Este posibil să depășiți viteza luminii - oamenii de știință. Senzație: Fizicienii au înregistrat excesul de viteză a luminii Ce se mișcă mai mult decât viteza luminii
Viteza luminii este una dintre constantele fizice universale; nu depinde de alegerea cadrului de referință inerțial și descrie proprietățile spațiului-timp ca întreg. Viteza luminii în vid este de 299.792.458 de metri pe secundă, iar aceasta este viteza limită a particulelor și propagarea interacțiunilor. Asta ne învață cărțile școlare despre fizică. De asemenea, vă puteți aminti că masa unui corp pur și simplu nu este constantă și tinde spre infinit pe măsură ce viteza se apropie de viteza luminii. De aceea fotonii se mișcă cu viteza luminii - particule fără masă și este mult mai dificil pentru particulele cu masă.
Cu toate acestea, echipa internațională de oameni de știință de la experimentul la scară largă OPERA, situat lângă Roma, este gata să argumenteze cu adevărul elementar.
El a reușit să detecteze neutrinii, care, după cum au arătat experimentele, se mișcă cu o viteză mai mare decât viteza luminii,
serviciul de presă al Organizației Europene pentru Cercetare Nucleară (CERN).
Experimentul OPERA (Oscillation Project with Emulsion-Racking Apparatus) studiază cele mai inerte particule din Univers - neutrini. Sunt atât de inerți încât pot zbura prin întreg Pământ, stele și planete, iar pentru ca acestea să lovească o barieră de fier, dimensiunea acestei bariere trebuie să fie de la Soare la Jupiter. În fiecare secundă, aproximativ 10 14 neutrini emiși de Soare trec prin corpul fiecărei persoane de pe Pământ. Probabilitatea ca cel puțin unul dintre ei să lovească țesuturile unei persoane de-a lungul vieții tinde spre zero. Din aceste motive, este extrem de dificil să se înregistreze și să studieze neutrinii. Laboratoarele care fac acest lucru sunt situate adânc sub munți și chiar sub gheața Antarcticii.
OPERA primește un fascicul de neutrini de la CERN, unde se află Large Hadron Collider. „Fratele său mai mic” - sincrotronul superproton (SPS) - direcționează fasciculul direct în subteran spre Roma. Fascicul de neutrini rezultat trece prin grosime Scoarta terestra, fiind astfel curățat de alte particule pe care substanța crustei le reține și merge direct la laboratorul din Gran Sasso, ascuns sub 1200 m de rocă.
O cale subterană de 732 km este depășită de neutrini în 2,5 milisecunde.
Detectorul proiectului OPERA, format din aproximativ 150 de mii de elemente și cântărind 1300 de tone, „prinde” neutrini și îi studiază. În special, scopul principal este de a studia așa-numitele oscilații de neutrini - tranziții de la un tip de neutrin la altul.
Rezultatele uluitoare ale depășirii vitezei luminii sunt susținute de statistici serioase: laboratorul din Gran Sasso a observat aproximativ 15 mii de neutrini. Oamenii de știință au descoperit că
neutrinii călătoresc cu 20 de milionimi mai repede decât viteza luminii - limita de viteză „infailibilă”.
Acest rezultat a fost o surpriză pentru ei, explicația lui nu a fost încă propusă. Desigur, pentru a o infirma sau a confirma, sunt necesare experimente independente efectuate de alte grupuri pe alte echipamente - acest principiu al „controlului dublu-orb” este implementat și la Large Hadron Collider CERN. Colaborarea OPERA și-a publicat imediat rezultatele pentru a le permite colegilor din întreaga lume să le verifice. O descriere detaliată a lucrării este disponibilă pe site-ul web preprint Arhivă.Org.
Prezentarea oficială a rezultatelor va avea loc astăzi la un seminar la CERN, la ora 18.00, ora Moscovei, care va avea loc streaming online.
