Головна » 11 клас » Подолати швидкість світла можливо – вчені. Яким стане світ для об'єкта, що летить зі швидкістю світла? Квантовий тунельний ефект

Подолати швидкість світла можливо – вчені. Яким стане світ для об'єкта, що летить зі швидкістю світла? Квантовий тунельний ефект

Присвячена прямому виміру швидкості руху нейтрино. Результати звучать сенсаційно: швидкість нейтрино виявилася трохи - але статистично достовірно! - Більше швидкості світла. Стаття колаборації містить аналіз різноманітних джерел похибок та невизначеностей, проте реакція переважної більшості фізиків залишається дуже скептичною, насамперед тому, що такий результат не узгоджується з іншими експериментальними даними щодо властивостей нейтрино.

Рис. 1.

Подробиці експерименту

Ідея експерименту (див. OPERA experiment) дуже проста. Нейтринний пучок народжується в ЦЕРНі, летить через Землю в італійську лабораторію Гран-Сассо і проходить там через спеціальний нейтринний детектор OPERA. Нейтрино дуже слабо взаємодіють з речовиною, але через те, що їхній потік із ЦЕРНу дуже великий, деякі нейтрино все ж таки стикаються з атомами всередині детектора. Там вони породжують каскад заряджених частинок і цим залишають у детекторі свій сигнал. Нейтрино в ЦЕРН народжуються не безперервно, а «сплесками», і якщо ми знаємо момент народження нейтрино та момент його поглинання в детекторі, а також відстань між двома лабораторіями, ми можемо обчислити швидкість руху нейтрино.

Відстань між джерелом та детектором по прямій становить приблизно 730 км і виміряна вона з точністю 20 см (точна відстань між реперними точками становить 730 534,61±0,20 метрів). Щоправда, процес, що призводить до народження нейтрино, зовсім не локалізовано з такою точністю. У ЦЕРНі пучок протонів високої енергії вилітає з прискорювача SPS, скидається на графітову мішень і породжує у ній вторинні частки, зокрема мезони. Вони, як і раніше, летять вперед з навколосвітньою швидкістю і на льоту розпадаються на мюони з нейтрино. Мюони теж розпадаються та породжують додаткові нейтрино. Потім усі частинки, крім нейтрино, поглинаються в товщі речовини, а ті безперешкодно долітають до місця детектування. Загальна схема цієї частини експерименту наведено на рис. 1.

Весь каскад, що веде до появи нейтринного пучка, може розтягнутися на сотні метрів. Однак оскільки Усечастинки в цьому згустку летять вперед з навколосвітньою швидкістю, для часу детектування немає ніякої різниці, народилося нейтрино відразу або через кілометр шляху (проте має велике значення, коли саме той вихідний протон, який привів до народження даного нейтрино, вилетів з прискорювача). У результаті народжені нейтрино просто просто повторюють профіль вихідного протонного пучка. Тому ключовим параметром тут є саме тимчасовий профіль пучка протонів, що вилітають з прискорювача, особливо - точне положення його переднього і заднього фронтів, а цей профіль вимірюється з хорошим часом. ым роздільною здатністю (див. рис. 2).

Кожен сеанс скидання протонного пучка на мішень (англійською такий сеанс називається spill, "Виплеск") триває приблизно 10 мікросекунд і призводить до народження величезної кількості нейтрино. Однак практично всі вони пролітають Землю (і детектор) без взаємодії. У тих же поодиноких випадках, коли детектор таки реєструє нейтрино, неможливо сказати, в який саме момент протягом 10-мікросекундного інтервалу воно було випущено. Аналіз можна провести лише статистично, тобто накопичити багато випадків детектування нейтрино і побудувати їх розподіл часом щодо моменту початку відліку для кожного сеансу. У детекторі за початок відліку приймається той час, коли умовний сигнал, що рухається зі швидкістю світла і випромінюваний рівно в момент переднього фронту протонного пучка, досягає детектора. Точне вимірювання цього моменту стало можливим завдяки синхронізації годин у двох лабораторіях з точністю в кілька наносекунд.

На рис. 3 показано приклад такого розподілу. Чорні точки - це реальні нейтринні дані, зареєстровані детектором і підсумовані за великою кількістю сеансів. Червона крива показує умовний «опорний» сигнал, який би рухався зі швидкістю світла. Видно, що дані починаються приблизно на 1048,5 нс ранішеопорного сигналу Це, втім, ще не означає, що нейтрино дійсно на мікросекунду випереджає світло, а є лише приводом для того, щоб ретельно переміряти всі довжини кабелів, швидкість спрацьовування апаратури, часи затримки електроніки і так далі. Ця повторна перевірки була виконана, і виявилося, що вона зміщує «опорний» момент на 988 нс. Таким чином, виходить, що нейтринний сигнал дійсно обганяє опорний, але приблизно на 60 наносекунд. У перерахунку швидкість нейтрино це відповідає перевищенню швидкості світла приблизно 0,0025%.

Похибка цього виміру була оцінена авторами аналізу в 10 наносекунд, що включає і статистичну, і систематичну похибки. Таким чином, автори стверджують, що вони «бачать» надсвітловий рух нейтрино на рівні статистичної достовірності шість стандартних відхилень.

Відмінність результатів від очікувань шість стандартних відхилень вже досить велике і називається у фізиці елементарних частинок гучним словом «відкриття». Однак треба правильно розуміти це число: воно лише означає, що ймовірність статистичноїФлуктуація даних дуже мала, але не говорить про те, наскільки надійна методика обробки даних і наскільки добре фізики врахували всі інструментальні похибки. Зрештою, у фізиці елементарних частинок є чимало прикладів, коли незвичайні сигнали з винятково великою статистичною достовірністю не підтверджувалися іншими експериментами.

Чому суперечать надсвітлові нейтрино?

Всупереч поширеній думці, спеціальна теорія відносності не забороняє саме собою існування частинок, що рухаються з надсвітловою швидкістю. Однак для таких частинок (їх узагальнено називають «тахіони») швидкість світла теж є межею, але тільки знизу – вони не можуть рухатися повільніше за неї. У цьому залежність енергії частинок від швидкості виходить зворотної: що більше енергія, то ближче швидкість тахіонів до швидкості світла.

Набагато серйозніші проблеми починаються в квантовій теорії поля. Ця теорія приходить на зміну квантової механіки, коли йдеться про квантові частинки з великими енергіями. У цій теорії частинки - це не крапки, а, умовно кажучи, згустки матеріального поля, і розглядати їх окремо від поля не можна. Виявляється, що тахіони знижують енергію поля, отже, роблять вакуум нестабільним. Порожнечі тоді вигідніше спонтанно розсипатися на велику кількість цих частинок, і тому розглядати рух одного тахіону у звичайному порожньому просторі просто безглуздо. Можна сказати, що тахіон – це не частка, а нестабільність вакууму.

У разі тахіонів-ферміонів ситуація дещо складніша, але й там теж виникають порівняні труднощі, що заважають створенню самоузгодженої квантової теорії тахіонної поля, що включає звичайну теорію відносності.

Втім, це теж не останнє слово теоретично. Так само, як експериментатори вимірюють все, що піддається виміру, теоретики теж перевіряють усі можливі гіпотетичні моделі, які не суперечать наявним даним. Зокрема, існують теорії, в яких допускається невелике, не відмічене поки що відхилення від постулатів теорії відносності - наприклад, швидкість світла сама по собі може бути змінною величиною. Прямої експериментальної підтримки в таких теорій поки що немає, але вони поки що й не закриті.

