Uchwycili światło w urojonym czasie. Czy to w ogóle możliwe?

W fizyce wiele koncepcji matematycznych, choć pozornie abstrakcyjnych, odgrywa kluczową rolę w opisie rzeczywistości. Jedną z nich jest tzw. czas urojony — pojęcie do tej pory znane było głównie z równań i teorii, ale w świecie eksperymentów praktycznie nie istniało. Teraz, dzięki badaczom z University of Maryland, po raz pierwszy udało się zaobserwować, jak światło zachowuje się, „przechodząc” przez czas urojony. Warto sobie uświadomić, że to iście przełomowe odkrycie może mieć ogromne konsekwencje dla naszej wiedzy o tym jak rozchodzą się fale elektromagnetyczne.
Uchwycili światło w urojonym czasie. Czy to w ogóle możliwe?

Wyobraźmy sobie sytuację, w której światło przechodzi przez dowolny przezroczysty materiał, np. szkło czy plastik. W takiej sytuacji światło nie porusza się już po linii prostej. Choć fotony zawsze poruszają się z tą samą prędkością w próżni, w objętości materiału przezroczystego wchodzą w interakcje z atomami, a to już bezpośrednio wpływa na ich ruch. W takiej sytuacji mamy do czynienia z opóźnieniami i zmianami samego sposobu rozchodzenia się światła.

Tutaj właśnie z pomocą naukowcom od dekad przychodzą liczby urojone.

Nazwa ta odnosi się do wartości matematycznych opartych na pierwiastku kwadratowym z liczby ujemnej. W szkole podstawowej czy średniej liczby urojone nie pojawiają się na matematyce, bowiem nie mają one fizycznego odpowiednika w codziennym życiu. Nie zmienia to jednak faktu, że są one dosłownie nieodzowne w matematycznym opisie fal, oscylacji czy zjawisk kwantowych.

Czytaj także: Dźwięk może zachowywać się jak światło. Odkryto nowe fale dźwiękowe

Czas urojony jednak dotychczas stanowił jedynie narzędzie wykorzystywane przez teoretyków. Aż do teraz. Zespół naukowców kierowanych przez Isabellę Giovannelli i Stevena Anlage’a po raz pierwszy wykorzystał go w swoim eksperymencie. Fizycy użyli impulsów promieniowania mikrofalowego i przetestowali ich zachowanie w precyzyjnie zaprojektowanym układzie przypominającym właśnie złożone warunki transmisji.

Eksperyment opierał się na pętli z kabli koncentrycznych, znanych z dobrej kontroli nad propagacją fal. Badacze wysyłali przez nie impulsy i rejestrowali subtelne zmiany fal za pomocą czułych oscyloskopów. W toku pomiarów naukowcy dostrzegli niewielkie przesunięcia częstotliwości fali nośnej w trakcie interakcji z ośrodkiem. Owe przesunięcia okazały się dokładnie takie, jakie przewiduje matematyka z wykorzystaniem liczb urojonych.

Czytaj także: Nowe ustalenia na temat światła. Tego o nim nie wiedzieliśmy

Warto tutaj podkreślić, że zmiany te były ściśle powiązane z procesami absorpcji i transmisji energii świetlnej, co dowodzi, że czas urojony ma rzeczywisty, mierzalny wpływ na zachowanie fal świetlnych. W niektórych przypadkach impulsy zdawały się poruszać szybciej niż pojedyncze fotony. Fakt ten zaskoczył naukowców, bowiem jest to zjawisko paradoksalne, choć zgodne z prawami fizyki, jeśli uwzględni się oba typy liczb: rzeczywiste i urojone.

Odkrycie Giovannelli i Anlage’a stanowi zatem rzeczywiste fizyczne potwierdzenie tego, co dotychczas było wyłącznie konstrukcją matematyczną. Czas urojony właśnie stał się realnym narzędziem opisu rzeczywistości. Możliwe nawet, że jest to pierwszy z wielu eksperymentów z jego wykorzystaniem, które umożliwią badanie mechaniki fal w zupełnie nowy sposób. Już teraz naukowcy przyznają, że takie badania mogą odblokować nam nowe możliwości rozwoju telekomunikacji, technologii radarowych czy komputerów kwantowych. Wiele odkryć dopiero przed nami.