Быстрее света: пустоты, которые бросают вызов Эйнштейну
Впервые исследователи обнаружили пустоты (пустые области), движущиеся быстрее скорости света — и они промчались мимо этого космического предела, не нарушив законов теории относительности.
Недавнее исследование показало ускорение этих пустот. Ученые использовали новейшие достижения в области сверхбыстрой электронной микроскопии, чтобы измерить пустоты в волнах фонон-поляритонов, движущихся внутри тонкого кристалла нитрида бора. Фонон-поляритоны — это квазичастицы, образованные фотонами (квантованным светом), связанными с крошечными колебаниями. Они действуют как сочетание световых и звуковых волн.
Волны часто представляют в виде одной линии, но во многих случаях лучше вообразить их как озеро. Озера полны волн и ряби, которые взаимодействуют друг с другом. Если волны встречаются в своих максимальных точках (гребнях), они объединяются и создают еще более высокую волну. Но если они соприкасаются в самых нижних точках (впадинах), они формируют более глубокие провалы, чем по отдельности.
Иногда волны гасят друг друга, создавая точки, где амплитуда падает до нуля. В озере это напоминало бы временный водоворот (вихрь), который движется вокруг этой пустой точки, также называемой сингулярностью. Эти сингулярности встречаются повсюду в природе и математике, и, начиная с 1970-х годов, теоретически предполагалось, что в некоторых случаях они могут двигаться быстрее скорости света, согласно недавнему заявлению Техниона — Израильского технологического института.
Обгоняя предел
Специальная теория относительности Эйнштейна гласит, что скорость света в вакууме — 299 792 458 метров в секунду (около 186 000 миль в секунду) — это максимальная скорость, с которой информация, материя и энергия могут перемещаться в пространстве. Так как же сингулярности могут двигаться быстрее света? Потому что сингулярности — это пустые точки, не содержащие ничего: в них нет информации, нет материи и нет энергии. Это крошечные пустоты, поэтому им не нужно подчиняться космическому скоростному лимиту.
Эти пустоты не просто превышают скорость света — они проносятся мимо нее с огромной скоростью. Когда две сингулярности встречаются, они могут иногда экспоненциально ускоряться навстречу друг другу, и их скорость стремится к бесконечности непосредственно перед тем, как они взаимно уничтожаются. Однако чем быстрее они движутся, тем труднее их наблюдать. Недавнее исследование, опубликованное 25 марта в журнале Nature, демонстрирует, как ученым впервые удалось это сделать.
«Наше открытие раскрывает универсальные законы природы, общие для всех типов волн — от звуковых волн и потоков жидкости до сложных систем, таких как сверхпроводники», — заявил Идо Каминер, профессор электротехники и вычислительной техники в Технионе, входящий в исследовательскую группу.
Результаты этого исследования касаются не только крошечных водоворотов. Пустые точки (нулевые точки) ведут себя настолько подобно частицам, что ученые могут изучать их, чтобы лучше понимать взаимодействия реальных частиц. Однако для этого нужно знать, где заканчивается эта аналогия. Новое исследование как раз показывает, что «тяга к скорости» у пустот — это тот момент, когда сингулярности перестают вести себя как частицы, ведь частицы подчиняются космическому пределу скорости, который пустоты игнорируют.
Кроме того, новые методы наблюдения за очень малыми и очень быстрыми объектами, разработанные командой, могут пролить свет на ранее неизученные области в самых разных научных дисциплинах.
«Мы уверены, что эти инновационные методы микроскопии позволят изучать скрытые процессы в физике, химии и биологии, впервые показывая, как природа ведет себя в свои самые быстрые и самые неуловимые моменты», — добавил Каминер.
Это открытие не только расширяет границы нашего понимания волновой физики, но и открывает путь к новым технологиям, где управление такими сверхбыстрыми пустотами может стать ключом к обработке информации с невиданной доселе скоростью.
