وقتی نور از میان تقریباً هر مادهٔ شفافی عبور میکند، شبکهٔ درهمتنیدهای از میدانهای الکترومغناطیسی که ساختارهای اتمی آن ماده را تشکیل میدهند، باعث ایجاد تأخیری محسوس در مسیر هر فوتون میشود.
این تأخیر اطلاعات ارزشمندی دربارهٔ نحوهٔ پراکندگی نور ارائه میدهد و جزئیاتی از ساختار مادهای که فوتونها باید از آن عبور کنند را آشکار میسازد.
اما یکی از ابزارهای نظری که فیزیکدانان برای تحلیل مسیر نور استفاده میکنند – یعنی «زمان موهومی» – تاکنون بهطور عملی و تجربی بهدرستی درک نشده بود.
اکنون، آزمایشی توسط ایزابلّا جیووانلی و استیون آنلاژ، دو فیزیکدان از دانشگاه مریلند، نشان داده است که پالسهای تابش مایکروویو (نوعی نور خارج از طیف مرئی) در هنگام تجربهی زمان موهومی در یک حلقهی کابل، دقیقاً چگونه رفتار میکنند.
این پژوهش همچنین نشان میدهد که چگونه اعداد موهومی میتوانند فرآیندهای کاملاً واقعی و قابل اندازهگیری را توصیف کنند.
(ناسا، آژانس فضایی اروپا، آژانس فضایی کانادا، لیا هاستاک (STScI)/عمومی)
اعداد موهومی، ابزاری ریاضی هستند که برای حل معادلات توصیفکنندهٔ پدیدههای فیزیکی به کار میروند. هرچند این اعداد، مانند ریشهٔ دوم اعداد منفی، در تجربهٔ روزمرهٔ ما از واقعیت ملموس نیستند، اما کاربرد فراوانی در فیزیک دارند.
برای مثال، در بررسی تأخیرهای زمانی انتقال نور درون مواد، از اعداد موهومی استفاده شده است؛ با این حال، رفتار واقعیای که پشت نقش این اعداد قرار دارد، تاکنون بهصورت تجربی بررسی نشده بود.
از نظر فنی، هر فوتون تنها میتواند با یک سرعت ثابت حرکت کند. اما برهمکنش آن با میدانهای الکترومغناطیسی اطراف میتواند باعث شود که حرکت کلی موج نور بهشکلی پیچیده دچار تأخیر یا تسریع شود.
در مورد پالسهای نوری، مجموعهای از امواج میتوانند بهگونهای رفتار کنند که گویی سرعت بیشتری از فوتونهای سازندهٔ خود دارند – یا کندتر حرکت کنند. در اینجا، مقادیر مثبت و منفی – چه حقیقی و چه موهومی – بهخوبی وضعیت «ترافیک فوتونی» درون یک ماده را ترسیم میکنند.
دستگاه آزمایشی مورد استفاده، شامل دو کابل کواکسیال متصل بهصورت دایرهای بود که یک شبکهٔ ساده و شناختهشده برای عبور پالسهای نور مایکروویو را فراهم میکرد. همچنین، از نوسانسنجهایی فوقپیشرفته استفاده شد که قادر بودند تغییرات بسیار کوچک در فرکانس را اندازهگیری کنند.
(جیووانلی، Physical Review Letters، ۲۰۲۵)
با ایجاد تغییراتی در پالسها و اندازهگیری نتایج، جیووانلی و آنلاژ توانستند دقیقاً بررسی کنند که الگوهای موج در هر پالس چگونه با مؤلفههای حقیقی و موهومی معادلات آنها مطابقت دارد.
آنلاژ در گفتوگویی با نشریه New Scientist توضیح داد:
«ما در واقع نوعی درجهٔ آزادی پنهان را که قبلاً نادیده گرفته شده بود، آشکار کردیم و به آن معنا و موجودیت فیزیکی بخشیدیم.»
اعداد موهومی، برخلاف تصور، صرفاً رویاپردازیهای خیالی در مورد امواج مایکروویو نبودند، بلکه نشاندهندهٔ تغییر بسیار کوچکی در فرکانس موج حامل بودند که هنگام عبور پالس از ماده و در نتیجهٔ جذب آن رخ میداد.
تا پیش از این، چنین مقادیری صرفاً «موهومی» و غیرواقعی تلقی میشدند، اما اکنون میتوان آنها را به فرآیندهای فیزیکی واقعیای نسبت داد که باعث میشوند پالسهای نور سریعتر از فوتونهای سازندهٔ خود حرکت کنند.
فقط تصورش را بکنید!
این پژوهش برای انتشار در مجلهی Physical Review Letters پذیرفته شده است.