Acasă » Clasa a 11a » Este posibil să depășiți viteza luminii - oamenii de știință. Cum va arăta lumea pentru un obiect care zboară cu viteza luminii? Efect de tunel cuantic

Este posibil să depășiți viteza luminii - oamenii de știință. Cum va arăta lumea pentru un obiect care zboară cu viteza luminii? Efect de tunel cuantic

Dedicat măsurării directe a vitezei neutrinilor. Rezultatele sună senzațional: viteza neutrinului s-a dovedit a fi ușor - dar semnificativă statistic! - mai mult decât viteza luminii. Articolul de colaborare conține o analiză a diverselor surse de erori și incertitudini, totuși, reacția marii majorități a fizicienilor rămâne foarte sceptică, în primul rând pentru că un astfel de rezultat nu este de acord cu alte date experimentale privind proprietățile neutrinilor.

Orez. unu.

Detalii despre experiment

Ideea experimentului (vezi experimentul OPERA) este foarte simplă. Fascicul de neutrini se naște la CERN, zboară prin Pământ până la laboratorul italian Gran Sasso și trece printr-un detector special de neutrini OPERA acolo. Neutrinii interacționează foarte slab cu materia, dar datorită faptului că fluxul lor de la CERN este foarte mare, unii neutrini încă se ciocnesc cu atomii din interiorul detectorului. Acolo generează o cascadă de particule încărcate și astfel își lasă semnalul în detector. Neutrinii la CERN nu se nasc continuu, ci în „rafale”, iar dacă știm momentul nașterii unui neutrin și momentul absorbției acestuia în detector, precum și distanța dintre cele două laboratoare, putem calcula viteza. a neutrinului.

Distanța dintre sursă și detector în linie dreaptă este de aproximativ 730 km și a fost măsurată cu o precizie de 20 cm (distanța exactă dintre punctele de referință este de 730534,61 ± 0,20 metri). Adevărat, procesul care duce la nașterea unui neutrin nu este deloc localizat cu atâta acuratețe. La CERN, un fascicul de protoni de înaltă energie zboară din acceleratorul SPS, este aruncat pe o țintă de grafit și generează particule secundare în ea, inclusiv mezoni. Ei continuă să zboare înainte cu o viteză apropiată de lumina și se dezintegrează în muoni din zbor odată cu emisia de neutrini. De asemenea, muonii se descompun și dau naștere la neutrini suplimentari. Apoi, toate particulele, cu excepția neutrinilor, sunt absorbite în grosimea substanței și ajung liber la locul de detectare. Schema generală a acestei părți a experimentului este prezentată în fig. unu.

Întreaga cascadă care duce la apariția unui fascicul de neutrini se poate întinde pe sute de metri. Cu toate acestea, din moment ce toate particulele din acest grup zboară înainte cu viteza aproape de lumină, pentru timpul de detectare practic nu există nicio diferență dacă neutrinul s-a născut imediat sau după un kilometru de drum (cu toate acestea, este de mare importanță când exact protonul inițial care a condus până la nașterea acestui neutrin a zburat din accelerator). Ca rezultat, neutrinii produși în general repetă pur și simplu profilul fasciculului original de protoni. Prin urmare, parametrul cheie aici este tocmai profilul de timp al fasciculului de protoni emis de accelerator, în special poziția exactă a muchiilor sale de început și de sfârșit, iar acest profil este măsurat cu timp bun. s rezoluție m (vezi Fig. 2).

Fiecare sesiune de aruncare a unui fascicul de protoni pe o țintă (în engleză o astfel de sesiune se numește deversare, „splash”) durează aproximativ 10 microsecunde și duce la nașterea unui număr imens de neutrini. Cu toate acestea, aproape toți zboară prin Pământ (și prin detector) fără interacțiune. În aceleași cazuri rare când detectorul înregistrează un neutrin, este imposibil de spus în ce moment exact în timpul intervalului de 10 microsecunde a fost emis. Analiza poate fi efectuată doar statistic, adică pentru a acumula multe cazuri de detecție a neutrinilor și pentru a construi distribuția în timp a acestora în raport cu punctul de plecare pentru fiecare sesiune. În detector, punctul de timp este luat ca origine atunci când semnalul condiționat care se mișcă cu viteza luminii și emis exact în momentul în care marginea anterioară a fasciculului de protoni ajunge la detector. Măsurarea precisă a acestui moment a fost posibilă prin sincronizarea ceasurilor din cele două laboratoare la câteva nanosecunde.

Pe fig. 3 prezintă un exemplu de astfel de distribuție. Punctele negre sunt date reale de neutrino înregistrate de detector și însumate pe un număr mare de sesiuni. Curba roșie arată un semnal de „referință” convențional care s-ar mișca cu viteza luminii. Puteți vedea că datele încep de la aproximativ 1048,5 ns. inainte de semnal de referință. Acest lucru, cu toate acestea, nu înseamnă încă că neutrino este de fapt înaintea luminii cu o microsecundă, ci este doar un motiv pentru a măsura cu atenție toate lungimile cablurilor, vitezele de răspuns ale echipamentelor, timpii de întârziere a electronicii și așa mai departe. Această reverificare a fost făcută și s-a constatat că schimbă momentul „de referință” cu 988 ns. Astfel, se dovedește că semnalul de neutrini îl depășește de fapt pe cel de referință, dar doar cu aproximativ 60 de nanosecunde. În ceea ce privește viteza neutrinilor, aceasta corespunde unui exces al vitezei luminii cu aproximativ 0,0025%.

Eroarea acestei măsurători a fost estimată de autorii analizei la 10 nanosecunde, care include atât erori statistice, cât și sistematice. Astfel, autorii susțin că „văd” mișcarea superluminală a neutrinilor la un nivel de încredere statistic de șase abateri standard.

Diferența dintre rezultate și așteptări cu șase abateri standard este deja destul de mare și este numită în fizica particulelor elementare marele cuvânt „descoperire”. Cu toate acestea, acest număr trebuie înțeles corect: înseamnă doar că probabilitatea statistic fluctuațiile datelor sunt foarte mici, dar nu indică cât de fiabilă este tehnica de prelucrare a datelor și cât de bine au luat în considerare fizicienii toate erorile instrumentale. La urma urmei, există multe exemple în fizica particulelor elementare în care semnalele neobișnuite cu o certitudine statistică excepțional de mare nu au fost confirmate de alte experimente.

Ce contrazic neutrinii superluminali?

Contrar credinței populare, relativitatea specială nu interzice în sine existența particulelor care se mișcă la viteze superluminale. Cu toate acestea, pentru astfel de particule (se numesc în general „tahioni”), viteza luminii este, de asemenea, o limită, dar numai de jos - nu se pot mișca mai încet decât aceasta. În acest caz, dependența energiei particulelor de viteză se dovedește a fi inversă: cu cât energia este mai mare, cu atât viteza tahionilor este mai apropiată de viteza luminii.

Probleme mult mai serioase încep în teoria câmpului cuantic. Această teorie înlocuiește mecanica cuantică atunci când vine vorba de particule cuantice cu energii mari. În această teorie, particulele nu sunt puncte, ci, relativ vorbind, aglomerări ale câmpului material și nu pot fi considerate separat de câmp. Se pare că tahionii scad energia câmpului, ceea ce înseamnă că fac vidul instabil. Atunci este mai profitabil ca vidul să se spargă spontan într-un număr mare de aceste particule și, prin urmare, este pur și simplu lipsit de sens să luăm în considerare mișcarea unui tahion în spațiul gol obișnuit. Putem spune că un tahion nu este o particule, ci o instabilitate a vidului.

În cazul tahio-fermionilor, situația este ceva mai complicată, dar chiar și acolo apar dificultăți comparabile care împiedică crearea unei teorii a câmpului cuantic tahionic auto-consistent, care include teoria obișnuită a relativității.

Cu toate acestea, acesta nu este nici ultimul cuvânt în teorie. Așa cum experimentatorii măsoară tot ceea ce poate fi măsurat, teoreticienii testează și toate modelele ipotetice posibile care nu contrazic datele disponibile. În special, există teorii în care este permisă o abatere ușoară, încă neobservată, de la postulatele teoriei relativității - de exemplu, viteza luminii în sine poate fi o variabilă. Astfel de teorii nu au încă suport experimental direct, dar nu au fost încă închise.

Această scurtă schiță a posibilităților teoretice poate fi rezumată astfel: în ciuda faptului că în unele modele teoretice mișcarea cu viteză superluminală este posibilă, acestea rămân doar construcții ipotetice. Toate datele experimentale disponibile în prezent sunt descrise de teorii standard fără mișcare superluminală. Prin urmare, dacă ar fi confirmată în mod fiabil pentru cel puțin unele particule, teoria cuantică a câmpului ar trebui refăcută radical.