Під цією короткою замальовкою теоретичних можливостей можна підбити такий підсумок: незважаючи на те, що в деяких теоретичних моделях рух із надсвітловою швидкістю можливий, вони залишаються виключно гіпотетичними конструкціями. Усі наявні сьогодні експериментальні дані описуються стандартними теоріями без надсвітового руху. Тому якби воно достовірно підтвердилося хоч для якихось частинок, квантову теорію поля довелося б кардинально переробляти.

Чи варто вважати результат OPERA у цьому сенсі «першою ластівкою»? Поки немає. Мабуть, найголовнішим приводом для скепсису залишається той факт, що результат OPERA не узгоджується з іншими експериментальними даними щодо нейтрино.

По-перше, під час знаменитого спалаху наднової SN1987A були зареєстровані і нейтрино, які прийшли за кілька годин до світлового імпульсу. Не означає, що нейтрино йшли швидше світла, лише відображає той факт, що нейтрино випромінюються більш ранньому етапі колапсу ядра при спалаху наднової, ніж світло. Однак якщо нейтрино і світло, провівши в дорозі 170 тисяч років, не розійшлися більш ніж на кілька годин, значить, швидкості у них дуже близькі і відрізняються не більш ніж на мільярдні частки. Експеримент же OPERA показує у тисячі разів сильнішу розбіжність.

Тут, звичайно, можна сказати, що нейтрино, що народжуються при спалахах наднових, і нейтрино з ЦЕРН сильно розрізняються по енергії (кілька десятків МеВ в наднових і 10-40 ГеВ в експерименті), а швидкість нейтрино змінюється в залежності від енергії. Але ця зміна в даному випадку працює в «неправильну» сторону: адже чим вища енергія тахіонів, тим ближча їхня швидкість повинна бути до швидкості світла. Звичайно, і тут можна вигадати якусь модифікацію тахіонної теорії, в якій ця залежність була б зовсім іншою, але в такому разі доведеться вже обговорювати «двічі-гіпотетичну» модель.

Далі, з безлічі експериментальних даних з нейтринних осциляцій, отриманих останніми роками, слід, що маси всіх нейтрино відрізняються одна від друга лише частки электронвольта. Якщо результат OPERA сприймати як прояв надсвітлого руху нейтрино, тоді величина квадрата маси хоча б одного нейтрино буде порядку –(100 МеВ) 2 (негативний квадрат маси - і є математичне прояв те, що частка вважається тахіоном). Тоді доведеться визнати, що Усесорти нейтрино - тахіони і мають приблизно таку масу. З іншого боку, пряме вимірювання маси нейтрино в бета-розпаді ядер тритію показує, що маса нейтрино (за модулем) не повинна перевищувати 2 електронвольта. Іншими словами, усі ці дані узгодити одна з одною не вдасться.

Висновок звідси можна зробити такий: заявлений результат колаборації OPERA важко вмістити в будь-які, навіть у найекзотичніші теоретичні моделі.

Що далі?

У всіх великих колабораціях у фізиці елементарних частинок нормальною практикою є ситуація, коли кожен конкретний аналіз виконується невеликою групою учасників, і лише потім результати виносяться на загальне обговорення. В даному випадку, мабуть, цей етап був занадто коротким, внаслідок чого далеко не всі учасники колаборації погодилися підставити свій підпис під статтею (повний список налічує 216 учасників експерименту, а препринт має лише 174 автори). Тому найближчим часом, мабуть, усередині колаборації буде проведено безліч додаткових перевірок, і лише після цього стаття буде надіслана до друку.

Звичайно, зараз очікується і потік теоретичних статей з різноманітними екзотичними поясненнями цього результату. Однак поки заявлений результат не буде надійно перевірено ще раз, вважати його повноправним відкриттям не можна.

Як відомо, на швидкості світла рухаються фотони, частинки світла, з яких складається. У цьому питанні допоможе спеціальна теорія відносності.

У фантастичних фільмах космічні міжзоряні кораблі літають майже зі швидкістю світла. Зазвичай це так звана фантастами гіпершвидкість. І письменники, і режисери фільмів описують і показують його практично однаковим художнім прийомом. Найчастіше, щоб корабель здійснив стрімкий ривок, герої смикають або натискають кнопку керуючого елемента, і транспортний засіб миттєво прискорюється, розганяючись практично до швидкості світла з оглушливою бавовною. Зірки, які глядач бачить за бортом корабля, спочатку миготять, а потім взагалі витягуються в лінії. Але чи виглядають зірки в ілюмінаторах космічного корабля на гіпершвидкості насправді? Дослідники запевняють, що ні. Насправді пасажири корабля замість зірок, що витягнулися в лінії, побачили б лише яскравий диск.

Якщо об'єкт рухатиметься майже зі швидкістю світла, він може побачити у дії ефект Доплера. У фізиці так називають зміну частоти та довжини хвиль через швидке пересування приймача. Частота світла зірок, що мелькають перед глядачем з корабля, збільшиться настільки, що зміститься з видимого діапазону рентгенівську частину спектра. Зірки наче зникнуть! Одночасно зменшиться довжина реліктового електромагнітного випромінювання, що залишилося після Великого Вибуху. Фонове випромінювання стане видимим і стане світлим диском, що згасає з обох боків.

А як виглядає світ з боку об'єкта, який досягне швидкості світла? Як відомо, на таких швидкостях рухаються фотони, частинки світла, з яких складається. У цьому питанні допоможе спеціальна теорія відносності. Відповідно до неї під час руху об'єкта зі швидкістю світла як завгодно довго, час, витрачений рух цим об'єктом, стає рівним нулю. Простим мовою, якщо рухатися зі швидкістю світла, то неможливо зробити жодну дію, як спостереження, бачення, зору і так далі. Об'єкт, що летить зі швидкістю світла, практично нічого не побачить.

Фотони завжди летять зі швидкістю світла. Вони не витрачають час на розгін і гальмування, тому все їхнє життя для них триває нуль часу. Якби ми були фотонами, то наші моменти народження і смерті збіглися б, тобто ми просто не усвідомили б, що світ взагалі існує. Варто зауважити, що якщо об'єкт розженеться до швидкості світла, то його швидкість у всіх системах відліку стає рівною швидкості світла. Ось така фотографія фізика. Застосовуючи спеціальну теорію відносності, можна зробити висновок, що для об'єкта, що рухається зі швидкістю світла, весь навколишній світ постане нескінченно сплющеним, а всі події, що відбуваються в ньому, відбудуться в один момент часу.

Швидкість поширення світла дорівнює 299792458 метрів в секунду, але граничною величиною вона давно вже не є. "Футурист" зібрав 4 теорії, де світло вже не Міхаель Шумахер.

Американський вчений японського походження, фахівець у галузі теоретичної фізики Мітіо Каку впевнений, що швидкість світла цілком може бути подолана.

Великий вибух

Найвідомішим прикладом, коли було подолано світловий бар'єр, Мітіо Каку називає Великий вибух - надшвидка «бавовна», що стала початком розширення Всесвіту, до якого вона знаходилася в сингулярному стані.

«Жоден матеріальний об'єкт не може подолати світловий бар'єр. Але порожній простір, безумовно, може рухатися швидше за світло. Ніщо не може бути більш порожнім, ніж вакуум, значить він може розширюватися швидше за швидкість світла», - упевнений учений.

