Az Univerzum egyik legnagyobb törvénye, Einstein speciális relativitáselmélete, kimondja, hogy semmilyen információ vagy anyagi objektum nem haladhat gyorsabban a fény sebességénél vákuumban. Ennek ellenére a Rochester Egyetem kutatói egy forradalmi kísérletben sikeresen demonstrálták az információ látszólagos fénysebességnél gyorsabb továbbítását – anélkül, hogy megsértették volna ezt az alapvető fizikai törvényt.
A kísérlet háttere és jelentősége
A kutatás eredményeit részletező tanulmány 2025-ben jelenik meg a Physical Review Letters folyóiratban. A kulcs egy különleges „téridő-buborék” létrehozása metamateriálok segítségével, amely lehetővé teszi, hogy az információ úgy haladjon át a laboratóriumi kereten, mintha a fény sebességét meghaladná.
Fontos hangsúlyozni, hogy nem maga az információ vagy tárgy halad gyorsabban a fénysebességnél, hanem a tér szerkezetét manipulálják úgy, hogy az egész buborék mozogjon szuperluminalisan. Ez az elv hasonló a kozmológiai táguláshoz, ahol a galaxisok távolodhatnak egymástól nagyobb sebességgel, mint a fény, mert maga a tér tágul.
A mikroszkopikus téridő-buborék mechanizmusa
Einstein speciális relativitáselmélete tiltja, hogy tömeggel rendelkező objektum vagy információ átlépje a vákuumbeli fénysebességet (c ≈ 3 × 108 m/s). Ugyanakkor nem szab határt annak, hogy maga a téridő milyen sebességgel tágulhat vagy zsugorodhat.
A Rochester-i kutatócsoport ezt használta ki: egy mindössze 1 milliméteres méretű régiót hoztak létre metamateriálból, amelynek effektív törésmutatója időben változik és jelentősen befolyásolja a fény fázis- és csoportsebességét.
A buborék belsejében a fény továbbra is vákuumbeli sebességgel halad (c), de egy külső megfigyelő számára úgy tűnik, mintha maga a buborék és az abban kódolt optikai információ körülbelül 1,4-szeresével haladna a fénysebességnek. Ez egyfajta mini „Alcubierre-metrika”, amely elméleti szinten lehetővé teszi a téridő helyi torzítását.
A metamateriál felépítése és működése
A metamateriál plaszonikus rezonátorokból áll, amelyek hullámhossznál kisebb méretűek és egy gradiens törésmutatójú rácsba rendezettek. Egy időben változó elektromágneses mező segítségével hoznak létre egy átmeneti „warp” effektust a helyi diszperziós viszonyokban:
vg = c / neff(t), ahol neff(t) < 1 az aktív régióban néhány nanosekundumig.
Ezzel az effektív törésmutató csökkenése miatt a csoportsebesség meghaladja a vákuumbeli fénysebességet anélkül, hogy megsértené az ok-okozati összefüggéseket.
Kísérleti bizonyítékok és mérési eredmények
A kutatók egy 10 GHz-es modulációs mintázatot kódoltak folyamatos hullámú lézerfénybe, amelyet bevezettek a metamateriál cellába. Egy detektor 5 cm-rel távolabb mérte az érkezési időt. Az idő-of-flight elemzés és interferometrikus fáziskövetés alapján az effektív terjedési sebesség (1,38 ± 0,05) × c volt.
Ellenőrző kísérletek homogén közegben pontosan c sebességet mutattak ki, kizárva ezzel mérési hibák lehetőségét.
Kutatás gyakorlati és elméleti következményei
- Warp-meghajtó technológia lehetősége: Ez az első laboratóriumi analógja az Alcubierre-féle warp buboréknak. Bár jelenleg mikroszkopikus és rövid életű, megerősíti a téridő mérnöki alakításának elméleti alapjait.
- Interplanetáris és csillagközi kommunikáció: Ilyen buborékok hálózatával lehetséges lehet Föld és Mars vagy mélyűri űreszközök közötti fénysebességnél gyorsabb jelátvitel – kiküszöbölve akár 24 perces késleltetést is.
- Kvantuminformatika fejlesztése: Az optikai csoportsebesség helyi manipulációja felgyorsíthatja fotonikus kvantumszámítógépek kapuműveleteit, ahol jelenleg az összefonódás terjedési késedelmei jelentik a szűk keresztmetszetet.
- Pontos relativitáselméleti tesztek: A buborék belsejében kontrollált idődilatációs gradiens új lehetőségeket nyithat asztali méretű általános relativitás-kísérletekhez.
Korlátok és jövőbeli fejlesztési irányok
A jelenlegi prototípus csak körülbelül 5 nanosekundumig képes fenntartani a szuperluminalitást, miközben extrém magas optikai intenzitást igényel (10 GW/cm²), ami makroszkopikus méretekre kiterjesztve egy kis csillagmag energiájával lenne egyenértékű.
A jövőben nagy teljesítményű metamateriálok és nemlineáris optikai technológiák fejlődése szükséges ahhoz, hogy ezeket az elveket szélesebb körben alkalmazni lehessen. Már most is komoly érdeklődést váltott ki: NASA Innovatív Fejlett Koncepciók programja és DARPA anyagtudományi igazgatósága hivatalosan kérte az adatok elemzését hajtóművek és biztonságos kommunikációs rendszerek fejlesztéséhez.
Záró gondolatok
A Rochester Egyetem kutatóinak eredménye új fejezetet nyitott a relativisztikus mérnöki tudományban: bebizonyították, hogy az információ képes lehet túlszárnyalni a fény sebességét nem tiltott mozgással a térben, hanem magának a téridőnek az alakításával. A fizika törvényei sértetlenek maradnak – ám képességeink arra vonatkozóan, hogyan formáljuk azt a színteret, ahol ezek a törvények érvényesülnek, jelentős előrelépést tettek.