Merită considerat rezultatul OPERA în acest sens drept „primul semn”? Nu încă. Poate cel mai important motiv pentru scepticism este faptul că rezultatul OPERA nu este de acord cu alte date experimentale despre neutrini.

Mai întâi, în timpul celebrei supernove SN1987A, au fost înregistrați și neutrini, care au sosit cu câteva ore înainte de pulsul de lumină. Acest lucru nu înseamnă că neutrinii au călătorit mai repede decât lumina, ci reflectă doar faptul că neutrinii sunt emiși într-un stadiu mai timpuriu al colapsului nuclear în timpul exploziei unei supernove decât lumina. Cu toate acestea, deoarece neutrinii și lumina, după ce au petrecut 170.000 de ani pe drum, nu s-au despărțit mai mult de câteva ore, înseamnă că vitezele lor sunt foarte apropiate și diferă cu nu mai mult de miliarde. Experimentul OPERA arată o discrepanță de o mie de ori mai puternică.

Aici, desigur, putem spune că neutrinii produși în timpul exploziilor de supernove și neutrinii CERN diferă foarte mult ca energie (câteva zeci de MeV în supernove și 10–40 GeV în experimentul descris), iar viteza neutrinilor variază în funcție de energie. Dar această schimbare în acest caz funcționează în direcția „greșită”: la urma urmei, cu cât energia tahionilor este mai mare, cu atât viteza lor ar trebui să fie mai aproape de viteza luminii. Desigur, chiar și aici se poate veni cu un fel de modificare a teoriei tahionice, în care această dependență ar fi complet diferită, dar în acest caz va fi necesar să discutăm despre modelul „dublu-ipotetic”.

În plus, din multitudinea de date experimentale privind oscilațiile neutrinilor obținute în ultimii ani, rezultă că masele tuturor neutrinilor diferă între ele doar prin fracțiuni de electronvolt. Dacă rezultatul OPERA este perceput ca o manifestare a mișcării superluminale a unui neutrin, atunci valoarea pătratului masei a cel puțin unui neutrin va fi de ordinul –(100 MeV) 2 (pătratul negativ al masa este manifestarea matematică a faptului că particula este considerată un tahion). Atunci trebuie să recunoști asta toate soiurile de neutrini sunt tahioni și au aproximativ aceeași masă. Pe de altă parte, măsurarea directă a masei neutrinului în dezintegrarea beta a nucleelor de tritiu arată că masa neutrinului (modulo) nu trebuie să depășească 2 electron volți. Cu alte cuvinte, nu va fi posibilă reconcilierea tuturor acestor date între ele.

Concluzia din aceasta se poate trage după cum urmează: rezultatul declarat al colaborării OPERA este greu de încadrat în oricare, chiar și în cele mai exotice, modele teoretice.

Ce urmeaza?

În toate colaborările mari în fizica particulelor elementare, este o practică normală ca fiecare analiză specifică să fie efectuată de un grup mic de participanți și numai atunci rezultatele să fie supuse discuției generale. În acest caz, aparent, această etapă a fost prea scurtă, drept urmare nu toți participanții la colaborare au fost de acord să-și pună semnătura sub articol (lista completă include 216 participanți la experiment, iar preprintul are doar 174 de autori. ). Prin urmare, în viitorul apropiat, cel mai probabil, în cadrul colaborării vor fi efectuate multe verificări suplimentare, iar abia după aceea articolul va fi trimis la tipărire.

Desigur, acum ne putem aștepta și la un flux de lucrări teoretice cu diverse explicații exotice ale acestui rezultat. Cu toate acestea, până când rezultatul revendicat nu este verificat din nou în mod fiabil, nu poate fi considerat o descoperire cu drepturi depline.

După cum știți, fotonii, particulele de lumină, din care constă, se mișcă cu viteza luminii. Teoria specială a relativității ne va ajuta în această chestiune.

În filmele științifico-fantastice, navele spațiale interstelare zboară aproape cu viteza luminii, fără excepție. De obicei, aceasta este așa-numita hiperviteză de către scriitorii de science fiction. Atât scriitorii, cât și regizorii de film o descriu și ne arată cu aproape același dispozitiv artistic. Cel mai adesea, pentru ca nava să alerge rapid, eroii trag sau apasă butonul de control, iar vehiculul accelerează instantaneu, accelerând aproape la viteza luminii cu un pop asurzitor. Stelele pe care privitorul le vede deasupra navei pâlpâie mai întâi, apoi se întind complet în linii. Dar oare așa arată cu adevărat stelele în ferestrele unei nave spațiale la hiperviteză? Cercetătorii spun că nu. În realitate, în loc de stelele întinse într-o linie, pasagerii navei ar vedea doar un disc strălucitor.

Dacă obiectul se mișcă aproape cu viteza luminii, atunci poate vedea efectul Doppler în acțiune. În fizică, acesta este numele dat modificării frecvenței și lungimii de undă din cauza mișcării rapide a receptorului. Frecvența luminii stelelor care clipește în fața privitorului de pe navă va crește atât de mult încât se va schimba din domeniul vizibil în partea cu raze X a spectrului. Stelele par să dispară! În același timp, lungimea radiației electromagnetice relicve rămase după Big Bang va scădea. Radiația de fundal va deveni vizibilă și va apărea ca un disc strălucitor, estompând la margini.

Dar cum arată lumea din partea unui obiect care atinge viteza luminii? După cum știți, fotonii, particulele de lumină, din care constă, se mișcă cu astfel de viteze. Teoria specială a relativității ne va ajuta în această chestiune. Potrivit acesteia, atunci când un obiect se mișcă cu viteza luminii pentru un timp arbitrar lung, timpul petrecut în mișcarea acestui obiect devine egal cu zero. În termeni simpli, dacă vă mișcați cu viteza luminii, atunci este imposibil să efectuați vreo acțiune, cum ar fi observarea, vedea, vedea și așa mai departe. Un obiect care călătorește cu viteza luminii nu va vedea nimic.

Fotonii călătoresc întotdeauna cu viteza luminii. Ei nu pierd timpul accelerând și decelerând, așa că întreaga lor viață pentru ei durează zero timp. Dacă am fi fotoni, atunci momentele noastre de naștere și moarte ar coincide, adică pur și simplu nu ne-am da seama că lumea există deloc. Este demn de remarcat faptul că, dacă un obiect accelerează la viteza luminii, atunci viteza sa în toate cadrele de referință devine egală cu viteza luminii. Iată o astfel de fizică foto. Aplicând teoria relativității speciale, putem concluziona că pentru un obiect care se mișcă cu viteza luminii, întreaga lume înconjurătoare va apărea infinit aplatizată, iar toate evenimentele care au loc în ea vor avea loc la un moment dat.

Viteza de propagare a luminii este de 299.792.458 de metri pe secundă, dar de mult a încetat să fie valoarea limită. „Futurist” a adunat 4 teorii, unde lumina nu mai este Michael Schumacher.

Un om de știință american de origine japoneză, specialist în domeniul fizicii teoretice Michio Kaku este sigur că viteza luminii poate fi depășită.

Marea explozie

Cel mai faimos exemplu, când bariera luminoasă a fost depășită, Michio Kaku numește Big Bang - un „pop” ultra-rapid, care a devenit începutul expansiunii Universului, înaintea căruia se afla într-o stare singulară.

„Niciun obiect material nu poate depăși bariera luminoasă. Dar spațiul gol poate călători cu siguranță mai repede decât lumina. Nimic nu poate fi mai gol decât un vid, ceea ce înseamnă că se poate extinde mai repede decât viteza luminii”, este sigur omul de știință.

Lanternă pe cerul nopții

Dacă străluciți o lanternă pe cerul nopții, atunci, în principiu, un fascicul care merge dintr-o parte a universului în alta, situat la o distanță de mulți ani lumină, poate călători mai repede decât viteza luminii. Problema este că în acest caz nu va exista niciun obiect material care să se miște de fapt mai repede decât lumina. Imaginează-ți că ești înconjurat de o sferă uriașă de un an lumină în diametru. Imaginea unui fascicul de lumină va străbate această sferă în câteva secunde, în ciuda dimensiunii sale. Dar numai imaginea fasciculului se poate mișca prin cerul nopții mai repede decât lumina, și nu informațiile sau un obiect material.

legatura cuantica

Mai rapid decât viteza luminii poate fi nu un obiect, ci întregul fenomen, sau mai degrabă relația, care se numește întricare cuantică. Acesta este un fenomen mecanic cuantic în care stările cuantice a două sau mai multe obiecte sunt interdependente. Pentru a obține o pereche de fotoni cuantici încâlciți, puteți străluci un laser pe un cristal neliniar cu o anumită frecvență și intensitate. Ca urmare a împrăștierii fasciculului laser, fotonii vor apărea în două conuri de polarizare diferite, relația dintre care se va numi întanglement cuantic. Deci, încâlcerea cuantică este o modalitate prin care particulele subatomice interacționează, iar procesul acestei conexiuni poate avea loc mai repede decât lumina.

