25 martie 2017

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

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

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

În primul rând: de ce este imposibil (în condiții normale) să se depășească limita de lumină? Pentru că atunci legea fundamentală a lumii noastre este încălcată - legea cauzalității, potrivit căreia efectul nu poate depăși cauza. Nimeni nu a văzut, de exemplu, că mai întâi un urs a căzut mort, iar apoi un vânător a tras. La viteze ce depășesc s, succesiunea evenimentelor este inversată, banda de timp este rebobinată. Acest lucru este ușor de verificat din următorul raționament simplu.

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

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

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

De ce este așa? Pentru că aceeași lege a cauzalității servește drept obstacol în calea transmiterii oricărui semnal cu o viteză mai mare de c. Să ne imaginăm următoarea situație. La un moment dat, un fulger luminos (evenimentul 1) pornește un dispozitiv care trimite un anumit semnal radio, iar într-un punct îndepărtat B, are loc o explozie sub acțiunea acestui semnal radio (evenimentul 2). Este clar că evenimentul 1 (flash) este o cauză, iar evenimentul 2 (explozia) este o consecință care are loc mai târziu decât cauza. Dar dacă semnalul radio s-ar propaga cu viteza superluminală, un observator în apropierea punctului B ar vedea mai întâi o explozie și abia apoi - un fulger care a ajuns la el cu viteza unui fulger de lumină, cauza exploziei. Cu alte cuvinte, pentru acest observator, evenimentul 2 ar avea loc mai devreme decât evenimentul 1, adică efectul ar fi înaintea cauzei.

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

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

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

Cu toate acestea, în anii 60, a fost descoperit experimental un fenomen care i-a derutat inițial pe fizicieni. Acest lucru este descris în detaliu în articolul lui A. N. Oraevsky „Superluminal waves in amplifying media” (Fiz. Phys. No. 12, 1998). Aici vom rezuma pe scurt problema, trimițând cititorul interesat de detalii la articolul specificat.

La scurt timp după descoperirea laserelor - la începutul anilor 60 - a apărut problema obținerii unor impulsuri de lumină scurte (cu o durată de aproximativ 1 ns = 10-9 s) de mare putere. Pentru aceasta, un scurt impuls laser a fost trecut printr-un amplificator cuantic optic. Pulsul a fost împărțit în două părți de o oglindă de separare a fasciculului. Unul dintre ele, mai puternic, era direcționat către amplificator, în timp ce celălalt se propaga în aer și servea drept impuls de referință cu care se putea compara pulsul care trecea prin amplificator. Ambele impulsuri au fost transmise fotodetectorilor, iar semnalele lor de ieșire au putut fi observate vizual pe ecranul osciloscopului. Era de așteptat ca impulsul de lumină care trece prin amplificator să experimenteze o anumită întârziere în comparație cu impulsul de referință, adică viteza de propagare a luminii în amplificator va fi mai mică decât în ​​aer. Imaginați-vă surpriza cercetătorilor când au descoperit că pulsul s-a propagat prin amplificator cu o viteză nu numai mai mare decât cea a aerului, dar și depășind de mai multe ori viteza luminii în vid!

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

Fără a intra în detalii aici, vom sublinia doar că o analiză detaliată a mecanismului de acțiune a mediului de amplificare a clarificat complet situația. Materia a constat într-o modificare a concentrației de fotoni în timpul propagării impulsului - o modificare datorată unei modificări a câștigului mediului până la o valoare negativă în timpul trecerii din spatele pulsului, când mediul deja absorbe energie, deoarece propria sa rezerva a fost deja cheltuita datorita transmiterii sale la impulsul luminos. Absorbția provoacă nu amplificare, ci o slăbire a impulsului și, astfel, impulsul este sporit în față și slăbit în spate. Să ne imaginăm că observăm un puls cu ajutorul unui dispozitiv care se mișcă cu viteza luminii într-un mediu amplificator. Dacă mediul ar fi transparent, am vedea un impuls înghețat în imobilitate. În mediul în care are loc procesul sus-menționat, amplificarea marginii de avans și slăbirea marginii de fugă a pulsului vor apărea observatorului în așa fel încât mediul a mișcat, parcă, pulsul. redirecţiona. Dar din moment ce dispozitivul (observatorul) se mișcă cu viteza luminii, iar pulsul îl depășește, atunci viteza pulsului depășește viteza luminii! Acest efect a fost înregistrat de experimentatori. Și aici nu există într-adevăr nicio contradicție cu teoria relativității: doar procesul de amplificare este astfel încât concentrația de fotoni care au ieșit mai devreme se dovedește a fi mai mare decât cea a celor care au ieșit mai târziu. Nu fotonii se mișcă cu viteză superluminală, ci anvelopa pulsului, în special, maximul său, care este observat pe un osciloscop.

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

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

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

Și în cele din urmă, în 2000, au existat rapoarte despre două noi experimente în care s-au manifestat efectele propagării superluminale. Una dintre ele a fost realizată de Lijun Wong și colegii de muncă la un institut de cercetare din Princeton (SUA). Rezultatul este că un impuls de lumină care intră într-o cameră plină cu vapori de cesiu își mărește viteza de 300 de ori. S-a dovedit că partea principală a pulsului părăsește peretele îndepărtat al camerei chiar mai devreme decât pulsul intră în cameră prin peretele frontal. Această situație contrazice nu numai bunul simț, ci, în esență, teoria relativității.

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

În experimentul lui L. Wong, un impuls luminos care intră în cameră cu vapori de cesiu a avut o durată de aproximativ 3 μs. Atomii de cesiu pot fi în șaisprezece stări posibile de mecanică cuantică numite „subniveluri ale stării fundamentale hiperfine magnetice”. Cu ajutorul pompei cu laser optic, aproape toți atomii au fost aduși în doar una dintre aceste șaisprezece stări, corespunzătoare temperaturii aproape zero absolute pe scara Kelvin (-273,15°C). Camera de cesiu avea 6 centimetri lungime. În vid, lumina parcurge 6 centimetri în 0,2 ns. Măsurătorile au arătat că pulsul de lumină a trecut prin camera cu cesiu în 62 ns mai puțin timp decât în ​​vid. Cu alte cuvinte, timpul de tranzit al pulsului prin mediul de cesiu are semnul minus! Într-adevăr, dacă se scad 62 ns din 0,2 ns, obținem un timp „negativ”. Această „întârziere negativă” în mediu – un salt de timp de neînțeles – este egală cu timpul în care pulsul ar fi făcut 310 treceri prin cameră în vid. Consecința acestei „lovituri temporare” a fost că impulsul care părăsea camera a avut timp să se îndepărteze de ea cu 19 metri înainte ca impulsul primit să ajungă la peretele apropiat al camerei. Cum poți explica o situație atât de incredibilă (dacă, desigur, nu există nicio îndoială cu privire la puritatea experimentului)?

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

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

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

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

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

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

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

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

„Informațiile de aici sunt deja în vârful pulsului”, spune P. Milonny, fizician la Laboratorul Național Los Alamos, SUA.

