Işık hızının aşılamaz olduğu kuralı, modern fiziğin en temel direklerinden biridir. Ancak bilim insanları, gerçekleştirdikleri çığır açıcı bir deneyde, ışık demetinin tam kalbindeki "karanlık noktaların" ışık hızından bile daha hızlı hareket ettiğini, adeta uzay-zamanda bükülerek bir anda gözden kaybolduğunu gözlemledi!
Nature dergisinde yayımlanan ve Technion-İsrail Teknoloji Enstitüsü liderliğinde yürütülen bu çarpıcı araştırma, kuantum fiziğinde ezberleri bozacak cinsten. İşte bilim dünyasını heyecanlandıran gizemli deneyin detayları...
IŞIKTAN DAHA HIZLI AMA BİLİMİ İHLAL ETMİYOR
İlk bakışta Einstein’ın Özel Görelilik Teorisi'nin ihlal edildiği düşünülebilir. Ancak durum oldukça farklı.
Deneyde takip edilen şey fiziksel maddeler veya bilgi taşıyan sinyaller değildi; optik faz tekillikleri (optical phase singularities) adı verilen, bir ışık dalgasının genliğinin tam sıfıra düştüğü, yani ışığın içindeki tam karanlık noktalardı.
Bu karanlık noktalar (girdaplar) herhangi bir kütleye sahip olmadıkları ve bilgi taşımadıkları için, görünürdeki hareket hızları Einstein’ın evrensel hız sınırını (ışık hızını) hiçbir kuralı çiğnemeden aşabiliyor. Fizikçilerin 1970'lerden beri teorik olarak tartıştığı bu durum, tarihte ilk kez gerçek zamanlı olarak görüntülendi.
IŞK VE SESİN MELEZ DALGASI ZAMANI YAVAŞLATIYOR
Bu olağanüstü olayı yakalamak normal şartlarda imkansıza yakındır çünkü her şey çok küçük ve çok hızlı gerçekleşir. Bilim insanları bu engeli aşmak için Bar-Ilan Üniversitesi'nden Prof. Hanan Herzig Sheinfux tarafından sağlanan "hekzagonal bor nitrür" (hBN) adlı özel bir malzeme kullandı.
Işık-Ses Melezleri: hBN malzemesinin içinde ışık, malzemenin kendi titreşimleriyle birleşerek hiperbolik fonon-polariton adı verilen melez dalgalar oluşturuyor.
100 Kat Yavaşlama: Bu dalgalar, ışığın vakumdaki hızından tam 100 kat daha yavaş hareket ediyor. Işığın bu şekilde yapay olarak yavaşlatılması, araştırmacılara normalde kaçırılacak kadar hızlı olan olayları mikroskop altında inceleme fırsatı sundu.
ULTRA HIZLI MİKROSKOPLA ZAMANDA YOLCULUK
Technion Elektron Mikroskobu Merkezi'nde lazerler, opto-mekanik bileşenler ve ultra hızlı bir transmisyon elektron mikroskobunun (UTEM) birleştirilmesiyle devrimsel bir sistem kuruldu.
Bu sistem öyle bir hassasiyete sahip ki:
-20 nanometre uzamsal çözünürlüğe,
-3 femtosaniye (saniyenin katrilyonda biri) zaman çözünürlüğüne ulaşıldı.
Bu sayede araştırmacılar, tek bir ışık dalgası döngüsünün bile içindeki hareketleri görebildi. 21'e 21 mikrometrelik bir alanda, yüzlerce femtosaniye boyunca ışığın haritası çıkarıldı. Tam 285 karede, bu karanlık noktaların doğuşu, birbirlerine yaklaşması ve yok oluşu saniye saniye izlendi.
ÇARPIŞMA ANINDA GELEN ÇILGIN HIZ
Bu karanlık noktalar sadece boşluk değil; matematikte artı veya eksi yüke sahip topolojik kusurlar (girdaplar) olarak kabul ediliyor. Zıt yüklü iki karanlık nokta karşılaştığında, tıpkı madde ve anti-madde çiftleri gibi birbirlerini yok ediyorlar.
Deneyin en büyüleyici anı da burada yaşandı:
Zıt yüklü iki tekillik yok olma anına yaklaştıkça, izledikleri rotalar bükülerek sürekli bir uzay-zaman eğrisi oluşturdu. Teoriye göre, bu geometri iki noktanın yok olmadan hemen önce aşırı derecede hızlanmasını gerektiriyordu. Deney tam olarak bunu kanıtladı! Karanlık noktaların hızı, yok olma anında teorik olarak sonsuza doğru fırladı.
IŞIK HIZINDAN ÇOK DAHA HIZLI ÇIKTI
Veriler analiz edildiğinde sıradan bir hız dağılımı yerine, ekstrem hızların çok sık yaşandığı şaşırtıcı bir tablo ortaya çıktı:
Ortalama Hız: Deneyde ölçülen ortalama hız saniyede yaklaşık $3.12 \times 10^8$ metre olarak kayıtlara geçti. Bu da ışığın vakumdaki hızının tam 1.04 katı anlamına geliyor!
%29 Oranı: İncelenen karanlık noktaların yüzde 29'u ışık hızını aşmayı başardı. Normal şartlarda boşlukta bu oran sadece %0.4 olmalıydı. hBN malzemesinin sıra dışı yapısı, bu çılgın hız rejimini yakalamayı kolaylaştırdı.
BU KEŞİF GELECEKTE NEYİ DEĞİŞTİRECEK?
Araştırmacılara göre bu sonuçlar sadece optik dünyasını ilgilendirmiyor. Bu tekillikler ve topolojik kusurlar fiziğin birçok alanında karşımıza çıkıyor:
-Süperiletkenlerdeki akı kuantumu,
-Sıvılardaki ve süperakışkanlardaki girdaplar,
-Kristallerdeki dislokasyonlar (kusurlar).
Matematiksel altyapı aynı olduğu için, ışığın içindeki karanlık noktaları izleyerek elde edilen bu kuantum düzeyindeki evrensel harita, gelecekte süperiletken teknolojilerinden kuantum bilgisayarlara kadar pek çok alanda fizikteki köklü sorunların çözülmesine ışık tutabilir.
