Могут ли «точки тьмы» двигаться быстрее света? Открытие ученых Техниона
Исследователи Техниона впервые провели прямое измерение «точек тьмы» внутри световых волн, подтвердив теоретическое предсказание 50-летней давности. Ученые доказали, что эти вихри способны перемещаться со скоростью, превышающей скорость света, не нарушая при этом законов физики.
Исследовательская группа из Техниона представила беспрецедентное достижение в области электронной микроскопии: прямое измерение «точек тьмы» внутри световых волн. Это открытие подтверждает теоретическое предсказание 1970-х годов о том, что скорость таких точек может превышать скорость света. Результаты исследования опубликованы в престижном научном журнале Nature.
Что такое «точки тьмы»?
«Точки тьмы» представляют собой крошечные «дыры» в структуре волны, или вихри — области, где из-за вращения материя отсутствует. Это явление широко распространено в природе: мы наблюдаем его в морских волнах, воздушных потоках и даже в чашке кофе. Еще полвека назад ученые предположили, что вихри могут двигаться быстрее, чем волна, в которой они образуются. Иными словами, вихрь в реке теоретически способен обогнать поток воды, внутри которого он существует.
Теперь эта гипотеза подтверждена экспериментально. Важно отметить, что согласно теории относительности Эйнштейна, предел скорости света применим лишь к материи, обладающей массой, и к сигналам, переносящим энергию или информацию. Поскольку измеренные в Технионе вихри не имеют массы и не несут энергии, они не нарушают фундаментальные физические законы.
Экспериментальный прорыв
Успех исследователей основан на создании уникальной системы микроскопии в Центре электронной микроскопии (MICA) при Технионе. Команда интегрировала лазерную установку с адаптированной оптомеханической системой в электронный микроскоп, достигнув рекордных показателей временного и пространственного разрешения.
Вихри изучались в специальном материале (hBN), подготовленном профессором Хананом Херцигом Шейнфуксом из Университета Бар-Илан. В этом материале световые волны преобразуются в особые «светозвуковые» волны — поляритоны. Их можно представить как свет, замедленный в 100 раз по сравнению со скоростью в вакууме, или как звуковые волны, движущиеся крайне быстро. Именно внутри этих «замедленных» волн световые вихри совершают скачок, преодолевая скорость света.
Значение для науки
Исследование возглавили ученые факультета электротехники: профессор Эдо Каминер, докторанты Томер Бухер и Алексей Горлач, а также доктор Шай Цесес, ныне постдокторант в MIT.
«Помимо исторического успеха в экспериментальном наблюдении, наше открытие раскрывает универсальные законы природы, общие для всех типов волн — от звуковых и потоков жидкостей до сложных систем сверхпроводников», — пояснил профессор Каминер. «Этот прорыв дает нам мощный инструмент для картирования нанометровых явлений. Мы верим, что новые методы микроскопии позволят исследовать скрытые процессы в физике, химии и биологии, впервые демонстрируя поведение природы в её самые быстрые и сокровенные моменты».
Данное открытие открывает новые пути в развитии технологий микроскопии, нанооптики, исследования сверхпроводников и методов квантового кодирования информации. Работа была поддержана Европейским союзом (программа Horizon 2020), Фондом Мура и Центром квантовых исследований имени Хелен Диллер в Технионе.
