Ηλεκτρικοί παλμοί σπάζουν το όριο της ταχύτητας του φωτός

Από σελίδα του PhysicsWeb, 22 Ιανουαρίου 2002

Παλμοί που ταξιδεύουν γρηγορότερα από το φως, έχουν σταλεί σε μια σημαντική απόσταση για πρώτη φορά. Ο Alain Hachι και ο Louis Poirier του Πανεπιστημίου Moncton στον Καναδά διεβίβασαν τους παλμούς μέσω ενός καλωδίου 120 μέτρων κατασκευασμένο από ένα ομοαξονικό "φωτονικό κρύσταλλο". Το επίτευγμα αυτό αυξάνει τις ελπίδες πως δεδομένα θα μπορούσαν να ταξιδεψουν μέσω των ηλεκτρονικών συστημάτων επικοινωνιών με σχεδόν την ταχύτητα του φωτός. (A Hache και L Poirier 2002 Appl. Phys. Lett. 80 518).

Όταν ένας παλμός της ακτινοβολίας ταξιδεύει μέσω ενός "μέσου που προκαλεί σκέδαση" ή "μέσου ανάλυσης", διαφορετικά μήκη κύματος του παλμού κινούνται με διαφορετικές ταχύτητες και ο παλμός με αυτό τον τρόπο παραμορφώνεται. Η συνηθισμένη σκέδαση προκύπτει όταν αλλάζει ο δείκτης διάθλασης ενός υλικού που μεταβάλλεται με την αύξηση του μήκους κύματος. Αυτό μεταβάλει το παλμό και μειώνει την ταχύτητα ομάδας (group velocity)- τη ταχύτητα με την οποία ταξιδεύει η κορυφή του παλμού.

Αλλά η "ανώμαλη σκέδαση" μπορεί να εμφανιστεί σε υλικά που απορροφούν την ακτινοβολία σε μια ορισμένη περιοχή των μηκών κύματος. Ο δείκτης διάθλασης σε κάθε πλευρά αυτής της ζώνης απορρόφησης αλλάζει αισθητά με το μήκος κύματος. Σε αυτές τις περιοχές, τα συστατικά της ακτινοβολίας στην ουρά του παλμού παρεμβαίνουν καταστροφικά, και η κορυφή του κύματος ωθείται αποτελεσματικά προς τα εμπρός.

Για να δημιουργήσουν το καλώδιό τους, οι Καναδοί ερευνητές ένωσαν μαζί τμήματα πέντε μέτρων του ομοαξονικού καλωδίου με τις ηλεκτρικές φαινόμενες αντιστάσεις (impedences). Η ακτινοβολία στο φάσμα συχνότητας 9-11 MHz απεικονίζεται μερικώς στα όρια αυτών των τμημάτων, που δίνει το καλώδιο την ζώνη απορρόφησής του. Οι Hachι και Poirier έστειλαν ηλεκτρομαγνητικούς παλμούς με συχνότητες μεταξύ 5 και 15 MHz μέσω του καλωδίου, και διαπίστωσαν ότι η ταχύτητα ομάδας (group velocity) έφθασε τρεις φορές την ταχύτητα του φωτός για συχνότητες στη ζώνη απορρόφησης.

Οι Hachι και Poirier υπογραμμίζουν ότι το πείραμά τους δεν παραβαίνει οποιουσδήποτε νόμους της φυσικής. Αν και η ταχύτητα ομάδας υπερβαίνει την ταχύτητα του φωτός - ένα φαινόμενο που επιτρέπεται από τη σχετικότητα - κάθε συστατικό του παλμού ταξιδεύει πιό αργά από το φως. Θα ήταν αδύνατο να διαβιβαστούν οι πληροφορίες γρηγορότερα από το φως επειδή θα κωδικοποιούνταν επάνω σε ένα απλό τμήμα συχνότητας.

Αλλά όπως ο Hachι εξηγεί, πολλά υπάρχοντα συστήματα πληροφοριών είναι βασισμένα στα ομοαξονικά καλώδια, και η τρέχουσα ανώτερη ταχύτητα για τα δεδομένα είναι ακριβώς τα δύο τρίτα της ταχύτητας του φωτός. Εάν η φαινόμενη αντίσταση τέτοιων καλωδίων ήταν προσαρμοσμένες, παλμοί που στάλησαν στις συχνότητες κοντά στη ζώνη απορρόφησης θα μπορούσαν να διαβιβάσουν τις πληροφορίες με ταχύτητες που πλησιάζουν την ταχύτητα του φωτός.

"Παραδόξως, ο λόγος που κανένας δεν έχει κάνει αυτό προηγουμένως είναι ότι εμείς χρησιμοποιούμε αυτό που οι περισσότεροι άνθρωποι προσπαθούν να αποφύγουν - την ανάκλαση προς τα πίσω που προκαλείται από τον κακό συνδυασμό της φαινομένης αντίστασης", λέει ο Hachι.