Et laboratorium, et ultrahurtigt kamera og en laserpuls skabte det billede, der hidtil kun eksisterede i ligninger
Fysikere har endelig formået at fotografere de fine deformationer i en lysbølges front, når den passerer gennem forskellige materialer. Det lyder teknisk, men historien bag er bemærkelsesværdig – og har været undervejs i over et halvt århundrede.
I årtier har forskere ikke blot forsøgt at måle lysets hastighed, men også undersøgt, hvad der præcist sker tæt på denne grænse. Vi kender tallet – cirka 300.000 kilometer i sekundet – men selve værdien er kun begyndelsen. Det virkelig interessante spørgsmål er: hvilke sideeffekter opstår, når en lysstråle rammer stof, ændrer retning eller bremses og accelereres i forskellige medier?
Et nyt billede, udvalgt af en videnskabelig redaktion som "ugens foto", viser netop et sådant fænomen fra et laboratorium. Du ser hverken kendte stjernebilleder eller tågeslør. I stedet følger du sporet af en yderst subtil effekt, der blev forudsagt teoretisk i slutningen af 1950'erne, men som aldrig tidligere var blevet fanget direkte som et billede. Efter mere end et halvt århundrede som rent matematisk begreb er fænomenet nu endelig registreret fotografisk.
Fra observationer af Jupiters måner til ultrahurtige kameraer
Forskningen i lys begyndte langt før lasernes og den præcise optiks tidsalder. Allerede i det syttende århundrede viste den danske astronom Olaus Rømer ved at studere Jupiters måner, at lys ikke breder sig øjeblikkeligt. Det bevæger sig med en endelig hastighed, og fjerne objekter ser vi med en forsinkelse.
Siden da har fysikere foretaget stadig mere præcise målinger – først med komplicerede spejlsystemer, senere med laserpulser og elektronik. I dag er kameraer med så korte eksponeringstider kommet til, at de nærmest kan "indfange" en bevægende lyspuls billede for billede. Moderne teknologi gør det muligt at registrere milliarder af billeder per sekund.
Det nye foto stammer fra netop et sådant forsøg. Forskerne sendte korte lysglimt ind i et specielt tilrettelagt opstilling og fulgte deres vej gennem et optisk medium – for eksempel en gennemsigtig plade, et fiberoptisk kabel eller en struktur med kontrolleret brydningsindeks. En kombination af ultrahurtige kameraer og sofistikerede algoritmer gjorde det muligt at sammensætte billedet ud fra tusindvis af gentagelser.
Hvad fangede forskerne egentlig på fotoet?
Eksperimentet dokumenterer meget fine forskydninger og deformationer i lysbølgefronten, når den krydser grænsen mellem to forskellige materialer. Disse subtile egenskaber ved lysstrålen blev forudsagt af teorien allerede under den dynamiske udvikling af kvanteoptik og elektrodynamik i midten af det tyvende århundrede – men redskaberne til at afbilde dem direkte manglede.
Nu, takket være kameraer der registrerer milliarder af billeder i sekundet og avancerede datarekonstruktionsalgoritmer, har man endelig kunnet se det, man tidligere kun kunne beregne. Billedet viser ikke blot lysets bane, men også de fine forstyrrelser der opstår i det øjeblik, pulsen nærmer sig den grænse, hvor dens udbredelseshastighed ændrer sig.
For en ikke-fagperson kan optagelsen minde om et abstrakt kunstværk: en klar stribe eller plet trukket ud i én retning, omgivet af en mørkere baggrund. Først billedteksten afslører, at hver lys linje repræsenterer et fragment af en bevægende lyspuls, og at forskellene i form indeholder information om bølgens overraskende opførsel. Et sådant foto opstår ikke med ét enkelt kameraudløser-tryk, men ved at sammensætte hundredvis eller tusindvis af gentagelser af det samme forsøg.
Hvorfor ventede forskere på denne effekt siden 1950'erne?
I den anden halvdel af det tyvende århundrede begyndte fysikere at beskrive meget præcist, hvordan elektromagnetisk stråling vekselvirker med stof. Teorien forudsagde, at ved tilstrækkeligt korte pulser og passende valgte optiske medier skulle særlige effekter vise sig: for eksempel en fin "udbuling" af bølgefronten, en lokal opbremsning af et fragment af den, eller et tilsyneladende "spring" for visse dele af pulsen uden for den forventede bane.
