它們真的可以超越光速，但愛因斯坦還是對的

藝術概念圖：光強消失的光學奇點與旋轉的藍色和橙色光學渦旋。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。

這種速度上的脫節似乎很奇怪。但如果更近一點觀察，你或許會發現，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構——水流的方向繞著某個點不停旋轉，形成一個渦旋。當周圍的水流發生變化時，渦旋這個結構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。光本質上是電磁波，它的關鍵特征中有兩個在此格外值得關注：描述光強的振幅與描述波動“進度”的相位。

在大多數情況下，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移動。但在某些特殊情況下，光場中會出現一些類似漩渦的結構，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）也被稱為光學奇點（optical singularity）。

令人困惑的奇點

盡管概念上有些抽象，但物理學家很快發現，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，也不會因毫無關聯而離得太遠。有趣的是，光學奇點在空間分布上表現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，但由于它極其不穩定，一旦形成就會立刻“裂開”，回歸變成兩個+1的奇點，表現出來就是無法靠近，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生再成對湮滅，表現出來的就是異性相吸。

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

湮滅前的瘋狂

早在上世紀70年代，物理學家第一次提出光學奇點概念時，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學推導，且結果顯示這種超光速現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測。

沒辦法，這顯然需要極高的時空分辨率，遠超人類現有的觀測能力范圍。不過最近，以色列理工學院的一個研究團隊與合作者實現了一項期盼已久的突破性成就：直接測量這些光學奇點的速度分布。這項研究于上個月發表在了《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。通過不斷調節時間延遲，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，連續記錄下成千上萬個光學奇點的產生、移動與湮滅。

研究者利用算法在海量的動態圖像數據中找出奇點，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、轉向甚至消失，還能統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計，研究人員首次在實驗上驗證了光學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”的實驗依據難免讓人聯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構的位置變化。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，光學奇點的超光速也只是相位結構在空間中重組的結果，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象。但如今這項研究通過巧妙的實驗設計，終于將停留在理論中極端現象變成了可以被直接觀測和統計的物理現實。

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此外，它還揭示了波動系統中普遍存在的規律——在一個由線性波動疊加構成、看似平滑溫和的系統中，依然可能因結構本身的拓撲約束產生“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：環球科學

編輯：朗道都說妙

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