„Aceste date au fost o surpriză completă. După luni de colectare, analiză și curățare a datelor, precum și verificări încrucișate, nu am găsit o posibilă sursă a unei erori de sistem nici în algoritmul de procesare a datelor, nici în detector. Prin urmare, ne publicăm rezultatele, ne continuăm munca și, de asemenea, sperăm că măsurătorile independente ale altor grupuri vor ajuta la înțelegerea naturii acestei observații ”, a declarat Antonio Ereditato, șeful experimentului OPERA de la Universitatea din Berna, citat de CERN. serviciul de presă.
„Când oamenii de știință experimentali descoperă un rezultat neplauzibil și nu găsesc un artefact care să-l explice, ei apelează la colegii lor din alte grupuri pentru a începe un studiu mai larg al problemei. Aceasta este o tradiție științifică bună, iar colaborarea OPERA o urmează acum.
Dacă se confirmă observațiile privind viteza luminii, acest lucru ne poate schimba înțelegerea fizicii, dar trebuie să ne asigurăm că nu au o altă explicație, mai banală.
Pentru asta sunt experimentele independente”, a spus directorul științific al CERN, Sergio Bertolucci.
Măsurătorile efectuate în OPERA sunt extrem de precise. Astfel, distanța de la punctul de lansare a neutrinilor până la punctul de înregistrare a acestora (mai mult de 730 km) este cunoscută cu o precizie de 20 cm, iar timpul de zbor este măsurat cu o precizie de 10 nanosecunde.
Experimentul OPERA se desfășoară din 2006. La ea participă aproximativ 200 de fizicieni din 36 de institute și 13 țări, inclusiv Rusia.
S-au dezvoltat astrofizicienii de la Universitatea Baylor (SUA). model matematic o unitate hiperspațială care vă permite să depășiți distanțe cosmice cu o viteză mai mare decât viteza luminii de 10³² ori, ceea ce vă permite să zburați către o galaxie vecină în câteva ore și să vă întoarceți înapoi.
În timpul zborului, oamenii nu vor simți supraîncărcările care se simt la avioanele moderne, totuși, un astfel de motor poate apărea în metal doar în câteva sute de ani.
Mecanismul de antrenare se bazează pe principiul motorului de deformare a spațiului (Warp Drive), care a fost propus în 1994 de fizicianul mexican Miguel Alcubierre. Americanii nu trebuiau decât să perfecționeze modelul și să facă calcule mai detaliate.
„Dacă comprimați spațiul în fața navei și vă extindeți în spatele acesteia, dimpotrivă, atunci apare o bulă spațiu-timp în jurul navei”, spune unul dintre autorii studiului, Richard Obousi. „Învăluie nava și o scoate din lumea obișnuită în propriul său sistem de coordonate.Datorită diferenței de presiune a spațiu-timp, această bulă este capabilă să se miște în orice direcție, depășind pragul luminii cu mii de ordine de mărime.
Probabil că spațiul din jurul navei se va putea deforma din cauza energiei întunecate, care nu a fost studiată până acum. „Energia întunecată este o substanță foarte prost înțeleasă, descoperită relativ recent și care explică de ce galaxiile par să zboare una de alta”, a spus bătrânul. Cercetător Departamentul de Astrofizică Relativistă a Institutului Astronomic de Stat. Universitatea de Stat Sternberg din Moscova Serghei Popov. - Există mai multe dintre modelele sale, dar nu există încă unul general acceptat. Americanii au luat ca bază un model bazat pe dimensiuni suplimentare și spun că este posibil să se schimbe proprietățile acestor dimensiuni la nivel local. Apoi se dovedește că în direcții diferite pot exista constante cosmologice diferite. Și atunci nava din bulă va începe să se miște.”
Un astfel de „comportament” al Universului poate fi explicat prin „teoria corzilor”, conform căreia întregul nostru spațiu este pătruns de multe alte dimensiuni. Interacțiunea lor între ele generează o forță respingătoare, care este capabilă să extindă nu numai materia, cum ar fi galaxiile, ci și corpul spațiului însuși. Acest efect se numește „inflația Universului”.
