在物理學的傳統認知中，真空中的光速是宇宙無法逾越的終極速度限制。然而，以色列理工學院（Technion-Israel Institute of Technology）研究團隊，近日在《Nature》期刊發表了一項顛覆視覺的突破性成果：他們首次直接觀測並證實，光波中的「黑暗點」在湮滅前夕，其移動速度竟然可以超越光速！

這項研究由以色列理工學院電機與電腦工程學院的研究團隊與多個國際合作單位合作完成，包含以色列巴伊蘭大學、美國麻省理工學院、美國哈佛大學、美國史丹佛大學、義大利Milano-Bicocca大學與 西班牙光子科學研究院 ICFO 等研究機構。

研究團隊所測量的黑暗點，本質上是波動結構中的微小幾何空洞，這種現象在物理學中被稱為光學相位奇異點（optical phase singularities）或光渦旋（vortices）。這種漩渦在自然界相當常見，舉凡海浪中的漩渦、空氣氣流中的旋轉結構，甚至攪拌咖啡時出現的旋渦皆屬於此類現象。研究團隊指出，這些光學相位奇異點是波動系統的普遍現象，具有量子化拓撲電荷（quantized topological charge），其特徵是在奇異點周圍形成 ±2π 的相位纏繞（phase winding）。由於一個奇異點只能在與相反電荷的奇異點相遇時才會消失，因此它們經常被類比為互相作用的粒子－反粒子對。研究也發現，在大量奇異點組成的系統中，彼此距離的分布關係與液體中粒子的短程有序結構（short-range order）高度相似。早在 1970 年代，已有理論指出，渦旋的移動速度可能超越其所在波本身的傳播速度。就像河流中的漩渦超越水流本身一般，這種現象聽起來相當反直覺，但它確實存在，至今才有研究團隊首次以實驗方式證實該理論。

研究指出，當進一步分析相位空間（phase-space）中的速度分布時，這種類比便不再成立。當帶有相反拓撲電荷的奇異點彼此靠近到即將湮滅時，其時空軌跡必須維持連續。為了保持整體相位結構的連續性，這些奇異點會在合併前瞬間加速至形式上發散，甚至到達近乎無上限的速度。結果顯示，奇異點速度分布具有明顯的重尾（heavy tail）特性，也就是有相當比例的奇異點速度會超越真空中的光速。

那麼這個特殊現象是否違反了愛因斯坦的相對論？愛因斯坦曾指出，真空中的光速是宇宙中的最高速度。然而，相對論中提及的這個限制，主要適用於具質量的物體，以及能夠傳遞能量或資訊的訊號。研究團隊所觀測到的渦旋既不具有質量，也不攜帶能量與資訊，因此並未違反愛因斯坦理論。根據研究團隊說明，這些光渦旋其實是光波中的零點（zero points）或空點（nulls），也就是光波振幅降為零的位置。換句話說，它們是嵌入在光場中的完全黑暗區域。研究指出，這些奇異點本質上屬於波動相位中的純粹運動學特徵，本身並不傳遞能量或資訊，因此其表觀運動速度即使超越光速，也不會破壞因果律。

如前所述，這項現象早在 1970 年代便已被理論預測，並被認為是隨機波干涉所產生的直接結果。此後，許多研究團隊都曾嘗試以實驗方式觀測這項現象。以色列理工學院團隊此次成功的關鍵，在於建構一套獨特的顯微系統。研究人員在理工學院電子顯微中心，將雷射系統與先進光機械裝置整合進特殊電子顯微鏡系統中，進而達成破紀錄的時間與空間解析度。

研究團隊利用超快穿透式電子顯微鏡（Ultrafast Transmission Electron Microscopy, UTEM），並結合自由電子 Ramsey 成像技術（free-electron Ramsey imaging, FERI），成功觀測這些極為快速的微觀現象。研究人員透過精準控制電子脈衝與光場互動過程中的干涉效應與能量調變（Photon-Induced Near-field Electron Microscopy, PINEM），得以在每幀影像中同時重建光場的振幅與相位資訊。使得研究團隊成功達成深次波長空間解析度（20 奈米）與深次週期時間解析度（3 飛秒），並首次直接追蹤奇異點在湮滅前或生成後，相位空間中的完整距離與速度關聯。

研究團隊使用由以色列巴伊蘭大學所製備名為六方氮化硼（hexagonal boron nitride, hBN）的特殊材料，並在其中測量到這些渦旋。在這種材料中，光波會轉變成特殊的光聲波（light-sound waves），或稱雙曲聲子極化激元（hyperbolic phonon-polaritons, PhPs）。這些波可被視為傳播速度異常緩慢的光波，其群速往往比真空光速慢超過 100 倍，也可被視為傳播速度異常快速的聲波。研究指出，PhPs 的雙曲色散（hyperbolic dispersion）特性，會將波限制於次波長尺度內，並大幅增加波向量分布（wavevector distribution）的統計變異，進一步提高超光速奇異點出現的機率。研究結果指出，在六方氮化硼系統中，相位速度（phase velocity）約為群速度的 12 倍，因此約有 29% 的奇異點速度超越光速。相較之下，在自由空間中，由於群速度與相位速度相等，僅約 0.4% 的奇異點會出現超光速現象。研究團隊正是在這些被減速的波動中，觀察到光渦旋能夠跳躍並超越光速。

研究人員表示：「我們的發現揭露了自然界中所有波動所共享的普遍定律，適用在聲波、流體流動，到超導體等複雜系統。透過電子干涉測量（electron interferometry）來追蹤材料中奈米尺度下極易受干擾現象的運動，並進一步提升影像清晰度，為我們提供了全新技術工具。我們相信，這些創新的顯微技術將能協助了解物理、化學與生物學中過去難以觀測的隱藏過程，為我們首度揭露自然界在最快速、最難以捉摸時刻中的運作方式。」

研究團隊也表示，這項研究首次直接揭示複雜奇異點系統中距離與速度之間的統計關聯，進一步深化了不同物理系統中拓撲缺陷（topological defects）的普遍理解，包括超流體（superfluids）與量子場（quantum fields）等系統。測量光渦旋快速舞動現象的能力，可望開啟嶄新研究方向，未來或將對顯微技術、奈米結構光學、超導研究，以及材料中的量子資訊編碼方法帶來重要影響。

資料來源：https://www.technion.ac.il/en/blog/article/is-darkness-faster-than-light/
原始論文：https://doi.org/10.1038/s41586-026-10209-z