„Dacă doi electroni sunt adunați împreună, ei vor vibra la unison, conform teoriei cuantice. Dar dacă acești electroni sunt apoi separați de mulți ani-lumină, ei vor păstra în continuare legătura unul cu celălalt. Dacă scuturați un electron, celălalt va simți această vibrație și aceasta se va întâmpla mai repede decât viteza luminii. Albert Einstein credea că acest fenomen ar infirma teoria cuantică, pentru că nimic nu poate călători mai repede decât lumina, dar de fapt a greșit”, spune Michio Kaku.

Găuri de vierme

Tema depășirii vitezei luminii este jucată în multe filme științifico-fantastice. Acum, chiar și pentru cei care sunt departe de astrofizică, se aude sintagma „găură de vierme”, datorită filmului „Interstellar”. Aceasta este o curbură specială în sistemul spațiu-timp, un tunel în spațiu care vă permite să depășiți distanțe uriașe într-un timp neglijabil.

Nu numai scenariștii de filme, ci și oamenii de știință vorbesc despre o astfel de curbură. Michio Kaku crede că o gaură de vierme (găură de vierme) sau, așa cum este numită și, o gaură de vierme, este una dintre cele mai realiste două moduri de a transmite informații mai repede decât viteza luminii.

A doua cale, care este, de asemenea, legată de modificările materiei, este contracția spațiului din fața ta și expansiunea din spatele tău. În acest spațiu deformat, apare o undă care călătorește mai repede decât viteza luminii dacă este condusă de materia întunecată.

Astfel, singura șansă reală pentru o persoană de a învăța să depășească bariera luminoasă poate sta în teoria generală a relativității și curbura spațiului și timpului. Totuși, totul se bazează pe materia foarte întunecată: nimeni nu știe dacă există exact și dacă găurile de vierme sunt stabile.

Doctor în Științe Tehnice A. GOLUBEV.

La jumătatea anului trecut, în reviste a apărut un reportaj senzațional. Un grup de cercetători americani a descoperit că un impuls laser foarte scurt se deplasează de sute de ori mai repede într-un mediu special selectat decât în vid. Acest fenomen părea absolut incredibil (viteza luminii într-un mediu este întotdeauna mai mică decât în vid) și chiar a dat naștere la îndoieli cu privire la validitatea teoriei relativității speciale. Între timp, un obiect fizic superluminal - un impuls laser într-un mediu de amplificare - a fost descoperit pentru prima dată nu în 2000, ci cu 35 de ani mai devreme, în 1965, iar posibilitatea mișcării superluminale a fost discutată pe larg până la începutul anilor '70. Astăzi, discuția despre acest fenomen ciudat a izbucnit cu o vigoare reînnoită.

Exemple de mișcare „superluminală”.

La începutul anilor 1960, impulsurile de lumină scurte de mare putere au început să fie obținute prin trecerea unui bliț laser printr-un amplificator cuantic (un mediu cu o populație inversă).

În mediul de amplificare, regiunea inițială a pulsului de lumină determină emisia stimulată de atomi în mediul de amplificare, iar regiunea sa finală determină absorbția de energie de către aceștia. Ca rezultat, observatorului i se va părea că pulsul se mișcă mai repede decât lumina.

Experimentul Lijun Wong.

Un fascicul de lumină care trece printr-o prismă dintr-un material transparent (cum ar fi sticla) este refractat, adică experimentează dispersie.

Un impuls de lumină este un set de oscilații de diferite frecvențe.

Probabil că toată lumea – chiar și oamenii departe de fizică – știe că viteza maximă posibilă de mișcare a obiectelor materiale sau de propagare a oricăror semnale este viteza luminii în vid. Este marcat cu litera dinși este de aproape 300 de mii de kilometri pe secundă; valoare exacta din= 299 792 458 m/s. Viteza luminii în vid este una dintre constantele fizice fundamentale. Imposibilitatea de a atinge viteze depășite din, rezultă din teoria relativității speciale (SRT) a lui Einstein. Dacă ar fi posibil să se demonstreze că transmisia de semnale cu viteză superluminală este posibilă, teoria relativității ar cădea. Până acum, acest lucru nu s-a întâmplat, în ciuda numeroaselor încercări de a respinge interzicerea existenței unor viteze mai mari decât din. Cu toate acestea, studii experimentale recente au scos la iveală unele fenomene foarte interesante, indicând faptul că în condiții special create este posibil să se observe viteze superluminale fără a încălca principiile teoriei relativității.

Pentru început, să reamintim principalele aspecte legate de problema vitezei luminii. În primul rând: de ce este imposibil (în condiții normale) să se depășească limita de lumină? Pentru că atunci legea fundamentală a lumii noastre este încălcată - legea cauzalității, potrivit căreia efectul nu poate depăși cauza. Nimeni nu a observat vreodată că, de exemplu, un urs a căzut mai întâi mort, iar apoi un vânător împușcat. La viteze care depășesc din, succesiunea evenimentelor se inversează, banda de timp se derulează înapoi. Acest lucru se poate observa cu ușurință din următorul raționament simplu.

Să presupunem că ne aflăm pe o anumită navă miracolă cosmică care se mișcă mai repede decât lumina. Apoi, vom ajunge treptat din urmă cu lumina emisă de sursă în momente din ce în ce mai timpurii. În primul rând, am ajunge din urmă cu fotonii emiși, să zicem, ieri, apoi - emiși alaltăieri, apoi - o săptămână, o lună, un an în urmă și așa mai departe. Dacă sursa de lumină ar fi o oglindă care reflectă viața, atunci am vedea mai întâi evenimentele de ieri, apoi alaltăieri și așa mai departe. Am putea vedea, să zicem, un bătrân care treptat se transformă într-un bărbat de vârstă mijlocie, apoi într-un tânăr, într-un tânăr, într-un copil... Adică timpul s-ar întoarce, am trece de la prezent la trecutul. Cauza și efectul ar fi apoi inversate.

Deși acest argument ignoră complet detaliile tehnice ale procesului de observare a luminii, din punct de vedere fundamental, demonstrează clar că mișcarea cu o viteză superluminală duce la o situație imposibilă în lumea noastră. Cu toate acestea, natura a stabilit condiții și mai stricte: mișcarea este de neatins nu numai la viteza superluminală, ci și la o viteză egală cu viteza luminii - poți doar să te apropii de ea. Din teoria relativității rezultă că, odată cu creșterea vitezei de mișcare, apar trei circumstanțe: masa unui obiect în mișcare crește, dimensiunea acestuia scade în direcția mișcării și trecerea timpului pe acest obiect încetinește (de la punctul de vedere al unui observator extern „odihnitor). La viteze obișnuite, aceste modificări sunt neglijabile, dar pe măsură ce ne apropiem de viteza luminii, ele devin din ce în ce mai vizibile, iar în limită - la o viteză egală cu din, - masa devine infinit de mare, obiectul își pierde complet dimensiunea în direcția mișcării și timpul se oprește asupra lui. Prin urmare, niciun corp material nu poate atinge viteza luminii. Doar lumina în sine are o asemenea viteză! (Și, de asemenea, particula „tot-penetrează” - neutrinul, care, ca și fotonul, nu se poate mișca cu o viteză mai mică decât din.)

