Светлината има строго ограничение на скоростта, но при определени условия тази граница може да бъде нарушена за отделни импулси светлина. Досега светлината е прескачала ограничението си за скорост в среда като атомни газове и оптични влакна.

Този път изследователи от Националната лаборатория "Лорънс Ливърмор" в Калифорния и Университета в Рочестър в Ню Йорк сега показват как може да се регулира скоростта на светлината в плазма, създавайки промяна на скоростта на светлината до около една десета от тази във вакуум  до повече от 30 процента по-голяма от нея, което нарушава закона за ограничението на скоростта на светлината.

Тази манипулация няма да ускори способността ни да пътуваме до звездите, но би могла да помогне да се разчисти пътя към изцяло нов клас лазерни технологии.

Скоростта, с която светлинните импулси преминават през материал, може силно да се различава от скоростта c, която светлината се движи във вакуум. Тази скорост, наречена групова скорост, може да бъде както по-висока, така и по-ниска от c и влияе от начина, по който формата на светлинен импулс се разпространява и изкривява, докато се движи през материала.

За демонстрацията си Клемент Гойон (Clément Goyon)  от Националната лаборатория Лорънс Ливърмор и колегите му първо създават водород-хелиева плазма чрез йонизиране на струя газ с поляризиран лазерен лъч. След това насочват втори лазерен лъч към плазмата. Там, където пътищата на двата лъча се пресичат, хоризонталният компонент на втория лазерен импулс се забавя в отговор на промяната на коефициента на пречупване на плазмата. Това забавяне идва от взаимодействията между двата лазера и плазмата.

Измервайки закъснението във времето между хоризонталните и вертикалните компоненти на втория лазерен импулс, екипът забелязва, че те имат различни скорости. Чрез настройка на честотната разлика между двата лъча, те откриват, че могат да настроят тази скорост от 0,995 c на между 0,12 c и - 0,34 c, което показва, че максимумът на импулса се движи по-бързо от c.

Това е едновременно повече и по-малко впечатляващо, отколкото звучи.

Tези, които се надяват, че това може да ни отведе до Проксима Кентавър и обратно за уикенда, ще бъдат разочаровани - това свръхсветлинното постижение на учените е в рамките на законите на физиката. 

Ритмичното издигане и спадане на цели групи светлинни вълни се движи през нещата със скорост, описана като групова скорост, и именно тази „вълна от вълни“ може да бъде променена - да се забави или ускори, в зависимост от електромагнитните условия на заобикалящата я среда.

Груповата скорост

Червена точка се движи с фазова скорост, а зелените точки се разпространяват с групова скорост. Трябва да се подчертае, че става въпрос за групова скорост, чията скорост на разпространение се определя от скоростта на гребена на импулса. Подобни явления като описаните от астрофизиците, може да възникнат от анормална дисперсия (разсейване), когато коефициента на пречупване се нараства с увеличаването на дължината на вълната, преминаваща през него. В този случай, груповата скорост на импулса, състояща се от сноп с различни дължини на вълните, може да превишава скоростта на всяка отделна вълна в този сноп. Но тъй като енергията на импулса, се разпространява със скоростта на светлината, както и всеки фотон в лъча, това явление не противоречи на теорията на Айнщайн. Илюстрация: de.wikipedia.org

Лазерите от старото поколение разчитат на полупроводникови оптични материали, които лесно се повреждат с увеличаване на енергията. Използването на потоци плазма за усилване или промяна на светлинните характеристики би заобиколило този проблем, но за да се използвае максимално, трябва да се моделират техните електромагнитни характеристики.

Все по-мощни лазери са нужни за цял куп приложения, от ускорители на частици до технологията за ядрен синтез.

Може да не ни помогне да се придвижваме по-бързо в космоса, но точно тези открития ще ни ускорят към бъдещето, за което всички мечтаем.

Справка: C. Goyon et al., “Slow and fast light in plasma using optical wave mixing,” Phys. Rev. Lett. 126, 205001 (2021).

Източници:

Light Pulses Change Speed in a Plasma, Physics 14, s60

Physicists Have Broken The Speed of Light With Pulses Inside Hot Plasma, ScienceAlert