Ve vakuu se světlo vždy pohybuje konstantní rychlostí 299 792 458 metrů za sekundu. Nic se nemůže pohybovat rychleji než tato konstanta c,jak ji označují fyzikové. Tyto dva postuláty jsou základními stavebními kameny moderní fyziky a poprvé je před více než sto lety vyhlásil Albert Einstein.
Ano, ano, nic se nemůže pohybovat rychleji než světlo, ale…
Pokud světlo prochází jiným prostředím než vakuem, bude zpomaleno. Když se například světlo šíří vodou nebo vzduchem, bude se šířit pomaleji. To je způsobeno tím, že se světlo rozptyluje od molekul, které tvoří různé materiály. Samotné fotony se nezpomalují. Jejich průchod prostředím však zahrnuje absorpci elektrony a opětovnou emisi. U některých materiálů, jako je voda, se světlo zpomaluje více než elektrony. Proto se elektron ve vodě může pohybovat rychleji než světlo ve vodě. Nikdy však nic necestuje rychleji než c.
V některých případech může pomalé světlo vyvolat velmi zajímavé fyzikální jevy. Pravděpodobně jste slyšeli o sonickém třesku. U „normálního“ podzvukového letadla dojde k plynulému vychýlení vzduchu kolem jeho křídel. Nadzvukové letadlo – takové, které se pohybuje rychleji než zvuk (více než 340 m/s) – se ve skutečnosti bude pohybovat mnohem rychleji než vzduch, který dislokuje. Výsledkem je náhlá změna tlaku neboli rázová vlna, která se od letadla šíří v kuželu rychlostí zvuku.
Dr. Manhattan
Fázová rychlost světla v prostředí s indexem lomu n je v
světlo = c/n. Voda má index lomu přibližně 1,3, takže rychlost světla ve vodě je podstatně menší než rychlost světla ve vakuu. Nejen elektron se může v jiném prostředí pohybovat rychleji než světlo – i jiné částice. Pokud se nabitá částice pohybuje v prostředí rychleji než světlo, vzniká slabé záření. Například ve vodě nabitá částice excituje molekuly vody, které se pak vrátí do normálního stavu vyzařováním fotonů modrého světla. Světlo se šíří v kuželu směrem dopředu od oblasti, kde došlo k interakci, což je obdoba sonického třesku.
Tento jev, známý jako Čerenkovovo záření, pozoroval jako slabou modrou záři Pavel Čerenkov v roce 1934, když byl požádán, aby se podíval na účinky radioaktivity v kapalinách. Lidé pracující s jadernými reaktory tuto výmluvnou modrou záři často vidí. V populární kultuře je mocný doktor Manhattan z klasického grafického románu Iana Moora „Watchmen“ vždy obklopen modrou září.
Tato diskuse vyvolává otázku: Jak moc můžeme zpomalit světlo?“
Mrtvá zastávka
Ačkoli ve skutečnosti nikdy nemůžeme zrychlit nebo snížit rychlost světla, která je vždy konstantní, vědcům se podařilo manipulovat s dobou, za kterou světlo prochází různými médii. Při pokojové teplotě jsou atomy neuvěřitelně rychlé a chovají se podobně jako kulečníkové koule, které se při vzájemné interakci odrážejí. Jakmile teplotu snížíte (nezapomeňte, že teplota odráží pohyb atomů), atomy a molekuly se pohybují pomaleji. Nakonec, jakmile se dostanete asi na 0,000001 stupně nad absolutní nulu, jsou atomy tak hustě nabalené, že se chovají jako jeden superatom a jednají ve shodě. To je doménou kvantové mechaniky, takže se připravte na spoustu podivností.
Jde vlastně o samostatný stav hmoty známý jako Boseho-Einsteinův kondenzát, který se nepodobá každodenně pozorovatelným stavům, jako je kapalina, plyn, pevná látka nebo plazma. BEC, zkráceně BEC, byl poprvé předpovězen ve 20. letech 20. století Albertem Einsteinem a indickým fyzikem Satjendrou Bosem a až velmi pozdě, v roce 1995, se vědcům podařilo vytvořit potřebné podmínky pro vznik tohoto extrémního stavu hmoty.
V roce 1999 Lene Vestergaard Hau, profesorka Harvardovy univerzity, namířila laserový paprsek přes takový oblak téměř nehybných atomů sodíku o délce pouhého 1/125 palce. Nejprve na oblak posvítila počátečním paprskem známým jako spojovací paprsek, který jej učinil průhledným. Činí tak s extrémně vysokou rychlostí změny indexu lomu.
Druhý laserový paprsek, puls sondy, prochází tímto nyní průhledným oblakem plynu, který má stamiliardkrát vyšší index lomu než sklo v optickém vlákně. Za těchto podmínek se světlo plazí neuvěřitelnou rychlostí 38 mil za hodinu. Koně jsou rychlejší.
Plující světlo
Profesorka Hauová neusnula na vavřínech a posunula obálku až do konečného bodu: zastavila světlo v jeho stopách. K úplnému zastavení světla využili vědci podobný, ale mnohem silnější efekt. Vědci ochladili plyn magneticky uvězněných atomů sodíku na několik miliontin stupně absolutní nuly (-273 stupňů C). Experimentální uspořádání vypadalo velmi podobně jako při prvním pokusu, jenže tentokrát pokud tým vypnul spojovací laser, zatímco laser sondy stále svítil na oblak, pak se pulz sondy zastavil. Pokud se pak spojovací paprsek znovu zapne, sondový puls se vynoří neporušený, jako by čekal na pokračování své cesty. Úžasné! Tato zjištění zopakoval v témže roce (2001) Dr. Ronald Walsworth z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics v Cambridge.
Od té doby byly stanoveny různé milníky. V roce 2013 tým z německé univerzity v Darmstadtu zastavil světlo uvnitř krystalické struktury a udržel ho tak po celou minutu. Past také použili k uložení a následnému načtení obrazu složeného ze tří pruhů. „Ukázali jsme, že do světelného paprsku lze vtisknout komplexní informaci,“ řekl vedoucí výzkumník George Heinze. V roce 2015 našli vědci z University of Glasgow způsob, jak zpomalit rychlost světla, který nezahrnuje jeho průchod médiem. V podstatě změnili jeho rychlost nepřímo tím, že světlo prohnali speciální maskou – filtrem, který paprsek vytvaroval buď do Gaussova, nebo Besselova tvaru.
Po průchodu médiem, řekněme sklem, vodou nebo jakýmkoli materiálem, z něhož lze vyrobit filtr, by se světlo mělo opět zrychlit na svou normální konstantu. Experiment ukázal, že světlo lze přimět k tomu, aby se pohybovalo pomaleji než c, a to změnou jeho tvaru. To bylo o 0,001 procenta pomalejší, než mělo být. Není to tak působivé jako zabrzdit světlo, ale přesto fascinující. Možná je světlo poddajnější, než si fyzikové dříve mysleli.
Tyto „vychytávky“ mají samozřejmě i praktické využití. Patří mezi ně kvantové výpočty a aplikace kvantové komunikace. Přesto mi dělání tohoto druhu převratné vědy jen pro ni samotnou připadá stejně úžasné.
.