Acum despre viteza de transmisie a semnalului. Aici este potrivit să folosim reprezentarea luminii sub formă de unde electromagnetice. Ce este un semnal? Acestea sunt câteva informații care trebuie transmise. O undă electromagnetică ideală este o sinusoidă infinită de strict o frecvență și nu poate transporta nicio informație, deoarece fiecare perioadă a unui astfel de sinusoid o repetă exact pe cea anterioară. Viteza cu care se mișcă faza undei sinusoidale - așa-numita viteză de fază - poate depăși viteza luminii în vid în anumite condiții. Nu există restricții aici, deoarece viteza de fază nu este viteza semnalului - nu există încă. Pentru a crea un semnal, trebuie să faceți un fel de „marcă” pe val. Un astfel de marcaj poate fi, de exemplu, o modificare a oricăruia dintre parametrii undei - amplitudine, frecvență sau fază inițială. Dar de îndată ce se face marcajul, unda își pierde sinusoidalitatea. Ea devine modulată, constând dintr-un set de unde sinusoidale simple cu diferite amplitudini, frecvențe și faze inițiale - un grup de unde. Viteza de mișcare a semnului în unda modulată este viteza semnalului. Când se propagă într-un mediu, această viteză coincide de obicei cu viteza grupului care caracterizează propagarea grupului de unde de mai sus în ansamblu (a se vedea „Știința și viața” nr. 2, 2000). În condiții normale, viteza grupului și, prin urmare, viteza semnalului, este mai mică decât viteza luminii în vid. Nu este o coincidență că aici este folosită expresia „în condiții normale”, deoarece în unele cazuri viteza de grup poate depăși și din sau chiar pierde sensul, dar atunci nu se aplică propagarii semnalului. În SRT se stabilește că este imposibil să se transmită un semnal la o viteză mai mare decât din.

De ce este așa? Deoarece obstacol în calea transmiterii oricărui semnal la o viteză mai mare decât din se aplică aceeași lege a cauzalității. Să ne imaginăm o astfel de situație. La un moment dat A, un fulger luminos (evenimentul 1) aprinde un dispozitiv care trimite un anumit semnal radio, iar la un punct îndepărtat B, sub influența acestui semnal radio, are loc o explozie (evenimentul 2). Este clar că evenimentul 1 (flash) este cauza, iar evenimentul 2 (explozia) este efectul care apare mai târziu decât cauza. Dar dacă semnalul radio s-ar propaga cu o viteză superluminală, un observator în apropierea punctului B ar vedea mai întâi o explozie și abia apoi - atingând-o cu o viteză din fulger de lumină, cauza exploziei. Cu alte cuvinte, pentru acest observator, evenimentul 2 s-ar fi petrecut înainte de evenimentul 1, adică efectul ar fi precedat cauza.

Este oportun să subliniem că „interdicția superluminală” a teoriei relativității se impune numai mișcării corpurilor materiale și transmiterii semnalelor. În multe situații este posibil să se deplaseze cu orice viteză, dar va fi mișcarea obiectelor nemateriale și a semnalelor. De exemplu, imaginați-vă două rigle destul de lungi situate în același plan, dintre care unul este situat orizontal, iar celălalt îl intersectează într-un unghi mic. Dacă prima linie este deplasată în jos (în direcția indicată de săgeată) cu viteză mare, punctul de intersecție al liniilor poate fi făcut să ruleze arbitrar rapid, dar acest punct nu este un corp material. Un alt exemplu: dacă luați o lanternă (sau, să zicem, un laser care dă un fascicul îngust) și descrieți rapid un arc în aer, atunci viteza liniară a punctului luminos va crește odată cu distanța și, la o distanță suficient de mare, va depăşi din. Punctul de lumină se va deplasa între punctele A și B la viteză superluminală, dar aceasta nu va fi o transmisie de semnal de la A la B, deoarece un astfel de punct de lumină nu conține nicio informație despre punctul A.

S-ar părea că problema vitezelor superluminale a fost rezolvată. Dar în anii 60 ai secolului XX, fizicienii teoreticieni au avansat ipoteza existenței particulelor superluminale, numite tahioni. Acestea sunt particule foarte ciudate: sunt posibile teoretic, dar pentru a evita contradicțiile cu teoria relativității, a trebuit să li se atribuie o masă imaginară de repaus. Masa imaginară fizic nu există, este o abstractizare pur matematică. Cu toate acestea, acest lucru nu a provocat prea multă îngrijorare, deoarece tahionii nu pot fi în repaus - ei există (dacă există!) numai la viteze care depășesc viteza luminii în vid, iar în acest caz masa tahionului se dovedește a fi reală. Există o analogie cu fotonii aici: un foton are masa de repaus zero, dar asta înseamnă pur și simplu că fotonul nu poate fi în repaus - lumina nu poate fi oprită.

Cel mai dificil lucru a fost, așa cum era de așteptat, să reconciliezi ipoteza tahionică cu legea cauzalității. Încercările făcute în această direcție, deși au fost destul de ingenioase, nu au dus la un succes evident. Nici nimeni nu a reușit să înregistreze experimental tahionii. Ca rezultat, interesul pentru tahioni ca particule elementare superluminale a dispărut treptat.

Cu toate acestea, în anii 60, s-a descoperit experimental un fenomen care i-a dus la început pe fizicieni în confuzie. Acest lucru este descris în detaliu în articolul lui A. N. Oraevsky „Superluminal waves in amplifying media” (UFN nr. 12, 1998). Aici rezumăm pe scurt esența problemei, trimițând cititorul interesat de detalii la articolul menționat.

La scurt timp după descoperirea laserelor, la începutul anilor 1960, a apărut problema obținerii unor impulsuri luminoase scurte (cu o durată de ordinul a 1 ns = 10 -9 s) de mare putere. Pentru a face acest lucru, un scurt impuls laser a fost trecut printr-un amplificator cuantic optic. Pulsul a fost împărțit de o oglindă care diviza fasciculul în două părți. Unul dintre ei, mai puternic, a fost trimis la amplificator, iar celălalt s-a propagat în aer și a servit drept impuls de referință, cu care a fost posibil să se compare pulsul care a trecut prin amplificator. Ambele impulsuri au fost transmise fotodetectorilor, iar semnalele lor de ieșire au putut fi observate vizual pe ecranul osciloscopului. Era de așteptat ca impulsul de lumină care trece prin amplificator să experimenteze o oarecare întârziere în comparație cu impulsul de referință, adică viteza de propagare a luminii în amplificator să fie mai mică decât în aer. Care a fost uimirea cercetătorilor când au descoperit că pulsul se propaga prin amplificator cu o viteză nu numai mai mare decât cea în aer, ci și de câteva ori mai mare decât viteza luminii în vid!

După ce și-au revenit din primul șoc, fizicienii au început să caute motivul unui rezultat atât de neașteptat. Nimeni nu a avut nici cea mai mică îndoială cu privire la principiile teoriei speciale a relativității și tocmai acesta este ceea ce a ajutat la găsirea explicației corecte: dacă principiile SRT sunt păstrate, atunci răspunsul ar trebui căutat în proprietățile mediului de amplificare. .

Fără a intra în detalii aici, menționăm doar că o analiză detaliată a mecanismului de acțiune a mediului de amplificare a clarificat complet situația. Punctul a fost o schimbare a concentrației de fotoni în timpul propagării pulsului - o schimbare datorată unei modificări a câștigului mediului până la o valoare negativă în timpul trecerii părții din spate a pulsului, când mediul este deja absorbind energie, deoarece propria sa rezervă a fost deja epuizată datorită transferului ei către impulsul luminos. Absorbția nu provoacă o creștere, ci o scădere a impulsului și astfel impulsul este întărit în față și slăbit în spate. Să ne imaginăm că observăm pulsul cu ajutorul unui instrument care se mișcă cu viteza luminii în mediul unui amplificator. Dacă mediul ar fi transparent, am vedea un impuls înghețat în imobilitate. În mediul în care are loc procesul menționat mai sus, întărirea marginii de atac și slăbirea marginii de fugă a pulsului vor apărea observatorului în așa fel încât mediul, așa cum ar fi, a mutat pulsul înainte. . Dar din moment ce dispozitivul (observatorul) se mișcă cu viteza luminii, iar impulsul îl depășește, atunci viteza impulsului depășește viteza luminii! Acest efect a fost înregistrat de experimentatori. Și aici chiar nu există nicio contradicție cu teoria relativității: doar că procesul de amplificare este de așa natură încât concentrația de fotoni care au ieșit mai devreme se dovedește a fi mai mare decât cei care au ieșit mai târziu. Nu fotonii se mișcă cu viteză superluminală, ci anvelopa pulsului, în special maximul său, care se observă la osciloscop.

Astfel, în timp ce în mediile obișnuite există întotdeauna o slăbire a luminii și o scădere a vitezei acesteia, determinate de indicele de refracție, în mediile active cu laser, se observă nu doar amplificarea luminii, ci și propagarea unui impuls cu viteză superluminală.

