Тьма быстрее света. Рассказываем, как физики нашли легальную лазейку в законах Эйнштейна

Физики из Техниона впервые показали в эксперименте, что в световой волне существуют особые тёмные точки, которые при определённых условиях могут двигаться быстрее света. На первый взгляд формулировка звучит как прямой конфликт с теорией относительности, но на деле речь идёт не о частицах, не о передаче сигнала и не о переносе энергии, а о геометрии самой волны. Учёные смогли увидеть и отследить движение таких точек напрямую, хотя саму идею обсуждали ещё с 1970-х.

Работу выполнила группа под руководством профессора Идо Камайнера вместе с коллегами из нескольких научных центров, включая MIT, Гарвард и Стэнфорд. Главный объект исследования - так называемые оптические вихри, или нулевые точки. Так называют области внутри волны, где интенсивность света падает до нуля. По сути, внутри светового поля образуется крошечный провал, тёмная точка, вокруг которой закручивается структура волны.

Похожие вихревые рисунки встречаются и вне оптики. Их можно увидеть в воде, в воздушных потоках и в других средах, где возникает вращательное движение. Но в случае со светом физиков давно интересовал другой вопрос: как ведут себя такие точки внутри самой волны и могут ли они двигаться необычным образом. Теория допускала, что при некоторых условиях нулевые точки способны перемещаться со сверхсветовой скоростью, однако прямого экспериментального подтверждения до сих пор не было.

Главная причина, по которой такой результат выглядит странно, понятна. Теория относительности запрещает объектам с массой разгоняться быстрее света и не допускает сверхсветовую передачу информации или энергии. Но в новом эксперименте ничего подобного не происходило. Тёмная точка внутри волны не является материальным телом и не переносит сигнал сама по себе. Исследователи наблюдали движение области нулевой интенсивности, а не полёт физического объекта в обычном смысле. Поэтому нарушения фундаментальных законов здесь нет.

Чтобы зафиксировать эффект, команде пришлось собрать очень сложную экспериментальную установку в центре электронной микроскопии Техниона. Учёные объединили лазерную систему, специализированный электронный микроскоп и точную оптомеханическую схему. Такая комбинация дала исключительно высокое пространственное и временное разрешение. Иными словами, исследователи получили возможность видеть очень маленькие детали и одновременно отслеживать очень быстрые изменения, которые раньше ускользали от прямого наблюдения.

Эксперименты проводили на гексагональном нитриде бора. Этот материал давно интересует физиков, потому что свет в нём ведёт себя не так, как в вакууме или в обычных прозрачных средах. Внутри него возникают поляритоны - гибридные возбуждения, в которых свойства света связаны с колебаниями вещества. Иногда такие состояния грубо описывают как смесь световой и материальной волны. Двигаются они заметно медленнее обычного света в вакууме, и именно это замедление создаёт условия, при которых тёмные точки могут как бы перескакивать по волновой структуре со скоростью выше световой.

Здесь важна сама логика процесса. Если волна в среде распространяется медленнее, чем свет в пустоте, отдельные особенности её структуры могут смещаться не так, как переносится энергия. В результате нулевая точка внутри такой волны оказывается способна двигаться по траектории, которая выглядит сверхсветовой. Наблюдаемый эффект связан не с ускорением света как такового, а с тем, как перестраивается форма волны в материале.

Значение работы не сводится к закрытию старого теоретического вопроса. Эксперимент показывает более общий принцип, который может оказаться важным для самых разных волновых систем, от гидродинамики до квантовых материалов. Кроме того, у физиков появился новый способ изучать процессы, которые идут на наноуровне и разворачиваются слишком быстро для обычных методов наблюдения. Отслеживание таких вихрей даёт исследователям дополнительный инструмент для картирования явлений, которые раньше либо вообще не удавалось увидеть напрямую, либо удавалось уловить только косвенно.

Новая методика может пригодиться в передовой микроскопии, нанофотонике, исследованиях сверхпроводимости и квантовой информации. По сути, это новый способ разглядывать самые короткоживущие и самые тонкие взаимодействия в сложных физических системах. Следующий шаг теперь очевиден: понять, где ещё такие тёмные точки можно использовать не только как объект фундаментальной физики, но и как рабочий инструмент для измерений.