Hem Gödselmedel Sätt att övervinna superluminal hastighet. Det är möjligt att övervinna ljusets hastighet - forskare. Svåra fall av SS-rörelse

Gödselmedel

Sätt att övervinna superluminal hastighet. Det är möjligt att övervinna ljusets hastighet - forskare. Svåra fall av SS-rörelse

25 mars 2017

Superluminal resor är en av grunderna för rymd-science fiction. Men förmodligen vet alla - även människor långt ifrån fysiken - att den högsta möjliga hastigheten för rörelse av materiella föremål eller utbredningen av några signaler är ljusets hastighet i ett vakuum. Den betecknas med bokstaven c och är nästan 300 tusen kilometer per sekund; det exakta värdet är c = 299 792 458 m / s.

Ljusets hastighet i ett vakuum är en av de grundläggande fysiska konstanterna. Omöjligheten att uppnå hastigheter som överstiger c följer av Einsteins speciella relativitetsteori (SRT). Om det vore möjligt att bevisa att signaler kan sändas med superluminala hastigheter skulle relativitetsteorin falla. Hittills har detta inte hänt, trots många försök att motbevisa förbudet mot förekomsten av hastigheter större än c. I nyare experimentella studier har dock några mycket intressanta fenomen upptäckts, som tyder på att man under speciellt skapade förhållanden kan observera superluminala hastigheter utan att bryta mot relativitetsteorins principer.

Till att börja med, låt oss komma ihåg de viktigaste aspekterna relaterade till problemet med ljusets hastighet.

Först och främst: varför är det omöjligt (under normala förhållanden) att överskrida ljusgränsen? För då kränks vår världs grundläggande lag - kausalitetslagen, enligt vilken effekten inte kan överträffa orsaken. Ingen har någonsin sett till exempel att först en björn föll död, och sedan en jägare sköt. Vid hastigheter som överstiger s, vänds händelseförloppet, tidsbandet spolas tillbaka. Detta är lätt att verifiera från följande enkla resonemang.

Låt oss anta att vi befinner oss på något slags rymdmirakelskepp som rör oss snabbare än ljuset. Sedan skulle vi gradvis komma ikapp ljuset som sänts ut av källan vid tidigare och tidigare tidpunkter. Först skulle vi komma ikapp de fotoner som sänds ut, säg igår, sedan de som sänds ut i förrgår, sedan för en vecka, en månad, ett år sedan och så vidare. Om ljuskällan var en spegel som reflekterade livet, skulle vi först se händelserna i går, sedan i förrgår, och så vidare. Vi kunde se, säg, en gammal man som gradvis förvandlas till en medelålders man, sedan till en ung man, till en ungdom, till ett barn ... Det vill säga tiden skulle vända tillbaka, vi skulle flytta från nuet till det förflutna. Orsakerna och effekterna skulle vara omvända.

Även om detta resonemang helt ignorerar de tekniska detaljerna i processen att observera ljus, ur en grundläggande synvinkel, visar det tydligt att rörelse med superluminal hastighet leder till en omöjlig situation i vår värld. Men naturen har satt ännu strängare villkor: det är ouppnåeligt att röra sig inte bara med superluminal hastighet, utan också med en hastighet lika med ljusets hastighet - det går bara att närma sig. Av relativitetsteorin följer att med en ökning av rörelsehastigheten uppstår tre omständigheter: massan av ett rörligt föremål ökar, dess storlek minskar i rörelseriktningen och tidsflödet på detta föremål saktar ner (från och med synvinkeln för en extern "vilande" observatör). Vid vanliga hastigheter är dessa förändringar försumbara, men när de närmar sig ljusets hastighet blir de mer märkbara, och i gränsen - vid en hastighet lika med c - blir massan oändligt stor, objektet tappar helt sin storlek i riktningen av rörelse och tiden stannar på den. Därför kan ingen materiell kropp nå ljusets hastighet. Denna hastighet besitter endast ljuset självt! (Och även en "alltgenomträngande" partikel - en neutrino, som, som en foton, inte kan röra sig med en hastighet som är mindre än s.)

