Fizičari objasnili kako tama može biti brža od svjetlosti

Te rupe poznate su kao fazni singulariteti ili optički vrtlozi, a naučnici još od sedamdesetih godina prošlog vijeka predviđaju da, baš kao što se virovi u rijeci mogu kretati brže od vode koja teče oko njih, tako i kovitlaci u talasu svjetlosti mogu prestići svjetlost u kojoj su sadržani.

Ovo ne krši teoriju relativnosti, koja nalaže da ništa ne može putovati brže od brzine svjetlosti. Razlog je taj što vrtlozi ne nose masu, energiju niti informacije, a njihovo kretanje zasniva se na evoluirajućoj geometriji talasnog obrasca, a ne na fizičkom kretanju kroz prostor, piše ScienceAlert.

Međutim, ovaj fenomen bilo je teško zabilježiti jer se odvija na izuzetno malim prostornim i vremenskim skalama.

Ovo dostignuće predstavlja veliki uspjeh 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“, rekao je Ido Kaminer, fizičar s Tehniona – Izraelskog instituta za tehnologiju.

„Ovaj proboj pruža nam moćan tehnološki alat – sposobnost da mapiramo kretanje osjetljivih fenomena na nanorazmjeri u materijalima, otkrivenih kroz novu metodu elektronske interferometrije koja poboljšava oštrinu slike“, dodao je Kaminer.

Kako nastaju optički vrtlozi

Iako ljudskom oku svjetlost djeluje ujednačeno, u njoj se odvijaju brojni procesi koje ne možemo lako uočiti. Svjetlost može biti podložna poremećajima sličnim onima koji se javljaju u drugim sistemima kojima dominira dinamika protoka, uključujući fazne singularitete koje naučnici nazivaju optičkim vrtlozima.

Svjetlost se može ponašati i kao čestica i kao talas. Optički vrtlog nastaje kada se talas uvija tokom putovanja, poput vadičepa. U samom centru tog uvijanja svjetlost se poništava, ostavljajući tačku nultog intenziteta – svojevrsnu tamnu „rupu“ u svjetlosti.

Matematički je poznato da će se dva singulariteta u referentnom sistemu međusobno privlačiti i ubrzavati kako se približavaju, dostižući brzine koje naizgled premašuju brzinu svjetlosti u vakuumu.

„Kako se singulariteti suprotnih naboja približavaju jedan drugom, njihove putanje u prostor-vremenu moraju formirati kontinuiranu krivu u tački anihilacije, odnosno poništenja, što ih primorava na ubrzanje do neograničenih brzina neposredno prije samog poništenja“, naveli su istraživači u radu.

Snimanje fenomena u realnom vremenu

Slična pojava već je uočena u drugim sistemima, ali proučavanje njenog odvijanja u svjetlosnom polju mnogo je složenije. Iako je na tom području urađeno mnogo laboratorijskih istraživanja, posmatranje optičkih vrtloga bilo je ograničeno nedostatkom tehnologije koja bi mogla pratiti brzinu njihovog nastanka, kretanja i sudara.

Kako bi prevazišli ta ograničenja, Kaminer i njegove kolege proučavali su ponašanje optičkih vrtloga u dvodimenzionalnom materijalu poznatom kao heksagonalni bor-nitrid.

Taj materijal podržava neobične svjetlosne talase zvane fonon-polaritoni – hibride svjetlosti i atomskih vibracija – koji se kreću mnogo sporije od same svjetlosti i mogu biti snažno ograničeni. To stvara složene interferentne obrasce ispunjene brojnim vrtlozima, što je istraživačima omogućilo da detaljno prate njihovo kretanje.

Ključni dio istraživanja bilo je snimanje te dinamike u realnom vremenu. Tim je koristio specijalizovani elektronski mikroskop velike brzine s dosad neviđenom prostornom i vremenskom rezolucijom, koji je zabilježio događaje što se odvijaju u samo tri kvadrilionita dijela sekunde.

Eksperiment je ponovljen mnogo puta, pri čemu je svaki novi snimak napravljen s neznatnim zakašnjenjem u odnosu na prethodni.

Spajanjem stotina tako dobijenih slika istraživači su kreirali tajmlaps snimak vrtloga koji su jurili jedan prema drugom i međusobno se poništavali, pri čemu su njihove brzine nakratko dostizale superluminalne, odnosno nadsvjetlosne vrijednosti.

Šta slijedi dalje

Eksperiment je sproveden u dvodimenzionalnom okruženju. Naredni korak, prema riječima istraživača, biće proširenje istraživanja na više dimenzija kako bi se proučila složenija ponašanja.

Takođe smatraju da bi tehnike razvijene tokom ovog rada mogle pomoći u prevazilaženju nekih postojećih ograničenja elektronske mikroskopije.

„Vjerujemo da će ove inovativne tehnike mikroskopije omogućiti proučavanje skrivenih procesa u fizici, hemiji i biologiji, otkrivajući po prvi put kako se priroda ponaša u svojim najbržim i najnemilosrdnijim trenucima“, rekao je Kaminer.

(NIN/ScienceAlert)