Majoritatea fizicienilor cred că noua lucrare nu aduce o lovitură zdrobitoare principiilor fundamentale. Dar nu toți fizicienii cred că problema este rezolvată. Profesorul A. Ranfagni de la grupul de cercetare italian, care a efectuat un alt experiment interesant în 2000, consideră că întrebarea este încă deschisă. Acest experiment, realizat de Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni și Rocco Ruggeri, a constatat că undele radio în bandă centimetrică în aerul obișnuit se deplasează cu o viteză de 25% peste cca.

Rezumând, putem spune următoarele.

Lucrările din ultimii ani arată că, în anumite condiții, viteza superluminală poate avea loc efectiv. Dar ce înseamnă exact călătoria cu viteză superluminală? Teoria relativității, așa cum sa menționat deja, interzice o astfel de viteză pentru corpurile materiale și pentru semnalele care transportă informații. Cu toate acestea, unii cercetători încearcă în mod constant să demonstreze cum să depășească bariera luminoasă pentru semnale. Motivul pentru aceasta constă în faptul că în teoria relativității speciale nu există o justificare matematică riguroasă (bazată, să zicem, pe ecuațiile lui Maxwell pentru câmpul electromagnetic) a imposibilității de a transmite semnale cu o viteză mai mare de s. O astfel de imposibilitate în SRT este stabilită, s-ar putea spune, pur aritmetic, pornind de la formula Einstein pentru adăugarea vitezelor, dar acest lucru este confirmat fundamental de principiul cauzalității. Însuși Einstein, luând în considerare problema transmiterii semnalului superluminal, a scris că în acest caz „... suntem forțați să luăm în considerare un mecanism de transmitere a semnalului, atunci când se folosește acțiunea realizată precede cauza. Dar, deși aceasta rezultă dintr-un punct pur logic. de vedere nu conține în mine, după părerea mea, nicio contradicție, ea încă contrazice natura întregii noastre experiențe atât de mult încât imposibilitatea presupunerii V> c pare a fi suficient dovedită". Principiul cauzalității este piatra de temelie care stă la baza imposibilității transmiterii semnalului FTL. Și pe această piatră, aparent, toate căutările de semnale superluminale, fără excepție, se vor poticni, indiferent de cât de mult ar dori experimentatorii să detecteze astfel de semnale, căci așa este natura lumii noastre.

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

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

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

Nava #2 se mișcă mai repede decât lumina, ceea ce înseamnă că poate depăși chiar și lumina pe care o emite ea însăși. Aceasta duce la un fel de „undă luminoasă” (analog cu sunetul, dar în loc să vibreze aerul, undele luminoase vibrează aici), care generează mai multe efecte interesante. Amintiți-vă că lumina de la nava # 2 se mișcă mai încet decât nava în sine. Ca urmare, va avea loc o dublare vizuală. Cu alte cuvinte, la început echipajul navei #1 va vedea că a doua navă a apărut lângă ea ca de nicăieri. Apoi, lumina de la a doua navă va ajunge la prima cu o ușoară întârziere, iar rezultatul va fi o copie vizibilă care se va deplasa în aceeași direcție cu o ușoară întârziere.

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

P.S. ... dar în ultimul exemplu nu am înțeles ceva, de ce poziția reală a navei este asociată cu „lumina emisă de aceasta”? Ei bine, lăsați-i să-l vadă că ceva nu este acolo, dar în realitate va depăși prima navă!

surse

Umbrele pot călători mai repede decât lumina, dar nu pot transporta substanță sau informații

Este posibil zborul FTL?

Secțiunile din acest articol au subtitluri și vă puteți referi la fiecare secțiune separat.

Exemple simple de călătorie FTL

1. Efectul Cherenkov

Când vorbim despre mișcare cu viteză superluminală, ne referim la viteza luminii în vid c(299 792 458 m/s). Prin urmare, efectul Cherenkov nu poate fi privit ca un exemplu de mișcare cu viteză superluminală.

2. Al treilea observator

Dacă racheta A zboară departe de mine cu viteză 0,6c spre vest, iar racheta B zboară departe de mine cu viteză 0,6c spre est, apoi văd că distanţa dintre Ași B crescând într-un ritm 1.2c... Privind rachetele zburând Ași B din lateral, al treilea observator vede că viteza totală de îndepărtare a rachetelor este mai mare decât c .

dar viteza relativa nu este egală cu suma vitezelor. Viteza rachetei A referitor la rachetă B este viteza cu care crește distanța până la rachetă A văzut de un observator zburând pe o rachetă B... Viteza relativă trebuie calculată folosind formula de adunare a vitezei relativiste. (vezi Cum se adaugă viteze în relativitatea specială?) În acest exemplu, viteza relativă este de aproximativ 0,88c... Deci, în acest exemplu, nu am obținut viteza superluminală.

3. Lumină și umbră

Luați în considerare cât de repede se poate mișca umbra. Dacă lampa este aproape, atunci umbra degetului de pe peretele îndepărtat se mișcă mult mai repede decât se mișcă degetul. Când mișcați degetul paralel cu perete, viteza umbrei intră D/d ori mai mare decât viteza unui deget. Aici d este distanța de la lampă la deget și D- de la lampă la perete. Viteza va fi și mai mare dacă peretele este înclinat. Dacă peretele este foarte departe, atunci mișcarea umbrei va rămâne în urma mișcării degetului, deoarece lumina durează timp pentru a ajunge la perete, dar viteza mișcării umbrei de-a lungul peretelui va crește și mai mult. Viteza umbrei nu este limitată de viteza luminii.

Un alt obiect care poate călători mai repede decât lumina este un punct de lumină de la un laser îndreptat spre lună. Distanța până la Lună este de 385.000 km. Puteți calcula singur viteza de mișcare a punctului de lumină de pe suprafața Lunii, cu mici vibrații ale indicatorului laser în mână. S-ar putea să vă placă, de asemenea, exemplul unui val care se îndreaptă într-o linie dreaptă a plajei la un unghi ușor. Cât de repede poate călători intersecția valului și a țărmului de-a lungul plajei?

Toate aceste lucruri se pot întâmpla în natură. De exemplu, un fascicul de lumină de la un pulsar poate călători de-a lungul unui nor de praf. O explozie puternică poate crea unde sferice de lumină sau radiații. Când aceste unde se intersectează cu orice suprafață, pe această suprafață apar cercuri de lumină, care se extind mai repede decât lumina. Acest fenomen are loc, de exemplu, atunci când un impuls electromagnetic de la un fulger străbate atmosfera superioară.

4. Corp solid

Dacă ai o lansetă lungă și rigidă și lovești un capăt al lansetei, celălalt capăt nu va începe să se miște imediat? Nu este aceasta o modalitate de a transmite informații mai repede decât lumina?

Asta ar fi adevărat dacăîn mod ideal existau corpuri rigide. În practică, impactul este transmis de-a lungul tijei cu viteza sunetului, care depinde de elasticitatea și densitatea materialului tijei. În plus, teoria relativității limitează viteza posibilă a sunetului într-un material la valoarea c .

Același principiu se aplică dacă țineți o sfoară sau o tijă în poziție verticală, o eliberați și aceasta începe să cadă sub influența gravitației. Capătul superior, pe care îl dați drumul, începe să cadă imediat, dar capătul inferior va începe să se miște abia după un timp, deoarece dispariția forței de reținere este transmisă în jos tijei cu viteza sunetului din material.

