Σε ένα εντυπωσιακό επιστημονικό επίτευγμα, ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Maryland κατάφεραν για πρώτη φορά να παρατηρήσουν πώς ακριβώς συμπεριφέρεται το φως κατά τη διάρκεια ενός φαινομένου που μέχρι πρότινος υπήρχε μόνο ως μαθηματική ιδέα: του λεγόμενου «φανταστικού χρόνου».

Όταν το φως διαπερνά ένα διαφανές υλικό, το πολύπλοκο πλέγμα των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων που σχηματίζουν τα άτομα προκαλεί καθυστερήσεις στη διέλευσή του. Αυτές οι καθυστερήσεις επιτρέπουν στους φυσικούς να αντλήσουν πληροφορίες για τον τρόπο με τον οποίο το φως διαχέεται, παρέχοντας έτσι πολύτιμα στοιχεία για τη δομή του υλικού που διαπερνά. Ωστόσο, μέχρι σήμερα, μια ιδιαίτερη μαθηματική τεχνική που χρησιμοποιούν οι θεωρητικοί φυσικοί για να περιγράψουν το ταξίδι αυτό του φωτός(η έννοια του «φανταστικού χρόνου» ) δεν είχε βρει πρακτική, πειραματική απεικόνιση.

Αυτό αλλάζει χάρη στην εργασία των φυσικών Isabella Giovannelli και Steven Anlage. Οι δύο ερευνητές κατόρθωσαν να αποτυπώσουν πειραματικά τι ακριβώς συμβαίνει, χρησιμοποιώντας παλμούς μικροκυμάτων (μια μορφή φωτός εκτός του ορατού φάσματος) όταν αυτοί «περνούν» μέσα από φανταστικό χρόνο, σε ένα κυκλικό σύστημα καλωδίων.

Η σημασία του πειράματος είναι διπλή: αφενός, καταδεικνύει τη φυσική υπόσταση μιας αφηρημένης μαθηματικής έννοιας· αφετέρου, αποκαλύπτει νέες πτυχές της διάδοσης του φωτός που μέχρι σήμερα δεν είχαν αποσαφηνιστεί πειραματικά.

Οι φανταστικοί αριθμοί, όπως είναι για παράδειγμα η τετραγωνική ρίζα του -1, είναι εργαλεία που χρησιμοποιούνται συχνά στα μαθηματικά για την επίλυση εξισώσεων που περιγράφουν φυσικά φαινόμενα. Παρότι δεν έχουν άμεσο αντίκτυπο στην καθημερινή ανθρώπινη εμπειρία, είναι θεμελιώδους σημασίας στην περιγραφή φαινομένων όπως η ηλεκτρομαγνητική διάδοση.

Στο πλαίσιο της φυσικής του φωτός, οι φανταστικοί αριθμοί χρησιμοποιούνται για την κατανόηση των χρονικών καθυστερήσεων που υφίστανται τα φωτεινά κύματα όταν διέρχονται από κάποιο μέσο. Ωστόσο, η πρακτική σημασία και η πραγματική φυσική αιτία αυτών των «φανταστικών» όρων δεν είχαν ποτέ εξεταστεί πειραματικά σε βάθος, πριν την συγκεκριμένη εργασία.

Το φως, υπό κανονικές συνθήκες, διαδίδεται με σταθερή ταχύτητα.

Όμως, οι αλληλεπιδράσεις του με τα πεδία και τα άτομα ενός υλικού μπορούν να επιβραδύνουν ή να επιταχύνουν τη συνολική κίνηση του κύματος. Στην περίπτωση παλμών φωτεινών κυμάτων, μπορεί να προκύψει φαινομενική επιτάχυνση, με αποτέλεσμα ολόκληρος ο παλμός να κινείται ταχύτερα απ’ ό,τι τα μεμονωμένα φωτόνια που τον αποτελούν. Αυτή η «αρνητική καθυστέρηση» περιγράφεται μέσω αρνητικών και φανταστικών αριθμών, οι οποίοι μπορούν να αποτυπώσουν τη «συμφόρηση» του φωτονικού κυκλοφοριακού συστήματος.

Στο πείραμα, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν δύο ομοαξονικά καλώδια ενωμένα σε κυκλική διάταξη ,ένα σύστημα γνωστό και ως «ring graph». Μέσα από αυτό το απλό αλλά ελεγχόμενο περιβάλλον, οι παλμοί μικροκυμάτων ταξίδευαν σε κυκλική τροχιά, επιτρέποντας την ακριβή παρατήρηση μικρών μετατοπίσεων στη συχνότητα του κύματος.

Χάρη σε υπερσύγχρονους παλμογράφους, η ομάδα κατάφερε να μετρήσει ανεπαίσθητες μεταβολές που συνδέονται με την ύπαρξη φανταστικών όρων στις εξισώσεις που περιγράφουν τη διάδοση του κύματος. Οι Giovannelli και Anlage παρατήρησαν ότι τα πρότυπα των κυμάτων μέσα σε κάθε παλμό μεταβάλλονταν με τρόπο που αντιστοιχούσε ακριβώς στις θεωρητικές προβλέψεις των φανταστικών αριθμών.

Όπως εξήγησε ο Anlage στο New Scientist, «είναι σαν να υπάρχει μια κρυφή διάσταση που μέχρι τώρα αγνοούσαμε. Πιστεύω ότι αυτό που καταφέραμε είναι να της δώσουμε φυσική υπόσταση».

Οι φανταστικοί αριθμοί δεν αντιπροσωπεύουν πια ένα αφηρημένο μαθηματικό τέχνασμα, αλλά μια μετρήσιμη φυσική μετατόπιση στη συχνότητα του κυματοφορέα, μια μετατόπιση που προκαλείται από τον τρόπο με τον οποίο το υλικό απορροφά και μεταδίδει τον παλμό του φωτός.

Η νέα αυτή γνώση ανοίγει τον δρόμο για πιο ακριβή χειρισμό και κατανόηση της διάδοσης φωτός σε πολύπλοκα μέσα, με πιθανές εφαρμογές στη φωτονική, την κβαντική πληροφορική και την ανάπτυξη νέων οπτικών υλικών.