Tyhjiössä valo kulkee aina vakionopeudella 299 792 458 metriä sekunnissa. Mikään ei voi kulkea nopeammin kuin tämä fysiikoiden ilmoittama vakio c. Nämä kaksi postulaattia ovat modernin fysiikan perusrakenteita, ja Albert Einstein ilmoitti niistä ensimmäisen kerran yli sata vuotta sitten.
Joo, kyllä, mikään ei voi kulkea valoa nopeammin, mutta…
Kun valo kulkee muun väliaineen kuin tyhjiön läpi, se hidastuu. Esimerkiksi kun valo etenee veden tai ilman läpi, se etenee hitaammin. Tämä johtuu siitä, että valo siroaa eri materiaaleista koostuvista molekyyleistä. Itse fotonit eivät hidastu. Mutta niiden kulku väliaineen läpi edellyttää elektronien absorptiota ja uudelleenemissiota. Joissakin materiaaleissa, kuten vedessä, valo hidastuu enemmän kuin elektronit. Elektroni voi siis kulkea vedessä nopeammin kuin valo vedessä. Mutta mikään ei koskaan kulje nopeammin kuin c.
Jossain tapauksissa hidas valo voi tuottaa hyvin mielenkiintoisia fysikaalisia ilmiöitä. Olet varmaan kuullut äänimyrskystä. ”Normaali” ääntä hitaammin lentävä lentokone poikkeuttaa ilmaa tasaisesti siipiensä ympärillä. Yliäänilentokone – sellainen, joka kulkee ääntä nopeammin (yli 340 m/s) – liikkuu itse asiassa paljon nopeammin kuin ilma, jota se sirottaa. Tuloksena on äkillinen paineenmuutos tai paineaalto, joka leviää poispäin lentokoneesta kartiomaisesti äänen nopeudella.
Tohtori Manhattan
Valon vaihenopeus väliaineessa, jonka taitekerroin on n, on v
valo = c/n. Veden taitekerroin on noin 1,3, joten valon nopeus vedessä on huomattavasti pienempi kuin valon nopeus tyhjiössä. Elektronin lisäksi myös muut hiukkaset voivat liikkua valoa nopeammin erilaisessa väliaineessa. Jos varattu hiukkanen kulkee väliaineessa valoa nopeammin, syntyy heikkoa säteilyä. Esimerkiksi vedessä varattu hiukkanen herättää vesimolekyylit, jotka palaavat normaalitilaansa lähettämällä sinisen valon fotoneja. Valo etenee kartiomaisesti eteenpäin alueelta, jossa vuorovaikutus tapahtui, analogisesti äänimyrskyn kanssa.
Tämän Tšerenkovin säteilyksi kutsutun vaikutuksen Pavel Tšerenkov havaitsi heiveröisenä sinisenä hehkuna vuonna 1934, kun häntä pyydettiin tutkimaan radioaktiivisuuden vaikutuksia nesteissä. Ihmiset, jotka työskentelevät ydinreaktoreiden parissa, saavat usein nähdä tämän paljastavan sinisen hehkun. Populaarikulttuurissa Ian Mooren klassisen ”Watchmen”-grafiikkaromaanin voimakasta tohtori Manhattania ympäröi aina sininen hehku.
Keskustelu herättää kysymyksen: kuinka paljon voimme hidastaa valoa?
Kuollut pysäkki
Vaikka emme voi koskaan oikeasti nopeuttaa tai hidastaa valon nopeutta, joka on aina vakio, tiedemiehet ovat onnistuneet manipuloimaan valon kulkuaikaa eri väliaineissa. Huoneenlämmössä atomit ovat uskomattoman nopeita ja käyttäytyvät kuin biljardipallot, jotka kimpoavat toisistaan vuorovaikutuksessa. Kun lämpötilaa lasketaan (muista, että lämpötila heijastaa atomien liikettä), atomit ja molekyylit liikkuvat hitaammin. Lopulta, kun päästään noin 0,000001 astetta absoluuttisen nollapisteen yläpuolelle, atomit pakkautuvat niin tiiviisti, että ne käyttäytyvät kuin yksi superatomi, joka toimii yhdessä. Tämä on kvanttimekaniikan aluetta, joten varaudu moniin outouksiin.
