Vákuumban a fény mindig állandó, másodpercenként 299 792 458 méteres sebességgel halad. Semmi sem haladhat gyorsabban ennél az állandó c-nél,ahogy a fizikusok jelölik. Ez a két posztulátum a modern fizika alapvető építőkövei, amelyeket több mint száz évvel ezelőtt Albert Einstein jelentett be először.
Igen, igen, semmi sem haladhat gyorsabban a fénynél, de…
Amikor a fény a vákuumtól eltérő közegben halad, lelassul. Például amikor a fény vízben vagy levegőben terjed, akkor azt lassabban teszi. Ez annak köszönhető, hogy a fény szóródik a különböző anyagokat alkotó molekulákról. Maguk a fotonok nem lassulnak le. A közegen való áthaladásuk azonban elektronok általi elnyeléssel és újbóli emisszióval jár. Egyes anyagok, például a víz esetében a fény jobban lelassul, mint az elektronok. Így egy elektron a vízben gyorsabban haladhat, mint a fény a vízben. De semmi sem halad gyorsabban, mint c.
A lassú fény bizonyos esetekben nagyon érdekes fizikai jelenségeket produkálhat. Bizonyára hallottál már a hangrobbanásról. Egy “normális” szubszonikus repülőgép simán eltéríti a levegőt a szárnyai körül. Egy szuperszonikus repülőgép – az a fajta, amelyik gyorsabban halad a hangnál (több mint 340 m/s) – valójában sokkal gyorsabban mozog, mint az általa kizökkentett levegő. Az eredmény egy hirtelen nyomásváltozás vagy lökéshullám, amely kúp alakban terjed el a repülőgéptől a hangsebességgel.
Dr. Manhattan
A fény fázissebessége egy n törésmutatójú közegben v
fény = c/n. A víz törésmutatója körülbelül 1,3, tehát a fény sebessége a vízben lényegesen kisebb, mint a vákuumban. Nemcsak egy elektron mozoghat gyorsabban a fénynél egy másik közegben – más részecskék is. Ha egy töltött részecske gyorsabban halad a fénynél egy közegben, akkor halvány sugárzás keletkezik. A vízben például a töltött részecske gerjeszti a vízmolekulákat, amelyek aztán kék fényű fotonok kibocsátásával térnek vissza normál állapotukba. A fény a kölcsönhatás helye előtti kúpban terjed, a hangrobbanáshoz hasonlóan.
Ezt a hatást, amelyet Cserenkov-sugárzásként ismerünk, Pavel Cserenkov figyelte meg halvány kék ragyogás formájában 1934-ben, amikor arra kérték, hogy vizsgálja meg a radioaktivitás hatásait folyadékokban. Az atomreaktorokkal dolgozó emberek gyakran láthatják ezt az árulkodó kék izzást. A populáris kultúrában Ian Moore klasszikus “Watchmen” című képregényének nagyhatalmú Doktor Manhattanjét mindig kék ragyogás veszi körül.
Ez a vita felveti a kérdést: mennyire lehet lassítani a fényt?
Dead stop
Míg a fény sebességét, amely mindig állandó, valójában soha nem tudjuk felgyorsítani vagy csökkenteni, a tudósoknak sikerült manipulálniuk a fény különböző közegeken való áthaladásának idejét. Szobahőmérsékleten az atomok hihetetlenül gyorsak, és a biliárdgolyókhoz hasonlóan viselkednek, egymásnak pattannak, amikor kölcsönhatásba lépnek. Ahogy csökkentjük a hőmérsékletet (ne feledjük, a hőmérséklet az atomok mozgását tükrözi), az atomok és a molekulák lassabban mozognak. Végül, amikor elérjük az abszolút nulla fok feletti 0,000001 fokot, az atomok olyan sűrűn tömörülnek, hogy egyetlen szuperatomként viselkednek, és egységesen viselkednek. Ez a kvantummechanika területe, úgyhogy készüljünk fel sok furcsaságra.
