Fizičari otkrili nešto što se može kretati brže od svetlosti – tama u njoj

Poznate kao fazne singularnosti ili optički vrtlozi, naučnici još od 70-ih predviđaju da, baš kao što vrtlozi u reci mogu da se kreću brže od vode koja ih okružuje, tako i vrtlozi u talasu svetlosti mogu da nadmaše brzinu same svetlosti u kojoj se nalaze.

Ovo ne krši teoriju relativnosti, koja kaže da ništa ne može putovati brže od brzine svetlosti. To je zato što vrtlozi ne nose masu, energiju niti informaciju, a njihovo kretanje zasniva se na promenljivoj geometriji talasnog obrasca, a ne na stvarnom fizičkom kretanju kroz prostor.

Međutim, snimiti ovaj fenomen u praksi bilo je teško, jer se odvija na izuzetno malim prostornim i vremenskim razmerama. Ovo dostignuće predstavlja trijumf elektronske mikroskopije.

„Naše otkriće otkriva univerzalne zakone prirode zajedničke svim vrstama talasa, od zvučnih talasa i strujanja fluida do složenih sistema kao što su superprovodnici. Ovaj proboj nam pruža moćan tehnološki alat – mogućnost mapiranja kretanja osetljivih fenomena na nanoskopskom nivou u materijalima, otkrivenih novom metodom (elektronska interferometrija) koja poboljšava oštrinu slike“, kaže Ido Kaminer, fizičar sa Izraelskog instituta za tehnologiju „Tehnion“.

Iako svetlost našim očima deluje jednolično, u njoj se dešava mnogo toga što ne možemo lako da uočimo. Svetlost može biti podložna poremećajima sličnim onima u drugim sistemima kojima dominira dinamika strujanja, uključujući tip fazne singularnosti koji naučnici nazivaju optičkim vrtlozima.

Svetlost se može ponašati i kao čestica i kao talas; optički vrtlog nastaje kada se talas uvija dok se kreće, poput vadičepa. U samom centru tog uvijanja, svetlost se poništava, ostavljajući tačku nultog intenziteta, neku vrstu tamne „rupe“ u svetlosti.

Matematički je poznato da će se dve singularnosti u referentnom okviru privlačiti, ubrzavajući kako se približavaju, dostižući brzine koje deluju kao da premašuju brzinu svetlosti u vakuumu.

„Kako se singularnosti suprotnog naboja približavaju, njihove putanje u prostor-vremenu moraju formirati kontinuiranu krivu u tački anihilacije, primoravajući njihovo ubrzanje na neograničene brzine neposredno pre nestanka“, objašnjavaju istraživači u svom radu.

Ovo je već uočeno u drugim sistemima, ali proučavanje kako se ovaj scenario odvija u svetlosnom polju nešto je složenije. Mnogo rada je uloženo u laboratorijama, ali posmatranja optičkih vrtloga bila su ograničena nemogućnošću tehnologije da isprati brzinu kojom se formiraju, kreću i sudaraju.

Da bi prevazišli ta ograničenja, Kaminer i njegove kolege snimili su ponašanje optičkih vrtloga u dvodimenzionalnom materijalu nazvanom heksagonalni bor-nitrid.

Ovaj materijal podržava neobične svetlosne talase nazvane fononski polaritoni – hibride svetlosti i atomskih vibracija – koji se kreću mnogo sporije od same svetlosti i mogu biti snažno ograničeni u prostoru. To stvara složene interferencione obrasce ispunjene brojnim vrtlozima, omogućavajući istraživačima da detaljno prate njihovo kretanje.

Drugi, ključni deo bio je snimanje te dinamike u realnom vremenu. Tim je koristio specijalizovani brzi elektronski mikroskop sa do sada neviđenom prostornom i vremenskom rezolucijom, koji je beležio događaje u razmaku od svega tri kvadrilionita dela sekunde.

Eksperiment su ponovili mnogo puta, svaki put snimajući sa malim vremenskim pomakom u odnosu na prethodno izvođenje. Kombinujući stotine tako dobijenih snimaka, istraživači su napravili vremenski zapis vrtloga dok su jurili jedni ka drugima i međusobno se poništavali, pri čemu su njihove brzine na veoma kratak trenutak dostizale superluminalne vrednosti.