物理学家利用超高速电子显微镜，首次观测到光波中的相位奇异点以超越光速的速度移动，揭示了波动系统中普适的自然规律。
在物理学的常识里，光速是宇宙中不可逾越的终极限速。然而，最近的一项科学发现挑战了人们的直觉：研究人员首次观测到，光波之中的一些“空洞”居然可以跑得比光本身还要快。
这些空洞在学术上被称为相位奇异点或光学涡旋。早在1970年代，科学家就预测过这种现象。这就好比河流里的旋涡，其移动速度有时会超过周围流动的河水，光波里的旋涡同样也能“跑赢”光。
虽然这听起来像是打破了相对论，但爱因斯坦的理论其实安然无恙。相对论限制的是质量、能量或信息的传输速度，而这些光波里的旋涡既没有质量，也不携带能量或信息。它们的移动源于光波几何结构的演变，而不是实体物质在空间中的物理运动。
长期以来，捕捉这一现象极其困难，因为一切都发生得太快、太微小了。以色列理工学院的物理学家Ido Kaminer和他的团队通过电子显微镜技术的突破，终于看清了这一过程。
光学涡旋的形成非常有趣。光既具有粒子性也具有波动性，当光波在行进中像开瓶器一样扭转时，在扭转的最中心点，光会相互抵消，留下一个强度为零的黑点，这就是光里的“空洞”。当两个带有相反特征的奇异点相互靠近并准备湮灭时，它们的运动路径会迫使它们剧烈加速，在消失前的瞬间突破光速。
为了看清这个瞬间，团队在一种名为六方氮化硼的二维材料上进行了实验。这种材料能产生名为声子极化激元的光波，它结合了光与原子的振动，移动速度比纯光慢得多，且能被紧紧束缚在材料表面。这让研究人员能够精细地追踪这些涡旋的每一个动作。
实验的另一个关键是特制的超高速电子显微镜，它的时间分辨率达到了惊人的3千万亿分之一秒。研究人员通过堆叠数百张图像，制作出了涡旋运动的延时摄影。影像清晰地显示，这些涡旋在飞速碰撞的过程中，确实短暂达到了超光速。
Ido Kaminer表示，这一发现不仅适用于光，还揭示了从声波、流体到复杂超导体等所有波动系统共有的自然规律。这种创新的显微技术为科学界提供了一个强大的工具，让我们能够首次窥见自然界中那些最快、最难以捉摸的微观瞬间。
本文译自 sciencealert，由 BALI 编辑发布。
