Valgus saab ka iseendast kiirem olla
Kui ütleme, et meile helistanu oodaku üks moment, siis võime tegutseda rahulikult – moment on keskaegne ajaühik, mille pikkuseks oli neljakümnendik tunnist ehk poolteist minutit. Kui sõname „silmapilk”, siis peame silmas midagi väga hetkelist. Albert Einstein tegi meile selgeks, et miski ei saa tühjuses liikuda kiiremini valgusest, millel kulub Päikeselt meieni jõudmiseks kaheksa minutit. Valgus ei saa ka liikuda aeglasemalt kui valgus, kinnitas Einstein. Ja see tõdemus valguse kiiruse ainuomasusest on füüsikutel omaks võetud sama kindlalt nagu teadmine, et Maa tiirleb ümber Päikese – kuigi ütleme, et päike tõuseb.
Või saab valgus mõnes olukorras siiski liikuda valgusest kiiremini? Kaksteist aastat tagasi tekitasid Tartu ülikooli füüsikainstituudi professor akadeemik Peeter Saari ja tolleaegne doktorant, nüüdne füüsikainstituudi õppedirektor Kaido Reivelt omamoodi lühiühenduse füüsika-mõtte maailmas, kui nad katseliselt tõestasid, et valgus saab liikuda kiiremini valguse kiirusest vaakumis. Nad uurisid erilisi ülilühikesi valgusimpulsse ehk valgusvälkeid, mille üllatavaks omaduseks on, et need ei vaju oma teel edasi tormates laiali nagu tavalised valgusvälked.
Tartus näidati selliste valguskuulide võimalust eksperimentaalselt, enne seda oli ilmunud vaid teoreetilisi töid. Kuna valguskuulide ristlõige külgvaates meenutab X-tähte, siis anti neile Tartus nimi Bessel-X-laineimpulsid. Besseli nimi kaasati, kuna nende kuju saab kirjeldada eriliste, 19. sajandi Saksa matemaatiku Friedrich Besseli arendatud funktsioonidega.
Valguskuulide levikus on üllatavaim see, et nood tõttavad mööda tavalistest valgusvälgetest, ületades selle, mida Einstein pidas ületamatuks – valguse kiiruse vaakumis. Tulemused olid nii veenvad, et nende põhjal tartlaste kirjutatud artikli avaldas 1997. aasta novembris maailma füüsika esiajakiri Physical Review Letters.
Siiski pole valguse levimise uurimisega maailmas tegelevate füüsikute seas Bessel-X-impulsside ülevalguskiirus üksmeelselt omaks võetud. „Läänes on teaduse tegemise üldine muster ammu muutunud üsna sarnaseks popkultuuris tuntuga,” iseloomustas Saari kümmekonna aasta eest Eesti Päevalehes olukorda, „miski on seda rohkem in, mida enam on üle maamuna sellele siginenud fänne – peamiselt doktorantide hordidest.”
Ent hoolimata skeptikute ignorantsusest ei saatnud Saari ja ta kolleegid imepäraseid valguskuule unustuse hõlma, kuna need on väga paljulubavad mitmeks rakenduseks. Tehnika edeneb ja nüüd on ülilühikeste välgete uurimiseks välja arendatud uued ja paremad seadmed, kui oli võtta kümmekonna aasta eest. Nii tuldigi uuesti tagasi imepäraste valguskuulide juurde. Ja edukalt – Ameerika optikaühingu ajakiri Optics & Photonic News tutvustab oma detsembrinumbris, mis on pühendatud aasta kõige põnevamatele optikauuringutele maailmas, toimetuse eksperdikogu välja valitud 28 artikli seas ka ajakirjas Optics Letters augustis ilmunud ühisuurimust, mille autoriteks on USA Georgia tehnoloogiainstituudi professor Rick Trebino ja tema doktorant Pamela Bowlan ning Peeter Saari ja tema doktorandid-magistrandid Heli Valtna-Lukner, Madis Lõhmus ja Peeter Piksarv.