Formularea teoriei relativiste a elasticității este destul de complicată, dar ideea generală poate fi ilustrată folosind mecanica newtoniană. Ecuația mișcării longitudinale a unui corp elastic ideal poate fi derivată din legea lui Hooke. Notăm densitatea liniară a tijei ρ , Modulul de elasticitate al lui Young Y... Deplasarea longitudinală X satisface ecuația de undă

ρ d 2 X / dt 2 - Y d 2 X / dx 2 = 0

Soluția de undă plană se deplasează cu viteza sunetului s, care se determină din formulă s 2 = Y / ρ... Ecuația undelor nu permite perturbațiilor mediului să se miște mai repede decât cu viteza s... În plus, teoria relativității dă o limită pentru valoarea elasticității: Y< ρc 2 ... În practică, niciun material cunoscut nu se apropie de această limită. De asemenea, rețineți că, chiar dacă viteza sunetului este aproape de c, atunci substanța în sine nu se mișcă neapărat cu o viteză relativistă.

Deși nu există solide în natură, există mișcarea solidelor care poate fi folosit pentru a depăși viteza luminii. Acest subiect aparține secțiunii deja descrise de umbre și lumini. (Vezi Foarfecele superluminale, Discul rotativ rigid în relativitate).

5. Viteza fazei

Ecuația undelor
d 2 u / dt 2 - c 2 d 2 u / dx 2 + w 2 u = 0

are o soluție în formă
u = A cos (ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 = 0

Acestea sunt unde sinusoidale care se propagă cu viteza v
v = b / a = sqrt (c 2 + w 2 / a 2)

Dar aceasta este mai mult decât c. Este aceasta o ecuație pentru tahioni? (vezi secțiunea ulterioară). Nu, aceasta este ecuația relativistă obișnuită pentru o particulă cu masă.

Pentru a elimina paradoxul, este necesar să se facă distincția între „viteza de fază” v ph și „rata de grup” v gr, și
v ph v gr = c 2

Soluția formei de undă poate avea dispersie de frecvență. În acest caz, pachetul de undă se mișcă cu o viteză de grup mai mică decât c... Cu ajutorul unui pachet wave, informațiile pot fi transmise doar la o rată de grup. Undele dintr-un pachet de undă se mișcă cu viteza de fază. Viteza de fază este un alt exemplu de mișcare FTL care nu poate fi folosită pentru a comunica mesaje.

6. Galaxii superluminale

7. Racheta relativista

Lăsați un observator de pe Pământ să vadă o navă spațială retrăgându-se cu o viteză 0,8c Conform teoriei relativității, el va vedea că ceasul navei spațiale merge de 5/3 ori mai încet. Dacă împărțim distanța până la navă la timpul de zbor în funcție de ceasul de la bord, obținem viteza 4 / 3c... Observatorul ajunge la concluzia că, folosind ceasul de la bord, pilotul navei va determina, de asemenea, că zboară cu viteză superluminală. Din punctul de vedere al pilotului, ceasul lui merge normal, iar spațiul interstelar s-a micșorat de 5/3 ori. Prin urmare, zboară distanțele cunoscute dintre stele mai repede, cu o viteză 4 / 3c .

Dar acesta încă nu este un zbor superluminal. Nu puteți calcula viteza folosind distanța și timpul definite în diferite cadre de referință.

8. Viteza gravitaţiei

Unii insistă că viteza gravitației este mult mai mare. c sau chiar fără sfârșit. Vedeți Gravitația călătorește cu viteza luminii? și Ce este radiația gravitațională? Perturbațiile gravitaționale și undele gravitaționale se propagă cu o viteză c .

9. Paradoxul EPR

10. Fotoni virtuali

11. Efect de tunel cuantic

În mecanica cuantică, efectul de tunel permite unei particule să depășească o barieră, chiar dacă nu există suficientă energie pentru aceasta. Este posibil să se calculeze timpul de tunel printr-o astfel de barieră. Și se poate dovedi a fi mai puțin decât ceea ce este necesar pentru ca lumina să parcurgă aceeași distanță la o viteză c... Poate fi folosit pentru a trimite mesaje mai repede decât lumina?

Electrodinamica cuantică spune nu! Cu toate acestea, a fost efectuat un experiment care a demonstrat transmiterea de informații superluminale folosind efectul de tunel. Printr-o barieră lată de 11,4 cm la o viteză de 4,7 c A fost susținută Simfonia a 40-a de Mozart. Explicația pentru acest experiment este foarte controversată. Majoritatea fizicienilor cred că efectul de tunel nu se poate transmite informație mai rapid decat lumina. Dacă acest lucru ar fi posibil, de ce să nu trimiteți semnalul înapoi în timp, plasând echipamentul într-un cadru de referință care se mișcă rapid.

17. Teoria câmpului cuantic

Cu excepția gravitației, toate fenomenele fizice observabile sunt în concordanță cu „Modelul standard”. Modelul standard este o teorie relativistică a câmpului cuantic care explică interacțiunile electromagnetice și nucleare, precum și toate particulele cunoscute. În această teorie, orice pereche de operatori corespunzători observabilelor fizice separate printr-un interval spațial de evenimente „commută” (adică puteți schimba ordinea acestor operatori). În principiu, acest lucru implică faptul că, în modelul standard, impactul nu poate călători mai repede decât lumina, iar aceasta poate fi considerată echivalentul câmpului cuantic al argumentului energiei infinite.

Cu toate acestea, în teoria câmpului cuantic a modelului standard, nu există nicio dovadă perfect riguroasă. Nimeni nu a dovedit încă că această teorie este consecventă intern. Cel mai probabil nu este cazul. În orice caz, nu există nicio garanție că nu există particule sau forțe care nu au fost încă descoperite care să nu se supună interdicției deplasării superluminale. Nu există nicio generalizare a acestei teorii, inclusiv gravitația și relativitatea generală. Mulți fizicieni care lucrează în domeniul gravitației cuantice se îndoiesc că conceptele simple de cauzalitate și localitate vor fi generalizate. Nu există nicio garanție că, într-o viitoare teorie mai completă, viteza luminii va păstra sensul de limitare a vitezei.

18. Paradoxul bunicului

În relativitatea specială, o particulă care călătorește mai repede decât lumina într-un cadru de referință se deplasează înapoi în timp într-un alt cadru de referință. Mișcarea superluminală sau transmiterea informațiilor ar face posibilă călătoria sau trimiterea unui mesaj în trecut. Dacă o astfel de călătorie în timp ar fi posibilă, atunci ai putea să te întorci în timp și să schimbi cursul istoriei ucigându-ți bunicul.

Acesta este un argument foarte puternic împotriva posibilității de a călători cu FTL. Adevărat, rămâne o probabilitate aproape neplauzibilă ca un fel de mișcare superluminală limitată să fie posibilă, care nu permite o întoarcere în trecut. Sau poate că călătoria în timp este posibilă, dar cauzalitatea este încălcată într-un mod consistent. Toate acestea sunt foarte puțin plauzibile, dar dacă discutăm despre călătoriile FTL, atunci este mai bine să fim pregătiți pentru idei noi.

