Svjetlost sporija od svjetlosti

Brzina svjetlosti u vakuumu nepromjenjiva je. Ta je činjenica jedan od kamena temeljaca moderne fizike. Svjetlost, ili općenito elektromagnetski val, u praznom prostoru putuje brzinom c koja iznosi 299792458 metara u sekundi. Točno 299792458, ni manje ni više. Bez decimala. Naravno, cjelobrojnost te temeljne fizičke konstante nije slučajna. Metar, jedna od sedam osnovnih jedinica Međunarodnog sustava, koji je nekad bio definiran kao četrdesetmilijunti dio Zemljina meridijana, od 1983. definira se kao duljina puta koji u vakuumu svjetlost prijeđe za vrijeme od 1/299792458 sekunde. 

Svaka jedinica je, naravno, stvar dogovora. No, to što je jedinica za duljinu definirana preko brzine svjetlosti u vakuumu, samo pokazuje koliko smo sigurni u nepromjenjivost te veličine. S druge strane, prošli je tjedan ugledni znanstveni časopis Science objavio rad grupe britanskih fizičara koja je pokazala, teorijski i eksperimentalno, da pojedinačni foton u praznom prostoru može putovati brzinom manjom od c. U čemu je kvaka?

U prozirnom sredstvu – primjerice vodi, staklu ili zraku – svjetlost putuje sporije nego u vakuumu. To se uči već u osmom razredu osnovne škole. Ako je prozirno sredstvo homogeno, znači svugdje jednakih svojstava, možemo ga opisati jednom veličinom koju nazivamo indeksom loma, n. Brzina svjetlosti u  sredstvu tada je c/n. Primjerice, dijamant ima indeks loma 2,4 pa je brzina svjetlosti u dijamantu oko 125000 km/s, za razliku od 300000 km/s koliko otprilike iznosi u vakuumu. 

Ono što se u školi ne uči, ni u srednjoj ni na fakultetu (osim ako ne studirate fiziku), jest da indeks loma može biti i manji od jedan. Što povlači da je c/n veće od brzine svjetlosti u vakuumu, što pak na prvi pogled narušava posebnu teoriju relativnosti. Na prvi pogled. Zapravo ju ne narušava jer c/n nije brzina kojom se prenosi signal, nego brzina kojom se širi faza vala. Tu brzinu nazivamo faznom brzinom, a ona može ne samo premašivati c nego u nekim posebnim slučajevima čak težiti u beskonačnost. 

Osim fazne brzine, za svaki se val – ne samo elektromagnetski – može definirati i grupna brzina. To je brzina kojom putuje cijeli valni oblik. Postoje, naravno, precizne matematičke formule za grupnu i faznu brzinu, ali su one izvan dosega ovog teksta. Bitno je reći da se grupna brzina najčešće povezuje s brzinom prenošenja energije ili informacije. To je u većini slučajeva točno, ali ne uvijek. U posebnom sredstvu grupna brzina može nadmašiti brzinu svjetlosti, ali tada to opet nije brzina prenošenja signala. Još zanimljivije, grupna se brzina može jako smanjiti, čak svesti na nulu (kao da se laserski puls zaustavi) ili negativnu vrijednost (kao da se laserski puls giba unazad).

Sve te promjene, u odnosu na c, grupne ili fazne brzine elektromagnetskog vala posljedica su širenja vala kroz neko vrlo specifično sredstvo – medij koji ima određena svojstva. No, svjetlost nije mehanički val koji za svoje širenje treba medij. Svjetlost se može širiti i kroz potpuno prazan prostor. Kroz vakuum. U tom su slučaju fazna brzina, grupna brzina i brzina širenja signala sve jednake i iznose c. Doduše, uz jedan uvjet koji se obično podrazumijeva, no nije uvijek ispunjen: val se mora širiti neometano. Takav val fizičari nazivaju ravnim valom.

Usporavanje svjetlosti u vakuumu, o kojem se govori u zadnjem broju časopisa Science, ne odnosi se na ravni val. Odnosi se na val koji je itekako ometan, koji je natjeran na gibanje unutar posebno oblikovanog snopa – Gaussovog ili Besselovog. Ti snopovi nose nazive prema funkcijama koje opisuju njihovu geometriju. Britanski su fizičari, dakle, radili s takvim snopovima premda su zapravo opažali individualne fotone. Stvar je u tome da se intenzitet snopa danas može tako precizno smanjivati i svjetlost tako precizno detektirati da se doslovno može raditi s pojedinačnim česticama svjetlosti – fotonima. 

A ti fotoni svejedno poštuju ograničenje koje im nameće oblik snopa zadan posebnim razmještajem leća i kolimatora. Izmjereno smanjenje brzine fotona u vakuumu, u tom eksperimentu, odnosi se na grupnu brzinu i, do na preciznost mjerenja, slaže se teorijski predviđenim vrijednostima. Invarijantnost brzine svjetlosti u vakuumu vrijedi i dalje. Ali, samo za ravni val. To je jedan fini detalj prirode svjetlosti koji dosad nismo znali, a saznali smo ga eto u 2015. godini koju je UNESCO, sasvim prigodno, proglasio Međunarodnom godinom svjetlosti i tehnologija zasnovanih na svjetlosti.

Dr. sc. Dario Hrupec znanstveni je suradnik u području prirodnih znanosti. Radi na Institutu Ruđer Bošković u Zagrebu gdje se bavi se astročestičnom fizikom, posebice visokoenergijskom gama-astronomijom. Ovaj je tekst objavljen u Bugu.