Unii fizicieni au încercat să demonstreze experimental prezența mișcării superluminale în efectul de tunel, unul dintre cele mai uimitoare fenomene din mecanica cuantică. Acest efect constă în faptul că o microparticulă (mai precis, un microobiect care prezintă atât proprietățile unei particule, cât și proprietățile unei unde în diferite condiții) este capabilă să pătrundă așa-numita barieră de potențial - un fenomen care este complet imposibil. în mecanica clasică (în care o astfel de situație ar fi analogă: o minge aruncată într-un perete ar ajunge pe cealaltă parte a peretelui, sau mișcarea ondulată dată unei frânghii legate de perete s-ar transmite unei frânghii legate de perete). peretele de pe cealaltă parte). Esența efectului de tunel în mecanica cuantică este următoarea. Dacă un micro-obiect cu o anumită energie întâlnește în drum o zonă cu o energie potențială care depășește energia micro-obiectului, această zonă este o barieră pentru el, a cărei înălțime este determinată de diferența de energie. Dar micro-obiectul „se scurge” prin barieră! Această posibilitate îi este dată de cunoscuta relație de incertitudine Heisenberg, scrisă pentru energia și timpul de interacțiune. Dacă interacțiunea microobiectului cu bariera are loc pentru un timp suficient de definit, atunci energia microobiectului, dimpotrivă, va fi caracterizată de incertitudine, iar dacă această incertitudine este de ordinul înălțimii barierei, atunci aceasta din urmă încetează. să fie un obstacol de netrecut pentru microobiect. Este rata de penetrare prin bariera potențială care a devenit subiectul cercetării unui număr de fizicieni care cred că poate depăși din.

În iunie 1998, la Köln a avut loc un simpozion internațional despre problemele mișcărilor superluminale, unde au fost discutate rezultatele obținute în patru laboratoare - la Berkeley, Viena, Köln și Florența.

Și în sfârșit, în 2000, au fost raportate două noi experimente în care au apărut efectele propagării superluminale. Una dintre ele a fost realizată de Lijun Wong și colegii de muncă la un institut de cercetare din Princeton (SUA). Rezultatul său este că un impuls de lumină care intră într-o cameră plină cu vapori de cesiu își mărește viteza cu un factor de 300. S-a dovedit că partea principală a pulsului părăsește peretele îndepărtat al camerei chiar înainte ca pulsul să intre în cameră prin peretele frontal. O astfel de situație contrazice nu numai bunul simț, ci, în esență, și teoria relativității.

Raportul lui L. Wong a provocat discuții intense în rândul fizicienilor, dintre care majoritatea nu sunt înclinați să vadă în rezultatele obținute o încălcare a principiilor relativității. Provocarea, cred ei, este de a explica corect acest experiment.

În experimentul lui L. Wong, pulsul de lumină care intră în cameră cu vapori de cesiu a avut o durată de aproximativ 3 μs. Atomii de cesiu pot fi în șaisprezece stări posibile de mecanică cuantică numite „subniveluri magnetice hiperfine ale stării fundamentale”. Cu ajutorul pompei cu laser optic, aproape toți atomii au fost aduși la doar una dintre aceste șaisprezece stări, corespunzătoare temperaturii aproape zero absolute pe scara Kelvin (-273,15 o C). Lungimea camerei de cesiu a fost de 6 centimetri. În vid, lumina parcurge 6 centimetri în 0,2 ns. După cum au arătat măsurătorile, pulsul de lumină a trecut prin camera cu cesiu într-un timp cu 62 ns mai scurt decât în vid. Cu alte cuvinte, timpul de tranzit al unui puls printr-un mediu de cesiu are semnul „minus”! Într-adevăr, dacă scădem 62 ns din 0,2 ns, obținem un timp „negativ”. Această „întârziere negativă” în mediu - un salt de timp de neînțeles - este egală cu timpul în care pulsul ar face 310 treceri prin cameră în vid. Consecința acestei „inversari de timp” a fost că impulsul care părăsea camera a reușit să se îndepărteze de ea cu 19 metri înainte ca impulsul de intrare să ajungă la peretele apropiat al camerei. Cum poate fi explicată o situație atât de incredibilă (cu excepția cazului în care, desigur, nu există nicio îndoială cu privire la puritatea experimentului)?

Judecând după discuția care a avut loc, încă nu a fost găsită o explicație exactă, dar nu există nicio îndoială că proprietățile neobișnuite de dispersie ale mediului joacă un rol aici: vaporii de cesiu, alcătuiți din atomi excitați de lumina laser, este un mediu cu dispersie anormală. Să ne amintim pe scurt despre ce este vorba.

Dispersia unei substanțe este dependența de indicele de refracție de fază (obișnuit). n pe lungimea de undă a luminii l. Cu dispersia normală, indicele de refracție crește odată cu scăderea lungimii de undă, iar acesta este cazul în sticlă, apă, aer și toate celelalte substanțe transparente la lumină. În substanțele care absorb puternic lumina, cursul indicelui de refracție se inversează odată cu modificarea lungimii de undă și devine mult mai abruptă: cu o scădere a l (creștere a frecvenței w), indicele de refracție scade brusc și într-un anumit interval de lungimi de undă devine mai mică. decât unitatea (viteza de fază V f > din). Aceasta este dispersia anormală, în care modelul de propagare a luminii într-o substanță se schimbă radical. viteza de grup V cp devine mai mare decât viteza de fază a undelor și poate depăși viteza luminii în vid (și, de asemenea, devine negativă). L. Wong indică această împrejurare drept motivul care stă la baza posibilității de a explica rezultatele experimentului său. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că condiția V gr > din este pur formal, deoarece conceptul de viteză de grup a fost introdus pentru cazul dispersiei mici (normale), pentru medii transparente, când un grup de unde aproape că nu își schimbă forma în timpul propagării. În regiunile de dispersie anormală, totuși, pulsul luminos este rapid deformat și conceptul de viteză de grup își pierde sensul; in acest caz se introduc conceptele de viteza semnalului si viteza de propagare a energiei, care in mediile transparente coincid cu viteza de grup, in timp ce in mediile cu absorbtie raman mai mici decat viteza luminii in vid. Dar iată ce este interesant la experimentul lui Wong: un puls de lumină, care trece printr-un mediu cu dispersie anormală, nu se deformează - își păstrează exact forma! Și aceasta corespunde ipotezei că impulsul se propagă cu viteza grupului. Dar dacă da, atunci se dovedește că nu există absorbție în mediu, deși dispersia anormală a mediului se datorează tocmai absorbției! Wong însuși, recunoscând că multe rămân neclare, crede că ceea ce se întâmplă în configurația sa experimentală poate fi explicat clar ca o primă aproximare, după cum urmează.

Un impuls de lumină este format din mai multe componente cu lungimi de undă (frecvențe) diferite. Figura prezintă trei dintre aceste componente (valurile 1-3). La un moment dat, toate cele trei unde sunt în fază (maximele lor coincid); aici ei, adunându-se, se întăresc reciproc și formează un impuls. Pe măsură ce undele se propagă mai departe în spațiu, ele sunt defazate și astfel se „sting” unele pe altele.

În regiunea de dispersie anormală (în interiorul celulei de cesiu), unda care a fost mai scurtă (unda 1) devine mai lungă. În schimb, valul care a fost cel mai lung dintre cele trei (unda 3) devine cel mai scurt.

În consecință, fazele undelor se schimbă și ele în consecință. Când undele au trecut prin celula de cesiu, fronturile lor de undă sunt restaurate. După ce au suferit o modulare de fază neobișnuită într-o substanță cu dispersie anormală, cele trei unde considerate se regăsesc din nou în fază la un moment dat. Aici se adună din nou și formează un puls de exact aceeași formă cu cel care intră în mediul de cesiu.

De obicei, în aer și într-adevăr în orice mediu transparent normal dispersiv, un impuls luminos nu își poate menține forma cu acuratețe atunci când se propagă pe o distanță îndepărtată, adică toate componentele sale nu pot fi în fază în niciun punct îndepărtat de-a lungul căii de propagare. Și în condiții normale, un impuls de lumină într-un astfel de punct îndepărtat apare după ceva timp. Cu toate acestea, din cauza proprietăților anormale ale mediului utilizat în experiment, pulsul din punctul îndepărtat s-a dovedit a fi fazat în același mod ca la intrarea în acest mediu. Astfel, pulsul luminos se comportă ca și cum ar fi avut o întârziere negativă în drumul său către un punct îndepărtat, adică ar fi ajuns la el nu mai târziu, ci mai devreme decât a trecut de mediu!