Este adevărat și invers. Dacă am putea călători înapoi în timp, am putea depăși viteza luminii. Poți să te întorci în timp, să zbori undeva cu viteză mică și să ajungi acolo înainte ca lumina, trimisă în modul obișnuit, să sosească. Consultați Călătoria în timp pentru detalii despre acest subiect.

Întrebări deschise de călătorie FTL

În această secțiune finală, voi descrie câteva idei serioase pentru posibile călătorii mai rapide decât lumina. Aceste subiecte nu sunt adesea incluse în Întrebări frecvente, deoarece nu sunt mai degrabă ca răspunsuri, ci o mulțime de întrebări noi. Ele sunt incluse aici pentru a arăta că se fac cercetări serioase în această direcție. Se face doar o scurtă introducere a subiectului. Puteți găsi detalii pe internet. Ca și în cazul tuturor celor de pe internet, fii critic cu ei.

19. Tahioane

Tahionii sunt particule ipotetice care călătoresc mai repede decât lumina local. Pentru a face acest lucru, trebuie să aibă o masă imaginară. În acest caz, energia și impulsul tahionului sunt valori reale. Nu există niciun motiv să credem că particulele superluminale nu pot fi detectate. Umbrele și punctele de lumină pot călători mai repede decât lumina și pot fi detectate.

Până acum, tahionii nu au fost găsiți, iar fizicienii se îndoiesc de existența lor. Au existat afirmații că în experimentele de măsurare a masei neutrinilor produse de degradarea beta a tritiului, neutrinii au fost tahioni. Acest lucru este îndoielnic, dar nu a fost încă infirmat complet.

Există probleme cu teoria tahionice. Pe lângă posibila încălcare a cauzalității, tahionii fac, de asemenea, vidul instabil. Este posibil să ocolim aceste dificultăți, dar nici atunci nu vom putea folosi tahioni pentru transmiterea mesajelor superluminale.

Majoritatea fizicienilor cred că apariția tahionilor într-o teorie este un semn al unor probleme din această teorie. Ideea de tahioni este atât de populară în rândul publicului pur și simplu pentru că sunt adesea menționate în literatura științifico-fantastică. Vezi Tahioni.

20. Găuri de vierme

Cel mai faimos mod de călătorie globală FTL este utilizarea găurilor de vierme. O gaură de vierme este o fantă în spațiu-timp de la un punct al universului la altul, care vă permite să mergeți de la un capăt la altul al găurii mai repede decât calea obișnuită. Găurile de vierme sunt descrise de relativitatea generală. Pentru a le crea, trebuie să schimbați topologia spațiu-timpului. Poate că acest lucru va deveni posibil în cadrul teoriei cuantice a gravitației.

Menținerea unei găuri de vierme deschisă necesită zone de spațiu cu energii negative. C.W. Misner și K.S. Thorne au propus să folosească efectul Casimir pe scară largă pentru a crea energie negativă. Visser a sugerat să folosească șiruri cosmice pentru asta. Acestea sunt idei foarte speculative și s-ar putea să nu fie posibil. Poate că forma necesară de materie exotică cu energie negativă nu există.

Viteza de propagare a luminii este egală cu 299 792 458 de metri pe secundă, dar nu mai este o valoare limită. „Futurist” a adunat 4 teorii, unde lumina nu mai este Michael Schumacher.

Un om de știință american de origine japoneză, un expert în fizică teoretică Michio Kaku este sigur că viteza luminii poate fi depășită.

Big Bang

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

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

Lanterna pe cerul nopții

Dacă străluciți un felinar pe cerul nopții, atunci, în principiu, o rază care merge dintr-o parte a Universului în alta, situată la o distanță de mulți ani lumină, se poate deplasa mai repede decât viteza luminii. Problema este că în acest caz nu va exista niciun obiect material care să se miște cu adevărat mai repede decât lumina. Imaginează-ți că ești înconjurat de o sferă uriașă de un an lumină în diametru. O imagine a unui fascicul de lumină va străbate această sferă în câteva secunde, în ciuda dimensiunii sale. Dar numai imaginea unei raze se poate mișca pe cerul nopții mai repede decât lumina, și nu informația sau obiectul material.

Legatura cuantica

Mai rapid decât viteza luminii poate să nu fie un obiect, ci un întreg fenomen, sau mai degrabă o relație numită încrucișare cuantică. Acesta este un fenomen mecanic cuantic în care stările cuantice a două sau mai multe obiecte sunt interdependente. Pentru a obține o pereche de fotoni încâlciți, puteți străluci un laser la o anumită frecvență și intensitate pe un cristal neliniar. Ca urmare a împrăștierii fasciculului laser, fotonii vor apărea în două conuri de polarizare diferite, legătura dintre care se va numi întanglement cuantic. Așadar, încrucișarea cuantică este o modalitate prin care particulele subatomice interacționează, iar procesul acestei conexiuni poate fi mai rapid decât lumina.

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

Găuri de vierme

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

Despre astfel de distorsiuni vorbesc nu numai scenariștii de film, ci și oamenii de știință. Michio Kaku crede că o gaură de vierme, sau așa cum este numită, o gaură de vierme, este una dintre cele mai realiste două moduri de a transmite informații mai repede decât viteza luminii.

A doua cale, asociată și cu modificările materiei, este contracția spațiului în fața ta și expansiunea în spatele tău. În acest spațiu deformat, se generează o undă care se deplasează mai repede decât viteza luminii dacă este controlată de materia întunecată.

Astfel, singura șansă reală pentru o persoană de a învăța cum să depășească bariera luminoasă poate fi ascunsă în teoria generală a relativității și curbura spațiului și timpului. Totuși, totul se sprijină împotriva acestei materii foarte întunecate: nimeni nu știe cu siguranță dacă există și dacă găurile de vierme sunt stabile.

Doctor în Științe Tehnice A. GOLUBEV.

La jumătatea anului trecut, în reviste a apărut un reportaj senzațional. Un grup de cercetători americani a descoperit că un impuls laser foarte scurt se deplasează într-un mediu special selectat de sute de ori mai repede decât în ​​vid. Acest fenomen părea complet incredibil (viteza luminii într-un mediu este întotdeauna mai mică decât în ​​vid) și chiar a ridicat îndoieli cu privire la validitatea teoriei relativității speciale. Între timp, un obiect fizic superluminal - un impuls laser într-un mediu de amplificare - a fost descoperit pentru prima dată nu în 2000, ci cu 35 de ani mai devreme, în 1965, iar posibilitatea mișcării superluminale a fost discutată pe larg până la începutul anilor 1970. Astăzi, discuția despre acest fenomen ciudat a izbucnit cu o vigoare reînnoită.

Exemple de mișcare „superluminală”.

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

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

Experimentul lui Lijun Wong.

O rază de lumină care trece printr-o prismă dintr-un material transparent (ex. sticlă) este refractă, adică suferă dispersie.