„Încă din primele secunde ale existenței sale, Universul s-a întins, - explică Ruslan Metsaev, doctor în științe fizice și matematice, angajat al Centrului Astro-Spațial al Institutului de Fizică Lebedev. - Și acest proces continuă și astăzi. " Știind toate acestea, puteți încerca să extindeți sau să restrângeți spațiul în mod artificial. Pentru a face acest lucru, ar trebui să influențeze alte dimensiuni, astfel o bucată din spațiul lumii noastre va începe să se miște în direcția corectă sub influența forțelor energiei întunecate.
În acest caz, legile teoriei relativității nu sunt încălcate. În interiorul bulei, vor rămâne aceleași legi ale lumii fizice, iar viteza luminii va fi limita. Această situație nu se aplică așa-numitului efect geamăn, care spune că atunci când calatoria in spatiu cu vitezele luminii, timpul din interiorul navei încetinește semnificativ și astronautul, întorcându-se pe Pământ, își va întâlni fratele geamăn, deja foarte bătrân. Motorul Warp Drive elimină această problemă, deoarece împinge spațiul, nu nava.
Americanii au găsit deja o țintă pentru viitorul zbor. Aceasta este planeta Gliese 581 (Gliese 581), pe care condițiile climatice și gravitația se apropie de cele ale pământului. Distanța până la acesta este de 20 de ani lumină și chiar dacă Warp Drive funcționează de un trilion de ori mai slab decât puterea maximă, timpul de călătorie până la acesta va fi de doar câteva secunde.
Doctor stiinte 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. Discuția de astăzi despre asta fenomen ciudat a aprins 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).
Într-un mediu de amplificare, regiunea inițială a unui impuls 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 din 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: nu se poate deplasa nu numai cu viteză superluminală, ci și cu o viteză. viteză egală lumină, - te poți apropia doar 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. Ideal unde electromagnetice- aceasta 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) pornește un dispozitiv care trimite un anumit semnal radio, iar la un punct la distanță B, sub acțiunea 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 - aceasta a ajuns la el 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. corpuri materialeși transmiterea semnalului. 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 înaintat 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 superluminal particule elementare 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 care este interesat de detalii la articolul specificat.
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 să intrăm în detalii aici, subliniem doar că analiză detaliată mecanismul de acțiune al 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 pulsul 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 un puls cu un instrument care se mișcă cu viteza luminii într-un mediu 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 pe 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 interpretată de Lijun Wong cu angajați înăuntru institut de cercetareîn 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 ca parte principală pulsul 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 luminos 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 mic. 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 impuls 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 sunt înclinați 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 asta nou loc de muncă nu dă 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. Lucrări anii recenti 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. Această prevedere a fost făcută deoarece În ultima vremeîn astrofizică și cosmologie apar noi ipoteze 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 Universuri, cel mai probabil, vor rămâne construcții pur matematice ale fizicienilor teoreticieni care trăiesc în Universul nostru și încearcă să găsească lumi închise nouă prin 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.
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 din 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 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) pornește un dispozitiv care trimite un anumit semnal radio, iar la un punct la distanță B, sub acțiunea 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.
S-ar părea că problema vitezelor superluminale a fost rezolvată. Dar în anii 60 ai secolului XX, fizicienii teoreticieni au înaintat 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 care este interesat de detalii la articolul specificat.
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!
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 să intrăm 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 pulsul 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 un puls cu un instrument care se mișcă cu viteza luminii într-un mediu 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 pe 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 pătrundere prin bariera potențială care a devenit subiect de cercetare de către o serie de fizicieni, care consideră că poate depăși c.
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 luminos 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)?
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 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 impuls 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 sunt înclinați 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.
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 normal cu o viteză cu 25% mai mare decât cca.
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.
Imaginează-ți doi nava spatialaîndreptându-se 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 navă cu o ușoară întârziere, iar rezultatul va fi o copie vizibilă care se va deplasa în aceeași direcție cu o ușoară întârziere.
Ceva similar poate fi văzut în jocurile pe calculator, când, ca urmare a unei defecțiuni a sistemului, motorul încarcă modelul și algoritmii săi în punctul final se mișcă mai repede decât se termină animația reală în mișcare, deci există mai multe reprize. 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
