I vakuum färdas ljuset alltid med en konstant hastighet på 299 792 458 meter per sekund. Ingenting kan färdas snabbare än denna konstanta c,som betecknas av fysikerna. Dessa två postulat är grundläggande byggstenar i den moderna fysiken och tillkännagavs för första gången för mer än hundra år sedan av Albert Einstein.
Ja, ja ingenting kan färdas snabbare än ljuset, men…
När ljuset färdas genom ett annat medium än vakuum kommer det att fördröjas. När ljuset till exempel fortplantar sig genom vatten eller luft kommer det att göra det med en långsammare hastighet. Det beror på att ljuset sprids av de molekyler som utgör olika material. Fotonerna i sig själva saktar inte ner. Men deras passage genom ett medium innebär absorption av elektroner och återemission. För vissa material, t.ex. vatten, kommer ljuset att sakta ner mer än elektronerna. Därför kan en elektron i vatten färdas snabbare än ljuset i vatten. Men ingenting färdas någonsin snabbare än c.
I vissa fall kan trögt ljus ge upphov till mycket intressanta fysikaliska fenomen. Du har förmodligen hört talas om ljudbommen. Ett ”normalt” subsoniskt flygplan kommer att avleda luften jämnt runt sina vingar. Ett överljudsflygplan – den typ som färdas snabbare än ljudet (mer än 340 m/s) – kommer faktiskt att röra sig mycket snabbare än den luft som det dislockerar. Resultatet är en plötslig tryckförändring eller chockvåg som fortplantar sig bort från flygplanet i en kon med ljudets hastighet.
Dr Manhattan
Ljusets fashastighet i ett medium med brytningsindex n är v
ljus = c/n. Vatten har ett brytningsindex på cirka 1,3, så ljusets hastighet i vatten är betydligt lägre än ljusets hastighet i vakuum. Det är inte bara en elektron som kan röra sig snabbare än ljuset genom ett annat medium – även andra partiklar kan röra sig snabbare än ljuset. Om en laddad partikel rör sig snabbare än ljuset i ett medium uppstår en svag strålning. I vatten till exempel exciterar den laddade partikeln vattenmolekylerna, som sedan återgår till sitt normala tillstånd genom att avge fotoner av blått ljus. Ljuset utbreder sig i en kon framåt från det område där interaktionen ägde rum, analogt med ljudbommen.
Denna effekt, känd som Cherenkovstrålning, observerades som ett svagt blått sken av Pavel Cherenkov 1934 när han ombads att undersöka effekterna av radioaktivitet i vätskor. Personer som arbetar med kärnreaktorer får ofta se detta avslöjande blå sken. I populärkulturen är den mäktige doktor Manhattan från lan Moores klassiska grafiska roman ”Watchmen” alltid omgiven av ett blått sken.
Denna diskussion väcker frågan: hur mycket kan vi bromsa ljuset?
Döda stopp
Vi kan visserligen aldrig faktiskt snabba upp eller minska ljusets hastighet, som alltid är en konstant, men forskare har lyckats manipulera den tid det tar för ljuset att färdas genom olika medier. Vid rumstemperatur är atomer otroligt snabba och beter sig som biljardkulor som studsar mot varandra när de interagerar. När man sänker temperaturen (kom ihåg att temperaturen återspeglar atomrörelsen) rör sig atomer och molekyler långsammare. Så småningom, när man kommer till ungefär 0,000001 grader över den absoluta nollpunkten, blir atomerna så tätt packade att de beter sig som en superatom som agerar i samklang. Detta är kvantmekanikens område, så man kan vara beredd på en hel del konstigheter.
Detta är faktiskt ett distinkt tillstånd av materia som kallas Bose-Einstein-kondensat, som inte liknar vardagliga observerbara tillstånd som vätska, gas, fast ämne eller plasma. BEC, förkortat BEC, förutspåddes först på 1920-talet av Albert Einstein och den indiske fysikern Satyendra Bose och det var inte förrän mycket sent 1995 som forskarna kunde skapa de nödvändiga förutsättningarna för att detta extrema materietillstånd skulle uppstå.
Inte 1999 riktade Lene Vestergaard Hau, professor vid Harvarduniversitetet, en laserstråle genom ett sådant moln av nästan orörliga natriumatomer som bara var 1/125 tum långa. Först lyser en första stråle, den så kallade kopplingsstrålen, på molnet så att det blir genomskinligt. Den gör det med en extremt snabb förändring av brytningsindexet.
Flytande ljus
Inte vilande på sina lagrar, drev professor Hau kuvertet vidare till den ultimata punkten: att stoppa ljuset i dess spår. För att stoppa ljuset helt och hållet använde sig forskarna av en liknande men mycket kraftfullare effekt. Forskarna kylde en gas av magnetiskt fångade natriumatomer till några miljondels grader från den absoluta nollpunkten (-273 grader C). Försöksuppställningen såg mycket likadan ut som vid det första försöket, men den här gången om teamet stängde av kopplingslasern medan sondlasern fortfarande lyste på molnet, så stannade sondpulsen helt och hållet. Om kopplingsstrålen sedan slås på igen kommer sondepulsen ut intakt, precis som om den hade väntat på att återuppta sin resa. Förvånande! Dessa resultat upprepades samma år (2001) av dr Ronald Walsworth vid Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics i Cambridge.
Sedan dess har olika milstolpar satts. År 2013 satte ett team från det tyska universitetet i Darmstadt ljuset i en kristallin struktur på stopp och höll det så i en hel minut. De använde också fällan för att lagra och sedan hämta en bild som består av tre ränder. ”Vi visade att man kan prägla komplex information på en ljusstråle”, säger huvudforskaren George Heinze. År 2015 hittade forskare vid University of Glasgow ett sätt att sänka ljusets hastighet som inte innebär att man låter det passera genom ett medium. De ändrade i huvudsak dess hastighet indirekt genom att låta ljuset passera genom en speciell mask – ett filter som formade strålen till antingen en Gauss- eller Besselstråle.
När det passerar genom ett medium, låt oss säga glas, vatten eller vilket material som helst som man kan göra ett filter av, är det meningen att ljuset ska accelerera tillbaka till sin normala konstant. Experimentet visade att ljuset kan fås att färdas långsammare än c genom att ändra sin form. Detta var 0,001 procent långsammare än vad det borde ha varit. Inte lika imponerande som att bromsa ljuset, men ändå fascinerande. Kanske är ljuset mer formbart än vad fysikerna tidigare trott.
Det finns naturligtvis praktiska tillämpningar för dessa ”gimmicks”. Dessa inkluderar kvantberäkningar och tillämpningar för kvantkommunikation. Men att göra denna typ av banbrytande vetenskap bara för sakens skull låter lika häftigt för mig.