它們真的可以超越光速，但愛因斯坦還是對的

藝術(shù)概念圖：光強消失的光學(xué)奇點與旋轉(zhuǎn)的藍色和橙色光學(xué)渦旋。圖片來源：Technion-Israel Institute of Technology

如果你站在橋上，俯視流淌的河流，一定能觀察到，規(guī)律的水流線條中時不時就會蹦出一個個“顯眼渦”。這些渦旋似乎格外自由，或順著水流加速，或逆著河流停留，仿佛超脫于河水本身的運動。

這種速度上的脫節(jié)似乎很奇怪。但如果更近一點觀察，你或許會發(fā)現(xiàn)，看到的渦旋只是一個形狀，并沒有一團固定的水一直待在那。這有點像體育場里觀眾掀起的“人浪”。顯然，人們并沒有真的離開自己的座位，只是原地站起坐下，但人浪的波峰看起來卻飛速席卷過整個看臺。

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實際上，流水中的水分子也一直在狂奔，只是在途中不停地重新排列出一種異常的結(jié)構(gòu)——水流的方向繞著某個點不停旋轉(zhuǎn)，形成一個渦旋。當(dāng)周圍的水流發(fā)生變化時，渦旋這個結(jié)構(gòu)本身也會隨之在新的位置重建，看上去就像在移動一樣。

光場里的“洞”

這種奇妙的運動脫節(jié)不僅存在于宏觀的流體中，也會潛伏在抽象的波動場里，比如光場。光本質(zhì)上是電磁波，它的關(guān)鍵特征中有兩個在此格外值得關(guān)注：描述光強的振幅與描述波動“進度”的相位。

在大多數(shù)情況下，這兩個量在空間中都是平滑變化的，比如振幅可能先變小再變大，相位則在波動周期上連續(xù)移動。但在某些特殊情況下，光場中會出現(xiàn)一些類似漩渦的結(jié)構(gòu)，這也被稱為光渦旋（optical vortex）。

不同的是，這次圍繞渦旋中心流動的不再是水，而是光場的相位。而渦旋的中心是一個奇特的點，這里光強為零，看上去完全是黑暗的，就好像光里出現(xiàn)了一個“洞”；相位也無法定義，就像你站在南極點無法指明哪個方向是東一樣——這些暗點（dark point）也被稱為光學(xué)奇點（optical singularity）。

令人困惑的奇點

盡管概念上有些抽象，但物理學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)，光場中的相位奇點可以類比為具有相互作用的粒子。雖然不可能在真實世界中做到，但我們還是嘗試想象將一堆光學(xué)奇點撒在一個平面上。那么，奇點會在空間上如何分布呢？

它可能像氣體中的粒子一樣，完全隨機分布；也可能像固體晶體中的粒子一樣，彼此距離固定地整齊排列；還可能像液體中的粒子一樣，介于二者之間，既不會因為彼此互斥靠得太近，也不會因毫無關(guān)聯(lián)而離得太遠。有趣的是，光學(xué)奇點在空間分布上表現(xiàn)得就像真實液體中相互作用的粒子。

所謂的相互作用，其實來自光學(xué)奇點攜帶的“電荷”——拓撲電荷，即繞奇點一圈的相位變化往往為+1或-1。盡管這個概念看上去與粒子的正負電荷很相似，但它本質(zhì)上是一種幾何屬性，沒有任何力的參與，可以簡單理解為漩渦左旋或右旋的扭曲。

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當(dāng)兩個+1的奇點湊在一起，無限靠近時，會形成一個拓撲電荷為+2的超級奇點，但由于它極其不穩(wěn)定，一旦形成就會立刻“裂開”，回歸變成兩個+1的奇點，表現(xiàn)出來就是無法靠近，也就是同性互斥。同時，由于場中的相位不會憑空斷掉，因此奇點在誕生時必須一正一負成對產(chǎn)生再成對湮滅，表現(xiàn)出來的就是異性相吸。

光學(xué)奇點表現(xiàn)出的正負“電荷”、成對產(chǎn)生或湮滅、相互吸引或排斥的空間分布特性，讓物理學(xué)家很容易接受粒子-奇點這個類比。然而，2000年發(fā)表于《英國皇家學(xué)會》的一項研究通過數(shù)學(xué)推導(dǎo)預(yù)測，光學(xué)奇點的速度分布徹底打破了常規(guī)，它竟然會在演化過程中出現(xiàn)發(fā)散的情況，也就是存在一些超光速的極端運動事件。這個類比在動力學(xué)層面失效了。

