Για πρώτη φορά φυσικοί ανακάλυψαν κάτι που κινείται πιο γρήγορα από το φως και αυτό είναι κάτι που δεν περιμέναμε. Πρόκειται για οπές στο φως, που φαίνεται να κινούνται γρηγορότερα από το ίδιο το φως.
Πρόκειται για κάτι που είναι γνωστό ως μοναδικότητες φάσης ή οπτικές δίνες και τις έχουμε δει για πρώτη φορά από τη δεκαετία του 1970. Τότε, οι επιστήμονες είχαν προβλέψει πως, όπως ακριβώς οι δίνες σε ένα ποτάμι μπορούν να κινούνται πιο γρήγορα από το ρέον νερό γύρω τους, έτσι και σε ένα κύμα φωτός, οι δίνες μπορούν να ξεπεράσουν την ταχύτητα του φωτός που τις περιβάλλει.
Πρόκειται για κάτι που δεν παραβιάζει τη θεωρία της σχετικότητα, που αναφέρει πως τίποτα δε μπορεί να ταξιδέψει γρηγορότερα από το φως. Αυτό γιατί οι δίνες δε φέρου μάζα και ενέργεια, αλλά η κίνησή τους βασίζεται αποκλειστικά στην εξελισσόμενη γεωμετρία του κυματικού μοτίβου και όχι στην φυσική κίνηση στον χώρο.
Όμως, το να καταφέρουμε να αποτυπώσουμε αυτό το φαινόμενο και να το επιβεβαιώσουμε εν δράσει, ήταν απίστευτα δύσκολο με την τεχνολογία που είχαμε μέχρι σήμερα. Αυτό γιατί συμβαίνει σε τρομερά μικρές κλίμακες χώρου και χρόνου. Τώρα όμως η ηλεκτρονική μικροσκοπία έχει κάνει τεράστια άλματα και πλέον μπορούμε να το δούμε να συμβαίνει. Προφανώς αυτό αποτελεί θρίαμβο για την τεχνολογία και την επιστήμη.
«Η ανακάλυψή μας αποκαλύπτει παγκόσμιους νόμους της φύσης που είναι κοινοί σε όλους τους τύπους κυμάτων, από τα ηχητικά κύματα και τις ροές ρευστών έως πολύπλοκα συστήματα όπως οι υπεραγωγοί», λέει ο Ido Kaminer, φυσικός στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο Technion Israel.
«Αυτή η ανακάλυψη μας παρέχει ένα ισχυρό τεχνολογικό εργαλείο: την ικανότητα χαρτογράφησης της κίνησης ευαίσθητων φαινομένων νανοκλίμακας σε υλικά, η οποία αποκαλύπτεται μέσω μιας νέας μεθόδου (ηλεκτρονική συμβολομετρία) που βελτιώνει την ευκρίνεια της εικόνας».
Αν και όταν κοιτάμε το φως, όλα φαίνονται ομοιόμορφα, συμβαίνουν πολλά που το γυμνό μάτι δε μπορεί να διακρίνει. Όπως όλα τα συστήματα στα οποία κυριαρχεί η δυναμική της ροής, έτσι και στο φως, υπάρχει ένας τύπος μοναδικότητας φάσης, που οι επιστήμονες ονομάζουν οπτικούς στροβίλους.
Το φως είναι γνωστό πως μπορεί να συμπεριφερθεί τόσο σαν σωματίδιο, όσο και ως κύμα. Οι οπτικοί στρόβιλοι σχηματίζονται όταν ένα κύμα στροβιλίζεται καθώς ταξιδεύει σε μια σπειροειδή κίνηση, όπως ένα τιρμπουσόν. Στο κέντρο αυτής της σπείρας όμως, το φως ακυρώνεται, κάτι που αφήνει πίσω του ένα σημείο μηδενικής έντασης, σαν μια σκοτεινή τρύπα στο φως.
