Рис.1. Упрощенная схема экспериментальной установки.

Однако для получения сверхсветовых скоростей нет необходимости работать со средами с аномальной дисперсией, есть и другой путь. Речь идет о так называемых "бездифракционных (бездисперсионных) пучках", специальным образом cформированных волновых пакетах. Подобные оптические импульсы могут распространяться без изменения формы. Эксперименты с бездисперсионными (их еще называют бесселевыми, так как радиальное распределение напряженности поля для такого оптического импульса описывается функцией Бесселя первого рода нулевого порядка) пучками начались в конце 80-х годов прошлого века. Однако на то, что групповая скорость бездисперсионного импульса может превышать скорость света в вакууме, обратили внимание не сразу, хотя такие специальным образом сформированные оптические импульсы активно использовались в различных приложениях (получение изображений, нелинейная оптика, генерация "плазменных волноводов" для прохождения интенсивных импульсов и т.д.). Возможно, тут сыграла роль некоторая "аллергия" научного сообщества на сверхсветовые скорости.

Впервые экспериментально исследовали эффект сверхсветового распространения бездисперсионных импульсов два года назад итальянские ученые [1]. Однако они работали в микроволновом диапазоне и в их измерениях было зафиксировано распространение электромагнитного импульса со сверхсветовой скоростью на расстояния порядка нескольких десятков длин волн. Подобная локальность эффекта (и ряд других деталей) позволили поставить результаты экспериментов под сомнение. Недавняя работа американских ученых [2], похоже, ставит точку в развернувшейся дискуссии. Исследователи из Мэрилендского университета работали с оптическими импульсами и провели измерение скорости распространения импульса тремя независимыми методами (упрощенная схема экспериментальной установки показана на рис.1.). Необходимо особо подчеркнуть, что никаких резонансных эффектов в этих экспериментах не было, т.е. ситуация принципиально отличается от случая упомянутых ранее опытов со сверхсветовыми скоростями в средах с аномальной дисперсией.

 

Рис.2. Серия "моментальных фотографий", сделанных через 1.8 пс. Хорошо видно плазменный след, оставляемый оптическим импульсом. На вставке a показана форма фронта ионизации, которая остается неизменной на протяжении всего пути импульса через газовую среду. На вставке b показан профиль плотности электронов, образовавшихся при ионизации аргона бездисперсионным импульсом, видно, что радиус плазменного шнура практически не изменился за 200 пс.

Исследовалось распространение специальным образом сформированных бездисперсионных фемтосекундных (длительность импульса - 70 фс) оптических импульсов (с длиной волны около 800 нм) в аргоне, находящемся при атмосферном давлении. Интенсивности фемтосекундного импульса (плотность мощности более 10¹⁴ Вт/см²) было достаточно, чтобы вызвать ионизацию нейтрального аргона. Таким обазом, при прохождении оптического импульса через среду он оставлял за собой след - "шнур" плазмы (который сохранялся в течении достаточно долгого времени после прохождения импульса - вставка b на рис.2). Если при прохождении бездисперсионного импульса через газовую среду пропускать в перпендикулярном направлении гораздо менее интенсивный "тестовый" фемтосекундный импульс, то можно получить серию "моментальных фотографий", по которым можно точно определить (по движению фронта ионизации) пройденный оптическим импульсом за определенный период путь (рис.2). Эти измерения показывают, что групповая скорость примерно равнялась 3.3 x 10⁵ км/с, т.е. на 10 % превышала скорость света в вакууме. Здесь важно отметить, что для бездисперсионного импульса групповая скорость и скорость движения переднего фронта импульса совпадают, так как не должно происходить изменения формы волнового пакета. Серия фотографий с более высоким пространственным разрешением показывает, что при прохождении импульса через аргон действительно не происходило изменения формы фронта ионизации (вставка a на рис.2). Измерения, проведеные двумя другими методами, также дали значение групповой скорости оптического импульса порядка 1.1c (в пределах погрешности эксперимента три полученных различными способами значения совпадают).

Таким образом, было впервые четко экспериментально показано, что скорость распространения сигнала может превышать c. Пока достигнутое увеличение скорости оптического импульса не слишком существенно, но принципиальное значение полученного результата сложно переоценить. Кроме того, необходимо заметить, что в настоящий момент достижимые скорости распространения сигнала органичиваются возможностями экспериментальной техники, но принципиальных ограничений, не позволяющих сформировать бездисперсионные импульсы со скоростью распространения, существенно превышающей c, не существует.

1. D.Mungai, A.Ranfagni, and R.Ruggeri. Phys.Rev.Lett., v.84, 4830 (2000).

2. I.Alexeev, K.Y.Kim, and H.M.Milchberg. Phys.Rev.Lett., v.88, 073901 (2002).

перейти к началу страницы