Быстрее света? Легко! — если вы темная точка внутри световой волны. 50-летний спор физиков наконец-то закрыт

Эйнштейн был прав, но не совсем. Физики нашли лазейку в запрете на сверхсветовую скорость.

В Технионе впервые напрямую измерили странные точки внутри световой волны, о которых физики спорили с 1970-х. Речь идет о местах, где свет в буквальном смысле исчезает. Замеры показали неожиданную вещь: такие темные точки могут двигаться быстрее света, причем без конфликта с теорией относительности.

На слух формулировка кажется абсурдной. Если скорость света в вакууме считается предельной, как внутри световой волны может появиться что-то более быстрое? Ответ кроется в природе самого объекта. Исследователи наблюдали не частицы и не сигналы, которые переносят энергию или информацию, а особые точки с нулевой амплитудой. В таких местах интенсивность поля падает до нуля, и внутри волны возникает крошечная темная область.

В физике такие структуры называют вихрями. Похожие явления встречаются и в обычной жизни: в морской волне, в воздушном потоке, в воде при сливе в раковину или в чашке кофе после размешивания. Еще в 1970-х появилась теоретическая работа с необычным выводом: вихрь может двигаться быстрее той волны, внутри которой возникает. Для интуиции можно представить завихрение в реке, которое почему-то уходит вперед самого потока. Долгое время эффект существовал только в расчетах. Теперь у него появилась экспериментальная проверка.

Ключевой момент в том, что запрет Эйнштейна касается тел с массой и сигналов, способных переносить энергию или сведения из одной точки в другую. Темные точки из эксперимента под такое ограничение не подпадают. Массы у них нет, энергию они не несут, информацию не передают. Поэтому сверхсветовое движение в таком случае не ломает фундаментальную физику, а показывает, насколько необычно могут вести себя геометрические особенности волнового поля.

Добро пожаловать в то, что осталось. Свободный интернет закончился

Чтобы увидеть процессы, группе пришлось собрать нестандартную установку в Центре электронной микроскопии Техниона. Исследователи встроили лазерную систему и сложную оптомеханическую схему в специализированный электронный микроскоп. Такая сборка дала очень высокое пространственное и временное разрешение. Без этого темные точки просто ускользнули бы от наблюдения: явление происходит на наноуровне и развивается слишком быстро для обычных методов.

Эксперимент провели на гексагональном нитриде бора, hBN. Образец подготовил профессор Ханан Херциг Шейнфукс из университета Бар-Илан. В этом материале световые волны превращаются в поляритоны. Проще говоря, речь идет о гибридных возбуждениях, которые сочетают свойства света и колебаний среды. На бытовом уровне поляритон можно представить либо как сильно замедленный свет, либо как необычно быстрый звук.

Именно замедление сыграло решающую роль. В материале волны двигались примерно в 100 раз медленнее скорости света в вакууме. На таком фоне темные точки стало возможно не только заметить, но и измерить. Внутри этих замедленных волн вихри словно перескакивали по структуре поля и в какой-то момент опережали световую волну, частью которой оставались.

Сами темные точки возникают из-за интерференции, когда несколько волн накладываются друг на друга и в отдельных местах взаимно гасят амплитуду . В результате появляются нули интенсивности, то есть участки полной темноты внутри светового поля. Энергии в такой точке нет, но форма волны сохраняет ее как элемент собственной геометрии. Именно такая геометрическая особенность и может перемещаться по законам, которые не совпадают со скоростью переноса сигнала.

Работа важна не только потому, что закрыла старый теоретический вопрос. Исследование показало более общий принцип: вихри в самых разных волновых системах подчиняются похожим законам. Та же логика может проявляться в акустике, гидродинамике и даже в более сложных системах вроде сверхпроводников. Физики получили не просто красивый эффект, а способ следить за тем, как ведут себя тонкие и быстрые процессы, которые раньше терялись за пределами чувствительности приборов.

Главным техническим инструментом стала электронная интерферометрия. Метод повышает резкость изображения и помогает буквально разложить быстрые изменения в материале по времени и пространству. За счет этого исследователи могут видеть динамику на наноуровне заметно подробнее, чем раньше. Такой подход пригодится там, где нужно отслеживать рождение, движение и исчезновение локальных возбуждений внутри вещества.

Авторы работы считают, что новая методика пригодится сразу в нескольких направлениях. Среди них развитие микроскопии, оптика на основе наноструктур, исследования сверхпроводимости и способы кодирования квантовой информации в материалах. Во всех этих областях многое зависит от того, насколько точно удается увидеть тонкую структуру поля и быстрые изменения, которые раньше оставались скрытыми.