Είναι μαθηματικά κατανοητό ότι δύο ιδιομορφίες σε ένα σύστημα αναφοράς θα σχεδιαστούν μαζί, κερδίζοντας ταχύτητα καθώς πλησιάζουν, φτάνοντας σε ταχύτητες που φαίνεται να υπερβαίνουν την ταχύτητα του φωτός στο κενό.
Αντίστοιχη συμπεριφορά έχει παρατηρηθεί σε όλα τα αντίστοιχα συστήματα, όμως η παρατήρηση της εξέλιξής του σε ένα φωτεινό πεδίο, είναι μια αρκετά πιο περίπλοκη διαδικασία από τα άλλα. Η αδυναμία της τεχνολογίας δε μας επέτρεπε να κάνουμε απευθείας παρατηρήσεις στο εντυπωσιακό φαινόμενο, αφού δε μπορούσαμε τεχνολογικά να συμβαδίσουμε με την ταχύτητα του φωτός, ώστε να δούμε την κίνηση και τις συγκρούσεις των δινών.
Ο Kaminer και οι συνάδελφοί του όμως, κατάφεραν να καταγράψουν την συμπεριφορά των δινών σε ένα δισδιάστατο υλικό, το εξαγωνικό νιτρίδιο του βιρίου. Πρόκειται για ένα υλικό που υποστηρίζει ασυνήθιστα φωτεινά κύματα που ονομάζονται φωνονικά πολαριτόνια, υβρίδια φωτός και ατομικών δονήσεων, τα οποία κινούνται πολύ πιο αργά από το φως μόνο του και μπορούν να περιοριστούν σε μεγάλο βαθμό. Έτσι, δημιουργούνται περίπλοκα μοτίβα συμβολής, γεμάτα από δίνες. Αυτό επιτρέπει στους επιστήμονες να παρακολουθούν λεπτομερώς την κίνηση του φωτός στον χώρο.
Το ακόμα πιο δύσκολο κομμάτι όμως είναι η καταγραφή του φαινομένου σε πραγματικό χρόνο. Για αυτό, η ομάδα χρησιμοποίησε έναν πολύ εξειδικευμένο ηλεκτρονικό τηλεσκόπιο, υψηλής ταχύτητας, με χωρική και χρονική ανάλυση που δεν έχουμε ξαναδεί. Με αυτό, κατάφεραν να καταγράψουν το φαινόμενο, σε 3 τετράκις εκατομμύρια του δευτερολέπτου.
Για να πάρουν τα δεδομένα που χρειάζονταν, οι επιστήμονες πραγματοποίησαν το πείραμα πολλές φορές, με μια μικρή καθυστέρηση σε σχέση με την προηγούμενη εκτέλεσή του. Όταν στοίβαξαν τις εκατοντάδες χιλιάδες εικόνες που τράβηξαν, δημιουργήθηκε ένα timelapse που παρουσιάζει τις δίνες καθώς κινούνται στον χώρο και μετά εξαϋλώνονται. Αυτές οι δίνες, φαίνεται πως ξεπερνούσαν την ταχύτητα του φωτός!
Το πείραμα πραγματοποιήθηκε σε ένα δισδιάστατο πλαίσιο. Το επόμενο βήμα, λένε οι ερευνητές, είναι να προσπαθήσουν να επεκτείνουν την εργασία τους σε υψηλότερες διαστάσεις για να παρατηρήσουν πιο περίπλοκη συμπεριφορά. Με τις τεχνικές που ανέπτυξαν όμως για το ηλεκτρονικό μικροσκόπιο, ενδέχεται να φέρουν επανάσταση, λύνοντας μερικούς από τους περιορισμούς της ηλεκτρονικής μικροσκοπίας.
«Πιστεύουμε ότι αυτές οι καινοτόμες τεχνικές μικροσκοπίας θα επιτρέψουν τη μελέτη κρυφών διεργασιών στη φυσική, τη χημεία και τη βιολογία», λέει ο Kaminer, «αποκαλύπτοντας για πρώτη φορά πώς συμπεριφέρεται η φύση στις πιο γρήγορες και πιο αόριστες στιγμές της».
Η έρευνα έχει δημοσιευτεί στο Nature.
