Вперше фізики спостерігали, що "дірки" у світлі можуть рухатися швидше за саме світло.
Ці дірки відомі як фазові сингулярності або оптичні вортекси. З 1970-х років вчені передбачали, що, так само як завихрення у річці можуть рухатися швидше за течію води, так і вихори у світловій хвилі можуть випереджати світло, в якому вони знаходяться.
Це не порушує теорію відносності, яка стверджує, що нічого не може рухатися швидше за швидкість світла. Справа в тому, що вортекси не несуть маси, енергії чи інформації, а їхній рух базується на змінній геометрії хвильового патерну, а не на фізичному русі в просторі.
Однак зафіксувати це явище в дії було важко, оскільки воно відбувається на надзвичайно малих масштабах простору і часу. Це досягнення є тріумфом електронної мікроскопії.
Наше відкриття розкриває універсальні закони природи, які спільні для всіх типів хвиль, від звукових хвиль і течій до складних систем, таких як надпровідники, - говорить Ідо Камінер, фізик з Техніону, Ізраїльський технологічний інститут.
Цей прорив надає нам потужний технологічний інструмент: можливість картографувати рух делікатних наноразмірних явищ у матеріалах, виявлених за допомогою нового методу (електронної інтерферометрії), який підвищує різкість зображення.
Хоча для наших очей світло виглядає однорідним, насправді в ньому відбувається багато процесів, які ми не можемо легко розпізнати. Світло може піддаватися порушенням, подібним до тих, що спостерігаються в інших системах, де домінують динаміка потоку, включаючи тип фазової сингулярності, яку вчені називають оптичними вортексами.
Світло може поводитися як частинка, так і як хвиля; оптичний вортекс формується, коли хвиля закручується під час руху, подібно до корка. У самому центрі цього закручування світло взаємно гасить себе, залишаючи точку нульової інтенсивності – своєрідну темну "дірку" у світлі.
Математично зрозуміло, що дві сингулярності в системі координат будуть притягуватися одна до одної, набираючи швидкість, коли наближаються, досягаючи швидкостей, які, здавалося б, перевищують швидкість світла у вакуумі.
Як сингулярності з протилежними зарядами наближаються одна до одної, їхні траєкторії в просторі-часі повинні формувати безперервну криву в точці ангіляції, змушуючи їхнє прискорення до безмежних швидкостей прямо перед ангіляцією, - пояснюють дослідники у своїй статті.
Цей експеримент проводився в двовимірному контексті. Наступний крок, за словами дослідників, полягає в спробі розширити свою роботу на вищі виміри, щоб спостерігати більш складну поведінку. Вони також зазначають, що розроблені ними техніки можуть допомогти вирішити деякі з поточних обмежень електронної мікроскопії.
Ми вважаємо, що ці інноваційні мікроскопічні техніки дозволять вивчати приховані процеси в фізиці, хімії та біології, - говорить Камінер, - розкриваючи вперше, як природа поводиться у своїх найшвидших і найнепомітніших моментах.
Дослідження було опубліковано в Nature.