Światło podróżuje przez czas... którego nie ma. Przenika przez przestrzeń, obiekty niczym duch — tyle że w sensie matematycznym. Witaj w świecie czasu urojonego. Przez dekady był zapomniany z prostego powodu — był niepotwierdzony, teoretyczny, dziwny i nierealny. Jego czas właśnie nadszedł.
Czas urojony to narzędzie matematyczne, które pozwala rozwiązywać równania, gdy zwykły, realny czas nie daje sobie rady. Zamiast myśleć o czasie jako linii od punktu A do punktu B (związek przyczynowo-skutkowy), wyobraź go sobie jako obrót w wymiarze, którego nie potrafimy intuicyjnie poczuć. Urojony czas to właśnie taki obrót — oparty o liczby niewystępujące w codziennym świecie, ale niezbędne, by opisać coś, co mimo wszystko zachodzi w fizyce.
Przez lata fizycy korzystali z tego pojęcia "na czuja". Teorie działały, równania się zgadzały, ale brakowało nam dowodu. Zgadnijcie, co właśnie uzyskaliśmy. Tak, dowód.
Isabella Giovannelli i Steven Anlage z Uniwersytetu Maryland zrobili coś z pozoru prostego: zbudowali okrągły splot kabli koncentrycznych, przypominający pierścień. Mikrofale — czyli fale elektromagnetyczne spoza widzialnego widma — miały przemieszczać się przez tę strukturę, a precyzyjne oscyloskopy miały wyłapać każde ich drgnięcie.
W owym zamkniętym obiegu, na pozór banalnej konfiguracji, ukazało się im coś naprawdę ciekawego. Zarejestrowano zmiany częstotliwości, których nie da się wytłumaczyć bez sięgnięcia po... liczby urojone. I tu zaczyna się główna część opowieści o tym, jak dowiedziono istnienia czasu urojonego niejako "w naszym świecie".
Z punktu widzenia klasycznej fizyki, foton nie ma wyboru — porusza się zawsze z tą samą prędkością (w danym ośrodku). Ale światło jako fala? To już inna kwestia. Impulsy mikrofalowe zachowywały się tak, jakby wyprzedzały same siebie. Ich zbiorowe działania pozwalały im poruszać się szybciej niż pojedyncze fotony, z których się składają.
To konsekwencja tego, że fala jako całość może być spowolniona lub przyspieszona przez oddziaływania z konkretnym ośrodkiem. Liczby urojone, wcześniej ignorowane, stają się tu realną zmienną opisującą to zjawisko.
Liczby urojone to, z definicji, pierwiastki kwadratowe z liczb ujemnych. Nie mają odpowiednika w świecie, który znamy. Ale ich użyteczność w fizyce jest niezaprzeczalna. Dzięki nim można modelować drgania, fale, zjawiska kwantowe. Problem polegał na tym, że dotąd nie wiązano ich z bezpośrednio mierzalnym zjawiskiem.
Dzięki eksperymentowi wiemy, że "liczby urojone" opisują konkretną zmianę częstotliwości fali nośnej. Nie są już więc "urojone". Ich istnienie wpływa realnie na to, jak światło się porusza. Pytanie tylko, czy konserwatywna matematyka zdecyduje się na pozbawienie liczb urojonych mało "estetycznej" nazwy. Raczej nie, bo to w sumie nie jest absolutnie najważniejsze.
Fizycy wcześniej nie byli chętni do badania tego typu rzeczy, bo... nie były one wygodne do mierzenia. Teraz, dzięki odpowiedniej konfiguracji eksperymentu i czułości urządzeń pomiarowych, możemy go "zobaczyć" w akcji. Możemy nie tylko mówić o czasie urojonym, ale też go obserwować w działaniu.
Czytaj również: Fizycy twierdzą, że geometria może być kluczem do teorii wszystkiego
To triumf nauki eksperymentalnej. Udało się potwierdzić coś, co przez dekady funkcjonowało wyłącznie w notatkach garstki fizyków. W najbliższych latach natomiast, z całą pewnością popchnie to do przodu wiele kwestii, które nurtują nas w kwestii światła (fotonika) i materii. Być może nawet tej ciemnej.
Możliwość operowania na poziomie urojonych składników sygnału daje nowe pole do działania inżynierii materiałowej, informatyce kwantowej, a nawet fizyce cząstek elementarnych. Jeśli liczby urojone mają istotne znaczenie w fizyce w ogóle, to wszystko, co je zawiera, musi być zbadane na nowo: z uwzględnieniem najnowszego odkrycia. Nawet to, co sądzimy o prędkości, o czasie, o ruchu.
Hej, jesteśmy na Google News - Obserwuj to, co ważne w techu
