În vid, lumina călătorește întotdeauna cu o viteză constantă de 299.792.458 metri pe secundă. Nimic nu poate călători mai repede decât această constantă c,așa cum este notată de fizicieni. Aceste două postulate sunt elementele de bază ale fizicii moderne și au fost anunțate pentru prima dată acum mai bine de o sută de ani de Albert Einstein.
Da, da, da, nimic nu poate călători mai repede decât lumina, dar…
Când lumina călătorește printr-un alt mediu decât vidul, ea va fi încetinită. De exemplu, atunci când lumina se propagă prin apă sau aer, o va face cu o viteză mai mică. Acest lucru se datorează faptului că lumina se împrăștie pe moleculele care alcătuiesc diferite materiale. Fotonii în sine nu încetinesc. Însă trecerea lor printr-un mediu implică absorbția de către electroni și reemisia. Pentru unele materiale, cum ar fi apa, lumina va încetini mai mult decât electronii. Astfel, un electron în apă poate călători mai repede decât lumina în apă. Dar nimic nu călătorește niciodată mai repede decât c.
În unele cazuri, lumina lentă poate produce unele fenomene fizice foarte interesante. Probabil că ați auzit despre boom-ul sonic. Un avion subsonic „normal” va devia aerul lin în jurul aripilor sale. Un avion supersonic – cel care se deplasează mai repede decât sunetul (mai mult de 340 m/s) – se va deplasa de fapt mult mai repede decât aerul pe care îl dislocă. Rezultatul este o schimbare bruscă de presiune sau o undă de șoc care se propagă departe de aeronavă într-un con cu viteza sunetului.
Dr. Manhattan
Viteza de fază a luminii într-un mediu cu indice de refracție n este v
lumina = c/n. Apa are un indice de refracție de aproximativ 1,3, deci viteza luminii în apă este considerabil mai mică decât viteza luminii în vid. Nu numai un electron se poate deplasa mai repede decât lumina printr-un mediu diferit – ci și alte particule. Dacă o particulă încărcată se deplasează mai repede decât lumina într-un mediu, atunci se produce o radiație slabă. În apă, de exemplu, particula încărcată excită moleculele de apă, care apoi revin la starea lor normală prin emiterea de fotoni de lumină albastră. Lumina se propagă într-un con în fața regiunii în care a avut loc interacțiunea, analog cu boom-ul sonic.
Acest efect, cunoscut sub numele de radiație Cherenkov, a fost observat ca o strălucire slabă de culoare albastră de către Pavel Cherenkov în 1934, când i s-a cerut să analizeze efectele radioactivității în lichide. Oamenii care lucrează cu reactoare nucleare ajung adesea să vadă această strălucire albastră revelatoare. În cultura populară, puternicul Doctor Manhattan din romanul grafic clasic „Watchmen” al lui Ian Moore este întotdeauna înconjurat de o strălucire albastră.
Această discuție ridică întrebarea: cât de mult putem încetini lumina?
Oprire moartă
În timp ce nu putem niciodată să accelerăm sau să reducem efectiv viteza luminii, care este întotdeauna o constantă, oamenii de știință au reușit să manipuleze timpul necesar pentru ca lumina să călătorească prin diverse medii. La temperatura camerei, atomii sunt incredibil de rapizi și se comportă ca niște bile de biliard, ricoșând unul în celălalt atunci când interacționează. Pe măsură ce scădeți temperatura (amintiți-vă că temperatura reflectă agitația atomică), atomii și moleculele se mișcă mai încet. În cele din urmă, odată ce ajungeți la aproximativ 0,000001 grade peste zero absolut, atomii devin atât de dens compactați încât se comportă ca un super atom, acționând la unison. Acesta este domeniul mecanicii cuantice, așa că pregătiți-vă pentru o mulțime de ciudățenii.
Aceasta este de fapt o stare distinctă a materiei cunoscută sub numele de condensat Bose-Einstein, care nu seamănă cu stările observabile de zi cu zi, cum ar fi lichid, gaz, solid sau plasmă. BEC, pe scurt, a fost prezis pentru prima dată în anii 1920 de Albert Einstein și de fizicianul indian Satyendra Bose și abia foarte târziu, în 1995, oamenii de știință au reușit să producă condițiile necesare pentru ca această stare extremă a materiei să apară.
În 1999, Lene Vestergaard Hau, profesor la Universitatea Harvard, a îndreptat un fascicul laser printr-un astfel de nor de atomi de sodiu aproape nemișcați, cu o lungime de numai 1/125 de inch. Mai întâi, un fascicul inițial, cunoscut sub numele de fascicul de cuplare, este îndreptat asupra norului, făcându-l transparent. Aceasta se face cu o rată extrem de rapidă de schimbare a indicelui de refracție.
Un al doilea fascicul laser, pulsul sondă, trage prin acest nor de gaz, acum transparent, care are un indice de refracție de o sută de trilioane de ori mai mare decât cel al sticlei din fibra optică. În aceste condiții, lumina se târăște cu o viteză uluitoare de 38 de mile pe oră. Caii sunt mai rapizi.
Lumina plutitoare
Nu s-a culcat pe lauri, profesorul Hau a împins plicul până la punctul suprem: oprirea luminii în calea ei. Pentru a opri lumina cu totul, oamenii de știință au utilizat un efect similar, dar mult mai puternic. Cercetătorii au răcit un gaz de atomi de sodiu prinși magnetic până la câteva milionimi de grad față de zero absolut (-273 grade Celsius). Configurația experimentală a arătat foarte asemănător cu prima încercare, doar că, de data aceasta, dacă echipa a oprit laserul de cuplare în timp ce laserul sondei încă strălucea asupra norului, atunci impulsul sondei se oprea complet. Dacă fasciculul de cuplare este apoi pornit din nou, pulsul sondei iese intact, ca și cum ar fi așteptat să își reia călătoria. Uimitor! Aceste descoperiri au fost reproduse în același an (2001) de către Dr. Ronald Walsworth, de la Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge.
De atunci, au fost stabilite diverse repere. În 2013, o echipă de la Universitatea germană din Darmstadt a oprit complet lumina în interiorul unei structuri cristaline și a menținut-o astfel timp de un minut întreg. De asemenea, au folosit capcana pentru a stoca și apoi a recupera o imagine formată din trei dungi. „Am arătat că se pot imprima informații complexe pe fasciculul de lumină”, a declarat cercetătorul principal George Heinze. În 2015, cercetătorii de la Universitatea din Glasgow au găsit o modalitate de a încetini viteza luminii care nu implică trecerea acesteia printr-un mediu. În esență, ei i-au modificat viteza în mod indirect, trecând lumina printr-o mască specială – un filtru care a modelat fasciculul fie într-un fascicul Gaussian, fie într-un fascicul Bessel.
După ce trece printr-un mediu, să zicem sticlă, apă sau orice fel de material din care se poate face un filtru, lumina ar trebui să accelereze din nou la constanta sa normală. Experimentul a arătat că lumina poate fi făcută să se deplaseze mai încet decât c, prin schimbarea formei sale. Aceasta a fost cu 0,001% mai lentă decât ar fi trebuit. Nu la fel de impresionant ca și cum ai pune frână luminii, dar totuși fascinant. Poate că lumina este mai maleabilă decât credeau fizicienii anterior.
Există, bineînțeles, aplicații practice pentru aceste „artificii”. Acestea includ aplicații de calcul cuantic și de comunicare cuantică. Totuși, a face acest tip de știință revoluționară doar de dragul de a o face mi se pare la fel de minunat.