Majoritatea fizicienilor tind să asocieze acest rezultat cu apariția unui precursor de intensitate scăzută în mediul dispersiv al camerei. Faptul este că în descompunerea spectrală a pulsului, spectrul conține componente de frecvențe arbitrar înalte cu amplitudine neglijabilă, așa-numitul precursor, care merge înaintea „partea principală” a pulsului. Natura stabilirii și forma precursorului depind de legea dispersiei în mediu. Având în vedere acest lucru, succesiunea evenimentelor din experimentul lui Wong se propune să fie interpretată după cum urmează. Valul care vine, „întinde” prevestitorul în fața sa, se apropie de cameră. Înainte ca vârful undei de intrare să lovească peretele apropiat al camerei, precursorul inițiază apariția unui impuls în cameră, care ajunge la peretele îndepărtat și este reflectat din acesta, formând o „undă inversă”. Acest val, se propagă de 300 de ori mai repede din, ajunge la peretele din apropiere și întâlnește valul de intrare. Vârfurile unui val se întâlnesc cu jgheaburile altuia, astfel încât se anulează reciproc și nu rămâne nimic. Se pare că valul de intrare „returnează datoria” atomilor de cesiu, care i-au „împrumutat” energie la celălalt capăt al camerei. Cineva care urmărea doar începutul și sfârșitul experimentului ar vedea doar un puls de lumină care „sărea” înainte în timp, mișcându-se mai repede din.

L. Wong crede că experimentul său nu este în concordanță cu teoria relativității. Declarația despre imposibilitatea vitezei superluminale, crede el, este aplicabilă numai obiectelor cu o masă de repaus. Lumina poate fi reprezentată fie sub formă de unde, cărora conceptul de masă este în general inaplicabil, fie sub formă de fotoni cu o masă în repaus, după cum se știe, egală cu zero. Prin urmare, viteza luminii în vid, potrivit lui Wong, nu este limita. Cu toate acestea, Wong admite că efectul pe care l-a descoperit nu face posibilă transmiterea informațiilor la o viteză mai mare decât din.

„Informațiile de aici sunt deja conținute în vârful impulsului”, spune P. Milonni, fizician la Laboratorul Național Los Alamos din Statele Unite.

Majoritatea fizicienilor cred că noua lucrare nu aduce o lovitură zdrobitoare principiilor fundamentale. Dar nu toți fizicienii cred că problema este rezolvată. Profesorul A. Ranfagni, din echipa de cercetare italiană care a efectuat un alt experiment interesant în 2000, spune că întrebarea este încă deschisă. Acest experiment, realizat de Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni și Rocco Ruggeri, a constatat că undele radio cu unde centimetrice se propagă în aerul obișnuit cu o viteză care depășește din cu 25%.

Rezumând, putem spune următoarele. Lucrările din ultimii ani arată că, în anumite condiții, viteza superluminală poate avea loc într-adevăr. Dar ce se mișcă exact cu viteza superluminală? Teoria relativității, așa cum sa menționat deja, interzice o astfel de viteză pentru corpurile materiale și pentru semnalele care transportă informații. Cu toate acestea, unii cercetători sunt foarte persistenti în încercările lor de a demonstra depășirea barierei luminoase în mod specific pentru semnale. Motivul pentru aceasta constă în faptul că în teoria relativității speciale nu există o justificare matematică riguroasă (bazată, să zicem, pe ecuațiile lui Maxwell pentru un câmp electromagnetic) pentru imposibilitatea de a transmite semnale la o viteză mai mare decât din. O astfel de imposibilitate în SRT este stabilită, s-ar putea spune, pur aritmetic, pe baza formulei lui Einstein de adunare a vitezelor, dar în mod fundamental acest lucru este confirmat de principiul cauzalității. Însuși Einstein, luând în considerare problema transmiterii semnalului superluminal, a scris că în acest caz „... suntem forțați să considerăm posibil un mecanism de transmitere a semnalului, atunci când se folosește acțiunea realizată precedă cauza. Dar, deși aceasta rezultă dintr-un mod pur logic. punctul de vedere nu conține, în opinia mea, nicio contradicție, el contrazice totuși caracterul întregii experiențe noastre atât de mult încât imposibilitatea de a presupune V > c pare a fi suficient de dovedit." Principiul cauzalității este piatra de temelie care stă la baza imposibilității transmiterii semnalului superluminal. Și această piatră, aparent, va împiedica toate căutările de semnale superluminale, fără excepție, indiferent cât de mult ar dori experimentatorii să detecteze astfel de semnale. semnale pentru că aceasta este natura lumii noastre.

În concluzie, trebuie subliniat că toate cele de mai sus se aplică în mod specific lumii noastre, Universului nostru. O astfel de rezervare a fost făcută pentru că recent au apărut noi ipoteze în astrofizică și cosmologie care permit existența multor Universuri ascunse de noi, conectate prin tuneluri topologice - jumperi. Acest punct de vedere este împărtășit, de exemplu, de cunoscutul astrofizician N. S. Kardashev. Pentru un observator din exterior, intrările în aceste tuneluri sunt marcate de câmpuri gravitaționale anormale, similare găurilor negre. Mișcările în astfel de tuneluri, așa cum sugerează autorii ipotezelor, vor face posibilă ocolirea limitării vitezei de mișcare impusă în spațiul obișnuit de viteza luminii și, în consecință, realizarea ideii de a crea un mașina timpului... lucruri. Și deși până acum astfel de ipoteze amintesc prea mult de intrigile din science fiction, cu greu ar trebui să respingem categoric posibilitatea fundamentală a unui model multi-element al structurii lumii materiale. Un alt lucru este că toate aceste alte Universuri, cel mai probabil, vor rămâne construcții pur matematice ale fizicienilor teoreticieni care trăiesc în Universul nostru și încearcă să găsească lumi închise pentru noi cu puterea gândurilor lor...

Vedeți într-o cameră pe același subiect

Călătoria FTL este unul dintre fundamentele science fiction-ului spațial. Cu toate acestea, probabil toată lumea – chiar și oamenii departe de fizică – știe că viteza maximă posibilă de mișcare a obiectelor materiale sau de propagare a oricăror semnale este viteza luminii în vid. Este notat cu litera c și are aproape 300 de mii de kilometri pe secundă; valoarea exactă c = 299 792 458 m/s.

Viteza luminii în vid este una dintre constantele fizice fundamentale. Imposibilitatea de a atinge viteze care depășesc c rezultă din teoria relativității speciale (SRT) a lui Einstein. Dacă ar fi posibil să se demonstreze că transmisia de semnale cu viteză superluminală este posibilă, teoria relativității ar cădea. Până acum, acest lucru nu s-a întâmplat, în ciuda numeroaselor încercări de a respinge interzicerea existenței unor viteze mai mari de c. Cu toate acestea, studii experimentale recente au scos la iveală unele fenomene foarte interesante, indicând faptul că în condiții special create este posibil să se observe viteze superluminale fără a încălca principiile teoriei relativității.

Pentru început, să reamintim principalele aspecte legate de problema vitezei luminii.

În primul rând: de ce este imposibil (în condiții normale) să se depășească limita de lumină? Pentru că atunci legea fundamentală a lumii noastre este încălcată - legea cauzalității, potrivit căreia efectul nu poate depăși cauza. Nimeni nu a observat vreodată că, de exemplu, un urs a căzut mai întâi mort, iar apoi un vânător împușcat. La viteze ce depășesc c, succesiunea evenimentelor se inversează, banda de timp se derulează înapoi. Acest lucru se poate observa cu ușurință din următorul raționament simplu.

Deși acest argument ignoră complet detaliile tehnice ale procesului de observare a luminii, din punct de vedere fundamental, demonstrează clar că mișcarea cu o viteză superluminală duce la o situație imposibilă în lumea noastră. Cu toate acestea, natura a stabilit condiții și mai stricte: mișcarea este de neatins nu numai la viteza superluminală, ci și la o viteză egală cu viteza luminii - poți doar să te apropii de ea. Din teoria relativității rezultă că, odată cu creșterea vitezei de mișcare, apar trei circumstanțe: masa unui obiect în mișcare crește, dimensiunea acestuia scade în direcția mișcării și trecerea timpului pe acest obiect încetinește (de la punctul de vedere al unui observator extern „odihnitor). La viteze obișnuite, aceste modificări sunt neglijabile, dar pe măsură ce ne apropiem de viteza luminii, ele devin din ce în ce mai vizibile, iar în limită - la o viteză egală cu c - masa devine infinit de mare, obiectul își pierde complet dimensiunea în direcția mișcării și timpul se oprește pe ea. Prin urmare, niciun corp material nu poate atinge viteza luminii. Doar lumina în sine are o asemenea viteză! (Și, de asemenea, o particulă „tot-penetrează” - un neutrin, care, ca un foton, nu se poate mișca cu o viteză mai mică de c.)

