Что быстрее света: ученые дали неожиданный ответ после нового эксперимента

В новом эксперименте физики наблюдали явление, которое на первый взгляд противоречит базовым законам Вселенной. Речь идет о необычном поведении световых волн и эффекте, который десятилетиями существовал только в теории. Подробнее — в материале «Рамблера».

Что обнаружили ученые?

Поводом для обсуждения стала работа физиков из Техниона — Израильского технологического института. Исследователи впервые напрямую измерили движение так называемых «темных точек» внутри световых волн и подтвердили старую теорию: при определенных условиях такие точки могут двигаться быстрее самой световой волны. Научная работа была опубликована в Nature.

Важно сразу уточнить: исследование не доказывает, что материя, энергия или информация превысили скорость света в вакууме. Ограничение Альберта Эйнштейна остается в силе. Специальная теория относительности не запрещает двигаться некоторым математическим или геометрическим структурам быстрее этого предела, если они не являются переносчиками сигнала.

Что такое «темная точка» внутри света?

Свет можно представить не только как луч, который идет из одной точки в другую, но и как волну. У волны есть гребни и впадины, фаза, направление распространения и амплитуда. Когда несколько волн накладываются друг на друга, они могут усиливаться или, наоборот, взаимно уничтожаться. В точке, где амплитуда становится равной нулю, света фактически нет — возникает темная область внутри светового поля.

Возможны ли путешествия быстрее скорости света

Такие точки называют фазовыми сингулярностями или оптическими вихрями. Вокруг них фаза волны как бы закручивается, но в самом центре амплитуда равна нулю. Поэтому это не объект в привычном смысле: у него нет массы, он не переносит энергию и не несет сообщение. Это скорее особенность рисунка волны, как узор на воде, который возникает из-за сложения нескольких ряби.

Как темнота «обгоняет» свет?

Простая аналогия — тень от быстро движущегося предмета. Если провести фонарем по далекой стене, пятно света или тень могут пробежать по поверхности быстрее скорости света. Но это не значит, что что-то материальное действительно летело быстрее света от одного края стены к другому. Каждый участок стены освещался своим лучом, пришедшим от источника, а видимое движение пятна было геометрическим эффектом.

Однако в эксперименте речь идет не о привычной тени на стене, а о гораздо более тонком эффекте. Темные точки появляются внутри сложного волнового поля. Если форма поля меняется, положение этих точек тоже меняется. Иногда две такие сингулярности возникают парами, движутся навстречу друг другу, сближаются и исчезают. В момент такого рождения или уничтожения их видимая скорость может становиться очень большой.

Это похоже на ситуацию с водоворотом в реке. Сам водоворот — не отдельная частица воды, а структура в потоке. Она может двигаться быстрее отдельных элементов среды, потому что ее положение определяется не одним объектом, а общей конфигурацией волн и течений. Именно такую идею для оптических вихрей теоретически обсуждали еще с 1970-х годов, но долго не могли проверить и доказать.

Главная сложность была в масштабе. Эти процессы происходят одновременно очень быстро и очень мелко: нужно видеть изменения на наноуровне и почти в реальном времени. Обычной оптики для этого недостаточно, поэтому команда использовала особую систему электронной микроскопии с лазерной установкой.

Зачем понадобился нитрид бора?

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

В этом материале волны распространяются намного медленнее, чем свет в вакууме — примерно в сто раз медленнее, по объяснению Техниона. Это замедление важно: оно делает ультрабыстрые процессы доступнее для измерения. На таком замедленном поле можно увидеть, как темные точки появляются, перемещаются и исчезают.

Именно в этой среде ученые смогли зафиксировать, что некоторые темные точки движутся быстрее волны, внутри которой они существуют. Но, опять же, это не означает, что энергия или информация обогнали световой предел. Двигалась геометрия нулевой амплитуды — место, где волна сама себя погасила.

В физике такие случаи не уникальны. Например, световое пятно от лазера на далеком объекте или граница тени могут перемещаться быстрее скорости света, но это не приводит к сверхсветовой передаче информации. Новый эксперимент отличается тем, что такой принцип впервые удалось увидеть на уровне оптических сингулярностей в сложном материале.

Ранее мы писали, почему именно скорость света является абсолютным пределом.