Ліхтарик у нічному небі

Якщо світити ліхтарем у нічному небі, то в принципі промінь, що йде з однієї частини Всесвіту в іншу, що знаходиться на відстані багатьох світлових років, може рухатися швидше за швидкість світла. Проблема в тому, що в цьому випадку не буде матеріального об'єкта, який дійсно рухається швидше за світло. Уявіть, що ви оточені гігантською сферою діаметром один світловий рік. Зображення променя світла промчить цією сферою за лічені секунди, незважаючи на її розміри. Але тільки зображення променя може рухатися нічним небом швидше за світло, а не інформація або матеріальний об'єкт.

Квантова заплутаність

Швидше за швидкість світла може бути не якийсь об'єкт, а ціле явище, а точніше взаємозв'язок, який називається квантовою заплутаністю. Це квантовомеханічне явище, при якому квантові стани двох або кількох об'єктів взаємозалежні. Щоб отримати пару квантовозаплутаних фотонів, можна посвітити на нелінійний кристал лазером з певною частотою та інтенсивністю. В результаті розсіювання лазерного променя виникнуть фотони у двох різних конусах поляризації, зв'язок між якими і буде називатися квантовою заплутаністю. Отже, квантова заплутаність - це один спосіб взаємодії субатомних частинок, і процес цього зв'язку може відбуватися швидше за світло.

«Якщо два електрони звести разом, вони будуть вібрувати в унісон, відповідно до квантової теорії. Але якщо потім розділити ці електрони безліччю світлових років, вони все одно підтримуватимуть зв'язок один з одним. Якщо похитнути один електрон, інший відчує цю вібрацію, причому станеться це швидше за швидкість світла. Альберт Ейнштейн думав, що це явище спростує квантову теорію, тому що ніщо не може рухатися швидше за світло, але насправді він помилявся», - каже Мітіо Каку.

Кротові нори

Тема подолання швидкості світла обігрується у багатьох науково-фантастичних фільмах. Зараз навіть у тих, хто далекий від астрофізики, на слуху словосполучення «кротова нора» завдяки фільму «Інтерстеллар». Це особливе викривлення у системі простір-час, тунель у просторі, що дозволяє долати величезні відстані за мізерно малий час.

Про такі викривлення говорять не лише сценаристи фільмів, а й вчені. Мітіо Каку вважає, що кротова нора (wormhole), або, як її ще називають, червоточина - один із двох найбільш реальних способів передавати інформацію швидше, ніж зі швидкістю світла.

Другий спосіб, пов'язаний також із змінами матерії – стиснення простору попереду вас та розширення позаду. У цьому деформованому просторі виникає хвиля, яка рухається швидше за швидкість світла, якщо керується темною матерією.

Таким чином, єдиний реальний шанс для людини навчитися долати світловий бар'єр може ховатися у загальній теорії відносності та викривленні простору та часу. Проте все впирається в ту саму темну матерію: ніхто так і не знає, чи існує вона точно, і чи кротові нори стабільні.

Лікар технічних наук А. ГОЛУБЄВ.

У середині минулого року у журналах з'явилося сенсаційне повідомлення. Група американських дослідників виявила, що дуже короткий лазерний імпульс рухається в особливо підібраному середовищі в сотні разів швидше, ніж у вакуумі. Це явище здавалося зовсім неймовірним (швидкість світла в середовищі завжди менша, ніж у вакуумі) і навіть породило сумніви у справедливості спеціальної теорії відносності. Тим часом надсвітловий фізичний об'єкт - лазерний імпульс у посилюючому середовищі - був вперше виявлений не 2000 року, а на 35 років раніше, 1965 року, і можливість надсвітлового руху широко обговорювалася до початку 70-х років. Сьогодні дискусія навколо цього дивного явища спалахнула з новою силою.

Приклади "надсвітлового" руху.

На початку 60-х років короткі світлові імпульси великої потужності стали одержувати, пропускаючи через квантовий підсилювач (середовище з інверсною заселеністю) лазерний спалах.

У посилюючому середовищі початкова область світлового імпульсу викликає вимушене випромінювання атомів середовища підсилювача, а кінцева область - поглинання ними енергії. В результаті спостерігачеві здаватиметься, що імпульс рухається швидше за світло.

Експеримент Ліджуна Вонґа.

Промінь світла, що проходить крізь призму з прозорого матеріалу (наприклад, скла), переломлюється, тобто відчуває дисперсію.

Світловий імпульс є набір коливань різної частоти.

Напевно, всім - навіть людям, далеким від фізики, - відомо, що максимально можливою швидкістю руху матеріальних об'єктів чи поширення будь-яких сигналів є швидкість світла у вакуумі. Вона позначається буквою зі становить майже 300 тисяч кілометрів на секунду; точна величина з= 299792 458 м/с. Швидкість світла у вакуумі – одна з фундаментальних фізичних констант. Неможливість досягнення швидкостей, що перевищують з, Випливає зі спеціальної теорії відносності (СТО) Ейнштейна. Якби вдалося довести, що можлива передача сигналів із надсвітловою швидкістю, теорія відносності впала б. Поки що цього не сталося, незважаючи на численні спроби спростувати заборону існування швидкостей, великих з. Проте в експериментальних дослідженнях останнього часу виявилися деякі дуже цікаві явища, що свідчать про те, що за спеціально створених умов можна спостерігати надсвітлову швидкість і при цьому принципи теорії відносності не порушуються.

Для початку нагадаємо основні аспекти, що стосуються проблеми швидкості світла. Насамперед: чому не можна (за звичайних умов) перевищити світлову межу? Тому що тоді порушується фундаментальний закон нашого світу – закон причинності, відповідно до якого слідство не може випереджати причину. Ніхто ніколи не спостерігав, щоб, наприклад, спочатку мертве впав ведмідь, а потім вистрілив мисливець. При швидкостях, що перевищують з, Послідовність подій стає зворотною, стрічка часу відмотується назад. У цьому легко переконатись з наступного простого міркування.

Припустимо, що ми знаходимося на якомусь космічному диво-кораблі, що рухається швидше за світло. Тоді ми поступово наздоганяли б світло, випущене джерелом у дедалі більш ранні моменти часу. Спочатку ми наздогнали фотони, випущені, скажімо, вчора, потім - випущені позавчора, потім - тиждень, місяць, рік тому і так далі. Якби джерелом світла було дзеркало, що відбиває життя, ми спочатку побачили б події вчорашнього дня, потім позавчорашнього і так далі. Ми могли б побачити, скажімо, старого, який поступово перетворюється на людину середніх років, потім на молоду, на юнака, на дитину... Тобто час повернув би назад, ми рухалися б із сьогодення в минуле. Причини і наслідки у своїй помінялися б місцями.

Хоча в цьому міркуванні повністю ігноруються технічні деталі процесу спостереження за світлом, з принципової точки зору воно наочно демонструє, що рух із надсвітловою швидкістю призводить до неможливої у світі ситуації. Проте природа поставила ще жорсткіші умови: недосяжний рух як із надсвітловою швидкістю, а й зі швидкістю, що дорівнює швидкості світла, - до неї можна лише наближатися. З теорії відносності випливає, що при збільшенні швидкості руху виникають три обставини: зростає маса об'єкта, що рухається, зменшується його розмір у напрямку руху і сповільнюється перебіг часу на цьому об'єкті (з точки зору зовнішнього "спочиваючого" спостерігача). При звичайних швидкостях ці зміни мізерно малі, але в міру наближення до швидкості світла вони стають все відчутнішими, а в межі - при швидкості, що дорівнює з, - Маса стає нескінченно великий, об'єкт повністю втрачає розмір у напрямку руху і час на ньому зупиняється. Тому ніяке матеріальне тіло не може досягти швидкості світла. Таку швидкість має тільки саме світло! (А також "всепроникна" частка - нейтрино, яка, як і фотон, не може рухатися зі швидкістю, меншою с.)

