科学家首次实时观测到光波暗点超光速运动

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（来源：IT之家）

IT之家 3 月 29 日消息，据 Thebrighterside 报道，光波之中存在一个暗点，这听起来自相矛盾。但研究人员表示，如今他们已实时观测到了这一现象；从某种测量标准来看，这个暗点的移动速度甚至超越了光速本身。

这一研究成果由以色列理工学院的科研团队主导得出，相关论文发表于《自然》期刊。研究中，团队对他们所谓的光学相位奇点（optical phase singularities）进行了直接观测，光学相位奇点是光波振幅归零的微小暗区。

这类“暗点”也被称作涡旋，它们并非物质实体，不携带能量与信息。研究团队解释，正因如此，它们的运动看似超光速，却并不违背爱因斯坦的光速极限理论。

该研究证实了一项始于 20 世纪 70 年代的理论猜想。物理学家长期预测：波场中的奇点能够呈现极高速度，理论上甚至可以无上限；当正负电荷奇点成对产生或湮灭时，这种现象尤为显著。在此之前，这一预言始终无法通过实验验证。

以色列理工学院安德鲁与埃尔娜 · 维特比电气与计算机工程学院的伊多 · 卡米纳教授表示：“这项突破为我们提供了强大的科研技术工具。”他指出，这套全新观测方法将助力科学家测绘材料中精细的纳米级现象，同时推动物理、化学与生物领域隐秘过程的研究探索。

暗点的存在机理

据IT之家了解，本次实验以六方氮化硼（hBN）为研究材料，该材料由巴伊兰大学的哈南 · 赫尔齐格 · 谢因富克斯教授制备。在这种材料中，光能转化为双曲型声子极化激元，一种被称作“光-声波”的混合波包。

这类波的传播速度远低于真空光速，在本次实验中更是慢了 100 多倍，也正因如此，研究人员得以超高精度对其展开观测。

为捕捉波的运动过程，研究团队在以色列理工学院电子显微中心搭建了一套专用显微装置，整合了激光系统、光机组件与超快透射电子显微镜。该设备空间分辨率可达 20 纳米，时间分辨率高达 3 飞秒，足以追踪光波周期内瞬息万变的微观过程。

奇点并非静止不动的印记：它们在复杂的干涉图样中出现、移动、配对继而消失。在本次实验里，研究人员在 21 微米 ×21 微米的观测视野内，历时 800 飞秒追踪了约 50 个奇点，共分析 285 张相位解析成像图。

其中一次奇点湮灭现象尤为关键：一对正负电荷奇点高速相向运动，在湮灭前夕轨迹急剧加速，运动状态呈现超光速特征，与经典理论预测的极端行为完全吻合。

并非实体粒子，也非信息信号

研究人员着重强调：该实验结果并未打破相对论。爱因斯坦的光速限制，仅适用于有质量的实体，以及携带能量、信息的信号；而光学奇点二者皆非，只是波场中的零点，是光亮之中的纯粹暗区。

这种特殊属性，也解释了为何物理学界长期将奇点类比为粒子（但二者并非完全等同）。奇点拥有正负拓扑电荷，异种电荷相遇会发生湮灭，与正反粒子对的反应高度相似。早期实验已证实，奇点的空间排布规律，和液体的短程有序结构特征一致。

本研究进一步精准测量了奇点的运动速率：其速度分布呈现重尾特征，意味着超高速现象并非罕见特例。经测算，奇点平均运动速度约为 $3.12×10^8$ 米 / 秒，约为真空光速的 1.04 倍。

论文数据显示，实验体系内 29% 的奇点运动速度超过光速；理论推演表明，若在自由空间中使用相同激光参数，这一比例将仅为 0.4%。

这种差异源于六方氮化硼材料的特殊性质：该介质中波的群速度极低，大幅拓宽了奇点的速度分布范围，让极端超光速现象更易被观测捕捉。

跨领域的通用波动规律

研究团队认为，这一发现的意义并不局限于光学材料领域。奇点是物理学中的普遍现象，广泛存在于超导体、晶体缺陷、流体涡旋、超流体等各类体系中。尽管细节各不相同，但这些系统背后遵循着同一套核心数学原理。

当然，这项研究仍存在局限性：实验仅观测了二维随机高斯波中的奇点，并未覆盖所有波动体系；同时，现有显微镜的时空分辨率，也限制了可观测的奇点最高速度。

部分观测区域因事件样本不足，无法形成可靠统计数据；此外，将该成像技术拓展至三维近场观测，仍是目前一大核心技术难题。

即便存在上述不足，这项研究仍为观测隐秘的超常规运动开辟了全新视角。这套显微观测方案还可用于研究其他二维材料中的极化激元，探测更复杂的拓扑态，同时有望优化电子全息成像及相关显微技术。

研究的实际应用价值

该成果并非旨在研发超光速技术，其核心价值在于实现更精密的测量。

借助追踪波场内超快纳米级变化，这套方法能够升级显微观测技术，深化纳米光学材料与超导体的研究，同时助力科研人员探索在材料中编码量子信息的全新路径。

该研究成果已在线发表于《自然》期刊。