Σκοτεινές κηλίδες μέσα σε κύματα φωτός φαίνεται να να «σπάνε» το όριο της ταχύτητας του φωτός, επιβεβαιώνοντας μια θεωρητική πρόβλεψη που είχε διατυπωθεί πριν από μισό αιώνα, σύμφωνα με νέα έρευνα επιστημόνων από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο Technion του Ισραήλ.
Αυτό που η ομάδα αποκαλεί “σκοτεινά σημεία” είναι στην πραγματικότητα δίνες -πολύ μικρές οπές στη δομή των κυμάτων του φωτός– οι οποίες, όπως αποκαλύπτεται στη νέα μελέτη που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Nature, μπορούν να κινούνται ταχύτερα από το φως.
Οι δίνες αυτές, μάς είναι οικείες σε μεγάλη κλίμακα, καθώς εμφανίζονται σε φαινόμενα όπως τα ωκεάνια κύματα ή η στροβιλώδης κίνηση σε ένα ρόφημα που αναδεύεται.
Πέρα από την ταχύτητα του φωτός
Τη δεκαετία του 1970, θεωρητικοί φυσικοί πρότειναν μια καινοτόμο ιδέα βασισμένη στην τυχαία συμβολή κυμάτων: Ότι οι δίνες ενδέχεται να κινούνται ταχύτερα από το κύμα μέσα στο οποίο σχηματίζονται.
Σε πρακτικούς όρους, αυτό θα ήταν παρόμοιο με μια δίνη που κινείται ταχύτερα από τη ροή του ποταμού στον οποίο δημιουργήθηκε.
Η θεωρία αυτή εφαρμόζεται ευρέως σε πολλούς τύπους κυμάτων, συμπεριλαμβανομένων των υγρών, του ήχου, του φωτός, ακόμη και των υπεραγωγών. Για δεκαετίες, ωστόσο, η ιδέα παρέμενε καθαρά θεωρητική – μέχρι σήμερα, με την πρώτη πειραματική επιβεβαίωσή της.
Η συμφιλίωση αυτής της κίνησης -που είναι ταχύτερη από το φως- με τη Θεωρία της Σχετικότητας (η οποία πρεσβεύει ότι τίποτα δεν μπορεί να υπερβεί την ταχύτητα του φωτός) είναι λιγότερο προβληματική από όσο φαίνεται. Η βασική διαφορά είναι ότι αυτές οι δίνες δεν είναι φυσικά αντικείμενα.
Το όριο της ταχύτητας του φωτός ισχύει για την ύλη, την ενέργεια και την πληροφορία. Οι δίνες, αντίθετα, δεν μεταφέρουν τίποτα από αυτά, επιτρέποντάς τους να κινούνται ταχύτερα από το φως χωρίς να παραβιάζουν τους θεμελιώδεις νόμους της Φυσικής.
Τα μηδενικά σημεία του φωτός
Η ομάδα περιγράφει αυτές τις δίνες ως “μηδενικά” ή “σημεία μηδέν” μέσα σε ένα κύμα φωτός – περιοχές όπου το πλάτος του φωτός μηδενίζεται. Η μέτρηση αυτών των σημείων στον φυσικό κόσμο αποτελούσε πρόκληση για μεγάλο χρονικό διάστημα.
Χρησιμοποιώντας ένα εξειδικευμένο σύστημα υπερταχείας μικροσκοπίας που αναπτύχθηκε στο Κέντρο Ηλεκτρονικής Μικροσκοπίας του Technion, οι ερευνητές κατάφεραν τελικά να παρακολουθήσουν την κίνηση αυτών των δινών σε σχέση με τα κύματα στα οποία εντοπίζονται.
Για να επιτύχει την απαραίτητη ανάλυση, η ομάδα ενσωμάτωσε ένα οπτομηχανικό σύστημα λέιζερ σε ένα ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, επιτρέποντας εξαιρετικά σύντομες μετρήσεις υψηλής ακρίβειας. Ένα ειδικά προετοιμασμένο υλικό -το εξαγωνικό νιτρίδιο του βορίου (hBN)– έπαιξε επίσης καθοριστικό ρόλο.
Το υλικό αυτό μετατρέπει τα κύματα φωτός σε υβριδικά κύματα φωτός-ήχου, γνωστά ως πολαριτόνια. Αυτά τα πολαριτόνια υπάρχουν ανάμεσα στα καθαρά κύματα φωτός και τα κύματα ήχου, κινούμενα σημαντικά πιο αργά από το φως.
Μέσα σε αυτά τα επιβραδυνόμενα κυματικά συστήματα, οι ερευνητές παρατήρησαν δίνες που φάνηκαν να “πηδούν” μπροστά με υπερφωτεινές ταχύτητες.
Συνέπειες από την κατάρριψη της ταχύτητας του φωτός
«Η ανακάλυψή μας αποκαλύπτει παγκόσμιους νόμους της φύσης που μοιράζονται όλοι οι τύποι κυμάτων, από τα ηχητικά κύματα και τις ροές ρευστών μέχρι πολύπλοκα συστήματα όπως οι υπεραγωγοί», δήλωσε ένας από τους συγγραφείς και καθηγητής Ido Kaminer.
«Αυτή η εξέλιξη μας παρέχει ένα ισχυρό τεχνολογικό εργαλείο: την ικανότητα να χαρτογραφούμε την κίνηση ευαίσθητων φαινομένων νανοκλίμακας σε υλικά, τα οποία αποκαλύπτονται μέσω μιας νέας μεθόδου (ηλεκτρονική συμβολομετρία) που ενισχύει την ευκρίνεια της εικόνας».
«Πιστεύουμε ότι αυτές οι καινοτόμες τεχνικές μικροσκοπίας θα επιτρέψουν τη μελέτη κρυμμένων διεργασιών στη φυσική, τη χημεία και τη βιολογία, αποκαλύπτοντας για πρώτη φορά πώς συμπεριφέρεται η φύση στις πιο γρήγορες και φευγαλέες στιγμές της», πρόσθεσε ο Kaminer.
Οι ερευνητές δηλώνουν ότι η εργασία τους δεν περιορίζεται στο να αποτελεί μια εργαστηριακή ιδιαιτερότητα: Έχει δυνητικές εφαρμογές σε μερικές από τις πιο περιζήτητες αναδυόμενες τεχνολογίες σήμερα. Υποστηρίζουν ότι το έργο τους μπορεί να προσφέρει μια νέα οδό για την επιδίωξη της κβαντικής κωδικοποίησης πληροφοριών, της υπεραγωγιμότητας, των οπτικών νανοκλίμακας και της μικροσκοπίας.