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

Probabil că toată lumea – chiar și oamenii departe de fizică – știe că viteza maximă posibilă de mișcare a obiectelor materiale sau de propagare a oricăror semnale este viteza luminii în vid. Se notează prin literă cuși este de aproape 300 de mii de kilometri pe secundă; valoare exacta cu= 299 792 458 m/s. Viteza luminii în vid este una dintre constantele fizice fundamentale. Imposibilitatea de a atinge viteze care depășesc cu, rezultă din teoria specială a relativității (SRT) a lui Einstein. Dacă ar fi posibil să se demonstreze că semnalele pot fi transmise la viteze superluminale, teoria relativității ar cădea. Până acum, acest lucru nu s-a întâmplat, în ciuda numeroaselor încercări de a respinge interzicerea existenței unor viteze mari. cu... Cu toate acestea, în studii experimentale recente au fost descoperite câteva fenomene foarte interesante, care indică faptul că în condiții special create se pot observa viteze superluminale fără a încălca principiile teoriei relativității.

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

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

Deși acest raționament ignoră complet detaliile tehnice ale procesului de observare a luminii, din punct de vedere fundamental, demonstrează clar că mișcarea cu viteză superluminală duce la o situație imposibilă în lumea noastră. Cu toate acestea, natura a stabilit condiții și mai stricte: nu se poate deplasa doar cu viteza superluminală, ci și cu o viteză egală cu viteza luminii - poate fi doar abordată. Din teoria relativității rezultă că, odată cu creșterea vitezei de mișcare, apar trei împrejurări: masa unui obiect în mișcare crește, dimensiunea acestuia scade în direcția mișcării și curgerea timpului pe acest obiect încetinește (de la punctul de vedere al unui observator extern „odihnitor). La viteze obișnuite, aceste modificări sunt neglijabile, dar pe măsură ce se apropie de viteza luminii, devin mai vizibile, iar în limită - la o viteză egală cu cu, - masa devine infinit de mare, obiectul își pierde complet dimensiunea în direcția mișcării și timpul se oprește asupra lui. Prin urmare, niciun corp material nu poate atinge viteza luminii. Această viteză este deținută doar de lumina însăși! (Și, de asemenea, o particulă „tot-pervazătoare” - un neutrin, care, ca un foton, nu se poate mișca cu o viteză mai mică decât cu.)

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

De ce este așa? Deoarece un obstacol în calea transmiterii oricărui semnal cu o viteză mai mare cu servește aceeași lege a cauzalității. Să ne imaginăm următoarea situație. La un moment dat, un fulger luminos (evenimentul 1) pornește un dispozitiv care trimite un anumit semnal radio, iar într-un punct îndepărtat B, are loc o explozie sub acțiunea acestui semnal radio (evenimentul 2). Este clar că evenimentul 1 (flash) este o cauză, iar evenimentul 2 (explozia) este o consecință care are loc mai târziu decât cauza. Dar dacă semnalul radio s-ar propaga cu o viteză superluminală, un observator în apropierea punctului B ar vedea mai întâi o explozie și abia apoi - o va atinge cu o viteză. cu fulger, cauza exploziei. Cu alte cuvinte, pentru acest observator, evenimentul 2 ar avea loc mai devreme decât evenimentul 1, adică efectul ar fi înaintea cauzei.

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

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

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

Cu toate acestea, în anii 60, a fost descoperit experimental un fenomen care i-a derutat inițial pe fizicieni. Acest lucru este descris în detaliu în articolul lui A. N. Oraevsky „Superluminal waves in amplifying media” (Fiz. Phys. No. 12, 1998). Aici vom rezuma pe scurt problema, trimițând cititorul interesat de detalii la articolul specificat.

La scurt timp după descoperirea laserelor - la începutul anilor 60 - a apărut problema obținerii unor impulsuri de lumină scurte (cu o durată de ordinul a 1 ns = 10 -9 s) de mare putere. Pentru aceasta, un scurt impuls laser a fost trecut printr-un amplificator cuantic optic. Pulsul a fost împărțit în două părți de o oglindă de separare a fasciculului. Unul dintre ele, mai puternic, era direcționat către amplificator, în timp ce celălalt se propaga în aer și servea drept impuls de referință cu care se putea compara pulsul care trecea prin amplificator. Ambele impulsuri au fost transmise fotodetectorilor, iar semnalele lor de ieșire au putut fi observate vizual pe ecranul osciloscopului. Era de așteptat ca impulsul de lumină care trece prin amplificator să experimenteze o anumită întârziere în comparație cu impulsul de referință, adică viteza de propagare a luminii în amplificator va fi mai mică decât în ​​aer. Imaginați-vă surpriza cercetătorilor când au descoperit că pulsul s-a propagat prin amplificator cu o viteză nu numai mai mare decât cea a aerului, dar și depășind de mai multe ori viteza luminii în vid!

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

Fără a intra în detalii aici, vom sublinia doar că o analiză detaliată a mecanismului de acțiune a mediului de amplificare a clarificat complet situația. Materia a constat într-o modificare a concentrației de fotoni în timpul propagării impulsului - o modificare datorată unei modificări a câștigului mediului până la o valoare negativă în timpul trecerii din spatele pulsului, când mediul deja absorbe energie, deoarece propria sa rezerva a fost deja cheltuita datorita transmiterii sale la impulsul luminos. Absorbția provoacă nu amplificare, ci o slăbire a impulsului și, astfel, impulsul este sporit în față și slăbit în spate. Să ne imaginăm că observăm un puls cu ajutorul unui dispozitiv care se mișcă cu viteza luminii într-un mediu amplificator. Dacă mediul ar fi transparent, am vedea un impuls înghețat în imobilitate. În mediul în care are loc procesul sus-menționat, amplificarea marginii de avans și slăbirea marginii de fugă a pulsului vor apărea observatorului în așa fel încât mediul a mișcat, parcă, pulsul. redirecţiona. Dar din moment ce dispozitivul (observatorul) se mișcă cu viteza luminii, iar pulsul îl depășește, atunci viteza pulsului depășește viteza luminii! Acest efect a fost înregistrat de experimentatori. Și aici nu există într-adevăr nicio contradicție cu teoria relativității: doar procesul de amplificare este astfel încât concentrația de fotoni care au ieșit mai devreme se dovedește a fi mai mare decât cea a celor care au ieșit mai târziu. Nu fotonii se mișcă cu viteză superluminală, ci anvelopa pulsului, în special, maximul său, care este observat pe un osciloscop.

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

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

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

Și în cele din urmă, în 2000, au existat rapoarte despre două noi experimente în care s-au manifestat efectele propagării superluminale. Una dintre ele a fost realizată de Lijun Wong și colegii de muncă la un institut de cercetare din Princeton (SUA). Rezultatul este că un impuls de lumină care intră într-o cameră plină cu vapori de cesiu își mărește viteza de 300 de ori. S-a dovedit că partea principală a pulsului părăsește peretele îndepărtat al camerei chiar mai devreme decât pulsul intră în cameră prin peretele frontal. Această situație contrazice nu numai bunul simț, ci, în esență, teoria relativității.