Тепер про швидкість передачі сигналу. Тут доречно користуватися уявленням світла як електромагнітних хвиль. Що таке сигнал? Це якась інформація, що підлягає передачі. Ідеальна електромагнітна хвиля - це нескінченна синусоїда строго однієї частоти, і вона не може нести жодної інформації, бо кожен період такої синусоїди точно повторює попередній. Швидкість переміщення фази синусоїдальної хвилі - так звана фазова швидкість - може в середовищі за певних умов перевищувати швидкість світла у вакуумі. Тут обмеження відсутні, оскільки фазова швидкість не є швидкістю сигналу – його ще немає. Щоб створити сигнал, треба зробити якусь відмітку на хвилі. Такою відміткою може бути, наприклад, зміна будь-якого параметра хвилі - амплітуди, частоти або початкової фази. Але як тільки позначка зроблена, хвиля втрачає синусоїдальність. Вона стає модульованою, що складається з набору простих синусоїдальних хвиль з різними амплітудами, частотами та початковими фазами - групи хвиль. Швидкість переміщення позначки в модульованій хвилі є швидкістю сигналу. При поширенні в середовищі ця швидкість зазвичай збігається з груповою швидкістю, що характеризує поширення вищезгаданої групи хвиль як цілого (див. "Наука життя" № 2, 2000 р.). За звичайних умов групова швидкість, отже, і швидкість сигналу менше швидкості світла у вакуумі. Тут не випадково вжито вираз "за звичайних умов", бо в деяких випадках і групова швидкість може перевищувати забо взагалі втрачати сенс, але тоді вона не відноситься до поширення сигналу. У СТО встановлюється, що неможлива передача сигналу зі швидкістю більшою з.

Чому це так? Тому що перешкодою для передачі будь-якого сигналу зі швидкістю більше зслужить той самий закон причинності. Уявімо таку ситуацію. У деякій точці А світловий спалах (подія 1) включає пристрій, що посилає певний радіосигнал, а у віддаленій точці під дією цього радіосигналу відбувається вибух (подія 2). Зрозуміло, що подія 1 (спалах) - причина, а подія 2 (вибух) - наслідок, що настає пізніше. Але якби радіосигнал поширювався з надсвітловою швидкістю, спостерігач поблизу точки В побачив би спочатку вибух, а вже потім - швидкість, що дійшла до нього. зсвітловий спалах, причина вибуху. Іншими словами, для цього спостерігача подія 2 відбулася б раніше, ніж подія 1, тобто слідство випередило причину.

Доречно підкреслити, що "надсвітла заборона" теорії відносності накладається тільки на рух матеріальних тіл і передачу сигналів. У багатьох ситуаціях можливий рух із будь-якою швидкістю, але це буде рух не матеріальних об'єктів і не сигналів. Наприклад, уявимо собі дві довгі лінійки, що лежать в одній площині, одна з яких розташована горизонтально, а інша перетинає її під малим кутом. Якщо першу лінійку рухати вниз (в напрямку, вказаному стрілкою) з великою швидкістю, точку перетину лінійок можна змусити бігти як завгодно швидко, але ця точка - не матеріальне тіло. Інший приклад: якщо взяти ліхтарик (або, скажімо, лазер, що дає вузький промінь) і швидко описати їм у повітрі дугу, то лінійна швидкість світлового зайчика збільшуватиметься з відстанню і на досить великому видаленні перевищить с.Світлова пляма переміститься між точками А і В з надсвітловою швидкістю, але це не буде передачею сигналу з А в, так як такий світловий зайчик не несе жодної інформації про точку А.

Здавалося б, питання надсвітлових швидкостей вирішено. Але в 60-х роках ХХ століття фізиками-теоретиками була висунута гіпотеза існування надсвітлових частинок, названих тахіонами. Це дуже дивні частинки: теоретично вони можливі, але, щоб уникнути протиріч із теорією відносності, їм довелося приписати уявну масу спокою. Фізично уявна маса немає, це суто математична абстракція. Однак це не викликало особливої тривоги, оскільки тахіони не можуть бути спокій - вони існують (якщо існують!) тільки при швидкостях, що перевищують швидкість світла у вакуумі, а в цьому випадку маса тахіону виявляється речовою. Тут є деяка аналогія з фотонами: у фотона маса спокою дорівнює нулю, але це просто означає, що фотон не може бути спокій - світло не можна зупинити.

Найбільш складним виявилося, як і слід очікувати, примирити тахіонну гіпотезу із законом причинності. Спроби, що робилися в цьому напрямку, хоч і були дотепними, не призвели до явного успіху. Експериментально зареєструвати тахіони також нікому не вдалося. У результаті інтерес до тахіонів як до надсвітлових елементарних частинок поступово зійшов нанівець.

Однак у 60-х роках було експериментально виявлено явище, спочатку що привело фізиків у замішання. Про це докладно розказано у статті А. Н. Ораєвського "Надсвітлові хвилі у посилюючих середовищах" (УФН № 12, 1998). Тут ми коротко наведемо суть справи, відсилаючи читача, який цікавиться подробицями, до цієї статті.

Незабаром після відкриття лазерів – на початку 60-х років – виникла проблема отримання коротких (тривалістю порядку 1 нс = 10 -9 с) імпульсів світла великої потужності. Для цього короткий лазерний імпульс пропускався через квантовий оптичний підсилювач. Імпульс розщеплювався світлоробним дзеркалом на дві частини. Одна з них, сильніша, прямувала в підсилювач, а інша поширювалася в повітрі і служила опорним імпульсом, з яким можна було порівнювати імпульс, що пройшов через підсилювач. Обидва імпульси подавалися на фотоприймачі, які вихідні сигнали могли візуально спостерігатися на екрані осцилографа. Очікувалося, що світловий імпульс, що проходить через підсилювач, зазнає в ньому деякої затримки порівняно з опорним імпульсом, тобто швидкість поширення світла в підсилювачі буде меншою, ніж у повітрі. Яке ж було подив дослідників, коли вони виявили, що імпульс поширювався через підсилювач зі швидкістю не тільки більшою, ніж у повітрі, а й перевищує швидкість світла у вакуумі у кілька разів!

Оговтавшись від першого шоку, фізики стали шукати причину такого несподіваного результату. Ні в кого не виникло навіть найменшого сумніву в принципах спеціальної теорії відносності, і саме це допомогло знайти правильне пояснення: якщо принципи СТО зберігаються, відповідь слід шукати у властивостях посилюючого середовища.

Не вдаючись тут до деталей, зазначимо лише, що докладний аналіз механізму дії посилюючого середовища повністю прояснив ситуацію. Справа полягала у зміні концентрації фотонів при поширенні імпульсу - зміні, обумовленому зміною коефіцієнта посилення середовища аж до негативного значення при проходженні задньої частини імпульсу, коли середовище вже поглинає енергію, бо її власний запас вже витрачено внаслідок передачі світлового імпульсу. Поглинання викликає не посилення, а ослаблення імпульсу, і, таким чином, імпульс виявляється посиленим у передній та ослабленим у задній його частині. Уявімо, що ми спостерігаємо за імпульсом за допомогою приладу, що рухається зі швидкістю світла серед підсилювача. Якби середовище було прозорим, ми бачили б застиглий у нерухомості імпульс. У середовищі ж, у якій відбувається згаданий вище процес, посилення переднього та ослаблення заднього фронту імпульсу буде представлятися спостерігачеві так, що середовище як би посунуло імпульс уперед. Але якщо прилад (спостерігач) рухається зі швидкістю світла, а імпульс обганяє його, то швидкість імпульсу перевищує швидкість світла! Саме цей ефект був зареєстрований експериментаторами. І тут справді немає суперечності з теорією відносності: просто процес посилення такий, що концентрація фотонів, що вийшли раніше, виявляється більшою, ніж вийшли пізніше. З надсвітловою швидкістю переміщуються не фотони, а загальна імпульсу, зокрема його максимум, який і спостерігається на осцилографі.

