Что может обогнать скорость света? Физики впервые засняли сверхсветовое движение без нарушения законов

Скорость света в вакууме — абсолютный предел во Вселенной. Ни один материальный объект, ни одна частица, обладающая массой, и ни один сигнал, способный передавать информацию, не могут двигаться быстрее этой величины. Это базовый принцип специальной теории относительности, нарушение которого привело бы к разрушению причинно-следственных связей.

Однако этот физический закон имеет четко очерченные границы применимости. Ограничения на скорость распространяются исключительно на массу и энергию. Геометрические объекты, математические точки и абстрактные проекции, в которых физически ничего не содержится, могут перемещаться в пространстве с любой мыслимой скоростью.

Международная исследовательская группа, в которую вошли ученые из Техниона, Гарвардского университета, Массачусетского технологического института и других ведущих научных центров, впервые в истории смогла напрямую зафиксировать и детально измерить этот эффект в оптической среде. В своей работе физики отследили динамику оптических фазовых сингулярностей. Исследователи доказали, что в моменты формирования и исчезновения эти структуры массово разгоняются до скоростей, значительно превышающих скорость света. Более того, ученые выяснили, что для наблюдения за этими сверхсветовыми событиями необходимо использовать материалы, в которых сам свет распространяется аномально медленно.

Анатомия нулевой интенсивности

Световое излучение имеет волновую природу. Любая волна описывается двумя параметрами: амплитудой и фазой. Амплитуда определяет интенсивность или яркость света. Фаза описывает текущее состояние колебания волны в конкретный момент времени и в конкретной точке пространства — например, находится ли волна на пике своего гребня, в нижней точке спада или где-то посередине.

Когда множество световых волн пересекаются в пространстве, они взаимодействуют друг с другом. Этот процесс называется интерференцией. В результате наложения волн их амплитуды могут складываться, образуя более яркие участки, или вычитаться. В определенных точках пространства волны сходятся таким образом, что полностью гасят друг друга. В этих координатах амплитуда электромагнитного поля падает до абсолютного нуля. Возникает состояние полной темноты на микроскопическом уровне.

Именно такая точка нулевой интенсивности называется оптической фазовой сингулярностью. Поскольку в этой точке нет самой волны (колебание отсутствует), определить ее фазу математически и физически невозможно. При этом вокруг точки нулевой интенсивности фаза поля совершает полный цикл изменений на 360 градусов. В зависимости от того, в каком направлении происходит это изменение фазы — по часовой стрелке или против нее — физики присваивают сингулярности топологический заряд: +1 или -1.

Оптические сингулярности обладают высокой стабильностью и подчиняются строгим правилам динамики. Они всегда рождаются парами с противоположными зарядами. Точно так же они могут исчезнуть только в том случае, если сингулярность с положительным зарядом встретится в пространстве с сингулярностью с отрицательным зарядом. В момент их столкновения происходит аннигиляция — взаимное уничтожение, после которого волновая структура перестраивается.

Технологии на пределе возможностей

Долгое время изучение динамики оптических сингулярностей оставалось исключительно теоретическим направлением. Математические модели, основанные на интерференции случайных волн, предсказывали необычное поведение этих точек. В частности, расчеты показывали, что перед самым моментом взаимного уничтожения скорость сближения сингулярностей должна резко возрастать. Однако для экспериментального подтверждения этой теории требовалось оборудование, которого не существовало.

Проблема заключалась в масштабах. Наблюдение за процессом требовало фиксации изменений на расстояниях, значительно меньших длины самой световой волны, и за промежутки времени, меньшие одного периода ее колебания.

Для решения этой задачи исследователи разработали сложный экспериментальный комплекс на базе сверхбыстрого просвечивающего электронного микроскопа. В качестве среды для создания и наблюдения сингулярностей физики выбрали тонкую мембрану из изотопически чистого гексагонального нитрида бора. Этот материал обладает уникальным свойством: при облучении инфракрасным светом в нем возникают фонон-поляритоны. Это гибридные состояния, в которых электромагнитная волна прочно связывается с колебаниями атомов кристаллической решетки самого материала.

Такое взаимодействие приводит к сильному сжатию электромагнитного поля. Длина волны поляритонов в нитриде бора становится в десятки раз меньше длины волны исходного света в вакууме.

Эксперимент строился на синхронизации лазерных и электронных импульсов. Ультракороткий лазерный импульс разделялся на две части. Первая часть направлялась на образец нитрида бора, возбуждая в нем поляритонное волновое поле со множеством сингулярностей. Вторая часть импульса попадала на катод электронного микроскопа, выбивая из него короткий пучок электронов.