Acum despre viteza de transmisie a semnalului. Aici este potrivit să folosim reprezentarea luminii sub formă de unde electromagnetice. Ce este un semnal? Acestea sunt câteva informații care trebuie transmise. O undă electromagnetică ideală este o sinusoidă infinită de strict o frecvență și nu poate transporta nicio informație, deoarece fiecare perioadă a unui astfel de sinusoid o repetă exact pe cea anterioară. Viteza de mișcare a fazei unei unde sinusoidale - așa-numita viteză de fază - poate într-un mediu în anumite condiții să depășească viteza luminii în vid. Nu există restricții aici, deoarece viteza de fază nu este viteza semnalului - nu există încă. Pentru a crea un semnal, trebuie să faceți un fel de „marcă” pe val. Un astfel de marcaj poate fi, de exemplu, o modificare a oricăruia dintre parametrii undei - amplitudine, frecvență sau fază inițială. Dar de îndată ce se face marcajul, unda își pierde sinusoidalitatea. Ea devine modulată, constând dintr-un set de unde sinusoidale simple cu diferite amplitudini, frecvențe și faze inițiale - un grup de unde. Viteza de mișcare a semnului în unda modulată este viteza semnalului. Când se propagă într-un mediu, această viteză coincide de obicei cu viteza grupului care caracterizează propagarea grupului de unde de mai sus în ansamblu (a se vedea „Știința și viața” nr. 2, 2000). În condiții normale, viteza grupului și, prin urmare, viteza semnalului, este mai mică decât viteza luminii în vid. Nu este o coincidență că aici este folosită expresia „în condiții normale”, deoarece în unele cazuri viteza grupului poate depăși c sau chiar își poate pierde sensul, dar atunci nu se aplică propagarii semnalului. În SRT, se stabilește că este imposibil să se transmită un semnal la o viteză mai mare de c.

De ce este așa? Deoarece obstacolul în calea transmiterii oricărui semnal cu o viteză mai mare decât c este aceeași lege a cauzalității. Să ne imaginăm o astfel de situație. La un moment dat A, un fulger luminos (evenimentul 1) aprinde un dispozitiv care trimite un anumit semnal radio, iar la un punct îndepărtat B, sub influența acestui semnal radio, are loc o explozie (evenimentul 2). Este clar că evenimentul 1 (flash) este cauza, iar evenimentul 2 (explozia) este efectul care apare mai târziu decât cauza. Dar dacă semnalul radio s-ar propaga cu o viteză superluminală, un observator din apropierea punctului B ar vedea mai întâi o explozie și abia apoi - un fulger de lumină care a ajuns la el cu viteza unui fulger de lumină, cauza exploziei. Cu alte cuvinte, pentru acest observator, evenimentul 2 s-ar fi petrecut înainte de evenimentul 1, adică efectul ar fi precedat cauza.

Este oportun să subliniem că „interdicția superluminală” a teoriei relativității se impune numai mișcării corpurilor materiale și transmiterii semnalelor. În multe situații este posibil să se deplaseze cu orice viteză, dar va fi mișcarea obiectelor nemateriale și a semnalelor. De exemplu, imaginați-vă două rigle destul de lungi situate în același plan, dintre care unul este situat orizontal, iar celălalt îl intersectează într-un unghi mic. Dacă prima linie este deplasată în jos (în direcția indicată de săgeată) cu viteză mare, punctul de intersecție al liniilor poate fi făcut să ruleze arbitrar rapid, dar acest punct nu este un corp material. Un alt exemplu: dacă luați o lanternă (sau, să zicem, un laser care dă un fascicul îngust) și descrieți rapid un arc în aer, atunci viteza liniară a punctului luminos va crește odată cu distanța și, la o distanță suficient de mare, va depăși c. Punctul de lumină se va deplasa între punctele A și B la viteză superluminală, dar aceasta nu va fi o transmisie de semnal de la A la B, deoarece un astfel de punct de lumină nu conține nicio informație despre punctul A.

La scurt timp după descoperirea laserelor - la începutul anilor 60 - a apărut problema obținerii unor impulsuri de lumină scurte (cu o durată de ordinul a 1 ns = 10-9 s) de mare putere. Pentru a face acest lucru, un scurt impuls laser a fost trecut printr-un amplificator cuantic optic. Pulsul a fost împărțit de o oglindă care diviza fasciculul în două părți. Unul dintre ei, mai puternic, a fost trimis la amplificator, iar celălalt s-a propagat în aer și a servit drept impuls de referință, cu care a fost posibil să se compare pulsul care a trecut prin amplificator. Ambele impulsuri au fost transmise fotodetectorilor, iar semnalele lor de ieșire au putut fi observate vizual pe ecranul osciloscopului. Era de așteptat ca impulsul de lumină care trece prin amplificator să experimenteze o oarecare întârziere în comparație cu impulsul de referință, adică viteza de propagare a luminii în amplificator să fie mai mică decât în aer. Care a fost uimirea cercetătorilor când au descoperit că pulsul se propaga prin amplificator cu o viteză nu numai mai mare decât cea în aer, ci și de câteva ori mai mare decât viteza luminii în vid!

Unii fizicieni au încercat să demonstreze experimental prezența mișcării superluminale în efectul de tunel, unul dintre cele mai uimitoare fenomene din mecanica cuantică. Acest efect constă în faptul că o microparticulă (mai precis, un microobiect care prezintă atât proprietățile unei particule, cât și proprietățile unei unde în diferite condiții) este capabilă să pătrundă așa-numita barieră de potențial - un fenomen care este complet imposibil. în mecanica clasică (în care o astfel de situație ar fi analogă: o minge aruncată într-un perete ar ajunge pe cealaltă parte a peretelui, sau mișcarea ondulată dată unei frânghii legate de perete s-ar transmite unei frânghii legate de perete). peretele de pe cealaltă parte). Esența efectului de tunel în mecanica cuantică este următoarea. Dacă un micro-obiect cu o anumită energie întâlnește în drum o zonă cu o energie potențială care depășește energia micro-obiectului, această zonă este o barieră pentru el, a cărei înălțime este determinată de diferența de energie. Dar micro-obiectul „se scurge” prin barieră! Această posibilitate îi este dată de cunoscuta relație de incertitudine Heisenberg, scrisă pentru energia și timpul de interacțiune. Dacă interacțiunea microobiectului cu bariera are loc pentru un timp suficient de definit, atunci energia microobiectului, dimpotrivă, va fi caracterizată de incertitudine, iar dacă această incertitudine este de ordinul înălțimii barierei, atunci aceasta din urmă încetează. să fie un obstacol de netrecut pentru microobiect. Este rata de pătrundere prin bariera potențială care a devenit subiect de cercetare de către o serie de fizicieni, care consideră că poate depăși c.

În experimentul lui L. Wong, pulsul de lumină care intră în cameră cu vapori de cesiu a avut o durată de aproximativ 3 μs. Atomii de cesiu pot fi în șaisprezece stări posibile de mecanică cuantică numite „subniveluri magnetice hiperfine ale stării fundamentale”. Folosind pomparea cu laser optic, aproape toți atomii au fost aduși la doar una dintre aceste șaisprezece stări, corespunzătoare temperaturii aproape zero absolute pe scara Kelvin (-273,15 ° C). Lungimea camerei de cesiu a fost de 6 centimetri. În vid, lumina parcurge 6 centimetri în 0,2 ns. După cum au arătat măsurătorile, pulsul de lumină a trecut prin camera cu cesiu într-un timp cu 62 ns mai scurt decât în vid. Cu alte cuvinte, timpul de tranzit al unui puls printr-un mediu de cesiu are semnul „minus”! Într-adevăr, dacă scădem 62 ns din 0,2 ns, obținem un timp „negativ”. Această „întârziere negativă” în mediu - un salt de timp de neînțeles - este egală cu timpul în care pulsul ar face 310 treceri prin cameră în vid. Consecința acestei „inversari de timp” a fost că impulsul care părăsea camera a reușit să se îndepărteze de ea cu 19 metri înainte ca impulsul de intrare să ajungă la peretele apropiat al camerei. Cum poate fi explicată o situație atât de incredibilă (cu excepția cazului în care, desigur, nu există nicio îndoială cu privire la puritatea experimentului)?