Nu om signalöverföringshastigheten. Det är här lämpligt att använda representationen av ljus i form av elektromagnetiska vågor. Vad är en signal? Detta är någon form av information som ska överföras. En idealisk elektromagnetisk våg är en oändlig sinusoid av strikt en frekvens, och den kan inte bära någon information, eftersom varje period av en sådan sinusoid exakt upprepar den föregående. Hastigheten för förskjutning av fasen av en sinusvåg - den så kallade fashastigheten - kan i ett medium under vissa förhållanden överstiga ljusets hastighet i ett vakuum. Det finns inga begränsningar här, eftersom fashastigheten inte är signalhastigheten - den är inte där än. För att skapa en signal måste du göra något slags "märke" på vågen. Ett sådant märke kan till exempel vara en förändring av någon av vågparametrarna - amplitud, frekvens eller initial fas. Men så fort märket görs förlorar vågen sin sinusform. Den blir modulerad, bestående av en uppsättning enkla sinusformade vågor med olika amplituder, frekvenser och initiala faser - en grupp vågor. Hastigheten med vilken märket rör sig i den modulerade vågen är signalens hastighet. Vid fortplantning i ett medium sammanfaller denna hastighet vanligtvis med grupphastigheten, som kännetecknar utbredningen av ovan nämnda grupp av vågor som helhet (se Science and Life, nr 2, 2000). Under normala förhållanden är grupphastigheten, och därmed signalhastigheten, mindre än ljusets hastighet i vakuum. Det är inte av en slump som uttrycket "under normala förhållanden" används, eftersom grupphastigheten i vissa fall också kan överstiga c eller till och med förlora sin betydelse, men då gäller det inte signalutbredning. I SRT är det fastställt att det är omöjligt att sända en signal med en hastighet högre än s.

Varför är det så? Eftersom samma kausalitetslag fungerar som ett hinder för sändning av vilken signal som helst med en hastighet högre än c. Låt oss föreställa oss följande situation. Vid någon punkt A slår en ljusblixt (händelse 1) på en enhet som sänder en viss radiosignal, och vid en avlägsen punkt B inträffar en explosion under verkan av denna radiosignal (händelse 2). Det är tydligt att händelse 1 (blixt) är en orsak, och händelse 2 (explosion) är en följd som inträffar senare än orsaken. Men om radiosignalen fortplantade sig med superluminal hastighet, skulle en observatör nära punkt B först se en explosion, och först då - en blixt som nådde honom med en ljusblixts hastighet, orsaken till explosionen. Med andra ord, för denna observatör skulle händelse 2 inträffa tidigare än händelse 1, det vill säga effekten skulle ligga före orsaken.

Det är relevant att betona att det "superluminala förbudet" av relativitetsteorin endast åläggs materiella kroppars rörelse och överföring av signaler. I många situationer är rörelse med vilken hastighet som helst möjlig, men det kommer inte att vara rörelse av materiella föremål eller signaler. Tänk dig till exempel två ganska långa linjaler som ligger i samma plan, varav den ena är horisontell och den andra skär den i en liten vinkel. Om den första linjalen flyttas nedåt (i pilens riktning) med hög hastighet, kan linjalernas skärningspunkt fås att springa så fort du vill, men denna punkt är inte en materiell kropp. Ett annat exempel: om du tar en ficklampa (eller, säg, en laser som ger en smal stråle) och snabbt beskriver en båge i luften med den, kommer ljuspunktens linjära hastighet att öka med avståndet och på ett tillräckligt stort avstånd kommer överstiga c. Ljusfläcken kommer att röra sig mellan punkterna A och B med en superluminal hastighet, men detta kommer inte att vara en signalöverföring från A till B, eftersom en sådan ljusfläck inte bär någon information om punkt A.