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

În experimentul lui L. Wong, un impuls luminos care intră în cameră cu vapori de cesiu a avut o durată de aproximativ 3 μs. Atomii de cesiu pot fi în șaisprezece stări posibile de mecanică cuantică numite „subniveluri ale stării fundamentale hiperfine magnetice”. Cu ajutorul pompei laser optice, aproape toți atomii au fost aduși în doar una dintre aceste șaisprezece stări, corespunzătoare temperaturii aproape zero absolute pe scara Kelvin (-273,15 o C). Camera de cesiu avea 6 centimetri lungime. În vid, lumina parcurge 6 centimetri în 0,2 ns. Măsurătorile au arătat că pulsul de lumină a trecut prin camera cu cesiu în 62 ns mai puțin timp decât în ​​vid. Cu alte cuvinte, timpul de tranzit al pulsului prin mediul de cesiu are semnul minus! Într-adevăr, dacă se scad 62 ns din 0,2 ns, obținem un timp „negativ”. Această „întârziere negativă” în mediu – un salt de timp de neînțeles – este egală cu timpul în care pulsul ar fi făcut 310 treceri prin cameră în vid. Consecința acestei „lovituri temporare” a fost că impulsul care părăsea camera a avut timp să se îndepărteze de ea cu 19 metri înainte ca impulsul primit să ajungă la peretele apropiat al camerei. Cum poți explica o situație atât de incredibilă (dacă, desigur, nu există nicio îndoială cu privire la puritatea experimentului)?

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

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

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

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

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

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

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

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

„Informațiile de aici sunt deja în vârful pulsului”, spune P. Milonny, fizician la Laboratorul Național Los Alamos, SUA.

Majoritatea fizicienilor cred că noua lucrare nu aduce o lovitură zdrobitoare principiilor fundamentale. Dar nu toți fizicienii cred că problema este rezolvată. Profesorul A. Ranfagni de la grupul de cercetare italian, care a efectuat un alt experiment interesant în 2000, consideră că întrebarea este încă deschisă. Acest experiment, realizat de Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni și Rocco Ruggeri, a constatat că undele radio în bandă centimetrică în aerul normal călătoresc cu o viteză care depășește cu cu 25%.

Rezumând, putem spune următoarele. Lucrările din ultimii ani arată că, în anumite condiții, viteza superluminală poate avea loc efectiv. Dar ce înseamnă exact călătoria cu viteză superluminală? Teoria relativității, așa cum sa menționat deja, interzice o astfel de viteză pentru corpurile materiale și pentru semnalele care transportă informații. Cu toate acestea, unii cercetători încearcă în mod constant să demonstreze cum să depășească bariera luminoasă pentru semnale. Motivul pentru aceasta constă în faptul că în teoria relativității speciale nu există o justificare matematică riguroasă (bazată, să zicem, pe ecuațiile lui Maxwell pentru câmpul electromagnetic) a imposibilității de a transmite semnale la o viteză mai mare decât cu... O astfel de imposibilitate în SRT este stabilită, s-ar putea spune, pur aritmetic, pornind de la formula Einstein pentru adăugarea vitezelor, dar acest lucru este confirmat fundamental de principiul cauzalității. Însuși Einstein, luând în considerare problema transmiterii semnalului superluminal, a scris că în acest caz „... suntem forțați să luăm în considerare un mecanism de transmitere a semnalului, atunci când folosim care acțiunea realizată precede cauza. Dar, deși aceasta rezultă dintr-un punct pur logic. de vedere nu conține în mine, după părerea mea, nicio contradicție, încă contrazice natura tuturor experienței noastre atât de mult încât imposibilitatea de a presupune V> c pare să fie suficient de dovedit.” , pentru că aceasta este natura lumii noastre.

În concluzie, trebuie subliniat că toate cele de mai sus se referă în mod specific la lumea noastră, la Universul nostru. Această rezervă a fost făcută deoarece recent au apărut noi ipoteze în astrofizică și cosmologie, care admit existența multor Universuri ascunse de noi, conectate prin poduri-tunel topologice. Acest punct de vedere este împărtășit, de exemplu, de celebrul astrofizician NS Kardashev. Pentru un observator din exterior, intrările în aceste tuneluri sunt marcate de câmpuri gravitaționale anormale, precum găurile negre. Mișcările în astfel de tuneluri, așa cum au presupus autorii ipotezelor, vor face posibilă ocolirea limitei de viteză impusă în spațiul obișnuit de viteza luminii și, în consecință, realizarea ideii de a crea o mașină a timpului. .lucruri. Și, deși până acum astfel de ipoteze amintesc prea mult de intrigile din science fiction, cu greu ar trebui să respingem categoric posibilitatea fundamentală a unui model multi-element al structurii lumii materiale. Este o altă chestiune că toate aceste Universuri sunt probabil să rămână construcții pur matematice ale fizicienilor teoreticieni care trăiesc în Universul nostru și încearcă să găsească lumi care ne sunt închise prin puterea gândurilor lor...

Vezi problema pe aceeași temă

Dar s-a dovedit că este posibil; acum ei cred că niciodată nu vom putea călători mai repede decât lumina... ". Dar, de fapt, nu este adevărat că cineva a crezut cândva că este imposibil să se miște mai repede decât sunetul. Cu mult înainte de apariția aeronavelor supersonice, era deja se știe că gloanțele zboară mai repede decât sunetul. ghidat zbor supersonic și asta a fost greșeala. Mișcarea SS este cu totul altă chestiune. A fost clar de la început că zborul supersonic a fost îngreunat de probleme tehnice care trebuiau pur și simplu rezolvate. Dar este complet neclar dacă problemele care împiedică mișcarea SS vor putea fi vreodată rezolvate. Teoria relativității are multe de spus despre asta. Dacă călătoria SS sau chiar transmiterea semnalului este posibilă, atunci cauzalitatea va fi întreruptă și din aceasta vor rezulta concluzii complet incredibile.

Vom discuta mai întâi cazuri simple de mișcare STS. Le menționăm nu pentru că sunt interesante, ci pentru că apar iar și iar în discuțiile despre mișcarea SS și, prin urmare, trebuie să fie tratate. Apoi vom discuta despre ceea ce considerăm a fi cazuri dificile de mișcare sau comunicare STS și vom analiza câteva dintre argumentele împotriva lor. În cele din urmă, ne uităm la unele dintre speculațiile mai serioase despre adevărata mișcare STS.

Mișcare simplă SS

1. Fenomenul radiației Cherenkov

O modalitate de a călători mai repede decât lumina este să încetiniți mai întâi lumina în sine! :-) În vid, lumina zboară cu viteză c, iar această valoare este o constantă mondială (vezi întrebarea Este viteza luminii constantă), iar într-un mediu mai dens precum apa sau sticla - încetinește până la viteza c/n, Unde n este indicele de refracție al mediului (1,0003 pentru aer; 1,4 pentru apă). Prin urmare, particulele se pot mișca în apă sau în aer mai repede decât se mișcă lumina acolo. Ca urmare, apare radiația Vavilov-Cherenkov (vezi întrebarea).

Dar când vorbim despre mișcarea SS, ne referim, desigur, la excesul față de viteza luminii în vid. c(299 792 458 m/s). Prin urmare, fenomenul Cherenkov nu poate fi considerat un exemplu al mișcării SS.