Ez valójában az anyagnak egy különálló állapota, amelyet Bose-Einstein-kondenzátumnak neveznek, és amely nem hasonlít a mindennapi megfigyelhető állapotokra, mint a folyadék, gáz, szilárd vagy plazma. A BEC-et, röviden BEC-et először Albert Einstein és az indiai fizikus Satyendra Bose jósolta meg az 1920-as években, és csak nagyon későn, 1995-ben sikerült a tudósoknak előállítaniuk az anyag ezen extrém állapotának kialakulásához szükséges feltételeket.
1999-ben Lene Vestergaard Hau, a Harvard Egyetem professzora egy lézersugarat irányított át egy ilyen, mindössze 1/125 hüvelyk hosszú, szinte mozdulatlan nátriumatomokból álló felhőn. Először egy kezdeti, kapcsolónyalábnak nevezett sugarat világítanak a felhőre, átlátszóvá téve azt. Ezt a törésmutató rendkívül gyors változásával teszi.
Egy második lézersugár, a szondaimpulzus, átbocsátja ezt az immár átlátszó gázfelhőt, amelynek törésmutatója százbilliószor nagyobb, mint az üvegé az optikai szálban. Ilyen körülmények között a fény elképesztő, 38 mérföld/órás sebességgel kúszott. A lovak gyorsabbak.”
A lebegő fény
Hau professzor nem nyugodott a babérjain, a végső pontig feszegette a határokat: a fény megállításáig. A fény teljes megállításához a tudósok egy hasonló, de sokkal erősebb hatást alkalmaztak. A kutatók mágneses csapdába esett nátriumatomokból álló gázt hűtöttek le az abszolút nulla fok néhány milliomod fokára (-273 °C). A kísérleti elrendezés nagyon hasonlított az első kísérlethez, csakhogy ezúttal ha a csapat kikapcsolta a csatoló lézert, miközben a szondalézer még mindig a felhőre világított, akkor a szondaimpulzus megállt. Ha ezután a csatolósugarat visszakapcsolták, a szondaimpulzus épségben kilépett, mintha csak arra várt volna, hogy folytassa útját. Megdöbbentő! Ezeket az eredményeket még ugyanabban az évben (2001) megismételte Dr. Ronald Walsworth, a cambridge-i Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics munkatársa.
Azóta különböző mérföldköveket állítottak fel. 2013-ban a németországi Darmstadti Egyetem csapata egy kristályos szerkezet belsejében megállította a fényt, és egy teljes percig így is tartotta. A csapdát arra is felhasználták, hogy egy három csíkból álló képet tároljanak, majd előhívjanak. “Megmutattuk, hogy a fénysugárra komplex információt lehet nyomtatni” – mondta George Heinze vezető kutató. 2015-ben a Glasgow-i Egyetem kutatói találtak egy olyan módszert a fény sebességének lassítására, amelyhez nem kell azt egy közegen keresztülfuttatni. Lényegében közvetve változtatták meg a sebességét azzal, hogy a fényt egy speciális maszkon – egy szűrőn – futtatták át, amely a fénysugarat Gauss- vagy Bessel-sugárrá alakította.
Miután áthalad egy közegen, mondjuk egy üvegen, vízen vagy bármilyen anyagon, amiből szűrőt lehet készíteni, a fénynek vissza kellene gyorsulnia a normál állandóra. A kísérlet megmutatta, hogy a fényt az alakjának megváltoztatásával lehet c-nél lassabb sebességre késztetni. Ez 0,001 százalékkal lassabb volt, mint kellett volna. Nem olyan lenyűgöző, mintha fékeznénk a fényt, de még mindig lenyűgöző. Talán a fény sokkal képlékenyebb, mint azt a fizikusok korábban gondolták.
Ezeknek a “trükköknek” természetesen vannak gyakorlati alkalmazásai is. Ezek közé tartozik a kvantumszámítás és a kvantumkommunikációs alkalmazások. Mégis, ilyen úttörő tudományt csinálni csak a kedvéért ugyanolyan félelmetesnek hangzik számomra.