Tämä on itse asiassa erillinen aineen tila, joka tunnetaan nimellä Bose-Einsteinin kondensaatti, joka ei muistuta jokapäiväisiä havaittavia tiloja, kuten nestettä, kaasua, kiinteää ainetta tai plasmaa. BEC:n, lyhyesti BEC:n, ennustivat ensimmäisen kerran Albert Einstein ja intialainen fyysikko Satyendra Bose 1920-luvulla, ja vasta hyvin myöhään vuonna 1995 tiedemiehet kykenivät tuottamaan tarvittavat olosuhteet, jotta tämä äärimmäinen aineen tila voisi esiintyä.
Vuonna 1999 Harvardin yliopiston professori Lene Vestergaard Hau kohdisti lasersäteen tällaisen pilven läpi, joka koostui lähes liikkumattomista natrium-atomeista, jotka olivat vain 1/125 tuumaa pitkiä. Ensin pilveen kohdistetaan kytkentäsäteeksi kutsuttu alkusäde, joka tekee pilvestä läpinäkyvän. Se tekee sen erittäin nopealla taitekertoimen muutosnopeudella.
Toinen lasersäde, koepulssi, ampuu tämän nyt läpinäkyvän kaasupilven läpi, jonka taitekerroin on sata biljoonaa kertaa suurempi kuin lasin taitekerroin optisessa kuidussa. Näissä olosuhteissa valo ryömii huikeat 38 mailia tunnissa. Hevoset ovat nopeampia.
Valon leijuminen
Ei jäänyt lepäämään laakereillaan, vaan professori Hau puski äärimmilleen: pysäytti valon. Pysäyttääkseen valon kokonaan tutkijat hyödynsivät samanlaista mutta paljon voimakkaampaa vaikutusta. Tutkijat jäähdyttivät kaasun, joka koostui magneettisesti vangituista natrium-atomeista, absoluuttisen nollapisteen (-273 celsiusastetta) muutamien miljoonasosien päähän. Koejärjestely näytti hyvin samankaltaiselta kuin ensimmäisellä yrityksellä, mutta tällä kertaa jos ryhmä sammutti kytkentälaserin, kun koettimen laser vielä loisti pilveen, koettimen pulssi pysähtyi. Jos kytkentäsäsäde sitten kytkettiin takaisin päälle, luotaimen pulssi tuli esiin ehjänä, aivan kuin se olisi odottanut matkansa jatkamista. Hämmästyttävää! Nämä havainnot toisti samana vuonna (2001) tohtori Ronald Walsworth Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics -keskuksesta Cambridgessa.
Sen jälkeen on asetettu erilaisia virstanpylväitä. Vuonna 2013 saksalaisen Darmstadtin yliopiston ryhmä pysäytti valon kokonaan kiderakenteen sisällä ja piti sen sellaisena kokonaisen minuutin ajan. He myös käyttivät loukkua tallentamaan ja sitten hakemaan kolmesta raidasta koostuvan kuvan. ”Osoitimme, että valonsäteeseen voi painaa monimutkaista tietoa”, sanoi johtava tutkija George Heinze. Vuonna 2015 Glasgow’n yliopiston tutkijat löysivät tavan hidastaa valon nopeutta siten, että valoa ei tarvitse ajaa jonkin väliaineen läpi. He lähinnä muuttivat sen nopeutta epäsuorasti ajamalla valon erityisen maskin läpi – suodattimen, joka muotoili säteen joko Gaussin tai Besselin säteeksi.
Kun valo kulkee väliaineen läpi, vaikkapa lasin, veden tai minkä tahansa materiaalin, josta voi tehdä suodattimen, valon oletetaan nopeutuvan takaisin normaaliin vakioonsa. Koe osoitti, että valo voidaan saada kulkemaan hitaammin kuin c, muuttamalla sen muotoa. Tämä oli 0,001 prosenttia hitaampaa kuin sen olisi pitänyt. Ei yhtä vaikuttavaa kuin valon jarruttaminen, mutta silti kiehtovaa. Ehkä valo on muovautuvampaa kuin fyysikot aiemmin luulivat.
Näillä ”kikkailuilla” on tietysti käytännön sovelluksia. Näitä ovat esimerkiksi kvanttilaskenta ja kvanttiviestintäsovellukset. Silti tällaisen uraauurtavan tieteen tekeminen vain sen vuoksi kuulostaa minusta aivan yhtä mahtavalta.