Så ska fysikerna radera en händelse

Det låter som science fiction: optikforskare i Storbritannien har lyckats skapa ett slags mantel som osynliggör små händelser. Genom att manipulera ljuspartiklar kan en liten lucka bildas i ljusflödet. Luckan blir som en ficka i verkligheten där vad som helst kan ske utan att det syns utifrån.

Det är annat än att försöka manipulera historieskrivning genom att förfalska dokument eller retuschera bilder. Med optikernas osynlighetsmantel försvinner spåren av det som har hänt, men själva händelserna består.

Det är som om det inte hänt alls. Än så länge är luckan i tiden inte större än ett par centimeter, och den öppnar sig bara under några ynka nanosekunder. Men effekten blir en form av redigeringsverktyg för händelser.

Tänk att någon gång i framtiden kunna svepa in ett helt kassavalv i en sådan ”rumtidsmantel”. En tjuv skulle då lugnt och metodiskt kunna bryta sig in i valvet medan övervakningskamerorna utanför registrerade ett tomt rum med ett intakt kassaskåp. Hela händelsen skulle liksom klippas bort, och kvar blir bara bilder från före och efter inbrottet utan den minsta antydan om att något har hänt där emellan. Fast kassaskåpet är tömt! Att retuschera verkligheten på det sättet är effektivare än att retuschera bilder – ingen kan någonsin komma i efterhand och vifta med original.

Forskarna bakom rumtidsmanteln beskriver i sin studie hur man skulle kunna använda sig av konceptet för att ge en illusion av teleportering – direkt materietransport – à la Star Trek. Men i stället för beam me up skulle den som förflyttas bara svepas i en osynlighetsmantel. För betraktaren utifrån blir dock effekten densamma – en omedelbar förflyttning mellan två platser.

Dessa nya rön inom teoretisk optik bygger på tidigare forskning om så kallade osynlighetsmantlar. Men till skillnad från den nya, som stoppar hela händelseförlopp i en ficka i tiden, kunde de tidigare mantlarna bara gömma enskilda objekt.

Dessa mantlar är vanligtvis gjorda av metamaterial – artificiellt skapade ämnen med komplexa strukturer – som kan böja av ljusstrålar runt ett objekt så att det inte syns. En person på ett visst avstånd från det dolda föremålet upplever då att ljuset färdas rakt fram utan att någonsin träffa objektet. Om hela kassaskåpet sveps in i en osynlighetsmantel kommer kameran att registrera att kassavalvet plötsligt försvinner.

En första sådan osynlighetsmantel presenterades år 2006, då amerikanska och brittiska forskare lyckades framställa en mantel av metamaterial som kunde böja mikrovågor – men inte synligt ljus – för att dölja små, tvådimensionella objekt. Rönen publicerades i två separata studier i den vetenskapliga tidskriften Science och väckte stort medieintresse runt om i världen.

Sedan dess har det dykt upp bättre versioner av osynlighetsmanteln, versioner som fungerar i flera våglängder av ljus och kan dölja objekt i både två och tre dimensioner. Under det senaste året har till och med osynlighetsmantlar skapats som inte är gjorda av metamaterial, utan av så kallade kalcitkristaller och som kan dölja upp till en centimeter långa objekt. Det är ett stort steg framåt, eftersom kalcitkristaller är både billiga och lättillgängliga. Att framställa metamaterial kräver däremot dyr och komplicerad ingenjörskonst.

Osynlighetsmantlarna är dock fortfarande långt ifrån perfekta. Man har ännu inte lyckats undvika att lite ljus läcker ut och reflekteras från mantlarna utan att böjas undan, vilket betyder att ett objekt inte kan bli helt och hållet osynligt.

Trots dessa svårigheter blomstrar forskningen om osynlighet. Och nu har man bokstavligen talat nått nya dimensioner: i stället för att bara böja ljusstrålar i rumsliga dimensioner kan forskarna nu även böja dem i tiden. Det är därför de kallar sin nya version för rumtidsmantel, eller historieförfalskare.

– Det är just manipulation av ljusets utbredning i tiden som är grundidén bakom rumtidsmanteln, förklarar Martin McCall, professor i teoretisk optik. Det var han som ledde den nya studien, och jag besöker honom på hans kontor på Imperial college i London.

– Vi försöker skapa ett litet tomrum i ljusflödet där händelser blir osynliga.

Hur kommer man på idén att designa en rumtidsmantel? Martin McCall, som är troende katolik, berättar att tanken gradvis växte fram, men att han slogs av en av sina absolut mest avgörande insikter under en högmässa.

– Jag borde nog ha tänkt på högre ting, skrattar han, och menar uppenbarligen att man i andliga sammanhang inte ska grunna över något så profant som ljusets böjning i tid och rum.

Martin McCall betonar att rumtidsmanteln än så länge bara fungerar i teorin. Men han och hans forskargrupp har lyckats utforma ett experiment med en rumtidsmantel inuti optiska fibrer, vilket de hoppas kan utföras inom ett år.