Электроны пролетали сквозь мембрану нитрида бора точно в тот момент, когда там распространялась световая волна. Взаимодействуя с электромагнитным полем материала, электроны изменяли свою энергию. Измеряя эти энергетические сдвиги, алгоритмы микроскопа покадрово восстанавливали точную карту распределения амплитуды и фазы поляритнонного поля.

Сдвигая время задержки между запуском света и выстрелом электронов с шагом в несколько фемтосекунд, ученые создали серию кадров, фиксирующих эволюцию волнового поля. Итоговое разрешение составило 20 нанометров в пространстве и 3 фемтосекунды во времени. Это позволило исследователям отследить траектории более 50 пар сингулярностей на площади 21 на 21 микрометр и собрать массив данных для статистического анализа их кинематики.

Парадокс медленного поля и сверхбыстрых точек

Анализ полученных данных подтвердил предсказания теоретиков и выявил масштаб явлений, происходящих при столкновении точек нулевой интенсивности. Когда положительная и отрицательная сингулярности сближаются для аннигиляции, их скорость не остается постоянной. Чем ближе они находятся друг к другу, тем быстрее они движутся.

С точки зрения геометрии пространства и времени этот процесс описывается непрерывной замкнутой кривой. Траектории двух точек формируют дугу. В момент их окончательного слияния касательная к этой кривой становится параллельной оси пространства, что математически означает стремление скорости к бесконечности. Следовательно, непосредственно перед аннигиляцией, а также сразу после рождения новой пары, сингулярности обязаны превысить скорость света.

Поскольку фазовая сингулярность — это просто координата, в которой интенсивность волны равна нулю, ее сверхсветовое перемещение не противоречит законам физики. В этой точке нет ни массы, ни фотонов. Она не способна переносить энергию или служить сигналом для передачи данных.

Однако, согласно теоретическим расчетам для обычного оптического поля в вакууме, средняя скорость перемещения таких геометрических точек составляет около 10% от скорости света. Лишь в 0,4% случаев, при самых редких конфигурациях волн, их скорость превышает световую.

В эксперименте с нитридом бора ситуация оказалась иной. Средняя скорость всего ансамбля исследуемых сингулярностей составила 1.04c, то есть превысила световую. При этом 29% всех зафиксированных точек двигались быстрее скорости света.

Причина этого явления заключается в физических свойствах гексагонального нитрида бора. Из-за специфической дисперсии материала так называемая групповая скорость волн — скорость, с которой перемещается сам пакет энергии внутри кристалла — оказывается более чем в сто раз ниже скорости света в вакууме. Возникает выраженный кинематический контраст: общая волновая картина и переносимая ей энергия смещаются в пространстве очень медленно, но при этом локальные изменения фазы и точки пересечения нулевых амплитуд перестраиваются на фоне этой медленной волны с огромным ускорением. Медленная среда выступила в роли физического усилителя скорости для топологических дефектов.

Значение для фундаментальной и прикладной науки

Скрупулезное измерение кинематики пустоты нужно для создания оптических технологий нового поколения. Понимание того, как ведут себя точки нулевой интенсивности, неразрывно связано с явлением суперосцилляций.

Суперосцилляции — это локальные эффекты в волновых полях, при которых волна на коротком отрезке пространства колеблется с частотой, превышающей самую высокую частоту, присутствующую в ее глобальном спектре. Сверхсветовые ускорения сингулярностей напрямую генерируют экстремальные суперосцилляторные градиенты.

Контроль над этими явлениями открывает путь к преодолению дифракционного предела в оптике. Традиционно считается, что с помощью света невозможно рассмотреть объекты, размер которых меньше половины длины световой волны. Фокусировка волновых полей, использующая свойства суперосцилляций и точное позиционирование фазовых сингулярностей, позволит создавать микроскопы глубокого субволнового разрешения. Это даст возможность изучать структуры атомарного масштаба с помощью обычного оптического излучения, отказавшись от применения рентгеновских лучей.

Кроме того, исследование продемонстрировало возможность модификации волновых функций свободных электронов. Пропуская электроны через участки поля с заданными оптическими сингулярностями, физики могут транслировать на них сложный топологический заряд. Это позволяет формировать электронные пучки нестандартной пространственной конфигурации. Подобные технологии необходимы для развития электронной голографии и методов электронной интерферометрии, а в перспективе — для создания систем кодирования и передачи квантовой информации, основанных не на заряде или энергии частиц, а на топологии волновых полей.

Источник: arXiv