Det verkar som att frågan om superluminala hastigheter har lösts. Men på 60-talet av 1900-talet lade teoretiska fysiker fram hypotesen om förekomsten av superluminala partiklar som kallas tachyoner. Det är väldigt konstiga partiklar: teoretiskt är de möjliga, men för att undvika motsägelser med relativitetsteorin var de tvungna att tillskriva en tänkt vilomassa. Fysiskt imaginär massa finns inte, det är en rent matematisk abstraktion. Detta orsakade dock inte mycket larm, eftersom tachyoner inte kan vara i vila - de existerar (om de finns!) Endast vid hastigheter som överstiger ljusets hastighet i ett vakuum, och i det här fallet visar sig tachyonens massa vara verklig . Det finns en liknelse här med fotoner: en foton har noll vilomassa, men detta betyder helt enkelt att en foton inte kan vara i vila - ljuset kan inte stoppas.

Det visade sig vara det svåraste, som väntat, att förena tachyonhypotesen med kausalitetslagen. Försök i denna riktning, även om de var ganska geniala, ledde inte till uppenbar framgång. Ingen lyckades experimentellt registrera tachyoner heller. Som ett resultat avtog intresset för tachyoner som superluminala elementarpartiklar gradvis bort.

Men på 60-talet upptäcktes experimentellt ett fenomen som till en början förvirrade fysiker. Detta beskrivs i detalj i artikeln av A. N. Oraevsky "Superluminal waves in amplifying media" (Phys. Phys. Nos. 12, 1998). Här kommer vi kort att sammanfatta saken och hänvisa läsaren som är intresserad av detaljerna till den angivna artikeln.

Strax efter upptäckten av lasrar - i början av 60-talet - uppstod problemet med att få korta (med en varaktighet på cirka 1 ns = 10-9 s) högeffektsljuspulser. För detta leddes en kort laserpuls genom en optisk kvantförstärkare. Pulsen delades i två delar av en stråldelande spegel. En av dem, kraftigare, riktades till förstärkaren, medan den andra fortplantade sig i luften och fungerade som en referenspuls med vilken man kunde jämföra pulsen som passerade genom förstärkaren. Båda pulserna matades till fotodetektorer och deras utsignaler kunde observeras visuellt på oscilloskopskärmen. Det förväntades att ljuspulsen som passerar genom förstärkaren kommer att uppleva en viss fördröjning i jämförelse med referenspulsen, det vill säga att ljusets utbredningshastighet i förstärkaren kommer att vara mindre än i luft. Föreställ dig forskarnas förvåning när de upptäckte att pulsen fortplantade sig genom förstärkaren med en hastighet som inte bara var högre än i luft, utan också flera gånger snabbare än ljusets hastighet i vakuum!

Efter att ha återhämtat sig från den första chocken började fysiker leta efter orsaken till ett så oväntat resultat. Ingen hade ens det minsta tvivel om principerna för den speciella relativitetsteorin, och det var denna som hjälpte till att hitta den korrekta förklaringen: om principerna för speciell relativitet bevaras, då bör svaret sökas i förstärkningens egenskaper. medium.

