I vakuum bevæger lyset sig altid med en konstant hastighed på 299.792.458 meter i sekundet. Intet kan bevæge sig hurtigere end denne konstant c,som fysikerne angiver. Disse to postulater er grundlæggende byggesten i den moderne fysik og blev første gang bekendtgjort for mere end hundrede år siden af Albert Einstein.
Ja, ja, intet kan bevæge sig hurtigere end lyset, men…
Når lyset bevæger sig gennem et andet medium end vakuum, vil det blive bremset. Når lyset f.eks. forplanter sig gennem vand eller luft, vil det gøre det med en langsommere hastighed. Det skyldes, at lyset spredes af de molekyler, der udgør de forskellige materialer. Fotonerne i sig selv bliver ikke langsommere. Men deres passage gennem et medium indebærer absorption af elektroner og re-emission. For nogle materialer, f.eks. vand, vil lyset bremse mere end elektronerne. Derfor kan en elektron i vand bevæge sig hurtigere end lys i vand. Men intet bevæger sig nogensinde hurtigere end c.
I nogle tilfælde kan et langsomt lys give nogle meget interessante fysiske fænomener. Du har sikkert hørt om det soniske brag. Et “normalt” subsonisk fly vil afbøje luften jævnt omkring sine vinger. Et supersonisk fly – den slags fly, der bevæger sig hurtigere end lyden (mere end 340 m/s) – vil faktisk bevæge sig langt hurtigere end den luft, som det splitter ad. Resultatet er en pludselig trykændring eller chokbølge, som breder sig væk fra flyet i en kegle med lydhastighed.
Dr. Manhattan
Lysets fasehastighed i et medium med brydningsindeks n er v
lys = c/n. Vand har et brydningsindeks på ca. 1,3, så lysets hastighed i vand er betydeligt mindre end lysets hastighed i vakuum. Ikke kun en elektron kan bevæge sig hurtigere end lyset gennem et andet medium – også andre partikler kan bevæge sig hurtigere end lyset. Hvis en ladet partikel bevæger sig hurtigere end lyset i et medium, opstår der en svag stråling. I vand f.eks. exciterer den ladede partikel vandmolekylerne, som derefter vender tilbage til deres normale tilstand ved at udsende fotoner af blåt lys. Lyset udbreder sig i en kegle fremad fra det område, hvor vekselvirkningen fandt sted, analogt med lydbommen.
Denne effekt, kendt som Cherenkov-stråling, blev observeret som et svagt blåt skær af Pavel Cherenkov i 1934, da han blev bedt om at se på virkningerne af radioaktivitet i væsker. Folk, der arbejder med atomreaktorer, får ofte denne afslørende blå glød at se. I populærkulturen er den magtfulde doktor Manhattan fra lan Moores klassiske grafiske roman “Watchmen” altid omgivet af en blå glød.
Denne diskussion rejser spørgsmålet: Hvor meget kan vi bremse lyset?
Dødt stop
Selv om vi aldrig reelt kan fremskynde eller reducere lysets hastighed, som altid er en konstant, har forskere haft succes med at manipulere den tid, det tager for lyset at rejse gennem forskellige medier. Ved stuetemperatur er atomerne utroligt hurtige og opfører sig som billardkugler, der preller af på hinanden, når de interagerer med hinanden. Når man sænker temperaturen (husk, at temperaturen afspejler den atomare bevægelse), bevæger atomerne og molekylerne sig langsommere. Til sidst, når man når op på ca. 0,000001 grader over det absolutte nulpunkt, bliver atomerne så tæt pakket, at de opfører sig som ét superatom, der opfører sig som ét superatom, der handler i fællesskab. Dette er kvantemekanikkens område, så man skal være forberedt på en masse mærkværdigheder.
Dette er faktisk en særskilt stoftilstand, der kaldes Bose-Einstein-kondensat, som ikke ligner almindelige observerbare tilstande som væske, gas, fast stof eller plasma. BEC, forkortet BEC, blev først forudsagt i 1920’erne af Albert Einstein og den indiske fysiker Satyendra Bose, og det var først meget sent i 1995, at forskerne var i stand til at frembringe de nødvendige betingelser for, at denne ekstreme stoftilstand kunne opstå.
I 1999 rettede Lene Vestergaard Hau, professor ved Harvard University, en laserstråle gennem en sådan sky af næsten ubevægelige natriumatomer, der kun er 1/125 tomme lang. Først lyser man en indledende stråle, den såkaldte koblingsstråle, på skyen, hvilket gør den gennemsigtig. Det gør den med en ekstremt hurtig ændring af brydningsindekset.
En anden laserstråle, sondeimpulsen, skydes gennem denne nu gennemsigtige gassky, som har et brydningsindeks, der er hundrede billioner gange højere end brydningsindekset for glas i optiske fibre. Det var under disse forhold, at lyset kravlede med en svimlende hastighed på 38 miles i timen. Heste er hurtigere.
Flydende lys
Professor Hau hvilede ikke på laurbærrene, men skubbede til det ultimative punkt: at stoppe lyset i dets spor. For at stoppe lyset helt og holdent benyttede forskerne sig af en lignende, men langt kraftigere effekt. Forskerne afkølede en gas af magnetisk indfangede natriumatomer til nogle få milliontedele af en grad under det absolutte nulpunkt (-273 grader C). Forsøgsopstillingen lignede meget det første forsøg, men hvis holdet denne gang slukkede for koblingslaseren, mens sonde-laseren stadig lyste på skyen, ville sondeimpulsen stoppe helt. Hvis koblingsstrålen derefter tændes igen, kommer sondeimpulsen ud intakt, præcis som om den havde ventet på at genoptage sin rejse. Forbløffende! Disse resultater blev gentaget samme år (2001) af Dr. Ronald Walsworth fra Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i Cambridge.
Siden da blev der sat forskellige milepæle. I 2013 satte et hold fra det tyske universitet i Darmstadt lyset helt i stå inde i en krystallinsk struktur og holdt det sådan i et helt minut. De brugte også fælden til at lagre og derefter hente et billede, der bestod af tre striber, frem. “Vi viste, at man kan indprinte komplekse informationer i lysstrålen”, siger hovedforsker George Heinze. I 2015 fandt forskere fra University of Glasgow en måde at sænke lysets hastighed på, som ikke involverer, at man lader det løbe gennem et medium. De ændrede i det væsentlige dens hastighed indirekte ved at lade lyset løbe gennem en særlig maske – et filter, der formede strålen til enten en Gauss- eller Bessel-stråle.
Når det passerer gennem et medium, f.eks. glas, vand eller et hvilket som helst materiale, som man kan lave et filter af, er det meningen, at lyset igen skal have fart på til sin normale konstant. Eksperimentet viste, at man kan få lyset til at bevæge sig langsommere end c, ved at ændre sin form. Det var 0,001 procent langsommere, end det burde have været. Ikke så imponerende som at bremse lyset, men stadig fascinerende. Måske er lyset mere formbart, end fysikerne tidligere har troet.
Der er naturligvis praktiske anvendelser af disse “gimmicks”. Disse omfatter kvantecomputere og kvantekommunikationsapplikationer. Alligevel synes jeg, at det lyder lige så fantastisk at lave denne form for banebrydende videnskab bare for videnskabens skyld.