Fizicienii au reușit pentru prima dată să observe în mod direct un fenomen teoretic despre care se vorbea încă din anii ’70: găurile din lumină, cunoscute ca singularități de fază sau vortexuri optice, pot să se deplaseze mai repede decât viteza luminii în vid. Descoperirea, realizată cu ajutorul tehnologiei moderne de microscopie de mare viteză și a materialelor avansate, adaugă o nouă perspectivă asupra comportamentului undelor de lumină și a limitelor în fizică.
Deplasare mai rapidă decât lumina, dar fără riscul de încălcare a relativității
Pentru multă vreme, conceptul de vortexuri optice s-a aflat în sfera teoretică. Este vorba despre structuri de lumină în care lumina se răsucește în timp ce se deplasează, formând un tiribușon optic. În centrul acestei răsuciri, lumina se anulează singură, creând o zonă întunecată, numită gaură de lumină.
Ce a reușit să observe echipa condusă de Fizicianul Ido Kaminer de la Institutul de Tehnologie Technion din Israel este faptul că aceste vortexuri se pot mișca cu viteze mai mari decât viteza luminii. Totuși, această deplasare nu reprezintă o violare a principiului relativității, deoarece vortexurile nu transportă masă, energie sau informație. Mișcarea lor se bazează pe geometria undei, nu pe o deplasare fizică în spațiu.
„Descoperirea dezvăluie legi universale ale naturii împărtășite de toate tipurile de unde, de la undele sonore și fluxurile de fluide până la sisteme complexe precum supraconductorii”, a explicat Kaminer, subliniind importanța expunerii acestor fenomene în înțelegerea proceselor fundamentale.
Tehnologie avansată pentru observații la scară microscopică
Experimentul a fost realizat utilizând un material bidimensional numit nitrură de bor hexagonală, care poate susține unde de lumină neobișnuite numite fononi-polaritoni. Acești hibrizi de lumină și vibrații atomice se deplasează mult mai lent decât lumina în sine, creând modele complexe de interferență care permit cercetătorilor să urmărească cu precizie comportamentul vortexurilor.
Un pas critic a fost capturarea acestor evenimente în timp real. Echipa a utilizat un microscop electronic de mare viteză, capabil să înregistreze fenomene ce se desfășoară în doar trei cvadrilioane de secundă. Această tehnică a permis vizualizarea vortexurilor în timpul apropiat și în întâlnirile lor, atunci când se anihilau, depășind limitele obișnuite ale microscopiei electronice.
„Credem că aceste tehnici inovatoare de microscopie vor permite studiul proceselor ascunse din fizică, chimie și biologie, dezvăluind pentru prima dată modul în care natura se comportă în cele mai rapide momente ale sale”, a declarat Kaminer.
Noile descoperiri nu doar confirmă teoretic prezența vortexurilor optice cu viteze aparent mai mari decât viteza luminii, ci și deschid calea studiilor de fenomene mai complexe în medii variate.
Ce sunt singularitățile de fază și ce rol joacă în lumină?
Lumina, considerate atât ca particule cât și ca unde, poate forma aceste vortexuri prin răsuciri complexe. La centrul fiecărei răsuciri, lumina se anulează, rezultând un punct de intensitate zero. Acest punct reprezintă o gaură întunecată în lumină, iar formarea sa matematică implică comportamente complexe în cadrul undei de lumină.
Matematic, două singularități din același sistem de referință vor fi atrase una de alta, atingând viteze chiar și care depășesc viteza luminii. În experimentul recent, echipa de cercetare a urmărit această dinamică într-un mediu în care modelele de interferență sunt atât de complexe încât permit urmărirea precisă a vortexurilor.
Datorită utilizării materiale speciale și a tehnologiei de captare rapidă, specialiștii au reușit să observe comportamente ce până acum erau doar teoretice, în mediul de laborator. Aceste rezultate pot avea implicații în viitoarele cercetări despre comportamentul undelor în diverse sisteme fizice, inclusiv în domenii precum optica avansată sau fizica cuantică.