Utan att gå in på detaljer här, kommer vi bara att påpeka att en detaljerad analys av det förstärkande mediets verkningsmekanism helt har klargjort situationen. Materien bestod i en förändring av koncentrationen av fotoner under pulsutbredning - en förändring på grund av en förändring i mediets förstärkning upp till ett negativt värde under passagen av den bakre delen av pulsen, när mediet redan absorberar energi, eftersom sin egen reserv har redan förbrukats på grund av dess överföring till ljuspulsen. Absorption orsakar inte förstärkning, utan en försvagning av impulsen, och därmed förstärks impulsen i fronten och försvagas i den bakre delen. Låt oss föreställa oss att vi observerar en puls med hjälp av en enhet som rör sig med ljusets hastighet i ett förstärkarmedium. Om mediet var genomskinligt skulle vi se en impuls frusen i orörlighet. I den miljö där den ovan nämnda processen äger rum kommer förstärkningen av framkanten och försvagningen av pulsens bakkant att framstå för observatören på ett sådant sätt att omgivningen så att säga har flyttat pulsen fram. Men eftersom enheten (observatören) rör sig med ljusets hastighet, och pulsen passerar den, överstiger pulsens hastighet ljusets hastighet! Det är denna effekt som registrerades av försöksledarna. Och här finns det verkligen ingen motsägelse med relativitetsteorin: bara förstärkningsprocessen är sådan att koncentrationen av fotoner som kom ut tidigare visar sig vara större än hos de som kom ut senare. Det är inte fotoner som rör sig med superluminal hastighet, utan pulsenveloppen, i synnerhet dess maximum, som observeras på ett oscilloskop.

Sålunda, medan det i vanliga medier alltid finns en dämpning av ljus och en minskning av dess hastighet, bestämd av brytningsindexet, i aktiva lasermedia observeras inte bara förstärkningen av ljus, utan också utbredningen av en puls med en superluminal hastighet.

Vissa fysiker har försökt att experimentellt bevisa förekomsten av superluminal rörelse i tunneleffekten - ett av de mest fantastiska fenomenen inom kvantmekaniken. Denna effekt består i det faktum att en mikropartikel (närmare bestämt ett mikroobjekt, som uppvisar både egenskaperna hos en partikel och egenskaperna hos en våg under olika förhållanden) kan penetrera den så kallade potentialbarriären - ett fenomen som är helt omöjligt i klassisk mekanik (där analogen skulle vara en sådan situation: En boll som kastas in i väggen skulle vara på andra sidan väggen, eller så skulle den böljande rörelsen som tilldelas repet som är bunden till väggen överföras till repet som är bunden till väggen på andra sidan). Kärnan i tunneleffekten inom kvantmekaniken är följande. Om ett mikroobjekt med en viss energi på sin väg möter ett område med en potentiell energi som överstiger mikroobjektets energi, är denna region en barriär för det, vars höjd bestäms av energiskillnaden. Men mikroobjektet "sipprar" genom barriären! Denna möjlighet ges till honom av den välkända Heisenberg-osäkerhetsrelationen, skriven för energi och interaktionstid. Om mikroobjektets interaktion med barriären inträffar under en tillräckligt bestämd tid, kommer mikroobjektets energi tvärtom att kännetecknas av osäkerhet, och om denna osäkerhet är av storleksordningen barriärhöjden, då upphör det senare att vara ett oöverstigligt hinder för mikroobjektet. Här är penetrationshastigheten genom en potentiell barriär och har blivit föremål för forskning av ett antal fysiker, som tror att det kan överstiga s.

I juni 1998 ägde ett internationellt symposium om FTL-problem rum i Köln, där resultaten som erhållits i fyra laboratorier diskuterades - i Berkeley, Wien, Köln och i Florens.

Och slutligen, år 2000, kom det rapporter om två nya experiment där effekterna av superluminal utbredning manifesterades. En av dem utfördes av Lijun Wong och medarbetare vid ett forskningsinstitut i Princeton (USA). Resultatet är att en ljuspuls som kommer in i en kammare fylld med cesiumånga ökar dess hastighet 300 gånger. Det visade sig att huvuddelen av pulsen lämnar den bortre väggen av kammaren ännu tidigare än pulsen kommer in i kammaren genom den främre väggen. Denna situation motsäger inte bara sunt förnuft, utan i huvudsak relativitetsteorin.

L. Wongs budskap väckte intensiv diskussion bland fysiker, av vilka de flesta inte är benägna att se de erhållna resultaten som ett brott mot relativitetsprinciperna. Utmaningen, tror de, är att korrekt förklara detta experiment.