Таким чином, у той час як у звичайних середовищах завжди відбувається ослаблення світла та зменшення його швидкості, що визначається показником заломлення, в активних лазерних середовищах спостерігається не тільки посилення світла, але й поширення імпульсу з надсвітловою швидкістю.

Деякі фізики намагалися експериментально довести наявність надсвітлового руху при тунельному ефекті - одному з найдивовижніших явищ у квантовій механіці. Цей ефект полягає в тому, що мікрочастинка (точніше кажучи, мікрооб'єкт, що в різних умовах виявляє як властивості частки, так і властивості хвилі) здатна проникати через так званий потенційний бар'єр - явище, абсолютно неможливе в класичній механіці (в якій аналогом була б така ситуація : кинутий у стіну м'яч виявився б по інший бік стіни або хвилеподібний рух, наданий прив'язаної до стіни мотузці, передавалося б мотузці, прив'язаної до стіни з іншого боку). Сутність тунельного ефекту у квантовій механіці полягає в наступному. Якщо мікрооб'єкт, що має певну енергію, зустрічає на своєму шляху область з потенційною енергією, що перевищує енергію мікрооб'єкта, ця область є для нього бар'єром, висота якого визначається різницею енергій. Але мікрооб'єкт "просочується" через бар'єр! Таку можливість дає йому відоме співвідношення невизначеностей Гейзенберга, записане для енергії та часу взаємодії. Якщо взаємодія мікрооб'єкта з бар'єром відбувається протягом досить певного часу, то енергія мікрооб'єкта, навпаки, характеризуватиметься невизначеністю, і якщо ця невизначеність буде порядку висоти бар'єру, то останній перестає бути для мікрооб'єкта непереборною перешкодою. Ось швидкість проникнення через потенційний бар'єр і стала предметом досліджень низки фізиків, які вважають, що вона може перевищувати з.

У червні 1998 року у Кельні відбувся міжнародний симпозіум з проблем надсвітлових рухів, де обговорювалися результати, отримані у чотирьох лабораторіях - у Берклі, Відні, Кельні та у Флоренції.

І, нарешті, в 2000 році з'явилися повідомлення про два нові експерименти, в яких проявилися ефекти надсвітлового поширення. Один з них виконав Ліджун Вонг із співробітниками в дослідницькому інституті у Прінстоні (США). Його результат полягає в тому, що світловий імпульс, що входить у камеру, наповнену парами цезію, збільшує свою швидкість у 300 разів. Виходило, що головна частина імпульсу виходить із далекої стінки камери навіть раніше, ніж імпульс входить у камеру через передню стінку. Така ситуація суперечить не тільки здоровому глузду, але, по суті, і теорії відносності.

Повідомлення Л. Вонга викликало інтенсивне обговорення у колі фізиків, більшість яких не схильні бачити в отриманих результатах порушення принципів відносності. Завдання полягає в тому, чи вважають вони, щоб правильно пояснити цей експеримент.

В експерименті Л.Вонга світловий імпульс, що входить у камеру з парами цезію, мав тривалість близько 3 мкс. Атоми цезію можуть бути в шістнадцяти можливих квантовомеханічних станах, званих "надтонкі магнітні підрівні основного стану". За допомогою оптичного лазерного накачування майже всі атоми наводилися тільки в один із цих шістнадцяти станів, що відповідає майже абсолютному нулю температури за шкалою Кельвіна (-273,15 о C). Довжина цезієвої камери складала 6 сантиметрів. У вакуумі світло проходить 6 см за 0,2 нс. Через камеру з цезієм, як показали виконані вимірювання, світловий імпульс проходив за час на 62 нс менше, ніж у вакуумі. Іншими словами, час проходження імпульсу через цезієве середовище має знак "мінус"! Справді, якщо з 0,2 нс відняти 62 нс, отримаємо "негативний" час. Ця "негативна затримка" в середовищі - незбагненний тимчасовий стрибок - дорівнює часу, протягом якого імпульс зробив би 310 проходів через камеру у вакуумі. Наслідком цього "тимчасового перевороту" стало те, що імпульс, що виходить з камери, встиг відійти від неї на 19 метрів, перш ніж приходить імпульс досяг ближньої стінки камери. Як можна пояснити таку неймовірну ситуацію (якщо, звичайно, не сумніватися в чистоті експерименту)?

Судячи з дискусії, що розгорнулася, точне пояснення ще не знайдено, але безсумнівно, що тут грають роль незвичайні дисперсійні властивості середовища: пари цезію, що складаються з збуджених лазерним світлом атомів, є середовище з аномальною дисперсією. Нагадаємо коротко, що це таке.

Дисперсією речовини називається залежність фазового (звичайного) показника заломлення nвід довжини хвилі світла l. При нормальній дисперсії показник заломлення збільшується зі зменшенням довжини хвилі, і це має місце у склі, воді, повітрі та всіх інших прозорих для світла речовинах. У речовинах, що сильно поглинають світло, хід показника заломлення зі зміною довжини хвилі змінюється на зворотний і стає набагато крутішим: при зменшенні l (збільшенні частоти w) показник заломлення різко зменшується і в деякій області довжин хвиль стає менше одиниці (фазова швидкість Vф > з). Це і є аномальна дисперсія, за якої картина поширення світла в речовині змінюється радикальним чином. Групова швидкість Vгр стає більше фазової швидкості хвиль і може перевищити швидкість світла у вакуумі (а також стати негативною). Л. Вонг вказує на цю обставину як на причину, яка лежить в основі можливості пояснення результатів його експерименту. Слід зазначити, що умова Vгр > зє чисто формальним, оскільки поняття груповий швидкості введено випадку малої (нормальної) дисперсії, для прозорих середовищ, коли група хвиль при поширенні майже змінює своєї форми. У областях аномальної дисперсії світловий імпульс швидко деформується і поняття груповий швидкості втрачає сенс; в цьому випадку вводяться поняття швидкості сигналу і швидкості поширення енергії, які в прозорих середовищах збігаються з груповою швидкістю, а в середовищах з поглинанням залишаються менше швидкості світла у вакуумі. Але ось що цікаво в експерименті Вонга: світловий імпульс, пройшовши через середовище з аномальною дисперсією, не деформується – він точно зберігає свою форму! І це відповідає припущенню поширення імпульсу з груповий швидкістю. Але якщо так, то виходить, що в середовищі немає поглинання, хоча аномальна дисперсія середовища зумовлена саме поглинанням! Сам Вонг, визнаючи, що ще залишається незрозумілим, вважає, що що у його експериментальної установці можна у першому наближенні наочно пояснити так.

Світловий імпульс складається з безлічі складових із різними довжинами хвиль (частотами). На малюнку показано три з цих складових (хвилі 1-3). У певній точці всі три хвилі знаходяться у фазі (їх максимуми збігаються); тут вони, складаючись, посилюють один одного і утворюють імпульс. У міру подальшого поширення у просторі хвилі розфазуються і цим "гасять" один одного.

В області аномальної дисперсії (всередині цезієвої комірки) хвиля, яка була коротшою (хвиля 1), стає довшою. І навпаки, хвиля, що була найдовшою з трьох (хвиля 3), стає найкоротшою.

Отже, відповідно змінюються фази хвиль. Коли хвилі пройшли через цезієвий осередок, їх хвильові фронти відновлюються. Зазнавши незвичайну фазову модуляцію в речовині з аномальною дисперсією, три хвилі, що розглядаються, знову опиняються у фазі в деякій точці. Тут вони знову складаються і утворюють імпульс такої ж форми, як і входить в цезієве середовище.

Зазвичай у повітрі і практично в будь-якому прозорому середовищі з нормальною дисперсією світловий імпульс не може точно зберігати свою форму при поширенні на віддалену відстань, тобто всі його складові не можуть бути сфазовані в будь-якій віддаленій точці вздовж шляху розповсюдження. І в звичайних умовах світловий імпульс у такій віддаленій точці з'являється через деякий час. Однак внаслідок аномальних властивостей використаного в експерименті середовища імпульс у віддаленій точці виявився сфазований так само, як і при вході до цього середовища. Таким чином, світловий імпульс веде себе так, ніби він мав негативну тимчасову затримку на шляху до віддаленої точки, тобто прийшов би в неї не пізніше, а раніше ніж пройшов середу!

Більшість фізиків схильна пов'язувати цей результат із виникненням низькоінтенсивного провісника в диспергуючому середовищі камери. Справа в тому, що при спектральному розкладанні імпульсу в спектрі присутні складові скільки завгодно високих частот з мізерно малою амплітудою, так званий провісник, що йде попереду "головної частини" імпульсу. Характер встановлення і форма провісника залежить від закону дисперсії серед. Маючи це на увазі, послідовність подій в експерименті Вонга пропонується інтерпретувати так. Приходить хвиля, "простираючи" передвісник перед собою, наближається до камери. Перш ніж пік хвилі, що приходить, потрапить на ближню стінку камери, передвісник ініціює виникнення імпульсу в камері, який доходить до далекої стінки і відображається від неї, утворюючи "зворотну хвилю". Ця хвиля, поширюючись у 300 разів швидше з, досягає ближньої стінки і зустрічається з хвилею, що приходить. Піки однієї хвилі зустрічаються з западинами іншої, тому вони знищують один одного і в результаті нічого не залишається. Виходить, що хвиля, що приходить, "повертає борг" атомам цезію, які "позичили" їй енергію на іншому кінці камери. Той, хто спостерігав би тільки початок і кінець експерименту, побачив би лише імпульс світла, що "стрибнув" уперед у часі, рухаючись швидше с.

Л. Вонг вважає, що його експеримент не узгоджується з теорією відносності. Твердження про недосяжність надсвітлової швидкості, вважає він, застосовується тільки до об'єктів, що мають масу спокою. Світло може бути представлене або у вигляді хвиль, до яких взагалі не застосовується поняття маси, або у вигляді фотонів з масою спокою, як відомо, що дорівнює нулю. Тому швидкість світла у вакуумі, вважає Вонг, не межа. Тим не менш, Вонг визнає, що виявлений ним ефект не дає можливості передавати інформацію зі швидкістю більше. з.

"Інформація тут вже укладена в передньому краї імпульсу, - каже П. Мілонні, фізик з Лос-Аламоської національної лабораторії США. - І може скластися враження про надсвітлову посилку інформації, навіть коли ви її не посилаєте".

Більшість фізиків вважають, що нова робота не завдає нищівного удару за фундаментальними принципами. Але не всі фізики вважають, що проблему вирішено. Професор А. Ранфагні з італійської дослідницької групи, яка здійснила ще один цікавий експеримент 2000 року, вважає, що питання залишається відкритим. Цей експеримент, проведений Даніелом Мугнаї, Анедіо Ранфагні та Рокко Руггері, виявив, що радіохвилі сантиметрового діапазону у звичайному повітрі поширюються зі швидкістю, що перевищує зна 25%.

Резюмуючи, можна сказати таке. Роботи останніх років показують, що за певних умов надсвітлова швидкість справді може мати місце. Але що саме рухається із надсвітловою швидкістю? Теорія відносності, як згадувалося, забороняє таку швидкість для матеріальних тіл й у сигналів, несуть інформацію. Проте деякі дослідники дуже наполегливо намагаються продемонструвати подолання світлового бар'єру саме для сигналів. Причина цього у тому, що у спеціальній теорії відносності немає строгого математичного обгрунтування (базується, скажімо, на рівняннях Максвелла для електромагнітного поля) неможливості передачі сигналів зі швидкістю більше з. Така неможливість у СТО встановлюється, можна сказати, суто арифметично, виходячи з ейнштейнівської формули складання швидкостей, але фундаментально це підтверджується принципом причинності. Сам Ейнштейн, розглядаючи питання про надсвітлову передачу сигналів, писав, що в цьому випадку "...ми змушені вважати можливим механізм передачі сигналу, при використанні якого досягнута дія передує причині. Але, хоча цей результат з суто логічного погляду і не містить собі, на мою думку, ніяких суперечностей, він все ж таки настільки суперечить характеру всього нашого досвіду, що неможливість припущення V > звидається достатньою мірою доведеною". Принцип причинності - ось той наріжний камінь, який лежить в основі неможливості надсвітлової передачі сигналів. І про цей камінь, мабуть, будуть спотикатися всі без винятку пошуки надсвітлових сигналів, як би експериментаторам не хотілося виявити такі сигнали , Бо така природа нашого світу.

Насамкінець слід підкреслити, що все вищевикладене відноситься саме до нашого світу, до нашого Всесвіту. Таке застереження зроблено тому, що останнім часом в астрофізиці та космології з'являються нові гіпотези, що допускають існування безлічі прихованих від нас Всесвітів, з'єднаних топологічними тунелями-перемичками. Такий погляд дотримується, наприклад, відомий астрофізик М. З. Кардашев. Для зовнішнього спостерігача входи в ці тунелі позначаються аномальними полями тяжіння, подібно до чорних дірок. Переміщення в таких тунелях, як припускають автори гіпотез, дозволять обійти обмеження швидкості руху, що накладається в звичайному просторі швидкістю світла, і, отже, реалізувати ідею про створення машини часу... Не виключено, що в подібних Всесвітах дійсно можуть відбуватися незвичайні для нас речі. І хоча поки такі гіпотези надто вже нагадують сюжети з наукової фантастики, навряд чи слід категорично відкидати принципову можливість багатоелементної моделі устрою матеріального світу. Інша річ, що всі ці інші Всесвіти, швидше за все, залишаться чисто математичними побудовами фізиків-теоретиків, які живуть у нашому Всесвіті і силою своєї думки намагаються намацати закриті для нас світи.

в номері на ту ж тему

Подорож на надсвітловій швидкості одна з основ космічної наукової фантастики. Проте, напевно, всім – навіть людям, далеким від фізики, – відомо, що гранично можливою швидкістю руху матеріальних об'єктів чи розповсюдження будь-яких сигналів є швидкість світла у вакуумі. Вона позначається буквою з і становить майже 300 тисяч кілометрів на секунду; точна величина з = 299792458 м/с.

Швидкість світла у вакуумі – одна з фундаментальних фізичних констант. Неможливість досягнення швидкостей, що перевищують с, випливає із спеціальної теорії відносності (СТО) Ейнштейна. Якби вдалося довести, що можлива передача сигналів із надсвітловою швидкістю, теорія відносності впала б. Поки що цього не трапилося, незважаючи на численні спроби спростувати заборону на існування швидкостей великих с. Проте в експериментальних дослідженнях останнього часу виявилися деякі дуже цікаві явища, що свідчать про те, що за спеціально створених умов можна спостерігати надсвітлову швидкість і при цьому принципи теорії відносності не порушуються.

Для початку нагадаємо основні аспекти, що стосуються проблеми швидкості світла.

Насамперед: чому не можна (за звичайних умов) перевищити світлову межу? Тому що тоді порушується фундаментальний закон нашого світу – закон причинності, відповідно до якого слідство не може випереджати причину. Ніхто ніколи не спостерігав, щоб, наприклад, спочатку мертве впав ведмідь, а потім вистрілив мисливець. При швидкостях, що перевищують с, послідовність подій стає зворотною, стрічка часу відмотується назад. У цьому легко переконатись з наступного простого міркування.

Хоча в цьому міркуванні повністю ігноруються технічні деталі процесу спостереження за світлом, з принципової точки зору воно наочно демонструє, що рух із надсвітловою швидкістю призводить до неможливої у світі ситуації. Проте природа поставила ще жорсткіші умови: недосяжний рух як із надсвітловою швидкістю, а й зі швидкістю, що дорівнює швидкості світла, - до неї можна лише наближатися. З теорії відносності випливає, що при збільшенні швидкості руху виникають три обставини: зростає маса об'єкта, що рухається, зменшується його розмір у напрямку руху і сповільнюється перебіг часу на цьому об'єкті (з точки зору зовнішнього "спочиваючого" спостерігача). При звичайних швидкостях ці зміни мізерно малі, але в міру наближення до швидкості світла вони стають все відчутнішими, а в межі - при швидкості, що дорівнює, - маса стає нескінченно великий, об'єкт повністю втрачає розмір у напрямку руху і час на ньому зупиняється. Тому ніяке матеріальне тіло не може досягти швидкості світла. Таку швидкість має тільки саме світло! (А також "всепроникна" частка - нейтрино, яка, як і фотон, не може рухатися зі швидкістю, меншою за с.)

Тепер про швидкість передачі сигналу. Тут доречно користуватися уявленням світла як електромагнітних хвиль. Що таке сигнал? Це якась інформація, що підлягає передачі. Ідеальна електромагнітна хвиля - це нескінченна синусоїда строго однієї частоти, і вона не може нести жодної інформації, бо кожен період такої синусоїди точно повторює попередній. Швидкість переміщення фази синусоїдальної хвилі - так звана фазова швидкість - може в середовищі за певних умов перевищувати швидкість світла у вакуумі. Тут обмеження відсутні, оскільки фазова швидкість не є швидкістю сигналу – його ще немає. Щоб створити сигнал, треба зробити якусь відмітку на хвилі. Такою відміткою може бути, наприклад, зміна будь-якого параметра хвилі - амплітуди, частоти або початкової фази. Але як тільки позначка зроблена, хвиля втрачає синусоїдальність. Вона стає модульованою, що складається з набору простих синусоїдальних хвиль з різними амплітудами, частотами та початковими фазами - групи хвиль. Швидкість переміщення позначки в модульованій хвилі є швидкістю сигналу. При поширенні в середовищі ця швидкість зазвичай збігається з груповою швидкістю, що характеризує поширення вищезгаданої групи хвиль як цілого (див. "Наука життя" № 2, 2000 р.). За звичайних умов групова швидкість, отже, і швидкість сигналу менше швидкості світла у вакуумі. Тут не випадково вжито вираз "за звичайних умов", бо в деяких випадках і групова швидкість може перевищувати або взагалі втрачати сенс, але тоді вона не відноситься до поширення сигналу. У СТО встановлюється, що неможлива передача сигналу зі швидкістю, більшою за с.

Чому це так? Тому, що перешкодою для передачі будь-якого сигналу зі швидкістю більше служить той самий закон причинності. Уявімо таку ситуацію. У деякій точці А світловий спалах (подія 1) включає пристрій, що посилає певний радіосигнал, а у віддаленій точці під дією цього радіосигналу відбувається вибух (подія 2). Зрозуміло, що подія 1 (спалах) - причина, а подія 2 (вибух) - наслідок, що настає пізніше. Але якби радіосигнал поширювався з надсвітловою швидкістю, спостерігач поблизу точки В побачив би спочатку вибух, а вже потім - швидкий зі світловим спалахом, що дійшов до нього, причину вибуху. Іншими словами, для цього спостерігача подія 2 відбулася б раніше, ніж подія 1, тобто слідство випередило причину.

Доречно підкреслити, що "надсвітла заборона" теорії відносності накладається тільки на рух матеріальних тіл і передачу сигналів. У багатьох ситуаціях можливий рух із будь-якою швидкістю, але це буде рух не матеріальних об'єктів і не сигналів. Наприклад, уявимо собі дві довгі лінійки, що лежать в одній площині, одна з яких розташована горизонтально, а інша перетинає її під малим кутом. Якщо першу лінійку рухати вниз (в напрямку, вказаному стрілкою) з великою швидкістю, точку перетину лінійок можна змусити бігти як завгодно швидко, але ця точка - не матеріальне тіло. Інший приклад: якщо взяти ліхтарик (або, скажімо, лазер, що дає вузький промінь) і швидко описати їм у повітрі дугу, то лінійна швидкість світлового зайчика збільшуватиметься з відстанню і на досить великому видаленні перевищить с. Світлова пляма переміститься між точками А і В з надсвітловою швидкістю, але це не буде передачею сигналу з А в, так як такий світловий зайчик не несе жодної інформації про точку А.

Незабаром після відкриття лазерів – на початку 60-х років – виникла проблема отримання коротких (тривалістю порядку 1 нс = 10-9 с) імпульсів світла великої потужності. Для цього короткий лазерний імпульс пропускався через квантовий оптичний підсилювач. Імпульс розщеплювався світлоробним дзеркалом на дві частини. Одна з них, сильніша, прямувала в підсилювач, а інша поширювалася в повітрі і служила опорним імпульсом, з яким можна було порівнювати імпульс, що пройшов через підсилювач. Обидва імпульси подавалися на фотоприймачі, які вихідні сигнали могли візуально спостерігатися на екрані осцилографа. Очікувалося, що світловий імпульс, що проходить через підсилювач, зазнає в ньому деякої затримки порівняно з опорним імпульсом, тобто швидкість поширення світла в підсилювачі буде меншою, ніж у повітрі. Яке ж було подив дослідників, коли вони виявили, що імпульс поширювався через підсилювач зі швидкістю не тільки більшою, ніж у повітрі, а й перевищує швидкість світла у вакуумі у кілька разів!

В експерименті Л.Вонга світловий імпульс, що входить у камеру з парами цезію, мав тривалість близько 3 мкс. Атоми цезію можуть бути в шістнадцяти можливих квантовомеханічних станах, званих "надтонкі магнітні підрівні основного стану". За допомогою оптичного лазерного накачування майже всі атоми наводилися тільки в один із цих шістнадцяти станів, що відповідає майже абсолютному нулю температури за шкалою Кельвіна (-273,15оC). Довжина цезієвої камери складала 6 сантиметрів. У вакуумі світло проходить 6 см за 0,2 нс. Через камеру з цезієм, як показали виконані вимірювання, світловий імпульс проходив за час на 62 нс менше, ніж у вакуумі. Іншими словами, час проходження імпульсу через цезієве середовище має знак "мінус"! Справді, якщо з 0,2 нс відняти 62 нс, отримаємо "негативний" час. Ця "негативна затримка" в середовищі - незбагненний тимчасовий стрибок - дорівнює часу, протягом якого імпульс зробив би 310 проходів через камеру у вакуумі. Наслідком цього "тимчасового перевороту" стало те, що імпульс, що виходить з камери, встиг відійти від неї на 19 метрів, перш ніж приходить імпульс досяг ближньої стінки камери. Як можна пояснити таку неймовірну ситуацію (якщо, звичайно, не сумніватися в чистоті експерименту)?

Дисперсією речовини називається залежність фазового (звичайного) показника заломлення від довжини хвилі світла l. При нормальній дисперсії показник заломлення збільшується зі зменшенням довжини хвилі, і це має місце у склі, воді, повітрі та всіх інших прозорих для світла речовинах. У речовинах, що сильно поглинають світло, хід показника заломлення зі зміною довжини хвилі змінюється на зворотний і стає набагато крутішим: при зменшенні l (збільшенні частоти w) показник заломлення різко зменшується і в деякій області довжин хвиль стає менше одиниці (фазова швидкість Vф > с ). Це і є аномальна дисперсія, за якої картина поширення світла в речовині змінюється радикальним чином. Групова швидкість Vгр стає більшою за фазову швидкість хвиль і може перевищити швидкість світла у вакуумі (а також стати негативною). Л. Вонг вказує на цю обставину як на причину, яка лежить в основі можливості пояснення результатів його експерименту. Слід зазначити, що умова Vгр > з є чисто формальним, оскільки поняття груповий швидкості введено для випадку малої (нормальної) дисперсії, для прозорих середовищ, коли група хвиль при поширенні майже змінює своєї форми. У областях аномальної дисперсії світловий імпульс швидко деформується і поняття груповий швидкості втрачає сенс; в цьому випадку вводяться поняття швидкості сигналу і швидкості поширення енергії, які в прозорих середовищах збігаються з груповою швидкістю, а в середовищах з поглинанням залишаються менше швидкості світла у вакуумі. Але ось що цікаво в експерименті Вонга: світловий імпульс, пройшовши через середовище з аномальною дисперсією, не деформується – він точно зберігає свою форму! І це відповідає припущенню поширення імпульсу з груповий швидкістю. Але якщо так, то виходить, що в середовищі немає поглинання, хоча аномальна дисперсія середовища зумовлена саме поглинанням! Сам Вонг, визнаючи, що ще залишається незрозумілим, вважає, що що у його експериментальної установці можна у першому наближенні наочно пояснити так.

Більшість фізиків схильна пов'язувати цей результат із виникненням низькоінтенсивного провісника в диспергуючому середовищі камери. Справа в тому, що при спектральному розкладанні імпульсу в спектрі присутні складові скільки завгодно високих частот з мізерно малою амплітудою, так званий провісник, що йде попереду "головної частини" імпульсу. Характер встановлення і форма провісника залежить від закону дисперсії серед. Маючи це на увазі, послідовність подій в експерименті Вонга пропонується інтерпретувати так. Приходить хвиля, "простираючи" передвісник перед собою, наближається до камери. Перш ніж пік хвилі, що приходить, потрапить на ближню стінку камери, передвісник ініціює виникнення імпульсу в камері, який доходить до далекої стінки і відображається від неї, утворюючи "зворотну хвилю". Ця хвиля, поширюючись в 300 разів швидше, досягає ближньої стінки і зустрічається з хвилею. Піки однієї хвилі зустрічаються з западинами іншої, тому вони знищують один одного і в результаті нічого не залишається. Виходить, що хвиля, що приходить, "повертає борг" атомам цезію, які "позичили" їй енергію на іншому кінці камери. Той, хто спостерігав би тільки початок і кінець експерименту, побачив би лише імпульс світла, який "стрибнув" уперед у часі, рухаючись швидше за с.

Резюмуючи, можна сказати таке.

Роботи останніх років показують, що за певних умов надсвітлова швидкість справді може мати місце. Але що саме рухається із надсвітловою швидкістю? Теорія відносності, як згадувалося, забороняє таку швидкість для матеріальних тіл й у сигналів, несуть інформацію. Проте деякі дослідники дуже наполегливо намагаються продемонструвати подолання світлового бар'єру саме для сигналів. Причина цього у тому, що у спеціальній теорії відносності немає строгого математичного обгрунтування (базується, скажімо, на рівняннях Максвелла для електромагнітного поля) неможливості передачі сигналів зі швидкістю більше. Така неможливість у СТО встановлюється, можна сказати, суто арифметично, виходячи з ейнштейнівської формули складання швидкостей, але фундаментально це підтверджується принципом причинності. Сам Ейнштейн, розглядаючи питання про надсвітлову передачу сигналів, писав, що в цьому випадку "...ми змушені вважати можливим механізм передачі сигналу, при використанні якого досягнута дія передує причині. Але, хоча цей результат з суто логічного погляду і не містить собі, на мою думку, ніяких суперечностей, він все ж таки настільки суперечить характеру всього нашого досвіду, що неможливість припущення V > з уявляється достатньою мірою доведеною». Принцип причинності - ось той наріжний камінь, який є основою неможливості надсвітової передачі сигналів. І про цей камінь, мабуть, спотикатимуться всі без винятку пошуки надсвітлових сигналів, як би експериментаторам не хотілося виявити такі сигнали, бо така природа нашого світу.

Але все ж таки уявимо, що математика відносності, як і раніше, працюватиме на надсвітлових швидкостях. Це означає, що теоретично ми все-таки можемо дізнатися, що сталося б, якби тілу перевищити швидкість світла.

Уявімо собі два космічні кораблі, що прямують від Землі в бік зірки, яка віддалена від нашої планети на відстані 100 світлових років. Перший корабель залишає Землю зі швидкістю в 50% від швидкості світла, так що весь шлях у нього піде 200 років. Другий корабель, оснащений гіпотетичним варп-двигуном, вирушить зі швидкістю 200% від швидкості світла, але через 100 років після першого. Що ж станеться?

Відповідно до теорії відносності, правильна відповідь багато в чому залежить від перспективи спостерігача. З Землі здаватиметься, що перший корабель уже пройшов значну відстань, перш ніж його випередив другий корабель, який рухається вчетверо швидше. А ось з погляду людей, які перебувають на першому кораблі, все не так.

Корабель №2 рухається швидше світла, а значить може обігнати навіть світло, яке саме ж і випромінює. Це призводить до свого роду "світлової хвилі" (аналог звуковий, тільки замість вібрацій повітря тут вібрують світлові хвилі), що породжує кілька цікавих ефектів. Нагадаємо, що світло від корабля №2 рухається повільніше, ніж сам корабель. Внаслідок цього відбудеться візуальне подвоєння. Іншими словами, спочатку екіпаж корабля №1 побачить, що другий корабель виник поряд з ним немов із нізвідки. Потім світло від другого корабля з невеликим запізненням досягне першого, і в результаті вийде видима копія, яка рухатиметься в тому ж напрямку з невеликим відставанням.

Щось подібне можна побачити в комп'ютерних іграх, коли в результаті системного збою двигун провантажує модель та її алгоритми в кінцевій точці руху швидше, ніж закінчується сама анімація руху, тому виникають множинні дублі. Мабуть, саме тому наша свідомість і не сприймає той гіпотетичний аспект Всесвіту, в якому тіла рухаються на надсвітловій швидкості, можливо, це і на краще.

П.С. ... а ось в останньому прикладі я щось не зрозумів, чому реальне становище корабля пов'язується з "випромінюваним ним світлом"? Ну і нехай що бачитимуть його як то не там, але реально він обжене перший корабель!

джерела

Переглядів