– Experimentet är bara ett slags fattigmansversion av den teoretiska rumtidsmanteln, men det är ett sätt att bevisa att konceptet fungerar, säger Martin McCall.

I experimentet skulle man på ett ställe i den optiska fibern skjuta in en extra ljuspuls utifrån med hjälp av en laser. Då saktar ljusflödet ner, så att en del ljuspartiklar, fotoner, hamnar på efterkälken. På så sätt bildas ett litet hål i rumtiden i form av en cirka 30 centimeter lång lucka helt utan fotoner. Utan ljus syns ingenting, så vad som helst kan då ske under några nanosekunder utan att det märks utifrån. En ny laserpuls som bromsar ljuset framför luckan täpper sedan igen den, och ljuset återgår till att flöda jämnt i fibern. När detta väl har skett går det inte att upptäcka att det någonsin har funnits ett tomrum i fibrerna där vad som helst har kunnat döljas.

Det hela kan liknas vid hur en kyckling korsar en tungt trafikerad väg, menar Martin McCall, och visar mig en liten animering på sin dator. Små, svartvita och synnerligen schematiska bilar stannar och bildar en lucka i trafiken medan ett oproportionerligt stort kycklinghuvud passerar. De stoppade bilarna kommer sedan snabbt i kapp resten av bilarna. För en betraktare lite längre ner på vägen ser bilarna dock ut att röra sig i en jämn ström, utan tecken på att en kyckling tidigare korsat vägen.

Ännu är det långt till kassaskåpstricket. Beräkningarna visar att det krävs cirka nio kilometer optiska fibrer för att få manteln att fungera i några få nanosekunder. Fibrerna kan dock rullas ihop, så det är fortfarande fullt möjligt att utföra experimentet i ett litet labb. Men för att en osynlighetsmantel ska fungera under några minuter krävs det en mantel stor som hela solsystemet.

– Det beror på att ljuset rör sig så otroligt snabbt, förklarar Martin McCall. Det tar bara åtta minuter för en ljusstråle att ta sig hela den långa vägen från solen till jorden. Vill du osynliggöra några minuter så krävs det en optisk fiber av liknande längd.

Dessutom fungerar inte den fiberoptiska manteln perfekt, den läcker lite. Så en betraktare skulle kunna se ett vagt skiftande skimmer då manteln är i gång. Själva händelsen förblir dock dold. Med andra ord skulle man kunna lista ut att något håller på att göras osynligt, men inte vad.

Rumtidsmanteln är också begränsad av ljusets hastighet – inget kan färdas snabbare än ljus i vakuum. Så det gäller att skapa ett material där ljusstrålar rör sig mycket långsammare, så att det är fysikaliskt möjligt att få mer fart på en del av dem samtidigt som en del saktas av, för att göra luckan så stor som möjligt.

– För att skapa en mantel som inte läcker ljus och som kan dölja längre händelseförlopp än ett par nanosekunder duger inte våra optiska fibrer, förklarar Martin McCall. Där krävs ett metamaterial som inte finns i dag, och ingen har tänkt ut det ännu.

Kan man ha någon praktisk nytta av osynlighetsforskningen? Martin McCall tror att hans rumtidsmantel skulle kunna vara en komponent inom den framtida signalbehandlingen. I många beräkningssystem uppstår situationer där olika signaler möts och ”stör” varandra. Med en mantel skulle en signal kunna bearbetas utan att andra vet om det. Det skulle kunna vara till hjälp i utvecklingen av kvantdatorer, där de kvantmekaniska egenskaperna är så ömtåliga att en oavsiktlig observation kan störa beräkningar innan de har slutförts.

– Osynlighetsmanteln är en stor vetenskaplig nyhet, säger Carl-Gustaf Ribbing, professor i fasta tillståndets fysik vid Uppsala universitet. Fast det svåraste har ännu inte gjorts. Den största utmaningen nu är att skapa ett medium där manteln kan fungera i verkligheten. Än så länge går experimentet i kabeln bara att genomföra i infrarött ljus, så det återstår att visa att det fungerar också i det synliga ljuset.

Vad gäller teknisk tillämpning så tycker Carl-Gustaf Ribbing att vi ska vara försiktiga med vad vi kan vänta oss inom den närmaste tiden. Han föreslår dock att upptäckten möjligtvis skulle kunna få betydelse inom kryptering – kanske skulle man kunna dölja krypterade signaler för att göra kodade meddelanden ännu svårare att knäcka.

– Jag tror att eventuella tillämpningar kommer att vara mycket begränsade i både tid och rum. Det kommer inte att få plats någon Harry Potter i denna mantel.

Nej, nutida fysiker är inga trollkarlar. Om de vill manipulera verkligheten måste de anpassa sig till naturlagarna. Forskare som Martin McCall drivs av lekfull nyfikenhet, och tillämpningarna kan dyka upp så småningom. Kanske står kycklingarna redan i kö och väntar på det rätta ögonblicket att korsa tidens ström.