«Тёмные вихри». Физики нашли нечто, что движется быстрее света

Представьте себе водоворот, который вращается быстрее реки, в которой он образовался. Физикам впервые удалось запечатлеть нечто подобное — только не в воде, а в свете.

Они обнаружили, что внутри светового луча могут возникать «дыры» (или «тёмные вихри»), которые движутся быстрее, чем сам свет.

Волна закручивается наподобие штопора

Результаты исследования, опубликованные в престижном журнале Nature, могут восприниматься как парадокс (ничто не может двигаться быстрее света), но на самом деле им не являются. О чём речь?

Учёные из Технологического института Израиля во главе с физиком Идо Каминером сумели зафиксировать движение так называемых оптических вихрей или фазовых сингулярностей: особых «дырок» в структуре света, где его интенсивность падает до нуля. Они известны с 1970-х годов, но зафиксировать их пока не удавалось.

Эти тёмные области формируются, когда волна света закручивается наподобие штопора. В самом центре этого завихрения волны гасят друг друга, оставляя точку нулевой интенсивности — зону абсолютной тьмы. Согласно теоретическим предсказаниям, такие «сгустки тьмы» могут двигаться быстрее самой световой волны — подобно тому, как водовороты в реке обгоняют течение.

Однако наблюдать это явление на практике оказалось невероятно сложно: оно разворачивается на наноуровне за квадриллионные доли секунды.

Учёные собрали покадровый «фильм»

Чтобы «поймать» неуловимое движение, команда Идо Каминера пошла на хитрость. Учёные использовали особый двумерный материал — гексагональный нитрид бора. Он способен поддерживать необычные световые волны, называемые фононными поляритонами — это гибриды света и атомных колебаний. Они движутся гораздо медленнее, чем один только свет, и могут быть плотно локализованы, что позволяет исследователям детально наблюдать за ними.

Затем физики вооружились высокоскоростным электронным микроскопом с беспрецедентным пространственным и временным разрешением. Он регистрировал события, которые разворачивались всего за три квадриллионных(!) доли секунды (3 × 10⁻¹⁵ с).

Повторяя эксперимент много раз с микрозадержками, учёные собрали покадровый «фильм» о том, как два вихря противоположных знаков притягиваются, разгоняются — и уничтожают друг друга, на мгновение достигая сверхсветовых скоростей.

А что насчёт теории относительности?

Почему же это открытие не нарушает теорию относительности Эйнштейна, которая утверждает, что ничто не может двигаться быстрее света? Всё дело в том, что сами эти «тёмные вихри» не несут ни массы, ни энергии, ни какой-либо информации. Их движение — не физическое перемещение материи, а геометрическое изменение волнового узора. Тем не менее, сам факт существования структуры, способной локально «обгонять» свет, впечатляет.

Профессор Идо Каминер отмечает, что сделанное его научной группой открытие выявляет всеобщие физические принципы, характерные для волн любой природы — акустических, гидродинамических или возникающих в сложных системах наподобие сверхпроводников. А ещё подчёркивает, что созданный учёными метод позволяет эффективно отслеживать сверхбыстрые и трудноуловимые явления в химии, физике и биологии.

Исследователи планируют продолжить работу, перейдя в трёхмерное пространство, где поведение оптических вихрей может стать ещё более сложным. А пока мы можем лишь удивляться тому, что в этом мире, пусть и на микроуровне, есть что-то движущееся быстрее света.