2. De la un terț

Dacă racheta A zboară departe de mine cu o viteză 0,6c spre apus şi celălalt B- de la mine cu viteză 0,6c est, apoi distanța totală dintre Ași Bîn cadrul meu de referință crește într-un ritm 1.2c... Astfel, viteza relativă aparentă mai mare decât c poate fi observată „din partea a treia”.

Cu toate acestea, această viteză nu este ceea ce înțelegem de obicei prin viteză relativă. Viteza reală a rachetei A referitor la rachetă B este rata de creștere a distanței dintre rachete, care este observată de un observator într-o rachetă B... Două viteze trebuie adăugate conform formulei relativiste pentru adăugarea vitezelor (vezi întrebarea Cum se adună viteze în relativitate parțială). În acest caz, viteza relativă este de aproximativ 0,88c, adică nu este superluminală.

3. Umbre și iepurași

Gândiți-vă cât de repede se poate mișca umbra? Dacă creați o umbră pe un perete îndepărtat de la degetul de la o lampă din apropiere și apoi mișcați degetul, atunci umbra se mișcă mult mai repede decât degetul. Dacă degetul se mișcă paralel cu perete, atunci viteza umbrei va fi D/d ori viteza unui deget, unde d este distanța de la deget până la lampă și D- distanta de la lampa la perete. Și o viteză și mai mare se poate dovedi dacă peretele este situat într-un unghi. Dacă peretele este foarte departe, atunci mișcarea umbrei va rămâne în urma mișcării degetului, deoarece lumina va trebui să călătorească de la deget la perete, dar totuși viteza de mișcare a umbrei va fi. de câte ori mai mare. Adică, viteza umbrei nu este limitată de viteza luminii.

Pe lângă umbre, iepurașii se pot mișca și mai repede decât lumina, de exemplu, o pată de la o rază laser îndreptată spre Lună. Știind că distanța până la Lună este de 385.000 km, încercați să calculați viteza luminii mișcând ușor laserul. De asemenea, vă puteți gândi la un val de mare înclinat pe țărm. Cât de repede se poate mișca punctul în care se sparge valul?

Lucruri similare se pot întâmpla în natură. De exemplu, un fascicul de lumină de la un pulsar poate mătura un nor de praf. Un bliț strălucitor creează o înveliș de lumină sau alte radiații în expansiune. Când traversează suprafața, se creează un inel de lumină care crește mai repede decât viteza luminii. În natură, acest lucru se întâmplă atunci când un impuls electromagnetic de la fulger ajunge în atmosfera superioară.

Acestea erau toate exemple de lucruri care se mișcau mai repede decât lumina, dar care nu erau corpuri fizice. Cu ajutorul unei umbre sau al unui iepuraș, este imposibil să transmiteți un mesaj SS, așa că comunicarea mai rapidă decât lumina nu funcționează. Și din nou, acest lucru, aparent, nu este ceea ce vrem să înțelegem prin mișcare ST, deși devine clar cât de dificil este să stabilim exact de ce avem nevoie (vezi întrebarea Foarfece superluminale).

4. Solide

Dacă iei un băț lung și dur și împingi un capăt al acestuia, celălalt capăt se mișcă imediat sau nu? Este posibil să se efectueze transmisia SS a mesajului în acest mod?

da, a fost ar se poate face dacă ar exista astfel de corpuri rigide. În realitate, efectul lovirii capătului bățului se propagă de-a lungul acestuia cu viteza sunetului într-o anumită substanță, iar viteza sunetului depinde de elasticitatea și densitatea materialului. Relativitatea impune o limită absolută a posibilei durități a oricăror corpuri, astfel încât viteza sunetului în ele să nu depășească c.

Același lucru se întâmplă dacă stai în câmpul de atracție și ții mai întâi sfoara sau stâlpul vertical de capătul superior, apoi eliberează-l. Punctul pe care îl lăsați va începe să se miște imediat, iar capătul inferior nu poate începe să cadă până când influența eliberării nu ajunge la el cu viteza sunetului.

Este dificil de formulat o teorie generală a materialelor elastice în cadrul relativității, dar ideea principală poate fi arătată folosind exemplul mecanicii newtoniene. Ecuația mișcării longitudinale a unui corp ideal elastic poate fi obținută din legea lui Hooke. În variabile, mase pe unitatea de lungime pși modulul de elasticitate al lui Young Y, deplasare longitudinală X satisface ecuația de undă.

Soluția de undă plană se mișcă cu viteza sunetului s, și s 2 = Y/p... Această ecuație nu implică posibilitatea ca o influență cauzală să se răspândească mai rapid. s... Astfel, relativitatea impune o limită teoretică a mărimii elasticității: Y < pc 2... Practic nu există materiale care să se apropie de el. Apropo, chiar dacă viteza sunetului în material este aproape de c, materia în sine nu este deloc obligată să se miște cu viteză relativistă. Dar de unde știm că, în principiu, nu poate exista nicio substanță care să depășească această limită? Răspunsul este că toate substanțele sunt compuse din particule, interacțiunea dintre care se supune modelului standard al particulelor elementare, iar în acest model nicio interacțiune nu poate călători mai repede decât lumina (vezi mai jos despre teoria câmpului cuantic).

5. Viteza fazei

Priviți această ecuație de undă:

Are solutii de forma:

Aceste soluții sunt unde sinusoidale care se mișcă cu o viteză

Dar aceasta este mai rapidă decât lumina, așa că avem în mâini ecuația câmpului tahionic? Nu, aceasta este doar ecuația relativistă obișnuită pentru o particulă scalară masivă!

Paradoxul va fi rezolvat dacă înțelegeți diferența dintre această viteză, numită și viteză de fază v ph dintr-o altă viteză numită grup v gr care este datat cu formula,

Dacă soluția de undă are o răspândire a frecvenței, atunci va lua forma unui pachet de undă care se mișcă cu o viteză de grup care nu depășește c... Doar crestele valurilor se misca cu viteza de faza. Este posibilă transmiterea informației cu ajutorul unei astfel de unde doar cu o viteză de grup, astfel încât viteza de fază ne oferă un alt exemplu de viteză superluminală, care nu poate transporta informații.

7. Racheta relativista

Un dispecer de pe Pământ urmărește o navă spațială care pleacă cu o viteză de 0,8 c... Conform teoriei relativității, chiar și după ce ține cont de deplasarea Doppler a semnalelor de la navă, va vedea că timpul de pe navă este încetinit și ceasul de acolo merge mai încet cu un factor de 0,6. Dacă calculează coeficientul de împărțire a distanței parcurse de navă la timpul scurs măsurat de ceasul navei, atunci va primi 4/3 c... Aceasta înseamnă că pasagerii navei spațiale călătoresc prin spațiul interstelar cu o viteză efectivă mai mare decât viteza luminii pe care ar fi primit-o dacă ar fi fost măsurată. Din punctul de vedere al pasagerilor de pe navă, distanțele interstelare sunt supuse contracției lorentziane cu același factor de 0,6, ceea ce înseamnă că și ei trebuie să admită că parcurg distanțele interstelare cunoscute cu o rată de 4/3. c.

