NEC Research Institute/Princeton

A fizika egyik legszentebbnek tartott tétele, hogy semmilyen anyag vagy információ sem haladhat gyorsabban a vákuumbeli fénysebességnél. Egy nemrég elvégzett princetoni kísérletben mégis sikerült azt a meghökkentő jelenséget előidézni, hogy egy különleges anyaggal megtöltött cellához közeledő lézerimpulzus csúcsa már akkor kilépett a túlsó oldalon, amikor ténylegesen még be sem lépett a cellába. Bár ez első pillantásra ellentmond nemcsak a józan észnek, hanem az einsteini relativitáselméletnek is, a kísérletet elvégző Lijun Wang professzor és munkatársai a princetoni NEC Kutatóintézetből azt állítják, hogy az eredmény a hullámterjedés klasszikus törvényei alapján értelmezhető, és összhangban van a relativitáselmélettel. Ez utóbbinak egyik alapaxiómája, hogy semmilyen nyugalmi tömeggel bíró tárgy sem érheti el a vákuumbeli fénysebességet (c = 300 000 km/s-ot), az okság elvéből pedig (amely szerint az ok mindig meg kell előzze az okozatot) az következik, hogy még egy fényjel sem haladhat ennél nagyobb, úgynevezett szuperluminális sebességgel.
Egy fényimpulzus esetében azonban egyidejűleg többféle sebesség is szóba jöhet, mivel az valójában egymástól kevéssé különböző frekvenciájú hullámokból álló „hullámcsomag”, amelyben az egyes hullámhosszakhoz tartozó hullámok adott fázisú pontjai fázissebességgel, maga a hullámcsomag pedig az úgynevezett csoportsebességgel halad. Vákuumban mozgó fényimpulzus esetében ezek a sebességek mind egyenlők c-vel. A fényt törő, diszperzív közegekben azonban az összetevők fázissebessége már eltér egymástól, mivel a törésmutató (a vákuumbeli és a közegbeli fénysebesség hányadosa) a hullámhossztól függ. Ezért bontja az üvegprizma a fehér fényt a szivárvány színeire. Mivel a törésmutató növekvő hullámhosszal csökken, legkevésbé a vörös, legjobban a kék fény térül el, és ezért a színképben felül a vörös, alul a kék látható. Az üveghez hasonló, átlátszó, normális diszperziójú anyagokban a fényimpulzus csoportsebessége mindig kisebb a fázissebességnél. Egy olyan anyag viszont, amelyben a törésmutató ezzel ellentétesen változna (a növekvő hullámhosszal növekedne) a fehér fényből éppen fordított állású színképet hozni létre. Ráadásul az ilyen anomális diszperziójú közegben a csoportsebesség
is a fázissebességnél nagyobb lenne, sőt, akár negatívnak is adódhatna. Anomális diszperziójú átlátszó anyag ugyan nincs a természetben, de mesterségesen ma már előállíthatók ilyen tulajdonságú közegek: valójában a princetoni kutatók éppen ezt tették.
Kísérleti berendezésük egyébként meglepően hasonlít ahhoz, amellyel tavaly harvardi kutatók szintén szenzációs, bár éppen fordított előjelű eredményt értek el: Lene Hau és munkatársai nátriumatomokból álló Bose–Einstein-kondenzátumban a fényt, alig 17 méteres másodpercenkénti sebességű „cammogásra” kényszerítették. A princetoni kutatók hasonló módszerrel, két lézernyalábbal és mágneses térrel, gerjesztett céziumatomokból készítették el a kísérlethez szükséges anomális diszperziójú közeget. A céziumatomokat olyan gerjesztett állapotokba emelték, hogy az anyag két meghatározott hullámhosszon – a lézer működéséhez hasonlóan – fényerősítőként működjön, ráadásul e két hullámhossz között a törésmutató a hullámhossz függvényében erősen változzon.
A kísérlet során Wang és munkatársai először egy harmadik, folyamatosan hangolható lézerrel ellenőrizték, hogy az előbb említett feltételek (az erősítés és a törésmutatóváltozás) valóban teljesülnek-e. Majd egy 3,7 mikroszekundumos (3,7 milliomod másodperces időtartamú) lézerimpulzust küldtek a céziumatomokkal feltöltött, 6 centiméter hosszú cellába. Jól megválasztott hullámhosszértéknél azt találták, hogy az impulzus csúcsa 62 nanoszekundummal (62 milliárdod másodperccel) hamarabb lépett ki a cellából, mintha az utat vákuumbeli fénysebességgel tette volna meg. Igaz, ez nem hangzik túl hosszú időnek, de ha összevetjük azzal, hogy ekkora út megtételéhez a fénynek vákuumban mindössze 0,2 milliárdod másodpercre lett volna szüksége, első pillantásra úgy tűnhet, mintha az impulzus háromszázszoros fénysebességgel haladt volna! (Ezt a benyomást tovább erősíti, hogy – szemben más, korábbi kísérletekkel – a princetoni kutatóknak azt is sikerült elérni, hogy a cellán áthaladó impulzus lényegében ne torzuljon, azaz a be- és a kilépő impulzus alakja is egyező legyen.) Ez azonban téves értelmezés! Ténylegesen ugyanis csupán annyi történt, hogy a cellán áthaladó impulzus csúcsa kicsit sietett a vákuumban haladó impulzushoz képest. Kissé bonyolultan ezt úgy is kifejezhetjük, hogy negatív késésben volt, azaz mintegy időben visszafelé haladt. A negatív késés időtartama volt háromszázszorosa annak az időnek, amely a 6 centiméteres út megtételéhez vákuumban szükséges. Ugyanakkor az impulzusnak ez a 62 nanoszekundumos „előreszaladása” mindössze töredéke (alig 1,7 százaléka) az impulzus teljes, 3,7 mikroszekundumos szélességének.
Az, hogy anomális diszperziójú tartományban terjedő hullámok fázissebessége(i) és csoportsebessége meghaladhatja a vákuumbeli fénysebességet, tulajdonképpen régóta ismert jelenség, és nem áll ellentétben a relativitáselmélettel sem. Ugyanakkor élesen rávilágít arra, hogy igencsak csínján kell bánni az olyan egyszerűsítő kijelentésekkel, miszerint „semmi sem haladhat c-nél sebesebben”. Ez az állítás ténylegesen csupán a nem nulla nyugalmi tömegű testekre és az információt szállító jelekre érvényes. A fénynél sebesebben mozgó szabályos hullám önmagában nem hordoz jelet, ha viszont valamilyen jelet akarunk ráültetni, akkor például modulálnunk kell, és eddig még minden esetben sikerült bebizonyítani, hogy az ilyen jelnek a tovaterjedési sebessége már minden esetben kisebb c-nél. Jelen kísérlet kapcsán azonban még fizikus körökben is vita folyik arról, hogy ebben a bonyolult esetben tulajdonképpen hogyan definiálható a fényimpulzus által szállított jel sebessége. Egy régebbi definíciót, amely szerint ez azzal a sebességgel egyenlő, amellyel a vezető hullámfront maximális intenzitásának a felezőpontja halad, valószínűleg el kell vetni: a princetoni kísérletben ugyanis ez szintén nagyobb mint c. Létezik azonban több olyan versengő meghatározás, amely a princetoni kísérletben is c-nél kisebb jelsebességet ad. A kérdés kétségkívül bonyolult, és mindenképpen további kísérleteket és elméleti elemzést igényel.

Forrás:http://www.nec.princeton.edu/