Вчені вперше спостерігали, як щось всередині потоку світла рухалося швидше за нього

Світло — фотони — має одночасно властивості хвилі і частинки. І як будь-яка хвиля, включаючи ті, що біжать по поверхні води, струмені світла течуть, створюючи в просторі-часі характерні для звичайної води візерунки. Вчені вперше продемонстрували це на незвичайному явищі, коли вихори у воді починають рухатися швидше за сам потік. Виявилося, що світло також створює вихори, які рухаються швидше за швидкість світла.

Джерело зображення: ІІ-генерація Grok 4/3DNews

Математично існування оптичних вихорів, або фазових сингулярностей світла, було доведено теоретиками понад 50 років тому. Складність полягала в тому, щоб побачити це явище в експерименті — наукове обладнання довго не було до цього готове. Нарешті, вчені за допомогою електронної мікроскопії найвищої роздільної здатності як у просторі, так і в часі змогли побачити і задокументувати це явище в двовимірному матеріалі — гексагональному нітриді бору.

Гексагональний нітрид бору був обраний тому, що в ньому хвилі з поляритонів сильно стиснуті і створюють складні інтерференційні картини, ідеальні для спостереження за оптичними вихорами. Непосреднє спостереження за фотонами неможливе, але коли вони взаємодіють з колективними збудженнями в речовині, виникають квазічастинки — поляритони, за якими можна спостерігати як за проявом активності фотонів.

Додамо, що це відкриття не суперечить спеціальній теорії відносності Ейнштейна, оскільки не відбувається переносу маси, енергії та інформації.

Оптичні вихори виникають, коли світлові хвилі закручуються подібно до водовороту: в центрі вихору хвилі взаємно гасять одна одну, утворюючи точку нульової інтенсивності — «темну діру». Фізично дві протилежно заряджені сингулярності притягуються одна до одної і, зближуючись, прискорюються. Їхній рух описується геометрією хвильового фронту, а не реальним переміщенням матерії, тому швидкість фази хвилі може перевищувати швидкість світла, як це відбувається і в інших хвильових явищах (наприклад, у звукових хвилях або потоках рідини).

«Наше відкриття розкриває універсальні закони природи, спільні для всіх типів хвиль, від звукових хвиль і потоків рідини до складних систем, таких як надпровідники», — пояснюють вчені. Світло також вписується в цю фізику.

Крім того, запропонована вченими нова методика електронної інтерферометрії відкриває шлях до вивчення найшвидших і прихованих процесів у фізиці, хімії та біології на масштабі нанометрів. Хоча явище спостерігається лише в мікроскопічних масштабах і не порушує причинно-наслідкові зв'язки, воно надає вченим потужний інструмент для дослідження природи в її найшвидших проявах.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки