25 март 2017 г

FTL пътуването е една от основите на космическата научна фантастика. Въпреки това, вероятно всеки - дори и хората, далеч от физиката - знае, че максималната възможна скорост на движение на материални обекти или разпространение на всякакви сигнали е скоростта на светлината във вакуум. Обозначава се с буквата c и е почти 300 хиляди километра в секунда; точна стойност c = 299 792 458 m/s.

Скоростта на светлината във вакуум е една от основните физически константи. Невъзможността за постигане на скорости над c следва от специалната теория на относителността (SRT) на Айнщайн. Ако беше възможно да се докаже, че предаването на сигнали със свръхсветлинна скорост е възможно, теорията на относителността би паднала. Досега това не се е случило, въпреки многобройните опити да се опровергае забраната за съществуване на скорости, по-големи от c. Въпреки това, последните експериментални проучвания разкриха някои много интересни явления, което показва, че при специално създадени условия е възможно да се наблюдават свръхсветлинни скорости и в същото време не се нарушават принципите на теорията на относителността.

Като начало нека си припомним основните аспекти, свързани с проблема за скоростта на светлината.

Първо: защо е невъзможно (при нормални условия) да се превиши границата на светлината? Защото тогава се нарушава основният закон на нашия свят – законът за причинността, според който следствието не може да изпревари причината. Никой никога не е забелязал, че например мечка първо падна мъртва, а след това ловец се простреля. При скорости, надвишаващи c, последователността от събития се обръща, лентата с време се пренавива. Това може лесно да се види от следните прости разсъждения.

Да предположим, че се намираме на определен космически кораб-чудо, движещ се по-бързо от светлината. След това постепенно ще настигнем светлината, излъчвана от източника в по-ранни и по-ранни моменти във времето. Първо, щяхме да настигнем фотони, излъчени, да речем, вчера, след това - излъчени завчера, след това - преди седмица, месец, година и т.н. Ако източникът на светлина беше огледало, отразяващо живота, тогава първо щяхме да видим събитията от вчера, след това завчера и т.н. Можехме да видим, да речем, един старец, който постепенно се превръща в мъж на средна възраст, после в млад мъж, в младеж, в дете... Тоест времето ще се върне назад, ще се преместим от настоящето в миналото. Тогава причината и следствието ще бъдат обърнати.

Въпреки че този аргумент напълно игнорира техническите детайли на процеса на наблюдение на светлината, от фундаментална гледна точка, той ясно демонстрира, че движението със свръхсветлинна скорост води до ситуация, която е невъзможна в нашия свят. Природата обаче е поставила още по-строги условия: движението е недостижимо не само със свръхсветлинна скорост, но и със скорост, равна на скоростта на светлината – можете само да се приближите до него. От теорията на относителността следва, че с увеличаване на скоростта на движение възникват три обстоятелства: масата на движещия се обект се увеличава, размерът му намалява в посоката на движение и протичането на времето върху този обект се забавя (от гледната точка на външен "почиващ" наблюдател). При обикновени скорости тези промени са незначителни, но когато се приближаваме до скоростта на светлината, те стават все по-забележими и в границата - при скорост равна на c - масата става безкрайно голяма, обектът напълно губи размера си в посоката на движение и времето спира на него. Следователно никое материално тяло не може да достигне скоростта на светлината. Само светлината има такава скорост! (И също така „всепроникваща“ частица – неутрино, което, подобно на фотон, не може да се движи със скорост по-малка от c.)

Сега за скоростта на предаване на сигнала. Тук е подходящо да се използва представянето на светлината под формата на електромагнитни вълни. Какво е сигнал? Това е някаква информация, която трябва да се предаде. Идеален електромагнитна вълна- това е безкрайна синусоида със строго една честота и не може да носи никаква информация, защото всеки период от такава синусоида точно повтаря предишния. Скоростта на движение на фазата на синусоидална вълна - така наречената фазова скорост - може в среда при определени условия да надвишава скоростта на светлината във вакуум. Тук няма ограничения, тъй като фазовата скорост не е скоростта на сигнала - тя все още не съществува. За да създадете сигнал, трябва да направите някакъв вид "маркировка" върху вълната. Такъв знак може да бъде например промяна в някой от параметрите на вълната - амплитуда, честота или начална фаза. Но веднага след като се направи белегът, вълната губи своята синусоидност. Той става модулиран, състоящ се от набор от прости синусоиди с различни амплитуди, честоти и начални фази- групи вълни. Скоростта на движение на марката в модулираната вълна е скоростта на сигнала. Когато се разпространява в среда, тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, характеризираща разпространението на горната група вълни като цяло (виж "Наука и живот" No 2, 2000). При нормални условия груповата скорост, а оттам и скоростта на сигнала, е по-малка от скоростта на светлината във вакуум. Неслучайно тук се използва изразът "при нормални условия", тъй като в някои случаи груповата скорост може да надвиши c или дори да загуби смисъла си, но тогава това не се отнася за разпространението на сигнала. В SRT е установено, че е невъзможно да се предаде сигнал със скорост, по-голяма от c.

Защо е така? Защото пречката за предаването на всеки сигнал със скорост по-голяма от c е същият закон за причинно-следствената връзка. Нека си представим такава ситуация. В даден момент А светлинна светкавица (събитие 1) включва устройство, което изпраща определен радиосигнал, а в отдалечена точка В под действието на този радиосигнал се получава експлозия (събитие 2). Ясно е, че събитие 1 (избухване) е причината, а събитие 2 (експлозия) е следствието, което се случва. по-късни причини. Но ако радиосигналът се разпространяваше със свръхсветлинна скорост, наблюдател близо до точка Б първо ще види експлозия и едва след това - проблясък на светлина, който достигна до него със скорост на светлинна светкавица, причината за експлозията. С други думи, за този наблюдател събитие 2 би се случило преди събитие 1, тоест ефектът би предхождал причината.

Уместно е да се подчертае, че „свръхсветалната забрана” на теорията на относителността се налага само върху движението на материалните тела и предаването на сигнали. В много ситуации е възможно да се движите с всякаква скорост, но това ще бъде движението на нематериални обекти и сигнали. Например, представете си две доста дълги линийки, лежащи в една и съща равнина, едната от които е разположена хоризонтално, а другата я пресича под малък ъгъл. Ако първата линия се премести надолу (в посоката, посочена от стрелката) с висока скорост, пресечната точка на линиите може да бъде накарана да върви произволно бързо, но тази точка не е материално тяло. Друг пример: ако вземете фенерче (или, да речем, лазер, който дава тесен лъч) и бързо опишете дъга във въздуха, тогава скорост на линиятана светлинно петно ​​ще се увеличава с разстоянието и на достатъчно голямо разстояние ще надвишава c. Светлинното петно ​​ще се движи между точки А и В със свръхсветлинна скорост, но това няма да бъде предаване на сигнал от А до В, тъй като такова светлинно петно ​​не носи никаква информация за точка А.

Изглежда, че въпросът за свръхсветлинните скорости е разрешен. Но през 60-те години на ХХ век физиците-теоретици излагат хипотезата за съществуването на свръхсветлинни частици, наречени тахиони. Това са много странни частици: теоретично са възможни, но за да се избегнат противоречия с теория на относителносттате трябваше да припишат въображаема маса на почивка. Физически въображаема маса не съществува, тя е чисто математическа абстракция. Това обаче не предизвика голямо безпокойство, тъй като тахионите не могат да бъдат в покой - те съществуват (ако съществуват!) само при скорости, надвишаващи скоростта на светлината във вакуум, и в този случай масата на тахиона се оказва реална. Тук има известна аналогия с фотоните: фотонът има нулева маса на покой, но това просто означава, че фотонът не може да бъде в покой - светлината не може да бъде спряна.

Най-трудното беше, както се очакваше, да се съгласува хипотезата за тахион със закона за причинността. Опитите, направени в тази посока, макар и доста гениални, не доведоха до очевиден успех. Никой също не е успял да регистрира експериментално тахиони. В резултат на това интересът към тахионите като свръхсветлинни елементарни частици постепенно избледнява.

Въпреки това, през 60-те години експериментално е открито явление, което отначало доведе физиците в объркване. Това е описано подробно в статията на А. Н. Ораевски „Над светлинни вълнив усилващи медии" (UFN № 12, 1998 г.). Тук накратко обобщаваме същността на въпроса, като препращаме читателя, който се интересува от подробностите, към посочената статия.

Малко след откриването на лазерите – в началото на 60-те години на миналия век – възниква проблемът с получаването на къси (с продължителност от порядъка на 1 ns = 10-9 s) светлинни импулси с висока мощност. За да направите това, кратък лазерен импулс беше прекаран през оптичен квантов усилвател. Импулсът беше разделен от огледало за разделяне на лъча на две части. Единият от тях, по-мощен, беше изпратен към усилвателя, а другият се разпространяваше във въздуха и служи като референтен импулс, с който беше възможно да се сравни импулсът, преминаващ през усилвателя. И двата импулса се подават на фотодетектори и техните изходни сигнали могат да се наблюдават визуално на екрана на осцилоскопа. Очакваше се светлинният импулс, преминаващ през усилвателя, да има известно закъснение в сравнение с еталонния импулс, тоест скоростта на разпространение на светлината в усилвателя ще бъде по-малка, отколкото във въздуха. Какво беше удивлението на изследователите, когато откриха, че импулсът се разпространява през усилвателя със скорост не само по-голяма от тази във въздуха, но и няколко пъти по-голяма от скоростта на светлината във вакуум!

След като се възстановиха от първия шок, физиците започнаха да търсят причината за такъв неочакван резултат. Никой не е имал и най-малко съмнение относно принципите на специалната теория на относителността и точно това помогна да се намери правилното обяснение: ако принципите на SRT са запазени, тогава отговорът трябва да се търси в свойствата на усилващата среда .

Без да навлизаме в подробности тук, само отбелязваме, че подробен анализ на механизма на действие на усилващата среда напълно изясни ситуацията. Въпросът беше в промяната в концентрацията на фотоните по време на разпространението на импулса - промяна поради промяна в коефициента на усилване на средата до отрицателна стойностпо време на преминаването на задната част на импулса, когато средата вече поглъща енергия, тъй като собственият й резерв вече е изразходван поради прехвърлянето й към светлинния импулс. Поглъщането не предизвиква увеличаване, а намаляване на импулса и по този начин импулсът се засилва отпред и отслабва в задната му част. Нека си представим, че наблюдаваме пулса с помощта на инструмент, движещ се със скоростта на светлината в средата на усилвател. Ако средата беше прозрачна, щяхме да видим импулс, замръзнал в неподвижност. В средата, в която протича процесът, споменат по-горе, засилването на предния фронт и отслабването на задния фронт на импулса ще се появят на наблюдателя по такъв начин, че средата като че ли е преместила импулса напред . Но тъй като устройството (наблюдателят) се движи със скоростта на светлината и импулсът го изпреварва, тогава скоростта на импулса надвишава скоростта на светлината! Именно този ефект е регистриран от експериментаторите. И тук наистина няма противоречие с теорията на относителността: просто процесът на усилване е такъв, че концентрацията на фотоните, които са излезли по-рано, се оказва по-голяма от тези, които са излезли по-късно. Не фотоните се движат със свръхсветлинна скорост, а обвивката на импулса, по-специално неговият максимум, която се наблюдава на осцилоскопа.

По този начин, докато в обикновените среди винаги има отслабване на светлината и намаляване на нейната скорост, определено от коефициента на пречупване, в активните лазерни среди се наблюдава не само усилване на светлината, но и разпространение на импулс със свръхсветлинна скорост.

Някои физици са се опитали експериментално да докажат наличието на свръхсветлинно движение в тунелния ефект, един от най- невероятни явленияв квантова механика. Този ефект се състои във факта, че микрочастица (по-точно микрообект, който проявява както свойствата на частица, така и свойствата на вълна при различни условия) е в състояние да проникне през така наречената потенциална бариера - явление, което е напълно невъзможно в класическата механика (в която подобна ситуация би била аналогична: топка, хвърлена в стената, ще се окаже от другата страна на стената, или вълнообразното движение, придадено на въже, завързано за стената, ще се предаде на въже, завързано за стената от другата страна). Същността на тунелния ефект в квантовата механика е следната. Ако микрообект с определена енергия срещне по пътя си участък с потенциална енергия, превишаваща енергията на микрообекта, тази зона за него е бариера, чиято височина се определя от енергийната разлика. Но микрообектът „пропуска“ през преградата! Тази възможност му се дава от добре известното отношение на неопределеността на Хайзенберг, написано за енергията и времето на взаимодействие. Ако взаимодействието на микрообекта с бариерата се случи за достатъчно определено време, тогава енергията на микрообекта, напротив, ще се характеризира с несигурност и ако тази несигурност е от порядъка на височината на бариерата, тогава последната престава да бъде непреодолима пречка за микрообекта. Именно скоростта на проникване през потенциалната бариера е станала обект на изследване от редица физици, които смятат, че тя може да надхвърли c.

През юни 1998 г. в Кьолн се провежда международен симпозиум по проблемите на свръхсветлинните движения, на който се обсъждат резултатите, получени в четири лаборатории – в Бъркли, Виена, Кьолн и Флоренция.

И накрая, през 2000 г. са докладвани два нови експеримента, в които се появяват ефектите от свръхсветлинното разпространение. Едно от тях е изпълнено от Лиджун Вонг със служители в изследователски институтв Принстън (САЩ). Неговият резултат е, че светлинен импулс, влизащ в камера, пълна с цезиеви пари, увеличава скоростта си с коефициент 300. Оказа се, че основната част от импулса напуска далечната стена на камерата още преди импулсът да влезе в камерата през предната стена. Подобна ситуация противоречи не само на здравия разум, но по същество и на теорията на относителността.

Докладът на Л. Вонг предизвика интензивна дискусия сред физиците, повечето от които не са склонни да видят в получените резултати нарушение на принципите на относителността. Те смятат, че предизвикателството е да се обясни правилно този експеримент.

В експеримента на L. Wong светлинният импулс, влизащ в камерата с цезиеви пари, е с продължителност около 3 μs. Цезиевите атоми могат да бъдат в шестнадесет възможни квантово механични състояния, наречени "хиперфини магнитни поднива основно състояние". Използвайки оптично лазерно изпомпване, почти всички атоми бяха доведени само до едно от тези шестнадесет състояния, съответстващи на почти абсолютна нулева температура по скалата на Келвин (-273,15 ° C). Дължината на цезиевата камера беше 6 сантиметра. Във вакуум светлината пътува 6 сантиметра за 0,2 ns. Както показаха измерванията, светлинният импулс преминава през камерата с цезий за време с 62 ns по-кратко, отколкото във вакуум. С други думи, времето за преминаване на импулс през цезиева среда има знак "минус"! Всъщност, ако извадим 62 ns от 0,2 ns, получаваме "отрицателно" време. Това "отрицателно забавяне" в средата - неразбираем скок във времето - е равно на времето, през което импулсът ще направи 310 преминаване през камерата във вакуум. Последствието от това „обръщане на времето“ е, че импулсът, напускащ камерата, успява да се отдалечи от нея с 19 метра, преди входящият импулс да достигне близката стена на камерата. Как може да се обясни такава невероятна ситуация (освен ако, разбира се, няма съмнение в чистотата на експеримента)?

Съдейки по разгорялата се дискусия, все още не е намерено точно обяснение, но няма съмнение, че необичайните дисперсионни свойства на средата играят роля тук: цезиевите пари, състоящи се от атоми, възбудени от лазерна светлина, са среда с аномална дисперсия. Нека си припомним накратко какво представлява.

Дисперсията на веществото е зависимостта на фазовия (обикновен) коефициент на пречупване n от дължината на вълната на светлината l. При нормална дисперсия коефициентът на пречупване се увеличава с намаляване на дължината на вълната и това е така в стъклото, водата, въздуха и всички други вещества, прозрачни за светлина. При вещества, които силно абсорбират светлината, ходът на индекса на пречупване се обръща с промяна на дължината на вълната и става много по-стръмен: с намаляване на l (увеличаване на честотата w) коефициентът на пречупване рязко намалява и в определен диапазон от дължини на вълната става по-малък отколкото единица (фазова скорост Vf > s ). Това е аномалната дисперсия, при която моделът на разпространение на светлината в веществото се променя радикално. Груповата скорост Vgr става по-голяма от фазовата скорост на вълните и може да надвиши скоростта на светлината във вакуум (и също така да стане отрицателна). Л. Вонг посочва това обстоятелство като причина, която стои в основата на възможността за обяснение на резултатите от неговия експеримент. Трябва обаче да се отбележи, че условието Vgr > c е чисто формално, тъй като концепцията за групова скорост е въведена за случай на малка (нормална) дисперсия, за прозрачни среди, когато група вълни почти не променя формата си по време на размножаване. В области с аномална дисперсия обаче светлинният импулс бързо се деформира и понятието за групова скорост губи своето значение; в този случай се въвеждат понятията скорост на сигнала и скорост на разпространение на енергията, които в прозрачни среди съвпадат с груповата скорост, докато в среди с абсорбция остават по-малки от скоростта на светлината във вакуум. Но ето какво е интересното в експеримента на Уонг: светлинният импулс, преминаващ през среда с аномална дисперсия, не се деформира – той запазва формата си точно! И това съответства на предположението, че импулсът се разпространява с груповата скорост. Но ако е така, тогава се оказва, че няма поглъщане в средата, въпреки че аномалната дисперсия на средата се дължи именно на абсорбцията! Самият Вонг, признавайки, че много остава неясно, вярва, че това, което се случва в неговата експериментална настройка, може да бъде ясно обяснено като първо приближение, както следва.

Светлинният импулс се състои от много компоненти с различни дължини на вълната (честоти). Фигурата показва три от тези компонента (вълни 1-3). В даден момент и трите вълни са във фаза (техните максимуми съвпадат); тук те, събирайки се, се подсилват взаимно и образуват импулс. Тъй като вълните се разпространяват по-нататък в пространството, те са извън фаза и по този начин се "гасят" една друга.

В областта на аномална дисперсия (вътре в цезиевата клетка) вълната, която е била по-къса (вълна 1), става по-дълга. Обратно, вълната, която е била най-дългата от трите (вълна 3), става най-късата.

Следователно фазите на вълните също се променят съответно. Когато вълните преминат през цезиевата клетка, техните вълнови фронтове се възстановяват. След като са претърпели необичайна фазова модулация в вещество с аномална дисперсия, трите разглеждани вълни отново се оказват във фаза в някакъв момент. Тук те се събират отново и образуват импулс с точно същата форма като този, който влиза в цезиевата среда.

Обикновено във въздуха и наистина във всяка нормално диспергирана прозрачна среда, светлинният импулс не може точно да поддържа формата си, когато се разпространява на отдалечено разстояние, тоест всичките му компоненти не могат да бъдат във фаза в която и да е отдалечена точка по пътя на разпространение. И при нормални условия светлинен импулс в такава отдалечена точка се появява след известно време. Въпреки това, поради аномалните свойства на средата, използвана в експеримента, импулсът в отдалечената точка се оказа фазиран по същия начин, както при влизане в тази среда. По този начин светлинният импулс се държи така, сякаш има отрицателно време закъснение по пътя си към отдалечена точка, тоест би стигнал до него не по-късно, а по-рано, отколкото е преминал средата!

Повечето физици са склонни да свързват този резултат с появата на прекурсор с нисък интензитет в дисперсионната среда на камерата. Факт е, че при спектралното разлагане на импулса спектърът съдържа компоненти с произволно високи честоти с незначителна амплитуда, така нареченият прекурсор, който изпреварва "основната част" на импулса. Естеството на установяването и формата на прекурсора зависят от закона на дисперсията в средата. Имайки предвид това, се предлага последователността на събитията в експеримента на Уонг да се тълкува по следния начин. Влизащата вълна, "разтягайки" предвестника пред себе си, се приближава към камерата. Преди пикът на входящата вълна да удари близката стена на камерата, предшественикът инициира появата на импулс в камерата, който достига до далечната стена и се отразява от нея, образувайки "обратна вълна". Тази вълна, разпространяваща се 300 пъти по-бързо от c, достига близката стена и се среща с входящата вълна. Върховете на една вълна се срещат с вдлъбнатините на друга, така че се отменят един друг и нищо не остава. Оказва се, че входящата вълна "връща дълга" към цезиевите атоми, които са й "заели" енергия в другия край на камерата. Всеки, който наблюдава само началото и края на експеримента, ще види само импулс от светлина, който „скача“ напред във времето, движейки се по-бързо от c.

Л. Вонг смята, че неговият експеримент не е в съответствие с теорията на относителността. Твърдението за недостижимостта на свръхсветлинната скорост според него е приложимо само за обекти с маса на покой. Светлината може да бъде представена или под формата на вълни, за които понятието маса по принцип е неприложимо, или под формата на фотони с маса на покой, както е известно, равна на нула. Следователно скоростта на светлината във вакуум, според Вонг, не е границата. Въпреки това, Вонг признава, че ефектът, който е открил, прави невъзможно предаването на информация по-бързо от c.

„Информацията тук вече се съдържа в предния край на пулса“, казва П. Милони, физик от Националната лаборатория в Лос Аламос в САЩ.

Повечето физици вярват в това нова работане нанася съкрушителен удар върху основните принципи. Но не всички физици вярват, че проблемът е решен. Професор А. Ранфани от италианския изследователски екип, който проведе друг интересен експеримент през 2000 г., казва, че въпросът все още е отворен. Този експеримент, проведен от Даниел Муняи, Анедио Ранфани и Роко Руджери, установи, че радиовълните с сантиметрови вълни се разпространяват в нормален въздух със скорост 25% по-бърза от c.

Обобщавайки, можем да кажем следното.

Върши работа последните годинипоказват, че при определени условия свръхсветлинна скоростможе наистина да се осъществи. Но какво точно се движи със свръхсветлинна скорост? Теорията на относителността, както вече споменахме, забранява такава скорост за материални тела и за сигнали, носещи информация. Въпреки това някои изследователи са много упорити в опитите си да демонстрират преодоляването на светлинната бариера специално за сигнали. Причината за това се крие във факта, че в специалната теория на относителността няма строга математическа обосновка (базирана, да речем, на уравненията на Максуел за електромагнитно поле) невъзможността за предаване на сигнали със скорост, по-голяма от c. Такава невъзможност в SRT се установява, може да се каже, чисто аритметично, въз основа на формулата на Айнщайн за добавяне на скорости, но по фундаментален начин това се потвърждава от принципа на причинно-следствената връзка. Самият Айнщайн, разглеждайки въпроса за предаването на свръхсветлинен сигнал, пише, че в този случай "... ние сме принудени да считаме за възможен механизъм за предаване на сигнал, при използване на който постигнатото действие предхожда причината. Но въпреки че това е резултат от чисто логически гледната точка не съдържа, според мен, никакви противоречия, но въпреки това противоречи на характера на целия ни опит до такава степен, че невъзможността на допускането V > c изглежда достатъчно доказана. Принципът на причинно-следствената връзка е крайъгълният камък, който стои в основата на невъзможността за свръхсветлинно сигнализиране. И очевидно всички търсения на свръхсветлинни сигнали, без изключение, ще се спънат в този камък, независимо колко експериментаторите биха искали да открият такива сигнали, защото такава е природата на нашия свят.

Но все пак, нека си представим, че математиката на относителността все още ще работи със свръхсветлинни скорости. Това означава, че теоретично все още можем да разберем какво би се случило, ако тялото превиши скоростта на светлината.

Представете си два космически кораба, които се насочват от Земята към звезда, която е на 100 светлинни години от нашата планета. Първият кораб напуска Земята със скорост 50% от скоростта на светлината, така че ще са необходими 200 години, за да завърши пътуването. Вторият кораб, оборудван с хипотетично варп задвижване, ще отпътува със скорост от 200% от светлината, но 100 години след първия. Какво ще се случи?

Според теорията на относителността правилният отговор до голяма степен зависи от гледната точка на наблюдателя. От Земята ще изглежда, че първият кораб вече е изминал значително разстояние, преди да бъде изпреварен от втория кораб, който се движи четири пъти по-бързо. Но от гледна точка на хората на първия кораб всичко е малко по-различно.

Кораб №2 се движи по-бързо от светлината, което означава, че може да изпревари дори светлината, която излъчва. Това води до един вид "светлинна вълна" (аналогично на звука, тук вибрират само светлинните вълни вместо въздушни вибрации), което поражда няколко интересни ефекта. Припомнете си, че светлината от кораб №2 се движи по-бавно от самия кораб. Резултатът ще бъде визуално удвояване. С други думи, отначало екипажът на кораб №1 ще види, че вторият кораб се е появил до тях сякаш от нищото. След това светлината от втория кораб ще достигне до първия кораб с леко закъснение и резултатът ще бъде видимо копие, което ще се движи в същата посока с леко закъснение.

Нещо подобно може да се види в компютърни игри, когато в резултат на системна повреда двигателят зарежда модела и неговите алгоритми в крайната точка на движението по-бързо, отколкото приключва самата анимация на движение, така че да се получат множество дубли. Вероятно затова нашето съзнание не възприема онзи хипотетичен аспект на Вселената, в който телата се движат със свръхсветлинна скорост – може би това е за най-доброто.

P.S. ... и тук вътре последен примерНе разбрах нещо, защо истинското положение на кораба е свързано със "излъчената от него светлина"? Е, въпреки че ще го видят някак на грешното място, но в действителност той ще изпревари първия кораб!

източници

Сенките могат да пътуват по-бързо от светлината, но не могат да носят материя или информация

Възможен ли е свръхсветлинен полет?

Разделите в тази статия имат подзаглавия и можете да се обърнете към всеки раздел поотделно.

Прости примери за FTL пътуване

1. Черенков ефект

Когато говорим за свръхсветлинно движение, имаме предвид скоростта на светлината във вакуум. ° С(299 792 458 m/s). Следователно ефектът на Черенков не може да се разглежда като пример за свръхсветлинно движение.

2. Трети наблюдател

Ако ракетата Аотлита от мен със скорост 0.6cна запад и ракетата Ботлита от мен със скорост 0.6cна изток, тогава виждам, че разстоянието между Аи Бнараства със скорост 1.2в. Гледайки летят ракети Аи Ботвън третият наблюдател вижда, че общата скорост на отстраняване на ракетите е по-голяма от ° С .

въпреки това относителна скоростне е равно на сумата от скоростите. скорост на ракетата Апо отношение на ракетата Бе скоростта, с която се увеличава разстоянието до ракетата А, което се вижда от наблюдател, летящ на ракета Б. Относителната скорост трябва да се изчисли с помощта на релативистичната формула за добавяне на скорости. (Вижте Как добавяте скорости в специалната теория на относителността?) В този пример относителната скорост е приблизително 0,88с. Така че в този пример не получихме FTL.

3. Светлина и сянка

Помислете колко бързо може да се движи сянката. Ако лампата е близо, тогава сянката на пръста ви върху далечната стена се движи много по-бързо, отколкото пръстът се движи. Когато движите пръста успоредно на стената, скоростта на сянката Д/гпъти по-голяма от скоростта на пръста. Тук де разстоянието от лампата до пръста и д- от лампата до стената. Скоростта ще бъде още по-голяма, ако стената е под ъгъл. Ако стената е много далеч, тогава движението на сянката ще изостане от движението на пръста, тъй като светлината отнема време, за да стигне до стената, но скоростта на сянката, движеща се по стената, ще се увеличи още повече. Скоростта на сянката не е ограничена от скоростта на светлината.

Друг обект, който може да пътува по-бързо от светлината, е светлинно петно ​​от лазер, насочен към Луната. Разстоянието до Луната е 385 000 км. Можете сами да изчислите скоростта на движение на светлинното петно ​​на повърхността на Луната с малки колебания на лазерната показалка в ръката си. Може да ви хареса и примерът на вълна, която удря права линия на плажа под лек ъгъл. С каква скорост може да се движи точката на пресичане на вълната и брега по плажа?

Всички тези неща могат да се случат в природата. Например, лъч светлина от пулсар може да тече по облак прах. мощна експлозияможе да създаде сферични вълни от светлина или радиация. Когато тези вълни се пресичат с повърхност, на тази повърхност се появяват кръгове от светлина и се разширяват по-бързо от светлината. Такова явление се наблюдава например, когато електромагнитен импулс от светкавица преминава през горните слоеве на атмосферата.

4. Твърдо тяло

Ако имате дълъг, твърд прът и ударите единия край на пръчката, другият край не се ли движи веднага? Това не е ли начин за свръхсветлинно предаване на информация?

Това би било правилно акоимаше идеално твърди тела. На практика ударът се предава по протежение на пръта със скоростта на звука, която зависи от еластичността и плътността на материала на пръта. В допълнение, теорията на относителността ограничава възможните скорости на звука в материал със стойността ° С .

Същият принцип важи, ако държите струна или пръчка вертикално, пуснете я и тя започва да пада под въздействието на гравитацията. Горният край, който пуснете, започва да пада веднага, но долният край ще започне да се движи едва след известно време, тъй като загубата на задържаща сила се предава надолу по пръта със скоростта на звука в материала.

Формулирането на релативистката теория на еластичността е доста сложно, но Главна идеяможе да се илюстрира с помощта на нютонова механика. Уравнението на надлъжното движение на идеално еластично тяло може да се изведе от закона на Хук. Означете линейната плътност на пръта ρ , модул на Янг Й. Надлъжно изместване худовлетворява вълновото уравнение

ρ d 2 X/dt 2 - Y d 2 X/dx 2 = 0

Разтворът на плоската вълна се движи със скоростта на звука с, което се определя от формулата s 2 = Y/ρ. Вълновото уравнение не позволява на смущенията на средата да се движат по-бързо, отколкото със скоростта с. В допълнение, теорията на относителността дава ограничение на размера на еластичността: Й< ρc 2 . На практика нито един известен материал не се доближава до тази граница. Имайте предвид също, че дори ако скоростта на звука е близка до ° С, тогава самата материя не е задължително да се движи с релативистична скорост.

Въпреки че в природата няма твърди тела, има движение на твърди тела, който може да се използва за преодоляване на скоростта на светлината. Тази тема принадлежи към вече описания раздел за сенките и светлинните петна. (Вижте Свръхсветлинните ножици, Твърдият въртящ се диск в относителността).

5. Фазова скорост

вълново уравнение
d 2 u/dt 2 - c 2 d 2 u/dx 2 + w 2 u = 0

има решение във формата
u \u003d A cos (ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 = 0

Това са синусоидални вълни, които се разпространяват със скорост v
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Но това е повече от c. Може би това е уравнението за тахиони? (вижте раздела по-долу). Не, това е обичайното релативистко уравнение за частица с маса.

За да премахнете парадокса, трябва да правите разлика между "фазова скорост" v ph и "групова скорост" vграндиозен
v ph v gr = c 2

Разтворът под формата на вълна може да има дисперсия по честота. В този случай вълновият пакет се движи с групова скорост, по-малка от ° С. Използвайки вълнов пакет, информацията може да се предава само с групова скорост. Вълните във вълновия пакет се движат с фазова скорост. Фазовата скорост е друг пример за FTL движение, което не може да се използва за комуникация.

6. Свръхсветлинни галактики

7. Релативистична ракета

Нека наблюдател на Земята види космически кораб, който се отдалечава със скорост 0,8cСпоред теорията на относителността той ще види, че часовникът на космическия кораб работи 5/3 пъти по-бавно. Ако разделим разстоянието до кораба на времето на полета според бордовия часовник, получаваме скоростта 4/3в. Наблюдателят заключава, че използвайки бордовия си часовник, пилотът на кораба също ще определи, че той лети със свръхсветлинна скорост. От гледна точка на пилота часовникът му работи нормално, а междузвездното пространство се е свило с коефициент 5/3. Следователно, той прелита известните разстояния между звездите по-бързо, със скорост 4/3в .

Но това все още не е свръхсветлинен полет. Не можете да изчислите скоростта, като използвате разстоянието и времето, определени в различни референтни системи.

8. Скорост на гравитацията

Някои настояват, че скоростта на гравитацията е много по-бърза ° Сили дори безкрайно. Вижте дали гравитацията пътува със скоростта на светлината? и какво е гравитационно лъчение? Гравитационни смущения и гравитационни вълниразпространяват със скорост ° С .

9. Парадокс на EPR

10. Виртуални фотони

11. Квантов тунелен ефект

В квантовата механика тунелният ефект позволява на частица да преодолее бариера, дори ако енергията й не е достатъчна за това. Възможно е да се изчисли времето за тунелиране през такава бариера. И може да се окаже по-малко от необходимото, за да може светлината да преодолее същото разстояние със скорост ° С. Може ли да се използва за изпращане на съобщения по-бързо от светлина?

Квантовата електродинамика казва "Не!" Въпреки това беше проведен експеримент, който демонстрира свръхсветлинното предаване на информация с помощта на тунелния ефект. През преграда с ширина 11,4 см при скорост 4,7 ° СБеше представена Четиридесетата симфония на Моцарт. Обяснението за този експеримент е много противоречиво. Повечето физици смятат, че с помощта на тунелния ефект е невъзможно да се предаде информацияпо-бързо от светлината. Ако беше възможно, тогава защо да не изпратите сигнал към миналото, като поставите оборудването в бързо движеща се референтна рамка.

17. Квантова теория на полето

С изключение на гравитацията, всички наблюдавани физически явления отговарят на "Стандартния модел". Стандартният модел е релативистична квантова теория на полето, която обяснява електромагнитните и ядрените сили и всички известни частици. В тази теория всяка двойка оператори, съответстващи на физически наблюдаеми, разделени от интервал от събития, подобен на пространство, "комутира" (тоест може да се промени реда на тези оператори). По принцип това предполага, че стандартен моделударът не може да се движи по-бързо от светлината и това може да се счита за еквивалент на квантовото поле на аргумента за безкрайна енергия.

Въпреки това, в квантовата теория на полето на Стандартния модел няма безупречно строги доказателства. Все още никой дори не е доказал, че тази теория е вътрешно последователна. Най-вероятно не е така. Във всеки случай няма гаранция, че няма все още неоткрити частици или сили, които не се подчиняват на забраната за свръхсветлинно движение. Също така няма обобщение на тази теория, включително гравитацията и общата теория на относителността. Много физици, работещи в областта квантова гравитация, се съмнявам, че простите понятия за причинност и локалност ще бъдат обобщени. Няма гаранция, че в една бъдеща по-пълна теория скоростта на светлината ще запази значението на ограничаващата скорост.

18. Парадокс на дядо

В специалната теория на относителността частица, пътуваща по-бързо от светлината в една референтна система, се движи назад във времето в друга референтна система. FTL пътуването или предаването на информация би направило възможно пътуването или изпращането на съобщение към миналото. Ако такова пътуване във времето беше възможно, тогава бихте могли да се върнете назад във времето и да промените хода на историята, като убиете дядо си.

Това е много силен аргумент срещу възможността за FTL пътуване. Вярно е, че остава почти невероятна възможност да е възможно някакво ограничено свръхсветлинно пътуване, което да не позволява връщане към миналото. Или може би пътуването във времето е възможно, но причинно-следствената връзка се нарушава по някакъв последователен начин. Всичко това е много неправдоподобно, но ако обсъждаме FTL, по-добре е да сме готови за нови идеи.

Обратното също е вярно. Ако можехме да пътуваме назад във времето, бихме могли да преодолеем скоростта на светлината. Можете да се върнете назад във времето, да летите някъде с ниска скорост и да пристигнете там, преди да пристигне светлината, изпратена по обичайния начин. Вижте Пътуване във времето за подробности по тази тема.

Отворени въпроси за FTL пътуване

В този последен раздел ще опиша няколко сериозни идеивъзможно пътуване по-бързо от светлината. Тези теми не се включват често в ЧЗВ, защото са по-скоро много нови въпроси, отколкото отговори. Те са включени тук, за да покажат, че се правят сериозни изследвания в тази посока. Дадено е само кратко въведение по темата. Подробности можете да намерите в интернет. Както с всичко в Интернет, бъдете критични към тях.

19. Тахиони

Тахионите са хипотетични частици, които пътуват по-бързо от светлината на местно ниво. За да направите това, те трябва да имат въображаема стойност на масата. В този случай енергията и импулсът на тахиона са реални величини. Няма причина да се смята, че свръхсветлинните частици не могат да бъдат открити. Сенките и светлините могат да се движат по-бързо от светлината и могат да бъдат открити.

Досега тахиони не са открити и физиците се съмняват в съществуването им. Имаше твърдения, че в експерименти за измерване на масата на неутрино, произведена от бета разпада на тритий, неутрино са тахиони. Това е съмнително, но все още не е окончателно опровергано.

Има проблеми в теорията на тахионите. В допълнение към евентуалното нарушаване на причинно-следствената връзка, тахионите също правят вакуума нестабилен. Може да е възможно да се заобиколят тези трудности, но дори и тогава няма да можем да използваме тахиони за свръхсветлинно предаване на съобщения.

Повечето физици смятат, че появата на тахиони в една теория е знак за някои проблеми с тази теория. Идеята за тахионите е толкова популярна сред публиката, просто защото често се споменават във фентъзи литературата. Вижте Тахиони.

20. Червееви дупки

Повечето известен начинглобално свръхсветлинно пътуване - използването на "червейни дупки". Червеевата дупка е процеп в пространство-времето от една точка във Вселената до друга, което ви позволява да стигнете от единия край на дупката до другия по-бързо от обичайния път. Червеевите дупки се описват от общата теория на относителността. За да ги създадете, трябва да промените топологията на пространство-време. Може би това ще стане възможно в рамките на квантовата теория на гравитацията.

За да запазите дупката на червей отворена, имате нужда от зони с отрицателна енергия. C.W.Misner и K.S.Thorne предложиха да се използва ефектът на Казимир в голям мащаб за създаване на отрицателна енергия. Visser предложи използването на космически струни за това. Това са много спекулативни идеи и може да не са възможни. Може би не съществува необходимата форма на екзотична материя с отрицателна енергия.

Скоростта на разпространение на светлината е 299 792 458 метра в секунда, но отдавна е престанала да бъде пределна стойност. "Футурист" е събрал 4 теории, където светлината вече не е Михаел Шумахер.

Американски учен от японски произход, специалист в областта на теоретичната физика Мичио Каку е сигурен, че скоростта на светлината може да бъде преодоляна.

Голям взрив

от най-много известен пример, когато светлинната бариера е преодоляна, Мичио Каку нарича Големия взрив - ултра-бърз "поп", който се превръща в началото на разширяването на Вселената, до което тя е била в единично състояние.

„Никой материален обект не може да преодолее светлинната бариера. Но празното пространство със сигурност може да пътува по-бързо от светлината. Нищо не може да бъде по-празно от вакуума, така че да може да се разширява по-бърза скоростсветлина“, сигурен е ученият.

Фенерче в нощното небе

Ако осветите фенерче в нощното небе, тогава по принцип лъч, който отива от една част на Вселената в друга, разположен на разстояние от много светлинни години, може да пътува по-бързо от скоростта на светлината. Проблемът е, че в този случай няма да има материален обект, който всъщност да се движи по-бързо от светлината. Представете си, че сте заобиколени от гигантска сфера с диаметър една светлинна година. Изображението на лъч светлина ще се втурне през тази сфера за броени секунди, въпреки нейния размер. Но само изображението на лъча може да се движи през нощното небе по-бързо от светлината, а не информацията или материалния обект.

квантово заплитане

По-бърз от скоростта на светлината може да бъде не някакъв обект, а цялото явление или по-скоро връзката, която се нарича квантово заплитане. Това е квантово механично явление, при което квантовите състояния на два или повече обекта са взаимозависими. За да получите двойка квантово заплетени фотони, можете да осветите лазер върху нелинеен кристал с определена честота и интензитет. В резултат на разсейването на лазерния лъч фотоните ще се появят в два различни поляризационни конуса, връзката между които ще се нарича квантово заплитане. И така, квантовото заплитане е един от начините за взаимодействие на субатомните частици и процесът на тази връзка може да се случи по-бързо от светлината.

„Ако два електрона се сближат, те ще вибрират в унисон, според квантовата теория. Но ако след това тези електрони бъдат разделени на много светлинни години, те все още ще поддържат връзка един с друг. Ако разклатите единия електрон, другият ще почувства тази вибрация и това ще се случи по-бързо от скоростта на светлината. Алберт Айнщайн смяташе, че ще опровергае това явление квантовата теория, защото нищо не може да пътува по-бързо от светлината, но всъщност той греши“, казва Мичио Каку.

Червееви дупки

Темата за преодоляването на скоростта на светлината се играе в много научнофантастични филми. Сега дори тези, които са далеч от астрофизика, чуват фразата „ къртична дупкаБлагодарение на филма Interstellar. Това е специална кривина в пространствено-времевата система, тунел в пространството, който ви позволява да преодолявате огромни разстояния за незначително време.

За такава кривина говорят не само сценаристи на филми, но и учени. Мичио Каку вярва, че червейната дупка (червеевата дупка) или, както още я наричат, червейната дупка е един от двата най-реалистични начина за предаване на информация по-бързо от скоростта на светлината.

Вторият начин, който също е свързан с промени в материята, е свиването на пространството пред вас и разширяването зад вас. В това изкривено пространство възниква вълна, която се движи по-бързо от скоростта на светлината, ако се задвижва от тъмна материя.

Така единственият реален шанс човек да се научи да преодолява светлинната бариера може да се крие в общата теория на относителността и кривината на пространството и времето. Всичко обаче почива на едно и също тъмна материя: никой не знае дали съществува със сигурност и дали дупките на червеи са стабилни.

Доктор на техническите науки А. ГОЛУБЕВ.

В средата на миналата година в списанията се появи сензационен репортаж. Група американски изследователи установиха, че много кратък лазерен импулс се движи стотици пъти по-бързо в специално подбрана среда, отколкото във вакуум. Това явление изглеждаше абсолютно невероятно (скоростта на светлината в среда винаги е по-малка от тази във вакуум) и дори породи съмнения относно валидността на специалната теория на относителността. Междувременно свръхсветлинен физически обект - лазерен импулс в усилваща среда - е открит за първи път не през 2000 г., а 35 години по-рано, през 1965 г., и възможността за свръхсветлинно движение е широко обсъждана до началото на 70-те години. Днес дискусията около това странно явление се разгоря с нова сила.

Примери за "свръхсветно" движение.

В началото на 60-те години на миналия век късите светлинни импулси с висока мощност започват да се получават чрез преминаване на лазерна светкавица през квантов усилвател (среда с обратна популация).

В усилващата среда началната област на светлинния импулс предизвиква стимулирано излъчване на атоми в усилвателната среда, а крайната й област предизвиква поглъщане на енергия от тях. В резултат на това на наблюдателя ще изглежда, че пулсът се движи по-бързо от светлината.

Експеримент на Лиджун Вонг.

Светлинен лъч, преминаващ през призма от прозрачен материал (като стъкло), се пречупва, тоест изпитва дисперсия.

Светлинният импулс е набор от трептения с различни честоти.

Вероятно всеки - дори хората, далеч от физиката - знае, че максималната възможна скорост на движение на материални обекти или разпространение на всякакви сигнали е скоростта на светлината във вакуум. Той е отбелязан с буквата Си е почти 300 хиляди километра в секунда; точна стойност С= 299 792 458 m/s. Скоростта на светлината във вакуум е една от основните физически константи. Невъзможността за постигане на превишаване на скоростта С, следва от специалната теория на относителността (SRT) на Айнщайн. Ако беше възможно да се докаже, че предаването на сигнали със свръхсветлинна скорост е възможно, теорията на относителността би паднала. Досега това не се е случило, въпреки многобройните опити да се опровергае забраната за съществуване на скорости, по-големи от С. Въпреки това, последните експериментални изследвания разкриха някои много интересни явления, които показват, че при специално създадени условия е възможно да се наблюдават свръхсветлинни скорости, без да се нарушават принципите на теорията на относителността.

Като начало нека си припомним основните аспекти, свързани с проблема за скоростта на светлината. Първо: защо е невъзможно (при нормални условия) да се превиши границата на светлината? Защото тогава се нарушава основният закон на нашия свят – законът за причинността, според който следствието не може да изпревари причината. Никой никога не е забелязал, че например мечка първо падна мъртва, а след това ловец се простреля. При скорости надвишаващи С, последователността на събитията се обръща, лентата с време се пренавива. Това може лесно да се види от следните прости разсъждения.

Да предположим, че се намираме на определен космически кораб-чудо, движещ се по-бързо от светлината. След това постепенно ще настигнем светлината, излъчвана от източника в по-ранни и по-ранни моменти във времето. Първо, щяхме да настигнем фотони, излъчени, да речем, вчера, след това - излъчени завчера, след това - преди седмица, месец, година и т.н. Ако източникът на светлина беше огледало, отразяващо живота, тогава първо щяхме да видим събитията от вчера, след това завчера и т.н. Можехме да видим, да речем, един старец, който постепенно се превръща в мъж на средна възраст, после в млад мъж, в младеж, в дете... Тоест времето ще се върне назад, ще се преместим от настоящето в миналото. Тогава причината и следствието ще бъдат обърнати.

Въпреки че този аргумент напълно игнорира техническите детайли на процеса на наблюдение на светлината, от фундаментална гледна точка, той ясно демонстрира, че движението със свръхсветлинна скорост води до ситуация, която е невъзможна в нашия свят. Природата обаче е поставила още по-строги условия: движението е недостижимо не само със свръхсветлинна скорост, но и със скорост, равна на скоростта на светлината – можете само да се приближите до него. От теорията на относителността следва, че с увеличаване на скоростта на движение възникват три обстоятелства: масата на движещия се обект се увеличава, размерът му намалява в посоката на движение и протичането на времето върху този обект се забавя (от гледната точка на външен "почиващ" наблюдател). При обикновени скорости тези промени са незначителни, но когато се приближаваме до скоростта на светлината, те стават все по-забележими, а в границата - при скорост равна на С, - масата става безкрайно голяма, обектът напълно губи размера си в посока на движение и времето спира върху него. Следователно никое материално тяло не може да достигне скоростта на светлината. Само светлината има такава скорост! (А също и „всепроникващата“ частица – неутриното, което, подобно на фотона, не може да се движи със скорост по-малка от С.)

Сега за скоростта на предаване на сигнала. Тук е подходящо да се използва представянето на светлината под формата на електромагнитни вълни. Какво е сигнал? Това е някаква информация, която трябва да се предаде. Идеалната електромагнитна вълна е безкрайна синусоида със строго една честота и не може да носи никаква информация, тъй като всеки период от такава синусоида точно повтаря предишния. Скоростта, с която се движи фазата на синусоидата - така наречената фазова скорост - може да надвишава скоростта на светлината във вакуум при определени условия. Тук няма ограничения, тъй като фазовата скорост не е скоростта на сигнала - тя все още не съществува. За да създадете сигнал, трябва да направите някакъв вид "маркировка" върху вълната. Такъв знак може да бъде например промяна в някой от параметрите на вълната - амплитуда, честота или начална фаза. Но веднага след като се направи белегът, вълната губи своята синусоидност. Тя става модулирана, състояща се от набор от прости синусоидални вълни с различни амплитуди, честоти и начални фази - група вълни. Скоростта на движение на марката в модулираната вълна е скоростта на сигнала. Когато се разпространява в среда, тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, характеризираща разпространението на горната група вълни като цяло (виж "Наука и живот" No 2, 2000). При нормални условия груповата скорост, а оттам и скоростта на сигнала, е по-малка от скоростта на светлината във вакуум. Неслучайно тук се използва изразът "при нормални условия", тъй като в някои случаи груповата скорост може да надвишава и Сили дори губят смисъл, но тогава това не се отнася за разпространението на сигнала. В SRT е установено, че е невъзможно да се предава сигнал със скорост, по-голяма от С.

Защо е така? Тъй като препятствието за предаването на всеки сигнал със скорост по-голяма от Ссе прилага същият закон за причинно-следствената връзка. Нека си представим такава ситуация. В даден момент А светлинна светкавица (събитие 1) включва устройство, което изпраща определен радиосигнал, а в отдалечена точка В под действието на този радиосигнал се получава експлозия (събитие 2). Ясно е, че събитие 1 (избухване) е причината, а събитие 2 (експлозия) е следствието, което настъпва по-късно от причината. Но ако радиосигналът се разпространяваше със свръхсветлинна скорост, наблюдател близо до точка B първо ще види експлозия и едва след това - достигайки я със скорост Спроблясък на светлина, причината за експлозията. С други думи, за този наблюдател събитие 2 би се случило преди събитие 1, тоест ефектът би предхождал причината.

Уместно е да се подчертае, че „свръхсветалната забрана” на теорията на относителността се налага само върху движението на материалните тела и предаването на сигнали. В много ситуации е възможно да се движите с всякаква скорост, но това ще бъде движението на нематериални обекти и сигнали. Например, представете си две доста дълги линийки, лежащи в една и съща равнина, едната от които е разположена хоризонтално, а другата я пресича под малък ъгъл. Ако първата линия се премести надолу (в посоката, посочена от стрелката) с висока скорост, пресечната точка на линиите може да бъде накарана да върви произволно бързо, но тази точка не е материално тяло. Друг пример: ако вземете фенерче (или, да речем, лазер, който дава тесен лъч) и бързо опишете дъга във въздуха, тогава линейната скорост на светлинното петно ​​ще се увеличава с разстоянието и на достатъчно голямо разстояние, ще надхвърли С.Светлинното петно ​​ще се движи между точки А и В със свръхсветлинна скорост, но това няма да бъде предаване на сигнал от А до В, тъй като такова светлинно петно ​​не носи никаква информация за точка А.

Изглежда, че въпросът за свръхсветлинните скорости е разрешен. Но през 60-те години на ХХ век физиците-теоретици излагат хипотезата за съществуването на свръхсветлинни частици, наречени тахиони. Това са много странни частици: теоретично са възможни, но за да се избегнат противоречия с теорията на относителността, трябваше да им бъде приписана въображаема маса на покой. Физически въображаема маса не съществува, тя е чисто математическа абстракция. Това обаче не предизвика голямо безпокойство, тъй като тахионите не могат да бъдат в покой - те съществуват (ако съществуват!) само при скорости, надвишаващи скоростта на светлината във вакуум, и в този случай масата на тахиона се оказва реална. Тук има известна аналогия с фотоните: фотонът има нулева маса на покой, но това просто означава, че фотонът не може да бъде в покой - светлината не може да бъде спряна.

Най-трудното беше, както се очакваше, да се съгласува хипотезата за тахион със закона за причинността. Опитите, направени в тази посока, макар и доста гениални, не доведоха до очевиден успех. Никой също не е успял да регистрира експериментално тахиони. В резултат на това интересът към тахионите като свръхсветлинни елементарни частици постепенно избледнява.

Въпреки това, през 60-те години експериментално е открито явление, което отначало доведе физиците в объркване. Това е описано подробно в статията на А. Н. Ораевски "Свръхсветни вълни в усилващи среди" (UFN № 12, 1998 г.). Тук накратко обобщаваме същността на въпроса, като препращаме читателя, който се интересува от подробностите, към споменатата статия.

Малко след откриването на лазерите, в началото на 60-те години, възниква проблемът за получаване на къси (с продължителност от порядъка на 1 ns = 10 -9 s) светлинни импулси с висока мощност. За да направите това, кратък лазерен импулс беше прекаран през оптичен квантов усилвател. Импулсът беше разделен от огледало за разделяне на лъча на две части. Единият от тях, по-мощен, беше изпратен към усилвателя, а другият се разпространяваше във въздуха и служи като референтен импулс, с който беше възможно да се сравни импулсът, преминаващ през усилвателя. И двата импулса се подават на фотодетектори и техните изходни сигнали могат да се наблюдават визуално на екрана на осцилоскопа. Очакваше се светлинният импулс, преминаващ през усилвателя, да има известно закъснение в сравнение с еталонния импулс, тоест скоростта на разпространение на светлината в усилвателя ще бъде по-малка, отколкото във въздуха. Какво беше удивлението на изследователите, когато откриха, че импулсът се разпространява през усилвателя със скорост не само по-голяма от тази във въздуха, но и няколко пъти по-голяма от скоростта на светлината във вакуум!

След като се възстановиха от първия шок, физиците започнаха да търсят причината за такъв неочакван резултат. Никой не е имал и най-малко съмнение относно принципите на специалната теория на относителността и точно това помогна да се намери правилното обяснение: ако принципите на SRT са запазени, тогава отговорът трябва да се търси в свойствата на усилващата среда .

Без да навлизаме в подробности тук, само отбелязваме, че подробен анализ на механизма на действие на усилващата среда напълно изясни ситуацията. Въпросът беше промяна в концентрацията на фотоните по време на разпространението на импулса - промяна поради промяна в усилването на средата до отрицателна стойност по време на преминаването на задната част на импулса, когато средата вече е поглъщаща енергия, тъй като собственият му резерв вече е изразходван поради прехвърлянето му към светлинния импулс. Поглъщането не предизвиква увеличаване, а намаляване на импулса и по този начин импулсът се засилва отпред и отслабва в задната му част. Нека си представим, че наблюдаваме пулса с помощта на инструмент, движещ се със скоростта на светлината в средата на усилвател. Ако средата беше прозрачна, щяхме да видим импулс, замръзнал в неподвижност. В средата, в която протича процесът, споменат по-горе, засилването на предния фронт и отслабването на задния фронт на импулса ще се появят на наблюдателя по такъв начин, че средата като че ли е преместила импулса напред . Но тъй като устройството (наблюдателят) се движи със скоростта на светлината и импулсът го изпреварва, тогава скоростта на импулса надвишава скоростта на светлината! Именно този ефект е регистриран от експериментаторите. И тук наистина няма противоречие с теорията на относителността: просто процесът на усилване е такъв, че концентрацията на фотоните, които са излезли по-рано, се оказва по-голяма от тези, които са излезли по-късно. Не фотоните се движат със свръхсветлинна скорост, а обвивката на импулса, по-специално неговият максимум, която се наблюдава на осцилоскопа.

По този начин, докато в обикновените среди винаги има отслабване на светлината и намаляване на нейната скорост, определено от коефициента на пречупване, в активните лазерни среди се наблюдава не само усилване на светлината, но и разпространение на импулс със свръхсветлинна скорост.

Някои физици са се опитали да докажат експериментално наличието на свръхсветлинно движение в тунелния ефект, едно от най-удивителните явления в квантовата механика. Този ефект се състои във факта, че микрочастица (по-точно микрообект, който проявява както свойствата на частица, така и свойствата на вълна при различни условия) е в състояние да проникне през така наречената потенциална бариера - явление, което е напълно невъзможно в класическата механика (в която подобна ситуация би била аналогична: топка, хвърлена в стената, ще се окаже от другата страна на стената, или вълнообразното движение, придадено на въже, завързано за стената, ще се предаде на въже, завързано за стената от другата страна). Същността на тунелния ефект в квантовата механика е следната. Ако микрообект с определена енергия срещне по пътя си участък с потенциална енергия, превишаваща енергията на микрообекта, тази зона за него е бариера, чиято височина се определя от енергийната разлика. Но микрообектът „пропуска“ през преградата! Тази възможност му се дава от добре известното отношение на неопределеността на Хайзенберг, написано за енергията и времето на взаимодействие. Ако взаимодействието на микрообекта с бариерата се случи за достатъчно определено време, тогава енергията на микрообекта, напротив, ще се характеризира с несигурност и ако тази несигурност е от порядъка на височината на бариерата, тогава последната престава да бъде непреодолима пречка за микрообекта. Именно скоростта на проникване през потенциалната бариера е станала обект на изследване от редица физици, които смятат, че тя може да надхвърли С.

През юни 1998 г. в Кьолн се провежда международен симпозиум по проблемите на свръхсветлинните движения, на който се обсъждат резултатите, получени в четири лаборатории – в Бъркли, Виена, Кьолн и Флоренция.

И накрая, през 2000 г. са докладвани два нови експеримента, в които се появяват ефектите от свръхсветлинното разпространение. Едно от тях е извършено от Лиджун Вонг и сътрудници в изследователски институт в Принстън (САЩ). Неговият резултат е, че светлинен импулс, влизащ в камера, пълна с цезиеви пари, увеличава скоростта си с коефициент 300. Оказа се, че основната част от импулса напуска далечната стена на камерата още преди импулсът да влезе в камерата през предната стена. Подобна ситуация противоречи не само на здравия разум, но по същество и на теорията на относителността.

Докладът на Л. Вонг предизвика интензивна дискусия сред физиците, повечето от които не са склонни да видят в получените резултати нарушение на принципите на относителността. Те смятат, че предизвикателството е да се обясни правилно този експеримент.

В експеримента на L. Wong светлинният импулс, влизащ в камерата с цезиеви пари, е с продължителност около 3 μs. Цезиевите атоми могат да бъдат в шестнадесет възможни квантово механични състояния, наречени "хиперфини магнитни поднива основно състояние". С помощта на оптично лазерно изпомпване почти всички атоми бяха доведени само до едно от тези шестнадесет състояния, съответстващи на почти абсолютна нулева температура по скалата на Келвин (-273,15 o C). Дължината на цезиевата камера беше 6 сантиметра. Във вакуум светлината пътува 6 сантиметра за 0,2 ns. Както показаха измерванията, светлинният импулс преминава през камерата с цезий за време с 62 ns по-кратко, отколкото във вакуум. С други думи, времето за преминаване на импулс през цезиева среда има знак "минус"! Всъщност, ако извадим 62 ns от 0,2 ns, получаваме "отрицателно" време. Това "отрицателно забавяне" в средата - неразбираем скок във времето - е равно на времето, през което импулсът ще направи 310 преминаване през камерата във вакуум. Последствието от това „обръщане на времето“ е, че импулсът, напускащ камерата, успява да се отдалечи от нея с 19 метра, преди входящият импулс да достигне близката стена на камерата. Как може да се обясни такава невероятна ситуация (освен ако, разбира се, няма съмнение в чистотата на експеримента)?

Съдейки по разгорялата се дискусия, все още не е намерено точно обяснение, но няма съмнение, че необичайните дисперсионни свойства на средата играят роля тук: цезиевите пари, състоящи се от атоми, възбудени от лазерна светлина, са среда с аномална дисперсия. Нека си припомним накратко какво представлява.

Дисперсията на веществото е зависимостта на фазовия (обикновен) показател на пречупване нвърху дължината на вълната на светлината l. При нормална дисперсия коефициентът на пречупване се увеличава с намаляване на дължината на вълната и това е така в стъклото, водата, въздуха и всички други вещества, прозрачни за светлина. При вещества, които силно абсорбират светлината, ходът на индекса на пречупване се обръща с промяна на дължината на вълната и става много по-стръмен: с намаляване на l (увеличаване на честотата w) коефициентът на пречупване рязко намалява и в определен диапазон от дължини на вълната става по-малък отколкото единица (фазова скорост V f > С). Това е аномалната дисперсия, при която моделът на разпространение на светлината в веществото се променя радикално. групова скорост V cp става по-голямо от фазовата скорост на вълните и може да надвиши скоростта на светлината във вакуум (и също така да стане отрицателна). Л. Вонг посочва това обстоятелство като причина, която стои в основата на възможността за обяснение на резултатите от неговия експеримент. Трябва обаче да се отбележи, че условието Vгр > Се чисто формален, тъй като концепцията за групова скорост е въведена за случай на малка (нормална) дисперсия, за прозрачни среди, когато група вълни почти не променя формата си по време на разпространение. В области с аномална дисперсия обаче светлинният импулс бързо се деформира и понятието за групова скорост губи своето значение; в този случай се въвеждат понятията скорост на сигнала и скорост на разпространение на енергията, които в прозрачни среди съвпадат с груповата скорост, докато в среди с абсорбция остават по-малки от скоростта на светлината във вакуум. Но ето какво е интересното в експеримента на Уонг: светлинният импулс, преминаващ през среда с аномална дисперсия, не се деформира – той запазва формата си точно! И това съответства на предположението, че импулсът се разпространява с груповата скорост. Но ако е така, тогава се оказва, че няма поглъщане в средата, въпреки че аномалната дисперсия на средата се дължи именно на абсорбцията! Самият Вонг, признавайки, че много остава неясно, вярва, че това, което се случва в неговата експериментална настройка, може да бъде ясно обяснено като първо приближение, както следва.

Светлинният импулс се състои от много компоненти с различни дължини на вълната (честоти). Фигурата показва три от тези компонента (вълни 1-3). В даден момент и трите вълни са във фаза (техните максимуми съвпадат); тук те, събирайки се, се подсилват взаимно и образуват импулс. Тъй като вълните се разпространяват по-нататък в пространството, те са извън фаза и по този начин се "гасят" една друга.

В областта на аномална дисперсия (вътре в цезиевата клетка) вълната, която е била по-къса (вълна 1), става по-дълга. Обратно, вълната, която е била най-дългата от трите (вълна 3), става най-късата.

Следователно фазите на вълните също се променят съответно. Когато вълните преминат през цезиевата клетка, техните вълнови фронтове се възстановяват. След като са претърпели необичайна фазова модулация в вещество с аномална дисперсия, трите разглеждани вълни отново се оказват във фаза в някакъв момент. Тук те се събират отново и образуват импулс с точно същата форма като този, който влиза в цезиевата среда.

Обикновено във въздуха и наистина във всяка нормално диспергирана прозрачна среда, светлинният импулс не може точно да поддържа формата си, когато се разпространява на отдалечено разстояние, тоест всичките му компоненти не могат да бъдат във фаза в която и да е отдалечена точка по пътя на разпространение. И при нормални условия светлинен импулс в такава отдалечена точка се появява след известно време. Въпреки това, поради аномалните свойства на средата, използвана в експеримента, импулсът в отдалечената точка се оказа фазиран по същия начин, както при влизане в тази среда. По този начин светлинният импулс се държи така, сякаш има отрицателно време закъснение по пътя си към отдалечена точка, тоест би стигнал до него не по-късно, а по-рано, отколкото е преминал средата!

Повечето физици са склонни да свързват този резултат с появата на прекурсор с нисък интензитет в дисперсионната среда на камерата. Факт е, че при спектралното разлагане на импулса спектърът съдържа компоненти с произволно високи честоти с незначителна амплитуда, така нареченият прекурсор, който изпреварва "основната част" на импулса. Естеството на установяването и формата на прекурсора зависят от закона на дисперсията в средата. Имайки предвид това, се предлага последователността на събитията в експеримента на Уонг да се тълкува по следния начин. Влизащата вълна, "разтягайки" предвестника пред себе си, се приближава към камерата. Преди пикът на входящата вълна да удари близката стена на камерата, предшественикът инициира появата на импулс в камерата, който достига до далечната стена и се отразява от нея, образувайки "обратна вълна". Тази вълна, разпространяваща се 300 пъти по-бързо С, достига до близката стена и среща входящата вълна. Върховете на една вълна се срещат с вдлъбнатините на друга, така че се отменят един друг и нищо не остава. Оказва се, че входящата вълна "връща дълга" към цезиевите атоми, които са й "заели" енергия в другия край на камерата. Някой, който наблюдаваше само началото и края на експеримента, ще види само импулс светлина, който "скача" напред във времето, движейки се по-бързо С.

Л. Вонг смята, че неговият експеримент не е в съответствие с теорията на относителността. Твърдението за недостижимостта на свръхсветлинната скорост според него е приложимо само за обекти с маса на покой. Светлината може да бъде представена или под формата на вълни, за които понятието маса по принцип е неприложимо, или под формата на фотони с маса на покой, както е известно, равна на нула. Следователно скоростта на светлината във вакуум, според Вонг, не е границата. Въпреки това, Уонг признава, че ефектът, който е открил, не прави възможно предаването на информация със скорост, по-голяма от С.

„Информацията тук вече се съдържа в предния край на пулса“, казва П. Милони, физик от Националната лаборатория в Лос Аламос в САЩ.

Повечето физици смятат, че новата работа не нанася съкрушителен удар върху фундаменталните принципи. Но не всички физици вярват, че проблемът е решен. Професор А. Ранфани от италианския изследователски екип, който проведе друг интересен експеримент през 2000 г., казва, че въпросът все още е отворен. Този експеримент, проведен от Даниел Муняи, Анедио Ранфани и Роко Руджери, установи, че радиовълните с сантиметрови вълни се разпространяват в обикновения въздух със скорост, надвишаваща Сс 25%.

Обобщавайки, можем да кажем следното. Произведенията от последните години показват, че при определени условия свръхсветлинната скорост наистина може да се осъществи. Но какво точно се движи със свръхсветлинна скорост? Теорията на относителността, както вече споменахме, забранява такава скорост за материални тела и за сигнали, носещи информация. Въпреки това някои изследователи са много упорити в опитите си да демонстрират преодоляването на светлинната бариера специално за сигнали. Причината за това се крие във факта, че в специалната теория на относителността няма строга математическа обосновка (базирана, да речем, на уравненията на Максуел за електромагнитно поле) за невъзможността за предаване на сигнали със скорост, по-голяма от С. Такава невъзможност в SRT се установява, може да се каже, чисто аритметично, въз основа на формулата на Айнщайн за добавяне на скорости, но по фундаментален начин това се потвърждава от принципа на причинно-следствената връзка. Самият Айнщайн, разглеждайки въпроса за предаването на свръхсветлинен сигнал, пише, че в този случай "... ние сме принудени да считаме за възможен механизъм за предаване на сигнал, при използване на който постигнатото действие предхожда причината. Но въпреки че това е резултат от чисто логически гледната точка не съдържа в себе си, според мен, никакви противоречия, но въпреки това противоречи на характера на целия ни опит дотолкова, че невъзможността да се предположи V > cизглежда е достатъчно доказан." Принципът на причинно-следствената връзка е крайъгълният камък, който стои в основата на невъзможността за предаване на свръхсветлинен сигнал. И този камък, очевидно, ще препъне всички търсения на свръхсветлинни сигнали, без изключение, без значение колко експериментаторите биха искали да открият такива сигнали, защото това е природата на нашия свят.

В заключение трябва да се подчертае, че всичко по-горе се отнася конкретно за нашия свят, за нашата Вселена. Тази уговорка е направена, защото последните временав астрофизика и космология се появяват нови хипотези, които позволяват съществуването на много скрити от нас вселени, свързани с топологични тунели – джъмпери. Тази гледна точка споделя например известният астрофизик Н. С. Кардашев. За външен наблюдател входовете на тези тунели са маркирани с аномални гравитационни полета, подобни на черните дупки. Движенията в такива тунели, както предполагат авторите на хипотезите, ще позволят да се заобиколи ограничението на скоростта на движение, наложено в обикновеното пространство от скоростта на светлината, и следователно да се реализира идеята за създаване на машина на времето... неща. И въпреки че досега подобни хипотези напомнят твърде много на сюжети от научна фантастика, едва ли е необходимо категорично да се отхвърля фундаменталната възможност за модел на многоелементно устройство. материален свят. Друго нещо е, че всички тези други Вселени най-вероятно ще останат чисто математически конструкции на физици-теоретици, живеещи в нашата Вселена и опитващи се да намерят затворените за нас светове със силата на своите мисли...

Вижте в стая на същата тема

Но се оказа, че е възможно; сега се смята, че никога няма да можем да пътуваме по-бързо от светлината... ". Но всъщност не е вярно, че някой някога е вярвал, че е невъзможно да се пътува по-бързо от звука. Много преди да се появят свръхзвуковите самолети, това вече е било Известно е, че куршумите летят по-бързо от звука. управляванасвръхзвуков полет и това беше грешката. SS движението е съвсем различен въпрос. От самото начало беше ясно, че свръхзвуковият полет е възпрепятстван от технически проблеми, които просто трябва да бъдат решени. Но е напълно неясно дали проблемите, които пречат на движението на СС, могат да бъдат решени. Теорията на относителността може да каже много за това. Ако пътуването на SS или дори предаването на сигнал е възможно, тогава причинно-следствената връзка ще бъде нарушена и от това ще последват абсолютно невероятни заключения.

Първо ще обсъдим прости случаи на CC движение. Споменаваме ги не защото са интересни, а защото се появяват отново и отново в дискусиите за движението STS и следователно трябва да се занимават с тях. След това ще обсъдим това, което считаме за трудни случаи на STS движение или комуникация и ще разгледаме някои от аргументите срещу тях. Накрая ще разгледаме най-сериозните предположения за истинското STS движение.

Прост SS ход

1. Феноменът на Черенковото лъчение

Един от начините да се движите по-бързо от светлината е първо да забавите самата светлина! :-) Във вакуум светлината се движи със скорост ° С, и тази стойност е световна константа (виж въпроса Постоянна ли е скоростта на светлината) и в по-плътна среда като вода или стъкло, тя се забавя до скоростта к/н, където не коефициентът на пречупване на средата (1,0003 за въздух; 1,4 за вода). Следователно, частиците могат да се движат по-бързо във вода или въздух, отколкото светлината пътува там. В резултат на това се появява радиация на Вавилов-Черенков (виж въпроса).

Но когато говорим за движение на SS, ние, разбира се, имаме предвид превишаване на скоростта на светлината във вакуум ° С(299 792 458 m/s). Следователно феноменът Черенков не може да се счита за пример за SS движение.

2. Трета страна

Ако ракетата НОотлита от мен със скорост 0.6cзапад и другата Б- от мен със скорост 0.6cизток, след това общото разстояние между НОи Бв моята референтна рамка се увеличава със скоростта 1.2в. Така привидна относителна скорост, по-голяма от c, може да се наблюдава „от трета страна“.

Тази скорост обаче не е това, което обикновено разбираме под относителна скорост. Реална скорост на ракетата НОпо отношение на ракетата Б- това е скоростта на нарастване на разстоянието между ракетите, която се наблюдава от наблюдателя в ракетата Б. Две скорости трябва да се добавят според релативистката формула за събиране на скорости (вижте въпроса Как да добавяте скорости в конкретна теория на относителността). AT този случайотносителната скорост е около 0,88с, тоест не е свръхсветлинен.

3. Сенки и зайчета

Помислете колко бързо може да се движи сянката? Ако създадете сянка на далечна стена от пръста си от близката лампа и след това преместите пръста си, тогава сянката се движи много по-бързо от пръста ви. Ако пръстът се движи успоредно на стената, тогава скоростта на сянката ще бъде Д/гпъти скоростта на пръста, къде де разстоянието от пръста до лампата и д- разстояние от лампата до стената. И можете да получите още по-голяма скорост, ако стената е разположена под ъгъл. Ако стената е много далеч, тогава движението на сянката ще изостава от движението на пръста, тъй като светлината все още ще трябва да лети от пръста към стената, но все пак скоростта на сянката ще бъде толкова пъти по-голяма. Тоест скоростта на сянката не е ограничена от скоростта на светлината.

В допълнение към сенките, зайчетата могат да се движат и по-бързо от светлината, например петънце от лазерен лъч, насочен към луната. Като знаете, че разстоянието до Луната е 385 000 км, опитайте се да изчислите скоростта на зайчето, ако преместите леко лазера. Можете също да помислите за морска вълнаудряйки се в брега косо. С каква скорост може да се движи точката, в която се разбива вълната?

Подобни неща могат да се случат и в природата. Например, светлинен лъч от пулсар може да разресва облак прах. Ярка светкавица генерира разширяваща се обвивка от светлина или друго излъчване. Когато пресече повърхността, той създава пръстен от светлина, който расте по-бързо от скоростта на светлината. В природата това се случва, когато електромагнитен импулс от мълния достигне горните слоеве на атмосферата.