Et uurida aines toimuvaid ülikiireid protsesse, tuleb ainet pommitada ülilühikeste valgusvälgetega, millel on aga halb omadus – nad ei püsi koos, vaid venivad edasi liikudes üha laiemaks. Seepärast püüavad teadlased tekitada välkeid, mis paremini koos püsiksid. Ühed sellised ongi X-lainete nime saanud valguskimbud, mille tekitamise võimalust ennustasid Ameerika teadlased paarikümne aasta eest, mängides arvutitel läbi mitmeid olukordi. Nad näitasid, et sellised valguskuulid võivad laiali lagunemata levida põhimõtteliselt lõpmatuseni.
Kõikeläbiv kuul
Üks asi on luua impulsid virtuaalselt arvutis, teine need laboris esile manada ja nende tegelikke omadusi mõõta. Seda Tartu teadlased tosina aasta eest ka tegid. Eksperimendi idee oli lihtne. „Kui miski väga kiiresti liigub ja sa ei saa aru, mis kujuga see on, siis paned näiteks paberilehe ette ja näed tekkinud augu järgi,” selgitab Saari. „Meie panime piltlikult öeldes paberi ehk detektori poole liikuma tavalise valguslaine ja siis tulistasime valguskuuli sellele järele. Ning mõõtsime, et tagumine laine läbistas esimese.”
„Tänapäeva võimaluste tasemel korrati seda eksperimenti osalt selleks, et lõpetada teadus-ajakirjanduses aeg-ajalt mõne autori ilmutatud mõistmatust selliste valguskuulide omadustest ja tekitamise võimalikkusest,” ütleb Saari. „Peamine põhjus aga oli teha „soojenduseksperiment”, testimaks ameeriklaste välja töötatud ainulaadse mõõteseadme võimekust ja selle abil katseliselt kontrollida tartlaste uusi ideid ja teoreetilisi valemeid ülevalguskiirusega liikuvate valguslainete vallas.”
Idee on lihtne, tänapäevane teostus aga kaugeltki mitte. Tegemist on ülimalt lühikeste ja lennu suunas ruumis kokku surutud impulssidega. Nende ruumiline ulatus on vaid sajandik juuksekarva läbimõõdust.
Põnevaimaks hinnatud ühisuurimuse sisuks on 12 aasta eest Bessel-X-impulssideks ristitud valguskuulide igatepidi ülespildistamine nende ülevalguskiirusega lennul mõnemikronilise ruumilise eraldusvõimega ning ülikiire ajalise lahutusega, mis Saari võrdluse kohaselt on „sekundist sama palju lühem kui näiteks seagripiviirus on lühem kaugusest Maalt Kuule”.
Peeter Piksarv, Madis Lõhmus ja Pamela Bowlan tegid USA-s Atlantas varem Tartus kavandatud eksperimente juba uute ideede realiseerimiseks. Eesmärkide seas on tavamõistusele mõistatusliku, valgustatud ketta taha tekkiva varju keskel oleva heleda nn Arago täpi tekke ajaliselt lahutatud uuring.
„Laine liikumises valgusest kiiremini pole midagi mittefüüsikalist,” rahustab Saari neid, kes peavad teda Einsteini pühaduse rüvetajaks, „see ei lükka ümber Einsteini relatiivsusteooriat, sest nagu peeglilt peegeldunud päikeselaik ei edasta majaseina ühelt aknaavalt teisele liikudes teadet ühest korterist teise, nii ei suuda ka valguskuul piki oma levikutelge kahe punkti vahel edasi kanda mingit põhjuslikku signaali.” Kui teha valguskuulile „märgend”, lootuses, et see edasi kandub, siis muudab valguskuul oma kuju, nii et märgend kandub edasi ikka valguse kiirusega.
Nii et midagi müstilist siin pole. Või siiski – kui selle Bessel-X-valguskuuli ette viskuda, siis ei saa seda varjata. „Kui selle ette viskuda, taastub kuul selja taga nagu purustatud robot filmis „Terminaator”. Ja kui sellega tulistada, siis võib pihta saada, enne kui ohver näeb, et käsi püstoliga tõusis,” muheleb Saari.
Veelgi enam, Saari noorim juhendatav, magistrant Ott Rebane on tõestanud – ja oma uurimistulemused ka ette kandnud Põhjamaade optikakonverentsil –, et kui Bessel-X-impulss tabab näiteks silma, siis on näha ei muud kui hetkeks välgatavat heledat ringi. Just nagu tuntud õudusfilmi lõpufraas: „Enne kui sured, näed ringi.”