Dispersia unei substanțe este dependența indicelui de refracție a fazei (obișnuit) n de lungimea de undă a luminii l. Cu dispersia normală, indicele de refracție crește odată cu scăderea lungimii de undă, iar acesta este cazul în sticlă, apă, aer și toate celelalte substanțe transparente la lumină. În substanțele care absorb puternic lumina, cursul indicelui de refracție se inversează odată cu modificarea lungimii de undă și devine mult mai abruptă: cu o scădere a l (creștere a frecvenței w), indicele de refracție scade brusc și într-un anumit interval de lungimi de undă devine mai mică. decât unitatea (viteza de fază Vf > s ). Aceasta este dispersia anormală, în care modelul de propagare a luminii într-o substanță se schimbă radical. Viteza grupului Vgr devine mai mare decât viteza de fază a undelor și poate depăși viteza luminii în vid (și, de asemenea, devine negativă). L. Wong indică această împrejurare drept motivul care stă la baza posibilității de a explica rezultatele experimentului său. Totuși, trebuie menționat că condiția Vgr > c este pur formală, deoarece conceptul de viteză de grup a fost introdus pentru cazul dispersiei mici (normale), pentru medii transparente, când un grup de unde aproape că nu își schimbă forma în timpul propagare. În regiunile de dispersie anormală, totuși, pulsul luminos este rapid deformat și conceptul de viteză de grup își pierde sensul; in acest caz se introduc conceptele de viteza semnalului si viteza de propagare a energiei, care in mediile transparente coincid cu viteza de grup, in timp ce in mediile cu absorbtie raman mai mici decat viteza luminii in vid. Dar iată ce este interesant la experimentul lui Wong: un puls de lumină, care trece printr-un mediu cu dispersie anormală, nu se deformează - își păstrează exact forma! Și aceasta corespunde ipotezei că impulsul se propagă cu viteza grupului. Dar dacă da, atunci se dovedește că nu există absorbție în mediu, deși dispersia anormală a mediului se datorează tocmai absorbției! Wong însuși, recunoscând că multe rămân neclare, crede că ceea ce se întâmplă în configurația sa experimentală poate fi explicat clar ca o primă aproximare, după cum urmează.

Majoritatea fizicienilor tind să asocieze acest rezultat cu apariția unui precursor de intensitate scăzută în mediul dispersiv al camerei. Faptul este că în descompunerea spectrală a pulsului, spectrul conține componente de frecvențe arbitrar înalte cu amplitudine neglijabilă, așa-numitul precursor, care merge înaintea „partea principală” a pulsului. Natura stabilirii și forma precursorului depind de legea dispersiei în mediu. Având în vedere acest lucru, succesiunea evenimentelor din experimentul lui Wong se propune să fie interpretată după cum urmează. Valul care vine, „întinde” prevestitorul în fața sa, se apropie de cameră. Înainte ca vârful undei de intrare să lovească peretele apropiat al camerei, precursorul inițiază apariția unui impuls în cameră, care ajunge la peretele îndepărtat și este reflectat din acesta, formând o „undă inversă”. Această undă, care se propagă de 300 de ori mai repede decât c, ajunge la peretele apropiat și se întâlnește cu unda de intrare. Vârfurile unui val se întâlnesc cu jgheaburile altuia, astfel încât se anulează reciproc și nu rămâne nimic. Se pare că valul de intrare „returnează datoria” atomilor de cesiu, care i-au „împrumutat” energie la celălalt capăt al camerei. Oricine a observat doar începutul și sfârșitul experimentului ar vedea doar un puls de lumină care „sărea” înainte în timp, mișcându-se mai repede decât c.

L. Wong crede că experimentul său nu este în concordanță cu teoria relativității. Declarația despre imposibilitatea vitezei superluminale, crede el, este aplicabilă numai obiectelor cu o masă de repaus. Lumina poate fi reprezentată fie sub formă de unde, cărora conceptul de masă este în general inaplicabil, fie sub formă de fotoni cu o masă în repaus, după cum se știe, egală cu zero. Prin urmare, viteza luminii în vid, potrivit lui Wong, nu este limita. Cu toate acestea, Wong admite că efectul pe care l-a descoperit face imposibilă transmiterea informațiilor mai rapid decât c.

„Informațiile de aici sunt deja conținute în vârful impulsului”, spune P. Milonni, fizician la Laboratorul Național Los Alamos din Statele Unite.

Rezumând, putem spune următoarele.

Lucrările din ultimii ani arată că, în anumite condiții, viteza superluminală poate avea loc într-adevăr. Dar ce se mișcă exact cu viteza superluminală? Teoria relativității, așa cum sa menționat deja, interzice o astfel de viteză pentru corpurile materiale și pentru semnalele care transportă informații. Cu toate acestea, unii cercetători sunt foarte persistenti în încercările lor de a demonstra depășirea barierei luminoase în mod specific pentru semnale. Motivul pentru aceasta constă în faptul că în teoria relativității speciale nu există o justificare matematică riguroasă (bazată, să zicem, pe ecuațiile lui Maxwell pentru un câmp electromagnetic) pentru imposibilitatea de a transmite semnale cu o viteză mai mare de c. O astfel de imposibilitate în SRT este stabilită, s-ar putea spune, pur aritmetic, pe baza formulei lui Einstein de adunare a vitezelor, dar în mod fundamental acest lucru este confirmat de principiul cauzalității. Însuși Einstein, luând în considerare problema transmiterii semnalului superluminal, a scris că în acest caz „... suntem forțați să considerăm posibil un mecanism de transmitere a semnalului, atunci când se folosește acțiunea realizată precedă cauza. Dar, deși aceasta rezultă dintr-un mod pur logic. punct de vedere nu conține în sine, după părerea mea, nicio contradicție, el contrazice totuși caracterul întregii experiențe noastre în așa măsură încât imposibilitatea presupunerii V > c pare a fi suficient dovedită. Principiul cauzalității este piatra de temelie care stă la baza imposibilității semnalizării superluminale. Și, aparent, toate căutările de semnale superluminale, fără excepție, se vor împiedica de această piatră, indiferent cât de mult ar dori experimentatorii să detecteze astfel de semnale, pentru că așa este natura lumii noastre.

Dar totuși, să ne imaginăm că matematica relativității va funcționa în continuare la viteze superluminale. Aceasta înseamnă că teoretic încă putem afla ce s-ar întâmpla dacă corpul ar depăși viteza luminii.

Imaginați-vă două nave spațiale care se îndreaptă de pe Pământ către o stea care se află la 100 de ani lumină distanță de planeta noastră. Prima navă părăsește Pământul cu 50% viteza luminii, așa că va dura 200 de ani pentru a finaliza călătoria. A doua navă, echipată cu o ipotetică unitate warp, va pleca cu 200% cu viteza luminii, dar la 100 de ani după prima. Ce se va intampla?

Potrivit teoriei relativității, răspunsul corect depinde în mare măsură de perspectiva observatorului. De pe Pământ, se va părea că prima navă a parcurs deja o distanță considerabilă înainte de a fi depășită de a doua navă, care se mișcă de patru ori mai repede. Dar din punctul de vedere al oamenilor de pe prima navă, totul este puțin diferit.

Nava #2 se mișcă mai repede decât lumina, ceea ce înseamnă că poate depăși chiar și lumina pe care o emite. Aceasta duce la un fel de „undă luminoasă” (analog cu sunetul, aici vibrează doar unde luminoase în loc de vibrațiile aerului), care dă naștere la mai multe efecte interesante. Amintiți-vă că lumina de la nava #2 se mișcă mai încet decât nava în sine. Rezultatul va fi o dublare vizuală. Cu alte cuvinte, la început echipajul navei #1 va vedea că a doua navă a apărut lângă ei ca de nicăieri. Apoi, lumina de la a doua navă va ajunge la prima cu o ușoară întârziere, iar rezultatul va fi o copie vizibilă care se va deplasa în aceeași direcție cu un ușor decalaj.

Ceva similar poate fi văzut în jocurile pe calculator atunci când, ca urmare a unei defecțiuni a sistemului, motorul încarcă modelul și algoritmii săi la punctul final al mișcării mai repede decât se termină animația în mișcare în sine, astfel încât să apară mai multe preluari. Acesta este probabil motivul pentru care conștiința noastră nu percepe acel aspect ipotetic al Universului în care corpurile se mișcă cu viteză superluminală - poate că acest lucru este cel mai bun.

P.S. ... dar în ultimul exemplu, nu am înțeles ceva, de ce poziția reală a navei este asociată cu „lumina emisă de aceasta”? Ei bine, chiar dacă îl vor vedea cumva în locul nepotrivit, dar în realitate va depăși prima navă!

surse

Vizualizări