Всичко това бяха примери за неща, движещи се по-бързо от светлината, но които не бяха физически тела. С помощта на сянка или зайче не можете да предавате CC съобщение, така че комуникацията по-бърза от светлината не е възможна. И отново, това очевидно не е това, което искаме да разберем под CC движение, въпреки че става ясно колко трудно е да определим от какво точно се нуждаем (вижте въпроса FTL Shears).

4. Твърди тела

Ако вземете дълга твърда пръчка и натиснете единия й край, другият край веднага ли се движи или не? Възможно ли е да се извърши SS предаването на съобщението по този начин?

Да, това е би себи могло да се направи, ако съществуваха такива твърди тела. В действителност въздействието на удар в края на пръчка се разпространява по него със скоростта на звука в дадено вещество, а скоростта на звука зависи от еластичността и плътността на материала. Относителността налага абсолютна граница на възможната твърдост на всякакви тела, така че скоростта на звука в тях да не може да надвишава ° С.

Същото нещо се случва, ако сте в полето на привличане и първо държите струната или прътът вертикално за горния край и след това го пуснете. Точката, която пускате, ще започне да се движи незабавно и долният край няма да може да започне да пада, докато влиянието на пускането не я достигне със скоростта на звука.

Трудно е да се формулира обща теория на еластичните материали от гледна точка на относителността, но основната идея може да бъде показана и с примера на Нютоновата механика. Уравнението за надлъжното движение на идеално еластично тяло може да се получи от закона на Хук. В променливи маса на единица дължина стри модул на Янг Й, надлъжно изместване худовлетворява вълновото уравнение.

Разтворът на плоската вълна се движи със скоростта на звука с, и с 2 = да/стр. Това уравнение не предполага възможността причинно-следствено влияние да се разпространява по-бързо с. По този начин теорията на относителността налага теоретично ограничение на размера на еластичността: Й < pc2. На практика няма материали дори близо до него. Между другото, дори ако скоростта на звука в материала е близка до ° С, материята сама по себе си не се изисква да се движи с релативистична скорост. Но как да разберем, че по принцип не може да има субстанция, която да преодолява тази граница? Отговорът е, че всички вещества са съставени от частици, взаимодействието между които се подчинява на стандартния модел. елементарни частици, и в този модел никое взаимодействие не може да се разпространява по-бързо от светлината (вижте по-долу за квантовата теория на полето).

5. Фазова скорост

Вижте това вълново уравнение:

Има решения като:

Тези решения са синусоиди, движещи се със скорост

Но това е по-бързо от светлината, така че имаме в ръцете си уравнението на тахионното поле? Не, това е просто обичайното релативистко уравнение на масивна скаларна частица!

Парадоксът ще бъде разрешен, ако разберем разликата между тази скорост, наричана още фазова скорост vphот друга скорост, наречена групова скорост vgrкоето се дава по формулата,

Ако вълновото решение има честотно разпространение, то ще приеме формата на вълнов пакет, който се движи с групова скорост, не по-голяма ° С. Само гребените на вълните се движат с фазова скорост. Възможно е да се предава информация с помощта на такава вълна само с групова скорост, така че фазовата скорост ни дава друг пример за свръхсветлинна скорост, която не може да носи информация.

7. Релативистична ракета

Контролер на Земята наблюдава космически кораб, който тръгва със скорост 0,8 ° С. Според теорията на относителността, дори след като вземе предвид доплеровото изместване на сигналите от кораба, той ще види, че времето на кораба е забавено и часовниците там вървят по-бавно с коефициент 0,6. Ако изчисли частното от изминатото разстояние от кораба, разделено на изминалото време, измерено от часовника на кораба, той ще получи 4/3 ° С. Това означава, че пътниците на кораба пътуват през междузвездното пространство с ефективна скорост, по-голяма от скоростта на светлината, която биха имали, ако бъдат измерени. От гледна точка на пътниците на кораба, междузвездните разстояния са обект на лоренцианско свиване със същия коефициент 0,6, което означава, че те също трябва да признаят, че покриват известни междузвездни разстояния със скорост от 4/3 ° С.

Това е истински феномен и по принцип може да се използва от космически пътешественици за преодоляване на огромни разстояния през живота им. Ако се ускорят с постоянно ускорение, равно на ускорението на гравитацията на Земята, тогава те не само ще имат идеална изкуствена гравитация на кораба, но все пак ще имат време да прекосят Галактиката само за 12 от своите години! (Вижте въпроса Какви са уравненията на релативистична ракета?)

Това обаче не е истинско движение на СС. Ефективната скорост се изчислява от разстоянието в една отправна система и времето в друга. Не е реална скорост. От тази скорост се възползват само пътниците на кораба. Диспечерът, например, няма да има време в живота си да види как прелитат гигантско разстояние.

Трудни случаи на движение на SS

9. Парадоксът на Айнщайн, Подолски, Розен (EPR)

10. Виртуални фотони

11. Квантово тунелиране

Истински кандидати за SS Travellers

Този раздел съдържа спекулативни, но сериозни предположения относно възможността за FTL пътуване. Това няма да са нещата, които обикновено се поставят в ЧЗВ, тъй като те повдигат повече въпроси, отколкото отговарят. Те са представени тук главно, за да покажат, че в тази посокасе правят сериозни изследвания. Даден е само кратко въведение във всяка посока. | Повече ▼ подробностиможе да се намери в интернет.

19. Тахиони

Тахионите са хипотетични частици, които локално пътуват по-бързо от светлината. За да направят това, те трябва да имат въображаема маса, но тяхната енергия и импулс трябва да са положителни. Понякога се смята, че такива CC частици трябва да бъдат невъзможни за откриване, но всъщност няма причина да се вярва в това. Сенките и зайчетата ни казват, че стелт не следва от CC на движението.

Тахиони никога не са наблюдавани и повечето физици се съмняват в тяхното съществуване. Веднъж беше заявено, че са проведени експерименти за измерване на масата на неутрино, излъчени по време на разпада на тритий, и че тези неутрино са тахионни. Това е много съмнително, но все пак не е изключено. Има проблеми с тахионните теории, тъй като по отношение на възможни нарушения на причинно-следствената връзка те дестабилизират вакуума. Може да е възможно да се заобиколят тези проблеми, но тогава ще бъде невъзможно да се използват тахиони в SS съобщението, от което се нуждаем.

Истината е, че повечето физици смятат тахионите за признак на грешка в техните теории на терена и интересът към тях от широката публика се подхранва главно от научна фантастика (виж статията за Тахиони).

20. Червееви дупки

Най-известната предполагаема възможност за STS пътуване е използването на червеи. Червеевите дупки са тунели в пространство-времето, които свързват едно място във Вселената с друго. Те могат да се движат между тези точки по-бързо, отколкото светлината би поела по обичайния си път. Червеевите дупки са феномен на класическата обща теория на относителността, но за да ги създадете, трябва да промените топологията на пространство-времето. Възможността за това може да се съдържа в теорията на квантовата гравитация.

За да запазите червеевите дупки отворени, трябва огромни количестваотрицателна енергия и Миснери трънпредполага, че мащабният ефект на Казимир може да се използва за генериране на отрицателна енергия и Висерпредложи решение с помощта на космически струни. Всички тези идеи са силно спекулативни и може просто да са нереалистични. Необичайно вещество с отрицателна енергия може да не съществува във формата, необходима за явлението.

Торн откри, че ако могат да бъдат създадени червеи, те биха могли да създадат затворени времеви контури, които биха направили пътуването във времето възможно. Предполага се също, че многовариантната интерпретация на квантовата механика предполага, че пътуването във времето няма да причини никакви парадокси и че събитията просто ще се развият по различен начин, когато влезете в миналото. Хокинг казва, че дупките на червеи може просто да са нестабилни и следователно неизползваеми на практика. Но самата тема остава плодотворна област за мисловни експерименти, позволявайки ви да разберете какво е възможно и какво не въз основа както на известни, така и на предполагаеми закони на физиката.
препратки:
W. G. Morris и K. S. Thorne, American Journal of Physics 56 , 395-412 (1988)
W. G. Morris, K. S. Thorne, and U. Yurtsever, Phys. Rev. писма 61 , 1446-9 (1988)
Мат Висер, Физически преглед D39, 3182-4 (1989)
виж също „Черни дупки и Време Warps" Kip Thorn, Norton & co. (1994)
За обяснение на мултивселената вижте "Тъканта на реалността" Дейвид Дойч, Penguin Press.

21. Деформаторни двигатели

[Нямам представа как да преведа това! Оригиналното варп задвижване. - прибл. преводач
преведено по аналогия със статията за Мембрана]

Основата може да бъде механизъм за усукване на пространство-времето, така че един обект да може да пътува по-бързо от светлината. Мигел Алкабиерстана известен с това, че е разработил геометрията, която описва такъв деформатор. Изкривяването пространство-време прави възможно обектът да пътува по-бързо от светлината, като същевременно остава на крива, подобна на времето. Препятствията са същите като при създаването на червеи. За да създадете деформатор, ви е необходимо вещество с отрицателна енергийна плътност u. Дори ако такова вещество е възможно, все още не е ясно как може да се получи и как да се използва, за да работи деформаторът.
refМ. Алкубиер, Класическа и квантова гравитация, 11 , L73-L77, (1994)

Заключение

Първо, не беше лесно да се дефинира като цяло какво означава пътуване на SS и съобщение на SS. Много неща, като сенките, карат CC да се движи, но по такъв начин, че не може да се използва например за предаване на информация. Но има и сериозни възможности за реално движение на СС, които се предлагат в научната литература, но тяхното осъществяване все още е технически невъзможно. Принципът на неопределеността на Хайзенберг прави невъзможно използването на очевидно CC движение в квантовата механика. В общата теория на относителността има потенциални средства за SS задвижване, но може да не е възможно да се използват. Изглежда изключително малко вероятно в обозримо бъдеще или изобщо технологията да може да създава Космически корабис CC двигатели, но е любопитно, че теоретичната физика, каквато я познаваме сега, не затваря завинаги вратата за CC движение. SS движението в стила на научнофантастичните романи очевидно е напълно невъзможно. За физиците въпросът е интересен: "защо всъщност това е невъзможно и какво може да се научи от това?"