Naujas eksperimentas kelia rimtų klausimų: šviesoje aptiktas reiškinys, viršijantis ribas
Pasaulyje vargu ar yra fizikos dėsnis, atrodantis toks nepažeidžiamas, kaip Alberto Einšteino suformuluota riba: niekas negali judėti greičiau už šviesą vakuume. Vis dėlto žurnale Nature paskelbti nauji tarptautinės mokslininkų grupės rezultatai pasiūlė kitokį požiūrį į šią ribą. Tyrėjai pirmą kartą tiesiogiai užfiksavo specifines „skyles“ šviesoje – vadinamąsias fazines singularijas, arba optinius sūkurius – kurios tam tikromis sąlygomis gali judėti virššviesiniu greičiu. Tai patvirtino dar prieš maždaug pusę amžiaus keltas teorines prielaidas ir atvėrė kelią tirti itin greitus procesus gamtoje.
Nors žmogaus akiai šviesa atrodo kaip vientisas energijos srautas, iš tiesų ji turi sudėtingą banginę sandarą. Tam tikromis sąlygomis šviesos banga gali „susisukti“ tarsi kamščiatraukis. Pačiame tokio susisukimo centre įvyksta destruktyvioji interferencija – bangos viena kitą nuslopina, todėl atsiranda taškas, kuriame intensyvumas lygus nuliui. Būtent šiuos tamsius taškus mokslininkai vadina optiniais sūkuriais. Juos galima palyginti su vandens sūkuriais upėje: nors jie yra srovės dalis, jų dinamika – savita.
Dar XX a. 8-ajame dešimtmetyje teoretikai prognozavo, kad tokie šviesos „sūkuriai“ gali tarsi aplenkti pačią bangą, kurioje jie susiformuoja. Kaip vandens sūkurys kartais gali slinkti greičiau nei vietinė srovė, taip fazinės singularijos, pasak modelių, tam tikrais momentais gali pasiekti greičius, kurie iš pirmo žvilgsnio atrodo neįmanomi klasikinėje fizikoje. Tačiau ilgą laiką tokio reiškinio nebuvo pavykę stebėti realiu laiku – dėl itin mažo mastelio ir ypač greitos eigos.
Virššviesinis greitis be reliatyvumo teorijos laužymo
Ar tai reiškia, kad reliatyvumo teoriją reikia perrašyti? Ne. Esminis niuansas tas, kad optiniai sūkuriai nėra „objektai“ įprasta prasme: jie neturi masės ir neneša energijos ar informacijos taip, kad pažeistų priežasties ir pasekmės ryšį. Jų „judėjimas“ kyla iš kintančios bangos rašto geometrijos, o ne iš materijos ar signalo sklidimo erdve.
Vienas pagrindinių tyrimo autorių Ido Kamineris iš Izraelio technologijos instituto „Technion“ aiškina, kad mechanizmas susijęs su priešingų „krūvių“ (topologinių charakteristikų) singularijų tarpusavio trauka. Kai du tokie sūkuriai artėja vienas prie kito, jų trajektorijos erdvėlaikyje iki anihiliacijos momento turi sudaryti nenutrūkstamą kreivę. Dėl to, prieš pat susiliejimą ir išnykimą, jų greitis gali staigiai šoktelėti iki labai didelių, virššviesinių reikšmių. Būtent šį itin trumpą virššviesinio judėjimo epizodą mokslininkams ir pavyko užfiksuoti.
Kaip pavyko tai užfiksuoti: poliaritonai ir itin greita mikroskopija
Kad pamatytų šį sunkiai pagaunamą reiškinį, tyrėjai pasitelkė dvi svarbias inovacijas. Pirmoji – dvimatė medžiaga, vadinama heksagoniniu boro nitridu (hBN). Ši medžiaga palaiko egzotiškų šviesos ir atomų virpesių hibridų, vadinamų fononiniais poliaritonais, egzistavimą. Jie juda gerokai lėčiau nei šviesa vakuume ir gali būti stipriai lokalizuoti mažame plote. Dėl to mokslininkai galėjo sukurti tankius interferencinius raštus, kuriuose susidaro daug sūkurių, ir taip palengvino jų sekimą.
Antrasis elementas – ypač didelio tikslumo prietaisas: ultraspartus elektroninis mikroskopas, leidęs stebėti procesus, trunkančius vos kelias femtosekundes. Tyrėjai daug kartų kartojo eksperimentą su minimaliais laiko poslinkiais, o vėliau sujungė šimtus tūkstančių kadrų į savotišką „kadrų po kadrų“ filmą. Taip pavyko pamatyti, kaip sūkuriai artėja, pagreitėja ir galiausiai anihiliuoja.
Kodėl tai svarbu?
Nors eksperimentas susijęs su optika, jo reikšmė platesnė. Pasak mokslininkų, fazinių singularijų dinamika atspindi universalias bangų dėsningybes, būdingas skirtingoms sistemoms – nuo garso bangų ir skysčių srautų iki sudėtingų būsenų, tokių kaip superlaidininkai. Geresnis šių reiškinių supratimas gali padėti nagrinėti paslėptus procesus kietojo kūno fizikoje, o ateityje – net kai kuriuose molekulinės biologijos kontekstuose.
Be to, tyrime pritaikyta metodika, vadinama elektronine interferometrija, ženkliai pagerina vaizdinimo raišką nanoskalėje. Ji gali tapti svarbiu technologiniu įrankiu, leidžiančiu „žemėlapiuoti“ itin subtilių reiškinių judėjimą pažangiose medžiagose. Mokslininkai jau svarsto kitą žingsnį – bandymus perkelti stebėjimus į trimatę erdvę, kad būtų galima fiksuoti dar sudėtingesnį bangų elgesį. „Technion“ komandos rezultatai rodo, kad net ir gerai ištirtoje optikos srityje gamta tebėra pasirengusi pateikti netikėtumų.
