Optički vrtlozi – svojevrsne „rupe“ u svetlosti – mogu da se kreću brže od same svetlosti, a naučnici su sada prvi put uspeli i da ih direktno posmatraju.
Reč je o fenomenu poznatom kao fazne singularnosti, čije postojanje fizičari predviđaju još od sedamdesetih godina prošlog veka. Analogija je jednostavna: kao što se vrtlog u reci može kretati brže od vode koja ga okružuje, tako i „vrtlozi“ u svetlosnim talasima mogu nadmašiti brzinu same svetlosti u kojoj se formiraju.
Iako na prvi pogled zvuči kao kršenje osnovnih zakona fizike, to ipak nije slučaj. Prema Teorija relativnosti, ništa ne može putovati brže od svetlosti ako nosi masu, energiju ili informaciju. Optički vrtlozi, međutim, ne spadaju u tu kategoriju – oni su rezultat promena u strukturi talasa, a ne fizički objekti koji se kreću kroz prostor, piše Science Alert.
Svetlost nije tako jednostavna kao što izgleda
Iako ljudskom oku deluje homogeno, svetlost je zapravo složen fenomen. Može se ponašati i kao talas i kao čestica, a u određenim uslovima dolazi do pojave optičkih vrtloga – tačaka u kojima se talas „uvija“ poput spirale.
U samom centru tog uvijanja intenzitet svetlosti pada na nulu, stvarajući ono što naučnici opisuju kao tamnu tačku ili „rupu“ u svetlosnom polju.
Matematički modeli pokazuju da se takve singularnosti mogu međusobno privlačiti i ubrzavati kako se približavaju, dostižući brzine koje deluju kao da premašuju brzinu svetlosti.
„Kako se singularnosti suprotnog naboja približavaju, njihove putanje u prostor-vremenu moraju formirati kontinuiranu krivu u tački njihovog nestanka, što dovodi do ekstremnog ubrzanja neposredno pre toga“, navodi se u radu istraživača.
Zašto je ovo otkriće važno
Iako su slični efekti ranije primećeni u drugim fizičkim sistemima, njihovo posmatranje u svetlosti predstavljalo je poseban izazov. Problem je bio u tehnologiji – ovi procesi odvijaju se na izuzetno malim prostornim i vremenskim razmerama, što ih čini gotovo nemogućim za direktno praćenje.
Upravo tu dolazi do ključnog proboja.
Tim naučnika uspeo je da zabeleži ponašanje optičkih vrtloga u posebnom dvodimenzionalnom materijalu – heksagonalnom bor-nitridu. U njemu se javljaju takozvani fononski polaritoni, hibridni talasi koji kombinuju svetlost i vibracije atoma i kreću se znatno sporije od same svetlosti.
To usporavanje omogućilo je istraživačima da precizno prate kompleksne obrasce kretanja i sudaranja vrtloga.
Tehnologija koja vidi nezamislivo
Drugi ključni deo eksperimenta bila je napredna elektronska mikroskopija. Naučnici su koristili ultrabrzi mikroskop sposoban da beleži procese u vremenskim intervalima od svega nekoliko kvadrilionitih delova sekunde.
Eksperiment je ponavljan više puta, uz minimalne vremenske pomake između snimanja. Kombinovanjem stotina takvih zapisa, tim je uspeo da rekonstruiše čitav proces – od formiranja vrtloga do njihovog sudara i nestanka.
U tim trenucima, brzine koje su dostizali zaista su prelazile granicu brzine svetlosti – ali samo prividno, bez narušavanja fundamentalnih zakona fizike.
Šire implikacije: od zvuka do superprovodnika
Kako ističe fizičar Ido Kaminer sa Tehniona, ovo otkriće ima širi značaj nego što se na prvi pogled čini.
„Ovo nam otkriva univerzalne zakone koji važe za različite tipove talasa – od zvuka i fluida do kompleksnih sistema poput superprovodnika“, objašnjava on.
Nova metoda posmatranja omogućava naučnicima da mapiraju izuzetno osetljive procese na nanoskopskom nivou, što može imati primenu u razvoju naprednih materijala i tehnologija budućnosti.
Iako ideja o „nečemu bržem od svetlosti“ zvuči kao naučna fantastika, ovaj fenomen pokazuje koliko je priroda složenija nego što na prvi pogled deluje – i koliko još ima prostora za otkrića, čak i u nečemu tako svakodnevnom kao što je svetlost.