湮滅前的瘋狂

早在上世紀70年代，物理學(xué)家第一次提出光學(xué)奇點概念時，就指出它的速度可能在理論上無窮大，甚至超越光速，到2000年又給出了明確的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，且結(jié)果顯示這種超光速現(xiàn)象在理論上普遍存在。但始終無人能用實驗檢驗這一理論預(yù)測。

沒辦法，這顯然需要極高的時空分辨率，遠超人類現(xiàn)有的觀測能力范圍。不過最近，以色列理工學(xué)院的一個研究團隊與合作者實現(xiàn)了一項期盼已久的突破性成就：直接測量這些光學(xué)奇點的速度分布。這項研究于上個月發(fā)表在了《自然》（Nature）上。

研究團隊選擇了一種有趣的材料——六方氮化硼（hBN）薄膜。在這種材料中，光不會以普通的形式傳播，而會被轉(zhuǎn)化為“雙曲聲子極化激元”。相比在真空中疾馳而過的光，這種極化激元的群速度極其緩慢，甚至不到真空光速的1%。這就可以把原本一閃而過的瞬間“拉長”成可以被慢慢觀察的過程，方便研究人員捕捉奇點的快速演化。

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在此基礎(chǔ)上，研究團隊利用超快透射電子顯微鏡，讓飛秒級激光脈沖激發(fā)樣品中的波動，同時用電子束去“掃描”這一瞬間的光場。通過不斷調(diào)節(jié)時間延遲，重建每一幀中的振幅和相位信息，他們最終得到了一段前所未有的“微觀電影”——在納米級空間尺度和飛秒級時間尺度上，連續(xù)記錄下成千上萬個光學(xué)奇點的產(chǎn)生、移動與湮滅。

研究者利用算法在海量的動態(tài)圖像數(shù)據(jù)中找出奇點，并追蹤它們在不同時間幀中的位置變化，從而重建出每一個奇點的運動軌跡。這樣不僅能看到單個奇點如何加速、轉(zhuǎn)向甚至消失，還能統(tǒng)計出成百上千個奇點之間的距離、速度以及它們隨時間的整體演化規(guī)律。

正是在這些細致的軌跡分析中，研究人員終于看到了理論描述的場景：當(dāng)一對正負奇點彼此靠近、即將湮滅時，它們速度會急劇升高，甚至超過光速。通過對大量事件進行統(tǒng)計，研究人員首次在實驗上驗證了光學(xué)奇點速度分布的重尾特征——那些看似瘋狂的極端超光速運動，并非個例，反而可能在這個系統(tǒng)中占比不小。

愛因斯坦還是沒錯

乍看之下，“超光速”的實驗依據(jù)難免讓人聯(lián)想到違反愛因斯坦的相對論。但事實上，這里超光速的并不是攜帶能量或信息的實體，而是光場中一種幾何結(jié)構(gòu)的位置變化。就像人浪的波峰可以飛速跨越看臺，卻沒有任何一個人真正移動一樣，光學(xué)奇點的超光速也只是相位結(jié)構(gòu)在空間中重組的結(jié)果，并不違背因果律，也不能超光速傳遞信號。

約半世紀前，理論就能大致描述這種現(xiàn)象。但如今這項研究通過巧妙的實驗設(shè)計，終于將停留在理論中極端現(xiàn)象變成了可以被直接觀測和統(tǒng)計的物理現(xiàn)實。

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此外，它還揭示了波動系統(tǒng)中普遍存在的規(guī)律——在一個由線性波動疊加構(gòu)成、看似平滑溫和的系統(tǒng)中，依然可能因結(jié)構(gòu)本身的拓撲約束產(chǎn)生“極端事件”。而從更廣的視角來看，這項工作也為理解其他各類系統(tǒng)的奇特拓撲相提供了新的窗口，無論是超流體中的量子渦旋，還是材料中的拓撲缺陷，它們或許也都不只是像粒子的存在。

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10209-z

https://www.technion.ac.il/en/blog/article/is-darkness-faster-than-light/

https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_vortex

https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC6804826/

https://royalsocietypublishing.org/rspa/article-abstract/336/1605/165/13775/Dislocations-in-wave-trains?redirectedFrom=fulltext

https://royalsocietypublishing.org/rspa/article-abstract/378/1773/219/15228/The-motion-and-structure-of-dislocations-in?redirectedFrom=fulltext

https://royalsocietypublishing.org/rspa/article-abstract/456/2001/2059/80883/Phase-singularities-in-isotropic-random-waves?redirectedFrom=fulltext

來源：環(huán)球科學(xué)

編輯：朗道都說妙

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