Ми звикли думати, що «швидше за світло» — це заборонена зона фізики: межа, переступити яку не може нічого у Всесвіті. Але як повідомляє ZME Science з посиланням на публікацію в Nature, команда профессора Ідо Камінера з Техніону (Ізраїль) вперше зафіксувала на відео точки темряви всередині світлової хвилі, що рухаються швидше за світло — і жоден закон фізики при цьому не порушується. Передбачення, зроблене ще у 1970-х, нарешті має експериментальне підтвердження. І воно перевертає наше уявлення про те, що саме забороняє теорія відносності.
Що відомо коротко
- Стаття: Bucher T., Gorlach A., Niedermayr A. et al. «Superluminal correlations in ensembles of optical phase singularities». Nature, Vol. 651, pp. 920–926, 25 березня 2026. DOI: 10.1038/s41586-026-10209-z.
- Установа: Технічний університет Ізраїлю (Technion), Хайфа. Провідний автор — проф. Ідо Камінер.
- Об’єкт: фазові сингулярності, або оптичні вихори — точки нульової амплітуди всередині світлової хвилі.
- Матеріал: гексагональний нітрид бору (hBN) — двовимірний матеріал, що підтримує фонон-поляритони.
- Результат: 29% відстежених сингулярностей рухались швидше за швидкість світла у вакуумі; середня швидкість — 1,04с (с — швидкість світла).
- Метод: ультрашвидка електронна мікроскопія (UTEM) — вперше застосована для відстеження таких явищ у реальному часі.
- Чому не порушує фізику: сингулярності не несуть маси, енергії або інформації — тобто не підпадають під обмеження спеціальної теорії відносності.
Що таке фазова сингулярність — і чому вона схожа на вихор у річці
Уявіть поверхню озера, по якій розходяться хвилі. Де дві хвилі зустрічаються і гасять одна одну — амплітуда падає до нуля. Ця точка стає центром крихітного вихору: фаза хвилі обертається навколо неї, а сама точка залишається абсолютно нерухомою і темною. Це і є фазова сингулярність, або оптичний вихор.
З 1970-х років вчені передбачали, що, подібно до того як вихори у річці можуть рухатись швидше за течію навколо них, вихри у світловій хвилі теж можуть обганяти саме світло, в якому вони існують. Але зафіксувати це в дії було важко, оскільки явище розгортається на надзвичайно малих просторових і часових масштабах.
Теорія відносності Ейнштейна забороняє передавати інформацію, масу або енергію швидше за світло. Але сингулярність — це не об’єкт і не сигнал. Це геометрична властивість хвильового патерну: місце, де хвилі скасовують одна одну. Коли хвильовий патерн змінюється, ця «порожнина» може переміщуватись у просторі зі швидкістю, необмеженою жодним фізичним законом.
Як Техніон зняв неможливе
Головна технічна проблема полягала в тому, що оптичні вихори рухаються і взаємодіють на масштабах фемтосекунд (10⁻¹⁵ секунди) і нанометрів. Жодна звичайна оптична камера не здатна фіксувати такі явища.
Команда Камінера записувала поведінку оптичних вихорів у двовимірному матеріалі — гексагональному нітриді бору. Цей матеріал підтримує незвичайні світлові хвилі, звані фонон-поляритонами — гібриди світла і атомних вібрацій, що рухаються значно повільніше за звичайне світло і можуть бути щільно confined. Це створює складні інтерференційні патерни з багатьма вихорами, що дозволяє відстежувати їх рух у деталях.
Другою ключовою частиною стала ультрашвидка електронна мікроскопія (UTEM): замість фотонів для зйомки використовуються електронні імпульси тривалістю фемтосекунди. Результат — перше у світі відео, на якому видно, як точки темряви всередині світлової хвилі рухаються і взаємодіють у реальному часі.
Цифри, що вражають
Середня швидкість сингулярностей склала близько 3,12 × 10⁸ м/с — приблизно 1,04 швидкості світла у вакуумі. 29% сингулярностей у системі перевищили швидкість світла.
Але найдивовижніше — що відбувається безпосередньо перед зіткненням двох сингулярностей. Коли дві сингулярності зближуються, їхні швидкості зростають експоненційно. Безпосередньо перед тим, як вони скасовують одна одну, ці швидкості наближаються до нескінченності. Математично — нескінченна швидкість. Фізично — нічого не переноситься, тому жоден закон не порушений.