Acesta este un fenomen real și, în principiu, poate fi folosit de călătorii în spațiu pentru a depăși distanțe uriașe în timpul vieții. Dacă accelerează cu o accelerație constantă egală cu accelerația gravitației de pe Pământ, atunci nu numai că vor avea o gravitație artificială ideală pe navă, dar vor avea totuși timp să traverseze Galaxia în doar 12 dintre ani! (vezi întrebarea Care sunt ecuațiile unei rachete relativiste?)

Cu toate acestea, nici aceasta nu este o mișcare STS reală. Viteza efectivă este calculată din distanță într-un cadru de referință și timp în altul. Aceasta nu este viteza reală. Doar pasagerii de pe navă beneficiază de această viteză. Dispecerul, de exemplu, nu va avea timp în viața lui să vadă cum zboară pe o distanță gigantică.

Cazuri dificile de mișcare SS

9. Paradoxul lui Einstein, Podolsky, Rosen (EPR)

10. Fotoni virtuali

11. Tunnel cuantic

Candidați adevărați pentru SS Travelers

Această secțiune oferă speculații speculative, dar serioase despre fezabilitatea călătoriei FTL. Acestea nu vor fi lucrurile care sunt de obicei postate în Întrebări frecvente, deoarece ridică mai multe întrebări decât răspund. Ele sunt prezentate aici în principal pentru a arăta că se fac cercetări serioase în această direcție. Se face doar o scurtă introducere în fiecare direcție. Informații mai detaliate pot fi găsite pe Internet.

19. Tahioane

Tahionii sunt particule ipotetice care călătoresc local mai repede decât lumina. Pentru a face acest lucru, trebuie să aibă o masă imaginară, dar energia și impulsul lor trebuie să fie pozitive. Uneori se crede că astfel de particule SS ar trebui să fie imposibil de detectat, dar, de fapt, nu există niciun motiv să se gândească așa. Umbrele și iepurașii ne spun că stealth nu rezultă încă din mișcarea SS.

Tahionii nu au fost niciodată observați și majoritatea fizicienilor se îndoiesc de existența lor. S-a afirmat cumva că au fost efectuate experimente pentru a măsura masa neutrinilor emiși în timpul dezintegrarii tritiului și că acești neutrini erau tahioni. Acest lucru este foarte îndoielnic, dar încă nu este exclus. Există probleme în teoriile tahionice, deoarece din punctul de vedere al posibilelor încălcări ale cauzalității, ele destabilizază vidul. Este posibil să ocolim aceste probleme, dar atunci va fi imposibil să folosim tahioni în mesajul SS de care avem nevoie.

Adevărul este că majoritatea fizicienilor consideră tahionii ca fiind un semn de eroare în teoriile lor de câmp, iar interesul pentru ei din partea maselor largi este alimentat în principal de science fiction (vezi articolul lui Tahioni).

20. Găuri de vierme

Cea mai faimoasă posibilitate ipotetică a călătoriei SS este utilizarea găurilor de vierme. Găurile de vierme sunt tuneluri în spațiu-timp care leagă un loc din univers de altul. Pe ele vă puteți deplasa între aceste puncte mai repede decât ar face lumina în modul obișnuit. Găurile de vierme sunt un fenomen al relativității generale clasice, dar pentru a le crea, trebuie să schimbați topologia spațiului-timp. Posibilitatea acestui lucru poate fi inclusă în teoria gravitației cuantice.

Este nevoie de cantități uriașe de energie negativă și pentru a menține găurile de vierme deschise. Misnerși Ghimpe a sugerat că efectul Casimir pe scară largă poate fi folosit pentru a genera energie negativă și, în timp ce Visser a propus o soluție folosind șiruri de spațiu. Toate aceste idei sunt foarte speculative și pot fi pur și simplu nerealiste. Este posibil ca o substanță neobișnuită cu energie negativă să nu existe în forma necesară pentru fenomen.

Thorne a descoperit că, dacă pot fi create găuri de vierme, acestea pot fi folosite pentru a crea bucle de timp închise care fac posibilă călătoria în timp. De asemenea, s-a sugerat că interpretarea multivariată a mecanicii cuantice sugerează că călătoria în timp nu va provoca paradoxuri și că evenimentele se vor desfășura pur și simplu diferit atunci când intri în trecut. Hawking spune că găurile de vierme pot fi pur și simplu instabile și, prin urmare, nu sunt practice. Dar subiectul în sine rămâne un domeniu fructuos pentru experimente de gândire, permițându-vă să vă dați seama ce este posibil și ce nu este posibil pe baza atât a legilor cunoscute, cât și a celor presupuse ale fizicii.
refs:
W. G. Morris și K. S. Thorne, Jurnalul American de Fizică 56 , 395-412 (1988)
W. G. Morris, K. S. Thorne și U. Yurtsever, Phys. Rev. Scrisori 61 , 1446-9 (1988)
Matt Visser, Revista fizică D39, 3182-4 (1989)
vezi, de asemenea, „Găurile negre și deformarea timpului” Kip Thorn, Norton & co. (1994)
Pentru o explicație a multiversului vezi, „The Fabric of Reality” David Deutsch, Penguin Press.

21. Motoare-deformatoare

[Nu am idee cum să traduc asta! Unitate warp originală. - aprox. traducător;
tradus prin analogie cu articolul despre Membrane]

Deformatorul ar putea fi un mecanism de răsucire a spațiu-timpului, astfel încât un obiect să poată călători mai repede decât lumina. Miguel Alcabier a devenit faimos pentru dezvoltarea geometriei care descrie un astfel de deformator. Distorsiunea spațiu-timp face posibil ca un obiect să călătorească mai repede decât lumina, rămânând pe o curbă asemănătoare timpului. Obstacolele sunt aceleași ca atunci când se creează găuri de vierme. Pentru a crea un deformator, aveți nevoie de o substanță cu o densitate de energie negativă și. Chiar dacă o astfel de substanță este posibilă, nu este încă clar cum poate fi obținută și cum să facă deformatorul să funcționeze cu ea.
ref M. Alcubierre, Gravitația clasică și cuantică, 11 , L73-L77, (1994)

Concluzie

În primul rând, s-a dovedit a fi dificil de definit ce înseamnă călătoria SS și mesajul SS. Multe lucruri, precum umbrele, efectuează o BTS, dar în așa fel încât să nu poată fi folosite, de exemplu, pentru a transmite informații. Există însă și posibilități serioase de deplasare reală a SS, care sunt propuse în literatura științifică, dar implementarea lor nu este încă posibilă din punct de vedere tehnic. Principiul incertitudinii Heisenberg face imposibilă utilizarea mișcării aparente STS în mecanica cuantică. În relativitatea generală, există mijloace potențiale de mișcare STS, dar ele nu pot fi utilizate. Se pare că este extrem de puțin probabil ca în viitorul previzibil, sau în general, tehnologia să poată crea nave spațiale cu motoare SS, dar este curios că fizica teoretică, așa cum o știm acum, nu închide complet ușa pentru SS. circulaţie. Mișcarea SS în stilul romanelor științifico-fantastice este aparent complet imposibilă. Pentru fizicieni, întrebarea este interesantă: „de ce, de fapt, este imposibil și ce se poate învăța din asta?”