Физичари открили нешто што се може кретати брже од светлости – тама у њој

Познате као фазне сингуларности или оптички вртлози, научници још од 70-их предвиђају да, баш као што вртлози у реци могу да се крећу брже од воде која их окружује, тако и вртлози у таласу светлости могу да надмаше брзину саме светлости у којој се налазе.

Ово не крши теорију релативности, која каже да ништа не може путовати брже од брзине светлости. То је зато што вртлози не носе масу, енергију нити информацију, а њихово кретање заснива се на променљивој геометрији таласног обрасца, а не на стварном физичком кретању кроз простор.

Међутим, снимити овај феномен у пракси било је тешко, јер се одвија на изузетно малим просторним и временским размерама. Ово достигнуће представља тријумф електронске микроскопије.

„Наше откриће открива универзалне законе природе заједничке свим врстама таласа, од звучних таласа и струјања флуида до сложених система као што су суперпроводници. Овај пробој нам пружа моћан технолошки алат – могућност мапирања кретања осетљивих феномена на наноскопском нивоу у материјалима, откривених новом методом (електронска интерферометрија) која побољшава оштрину слике“, каже Идо Каминер, физичар са Израелског института за технологију „Технион“.

Иако светлост нашим очима делује једнолично, у њој се дешава много тога што не можемо лако да уочимо. Светлост може бити подложна поремећајима сличним онима у другим системима којима доминира динамика струјања, укључујући тип фазне сингуларности који научници називају оптичким вртлозима.

Светлост се може понашати и као честица и као талас; оптички вртлог настаје када се талас увија док се креће, попут вадичепа. У самом центру тог увијања, светлост се поништава, остављајући тачку нултог интензитета, неку врсту тамне „рупе“ у светлости.

Математички је познато да ће се две сингуларности у референтном оквиру привлачити, убрзавајући како се приближавају, достижући брзине које делују као да премашују брзину светлости у вакууму.

„Како се сингуларности супротног набоја приближавају, њихове путање у простор-времену морају формирати континуирану криву у тачки анихилације, приморавајући њихово убрзање на неограничене брзине непосредно пре нестанка“, објашњавају истраживачи у свом раду.

Ово је већ уочено у другим системима, али проучавање како се овај сценарио одвија у светлосном пољу нешто је сложеније. Много рада је уложено у лабораторијама, али посматрања оптичких вртлога била су ограничена немогућношћу технологије да испрати брзину којом се формирају, крећу и сударају.

Да би превазишли та ограничења, Каминер и његове колеге снимили су понашање оптичких вртлога у дводимензионалном материјалу названом хексагонални бор-нитрид.

Овај материјал подржава необичне светлосне таласе назване фононски поларитони – хибриде светлости и атомских вибрација – који се крећу много спорије од саме светлости и могу бити снажно ограничени у простору. То ствара сложене интерференционе обрасце испуњене бројним вртлозима, омогућавајући истраживачима да детаљно прате њихово кретање.

Други, кључни део био је снимање те динамике у реалном времену. Тим је користио специјализовани брзи електронски микроскоп са до сада невиђеном просторном и временском резолуцијом, који је бележио догађаје у размаку од свега три квадрилионита дела секунде.

Експеримент су поновили много пута, сваки пут снимајући са малим временским помаком у односу на претходно извођење. Комбинујући стотине тако добијених снимака, истраживачи су направили временски запис вртлога док су јурили једни ка другима и међусобно се поништавали, при чему су њихове брзине на веома кратак тренутак достизале суперлуминалне вредности.