Disse forudsigelser vedrørte situationer tæt på instrumenternes grænseegenskaber: meget korte tidsintervaller, små afstande og minimale intensitetsændringer. I mange år manglede kameraer, detektorer og computere der kunne skelne dette fra almindelig målestøj. Først en kombination af flere teknologiske gennembrud åbnede vejen for en direkte registrering af fænomenet.
Det afgørende fremskridt kom ved at mestre disse områder samtidigt:
- Lasere der genererer ultrakortvarige pulser i femtosekunders-området
- Detektorer der arbejder med enkeltfotoner og høj følsomhed
- Kameraer med et ekstremt højt antal billeder per sekund
- Billedrekonstruktionsalgoritmer der samler mange forsøgsforløb
- Et præcist optisk medium med kontrolleret brydningsindeks
- Stabile laboratorieforhold der minimerer ydre påvirkninger
- Kraftfulde computere der kan behandle enorme datamængder
Ville du have forestillet dig, at netop disse teknologier tilsammen ville gøre det muligt at se et fænomen, der hidtil kun eksisterede i teoretiske beskrivelser? Fysikerne formåede det.
Hvilken praktisk betydning har disse eksperimenter?
At indfange så fine effekter er ikke blot kunst for kunstens skyld. En dybere forståelse af lysets opførsel under ekstreme forhold har praktisk betydning og kan afspejle sig i konkrete teknologier. Bedre indsigt i subtile udbredelseseffekter finder förre eller siden vej til de teknologier, vi bruger i mobiltelefoner, netværk og diagnostik.
Blandt de konkrete anvendelsesområder finder vi bedre design af lysledere til internet med højere båndbredde, mere præcise optiske sensorer i medicin og industri, forbedrede afbildningssystemer som for eksempel inden for optisk tomografi, samt nye kommunikationsmetoder i kvantsystemer. Ethvert fremskridt i forståelsen af, hvordan lysbølger breder sig i materialer, indebærer potentielle forbedringer af eksisterende teknologier.
Forskerne planlægger at modificere både pulsernes form og de optiske mediers struktur – fra klassisk glas over fibre med komplekse tværsnit til materialer med specialdesignede egenskaber. I hvert enkelt tilfælde kan lysbølgens opførsel afvige, hvilket vil føre til en serie af yderligere "ugens fotos". Sådant arbejde kan på længere sigt påvirke udviklingen inden for kvantefotonik.
Hvad betyder det at fotografere lysets hastighed?
Fristelsen til at kalde nye optagelser for "et foto af lysets hastighed" dukker jævnligt op. I virkeligheden registrerer selv de mest avancerede kameraer ikke hastigheden direkte. De fanger pulsens successive positioner i meget korte tidsintervaller, og ud fra dem beregner forskerne, hvor hurtigt bølgefronten bevæger sig, og hvordan den reagerer på forhindringer.
Nutidens teknologi gør det stadig ikke muligt at se en enkelt foton, sådan som vi ser en bold flyve gennem luften. I stedet bruger man gennemsnitlige spor sammensat af et enormt antal gentagelser, der tilsammen skaber et troværdigt billede. I den forstand er det nye foto snarere en visualisering af et komplekst eksperiment end et klassisk fotografi.
Når forskere diskuterer bølgehastighed i et medium, skelner de mellem gruppehastig og fasehastighed. Den ene vedrører den information, der overføres af pulsen, den anden de enkelte svingninger inden i bølgen. I visse situationer – for eksempel i specialdesignede medier – kan man tilsyneladende opnå værdier større end lysets hastighed i vakuum, uden at det indebærer en krænkelse af grundlæggende fysiske love. Det er netop disse teoretiske finurligheder, forskerne forsøger at indfange i en serie forsøg som det beskrevne.
Hvor er forskningen i lysets ekstreme adfærd på vej hen?
Den vellykkede registrering af et så sjældent fænomen åbner døren til en række yderligere eksperimenter. Når det er lykkedes at indfange én forudsagt effekt, opstår naturligt spørgsmålet om, hvilke andre teoretiske finesser der nu kan bekræftes med moderne kameraer og lasere. Præcis kontrol over lysbølgefronten og over fine effekter ved mediegrænserne kan vise sig afgørende for at opbygge mere stabile fotonbaserede qubitter eller skabe sikre kommunikationskanaler.
For den almindelige bruger lyder det måske abstrakt – men inden for få eller ti år kan resultaterne af denne forskning dukke op i hverdagens digitale tjenester og hjemmeudstyr. Har du hurtigt internet gennem fiberoptik derhjemme? Den næste generation af det kan være en direkte følge af netop disse laboratorieforsøg med ultrakortvarige lyspulser.