Чому це важливо — і що далі
«Наше відкриття розкриває універсальні закони природи, спільні для всіх типів хвиль — від звукових хвиль і потоків рідини до складних систем, таких як надпровідники», — сказав Камінер.
Практичне значення — у двох напрямках. По-перше, нові методи мікроскопії для дослідження прихованих процесів у фізиці, хімії і біології на найшвидших і найтонших масштабах. По-друге, фундаментальне переосмислення: сингулярності поводяться як квазічастинки з топологічним зарядом, здатні анігілювати — і тепер вперше виміряні їхні швидкісні розподіли. Це відкриває нові питання про природу квантових систем, де такі вихори відіграють роль.
Цікаві факти
🌊 Оптичні вихори з’являються природно у будь-якому складному хвильовому полі — не лише у лазерному промені. Схожі структури існують у звукових хвилях, сейсмічних хвилях, хвилях на поверхні води і навіть у квантових хвильових функціях. Відкриття Техніону підтверджує: математика цих «порожнин» є універсальною для всіх типів хвиль незалежно від їхньої фізичної природи. Джерело: Nature, 2026.
⚡ Гексагональний нітрид бору (hBN) — двовимірний матеріал, структурно подібний до графену, але з іншими електронними властивостями. Він сповільнює поширення «гібридних» хвиль (фонон-поляритонів) приблизно у 70 разів порівняно з відкритим простором — що і дозволило зафіксувати явище. Саме через це 29% сингулярностей перевищили с, тоді як у відкритому просторі такий самий ефект очікується лише у ~0,4% випадків. Джерело: Nature, 2026.
🔬 Ультрашвидка електронна мікроскопія (UTEM) використовує лазерно-індуковані електронні імпульси тривалістю фемтосекунди для зйомки процесів, що відбуваються на атомних масштабах простору і часу. Технологія розвивається з 2000-х років і вже застосовувалась для зйомки хімічних реакцій і фазових переходів. Застосування UTEM для відстеження оптичних вихорів — методологічна новизна цього дослідження. Джерело: Technion, 2026.
♾️ «Нескінченна швидкість» в момент анігіляції двох сингулярностей не є фізичним парадоксом, а математичним виразом геометричного факту: дві точки, що знаходяться нескінченно близько одна до одної в момент взаємного скасування, «рухаються» на нескінченно малу відстань за нескінченно малий час — і співвідношення дає нескінченність. Жодна фізична величина — енергія, маса, інформація — при цьому не переноситься зі скінченної точки А до скінченної точки Б. Джерело: спеціальна теорія відносності.
FAQ
Чи порушує це теорію відносності Ейнштейна? Ні. Теорія відносності забороняє передачу інформації, енергії або маси зі швидкістю, що перевищує с. Фазові сингулярності не несуть нічого з перерахованого: вони є геометричними властивостями хвильового патерну, а не фізичними об’єктами. Їхній «рух» — це зміна місця, де хвилі гасять одна одну, а не переміщення якоїсь речовини чи сигналу.
Чи можна використати сингулярності для передачі інформації швидше за світло? Ні — саме тому, що вони не несуть інформації. Спостерігач, що стежить лише за сингулярністю, не може отримати жодного повідомлення від іншого спостерігача. Два спостерігачі мають заздалегідь домовитись про параметри хвильового поля — а ця домовленість передається зі звичайними, обмеженими швидкостями.
Чим ці вихори відрізняються від звичайної тіні, що «рухається швидше за світло»? Тінь і оптичний вихор — споріднені явища, але різного рівня складності. Тінь — це проста відсутність освітлення на поверхні, що рухається. Оптичний вихор — це топологічна структура у хвильовому полі з певним зарядом, здатна до взаємодії і анігіляції з «антивихорами». Дослідження Техніону вперше виміряло статистику швидкостей таких структур — що якісно виходить за рамки простого «рухомої тіні».
Яке практичне застосування може мати це відкриття? Камінер наголошує на двох напрямках: нові інструменти мікроскопії для дослідження найшвидших процесів у матеріалах (від хімічних реакцій до квантових переходів) і глибше розуміння топологічних явищ у фізиці конденсованого стану — зокрема у надпровідниках і топологічних ізоляторах, де схожі вихрові структури відіграють ключову роль.