Физики нашли нечто, что может двигаться быстрее света: тьму внутри него

Физики впервые заметили, что «дыры» в свете могут двигаться быстрее, чем сам свет.

Они известны как фазовые сингулярности или оптические вихри, и с 1970-х годов ученые предсказывают, что, как водовороты в реке могут двигаться быстрее, чем текущая вокруг них вода, так и водовороты в волне света могут обгонять свет, внутри которого они заключены.

Это не нарушается. теория относительности, которая утверждает, что ничто не может двигаться быстрее скорости света. Это связано с тем, что вихри не несут никакой массы, энергии или информации, а их движение основано на развивающейся геометрии волнового рисунка, а не на каком-либо физическом движении в пространстве.

Однако запечатлеть это явление в действии было сложно, поскольку оно разворачивается в чрезвычайно малых масштабах пространства и времени. Это достижение является триумфом электронной микроскопии.

«Наше открытие раскрывает универсальные законы природы, общие для всех типов волн, от звуковых волн и потоков жидкости до сложных систем, таких как сверхпроводники», — говорит Идо Каминер, физик Израильского технологического института Технион.

«Этот прорыв дает нам мощный технологический инструмент: способность отображать движение тонких наномасштабных явлений в материалах, обнаруженных с помощью нового метода (электронной интерферометрии), который повышает четкость изображения».

Хотя нашим глазам свет кажется однородным, в нем есть много такого, что мы не можем легко различить. Свет может подвергаться возмущениям, подобным тем, которые наблюдаются в других системах, в которых преобладает динамика потока, включая тип фазовой сингулярности, который ученые называют оптическими вихрями.

Свет может вести себя как частица и волна; оптический вихрь образуется, когда волна закручивается во время движения, как штопор. В самом центре этого поворота свет гасится, оставляя точку нулевой интенсивности — своего рода темную «дыру» в свете.

Математически понятно, что две сингулярности в системе отсчета будут сближаться, набирая скорость по мере сближения и достигая скоростей, которые кажутся превышающими скорость света в вакууме.

«По мере сближения противоположно заряженных сингулярностей, их пути в пространстве-времени должны образовывать непрерывную кривую в точке аннигиляции, вызывая их ускорение до неограниченных скоростей прямо перед аннигиляцией», — объясняют исследователи в своей статье.

Это наблюдалось и в других системах, но изучить, как этот сценарий может реализоваться в световом поле, несколько сложнее. В физических лабораториях была проделана большая работа по его изучению, но наблюдения оптических вихрей были ограничены из-за неспособности технологии справиться со скоростью, с которой происходит образование, движение и столкновение вихрей.

Чтобы преодолеть эти ограничения, Каминер и его коллеги записали поведение оптических вихрей в двумерном материале, называемом гексагональным нитридом бора.

Этот материал поддерживает необычные световые волны, называемые фононными поляритонами – гибридами свет и атомные вибрации, которые движутся гораздо медленнее, чем свет в одиночку, и могут быть жестко ограничены. Это создает сложные интерференционные узоры, заполненные множеством вихрей, что позволяет исследователям детально отслеживать их движение.

Второй, важной частью было фиксирование этой динамики в реальном времени. Команда использовала специализированный высокоскоростной электронный микроскоп с беспрецедентным пространственным и временным разрешением, который регистрировал события, происходящие всего за 3 квадриллионные доли секунды.

По теме: Скорость, превышающая скорость света, может быть причиной того, что гамма-всплески, кажется, идут назад во времени

Они проводили эксперимент много раз, каждый раз записывая с небольшой задержкой по сравнению с предыдущим запуском. Собрав вместе сотни изображений, полученных таким образом, исследователи создали замедленную съемку вихрей, когда они неслись навстречу друг другу и уничтожали друг друга, при этом их скорости на короткое время достигали сверхсветовых скоростей.

Эксперимент проводился в двумерном контексте. Следующим шагом, по словам исследователей, будет попытка распространить свою работу на более высокие измерения, чтобы наблюдать более сложное поведение. Они также говорят, что разработанные ими методы могут помочь устранить некоторые текущие ограничения электронной микроскопии.

«Мы считаем, что эти инновационные методы микроскопии позволят изучать скрытые процессы в физике, химии и биологии, — говорит Каминер, — впервые показывая, как природа ведет себя в самые быстрые и неуловимые моменты».

Исследование опубликовано в журнале Nature.