کشف چیزی که سریع‌تر از نور حرکت می‌کند!

فیزیکدانان چیزی را یافته‌اند که می‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند و آن، تاریکی درون نور است.

برای اولین بار، فیزیکدانان مشاهده کرده‌اند که «حفره‌ها» در نور می‌توانند سریع‌تر از خود نور حرکت کنند.

به نقل از ساینس الرت، آنها به عنوان تکینگی‌های فاز یا گرداب‌های نوری شناخته می‌شوند و از دهه ۱۹۷۰، دانشمندان پیش‌بینی کرده‌اند که همانطور که گرداب‌ها در یک رودخانه می‌توانند سریع‌تر از آب جاری اطراف خود حرکت کنند، گرداب‌ها در یک موج نور نیز می‌توانند از نوری که در آن قرار دارند، پیشی بگیرند.

این موضوع، «نسبیت» را که بیان می‌کند هیچ چیز نمی‌تواند سریع‌تر از سرعت نور حرکت کند، نقض نمی‌کند، به این دلیل که گرداب‌ها هیچ جرم، انرژی یا اطلاعاتی را حمل نمی‌کنند و حرکت آنها بر اساس هندسه در حال تکامل الگوی موج است، نه هرگونه حرکت فیزیکی در فضا.

با این حال، ثبت این پدیده در عمل دشوار بوده است، زیرا در مقیاس‌های بسیار کوچک فضا و زمان آشکار می‌شود. این دستاورد، پیروزی میکروسکوپ الکترونی است.

ایدو کامینر(Ido Kaminer)، فیزیکدان موسسه فناوری تکنیون(Technion) می‌گوید: کشف ما قوانین جهانی طبیعت را که در همه انواع امواج، از امواج صوتی و جریان‌های سیال گرفته تا سیستم‌های پیچیده‌ای مانند ابررساناها، مشترک است، آشکار می‌کند. این پیشرفت، ابزار فناوری قدرتمندی را در اختیار ما قرار می‌دهد که شامل توانایی نقشه‌برداری از حرکت پدیده‌های ظریف نانومقیاس در مواد (از طریق روش جدید تداخل‌سنجی الکترونی) است که وضوح تصویر را افزایش می‌دهد.

اگرچه نور از نظر ما یکنواخت به نظر می‌رسد، اما اتفاقات زیادی در آن رخ می‌دهد که نمی‌توانیم به راحتی تشخیص دهیم. نور می‌تواند در معرض اختلالاتی مشابه با آنچه در سایر سیستم‌های تحت سلطه دینامیک جریان دیده می‌شود، قرار گیرد، از جمله نوعی تکینگی فاز که دانشمندان آن را «گرداب‌های نوری» می‌نامند.

نور می‌تواند هم به عنوان ذره و هم به عنوان موج رفتار کند. یک گرداب نوری زمانی تشکیل می‌شود که موج در حین حرکت، مانند یک دربازکن، پیچ می‌خورد. در مرکز آن پیچش، نور خود را خنثی می‌کند و نقطه‌ای با شدت صفر باقی می‌گذارد که نوعی حفره تاریک در نور است.

از نظر ریاضی، دو تکینگی در یک چارچوب مرجع به سمت هم کشیده می‌شوند و با نزدیک شدن به یکدیگر، سرعتشان افزایش می‌یابد و به سرعت‌هایی می‌رسند که به نظر می‌رسد از سرعت نور در خلأ فراتر می‌روند.

محققان در مقاله خود توضیح می‌دهند: هنگامی که تکینگی‌های با بار مخالف به یکدیگر نزدیک می‌شوند، مسیر آنها در فضازمان باید در نقطه نابودی یک منحنی پیوسته تشکیل دهد و شتاب آنها را درست قبل از نابودی به سرعت‌های نامحدود سوق دهد.

این موضوع در سیستم‌های دیگر مشاهده شده است، اما مطالعه چگونگی وقوع این سناریو در یک میدان نوری تا حدودی پیچیده‌تر است. کارهای زیادی در آزمایشگاه‌های فیزیک برای مطالعه آن انجام شده است، اما مشاهدات گرداب‌های نوری به دلیل ناتوانی فناوری در همگام شدن با سرعتی که در آن تشکیل گرداب، حرکت و برخورد آشکار می‌شود، محدود شده است.

کامینر و همکارانش برای غلبه بر این محدودیت‌ها رفتار گرداب‌های نوری را در یک ماده دو بُعدی به نام «نیترید بور شش ضلعی» ثبت کردند.

این ماده از امواج نوری غیرمعمول به نام «فونون پلاریتون‌ها »(ترکیبی از نور و ارتعاشات اتمی) پشتیبانی می‌کند که بسیار کندتر از نور به تنهایی حرکت می‌کنند و می‌توانند به شدت محدود شوند.

این امر الگوهای تداخلی پیچیده‌ای را ایجاد می‌کند که پر از گرداب‌های فراوان است و به محققان اجازه می‌دهد حرکت آنها را با جزئیات ردیابی کنند.

بخش دوم و حیاتی، ثبت این دینامیک‌ها در لحظه بود. این تیم یک میکروسکوپ الکترونی پرسرعت تخصصی با وضوح مکانی و زمانی بی‌سابقه را به کار گرفت که رویدادهایی را که تنها در عرض ۳ کوادریلیونیم ثانیه رخ می‌دادند، ثبت کرد.

آنها این آزمایش را بارها و بارها اجرا کردند و هر بار با کمی تأخیر نسبت به اجرای قبلی ضبط کردند. محققان با کنار هم قرار دادن صدها تصویر تولید شده با این روش، یک تایم‌لپس از گرداب‌ها ایجاد کردند، زیرا آنها به سمت یکدیگر پرتاب شده و یکدیگر را نابود می‌کردند و سرعت آنها در این فرآیند به طور خلاصه به سرعت‌های فوق نور می‌رسید.

این آزمایش در یک زمینه دو بُعدی انجام شد. محققان می‌گویند گام بعدی تلاش برای گسترش کار خود به ابعاد بالاتر برای مشاهده رفتار پیچیده‌تر است. آنها همچنین می‌گویند تکنیک‌هایی که توسعه داده‌اند می‌تواند به رفع برخی از محدودیت‌های فعلی میکروسکوپ الکترونی کمک کند.

کامینر می‌گوید: ما معتقدیم که این تکنیک‌های میکروسکوپی نوآورانه، مطالعه فرآیندهای پنهان در فیزیک، شیمی و زیست‌شناسی را ممکن می‌سازد و برای اولین بار آشکار می‌کند که طبیعت در سریع‌ترین و دست‌نیافتنی‌ترین لحظات خود چگونه رفتار می‌کند.

این پژوهش در مجله Nature منتشر شده است.

منبع: ایسنا