru a fost suficient pentru a urmări evenimentele care au durat mai puțin de un ciclu de undă luminoasă.
Dansul punctelor întunecate
Singularitățile nu sunt statice. Ele apar, se mișcă, se apropie și dispar în cadrul unor modele complexe de interferență. În timpul experimentului, cercetătorii au urmărit aproximativ cincizeci de singularități în fiecare cadru, acoperind un câmp vizual de 21 pe 21 de micrometri pentru 800 de femtosecunde. Au fost analizate 285 de cadre rezolvate în fază.
Un eveniment de anihilare a atras o atenție deosebită. Două singularități cu sarcini opuse s-au repezit una spre alta. Traiectoriile lor au dus la o accelerare bruscă chiar înainte de a dispărea. Mișcarea părea a fi superluminală – extrem de tipul de dinamică extremă pe care teoreticienii au prezis-o de zeci de ani.
Cifrele vorbesc de la sine
Măsurătorile au arătat că viteza medie a singularităților din sistem a fost de aproximativ 312 milioane de metri pe secundă – de aproximativ 1,04 ori viteza luminii în vid. Potrivit datelor publicate în articol, 29 la sută dintre singularitățile din sistemul studiat au depășit viteza luminii. Pentru comparație: în spațiul liber cu aceiași parametri laser, teoria a prezis doar 0,4 la sută din astfel de evenimente.
Această diferență se explică prin proprietățile speciale ale nitrurii de bor hexagonale. Viteza sa scăzută de grup extinde distribuția posibilelor viteze de singularitate, făcând evenimentele extreme mult mai accesibile pentru observație.
Dincolo de optică
Autorii studiului subliniază că descoperirea lor depășește cu mult un domeniu al fizicii. Singularitățile sunt un fenomen universal. Se găsesc în supraconductori, în defecte ale rețelei cristaline, în vârtejuri lichide și în superfluide. Aceeași bază matematică guvernează aceste sisteme aparent diferite, chiar dacă mecanismele specifice diferă.
După cum notează profesorul Ido Kaminer de la Technion, această descoperire oferă cercetătorilor un instrument tehnologic puternic. Noua metodă ar putea ajuta la maparea fenomenelor subtile la scară nanometrică din materiale și la studiul proceselor ascunse din fizică, chimie și biologie.
Limitări și perspective
Cercetarea are limitele ei. Experimentul a studiat singularitățile în undele gaussiene aleatoare bidimensionale, nu în orice sistem de unde imaginabil. Vitezele observate au fost limitate de rezoluția spațială și temporală a microscopului. Unele zone de date nu au conținut suficiente evenimente pentru a oferi statistici fiabile. Și extinderea unei astfel de vizualizări la câmpurile apropiate tridimensionale, așa cum se menționează în articol, rămâne o provocare tehnică serioasă.
Dar chiar și cu aceste avertismente, rezultatul deschide o nouă fereastră într-o lume a mișcărilor care rămân de obicei ascunse. Aceeași tehnică poate fi utilizată pentru a studia polaritonii din alte materiale bidimensionale, pentru a sonda stări topologice mai complexe și pentru a îmbunătăți tehnicile de holografie electronică.
Nu o armă, ci o unealtă
Valoarea practică a lucrării nu constă în crearea de tehnologii care depășesc lumina. Vorbim despre altceva – capacitatea de a măsura. Capacitatea de a urmări schimbările ultrarapide la scară nanometrică în câmpurile de undă deschide calea către o microscopie îmbunătățită, un studiu mai profund al opticii nanostructurate și al supraconductorilor și căutarea unor noi modalități de a codifica informațiile cuantice în materiale.
Punctele de întuneric absolut din interiorul luminii care se mișcă mai repede decât lumina însăși nu sunt o încălcare a legilor fizicii, ci confirmarea lor la un nou nivel. Ele ne amintesc că chiar și în mediul cel mai aparent ușor de înțeles – în fluxul de lumină – rămân fenomene care pot surprinde și extinde limitele percepției noastre asupra realității. Și pentru a le vedea, uneori trebuie să te uiți nu la luminozitate, ci la adâncimea umbrei.