I L. Wongs experiment hade ljuspulsen som kom in i kammaren med cesiumånga en varaktighet på cirka 3 μs. Cesiumatomer kan vara i sexton möjliga kvantmekaniska tillstånd som kallas "magnetiska hyperfina grundtillståndssubnivåer". Med hjälp av optisk laserpumpning fördes nästan alla atomer in i endast ett av dessa sexton tillstånd, vilket motsvarar nästan absolut nolltemperatur på Kelvin-skalan (-273,15°C). Cesiumkammaren var 6 centimeter lång. I ett vakuum färdas ljus 6 centimeter på 0,2 ns. Mätningarna visade att ljuspulsen passerade genom kammaren med cesium på 62 ns kortare tid än i vakuum. Med andra ord har pulsens transittid genom cesiummediet ett minustecken! Faktum är att om 62 ns subtraheras från 0,2 ns, får vi en "negativ" tid. Denna "negativa fördröjning" i mediet - ett obegripligt tidshopp - är lika med den tid under vilken pulsen skulle ha gjort 310 passager genom kammaren i ett vakuum. Konsekvensen av denna "tillfälliga kupp" blev att impulsen som lämnade kammaren hann förflytta sig bort från den med 19 meter innan den inkommande impulsen nådde kammarens närmaste vägg. Hur kan du förklara en sådan otrolig situation (om det naturligtvis inte råder några tvivel om experimentets renhet)?

Att döma av diskussionen som utspelar sig har en exakt förklaring ännu inte hittats, men det råder ingen tvekan om att ovanliga spridningsegenskaper hos mediet spelar en roll här: cesiumångor, bestående av atomer exciterade av laserljus, är ett medium med anomal spridning. Låt oss kort komma ihåg vad det är.

Dispersionen av ett ämne är beroendet av fasens (konventionella) brytningsindex n på ljusets våglängd l. Vid normal spridning ökar brytningsindexet med minskande våglängd, och detta sker i glas, vatten, luft och alla andra ämnen som är transparenta för ljus. I ämnen som starkt absorberar ljus ändras brytningsindexförloppet till det motsatta med en förändring av våglängden och blir mycket brantare: med en minskning av l (en ökning av frekvensen w) minskar brytningsindexet kraftigt och i en visst område av våglängder blir det mindre än enhet (fashastigheten Vph> s ). Detta är exakt den anomala spridningen, där bilden av ljusets utbredning i materia förändras radikalt. Grupphastigheten Vgr blir större än vågornas fashastighet och kan överstiga ljusets hastighet i vakuum (och även bli negativ). L. Wong pekar på denna omständighet som orsaken till möjligheten att förklara resultaten av hans experiment. Det bör dock noteras att villkoret Vgr> c är rent formellt, eftersom begreppet grupphastighet introducerades för fallet med låg (normal) spridning, för transparenta medier, när en grupp av vågor nästan inte ändrar sin form under förökningen. I områden med anomal dispersion, å andra sidan, deformeras ljuspulsen snabbt och begreppet grupphastighet förlorar sin betydelse; i detta fall introduceras begreppen signalhastighet och energiutbredningshastighet, som i transparenta medier sammanfaller med grupphastigheten, och i medier med absorption förblir mindre än ljusets hastighet i vakuum. Men här är det som är intressant i Wongs experiment: en ljuspuls, som har passerat genom ett medium med onormal dispersion, deformeras inte - den behåller exakt sin form! Och detta motsvarar antagandet om pulsens utbredning med grupphastigheten. Men i så fall visar det sig att det inte finns någon absorption i mediet, även om mediets anomala spridning beror just på absorption! Wong själv, som medger att mycket fortfarande är oklart, tror att vad som händer i hans experimentupplägg kan, i en första uppskattning, tydligt förklaras enligt följande.

En ljuspuls består av många komponenter med olika våglängder (frekvenser). Figuren visar tre av dessa komponenter (våg 1-3). Vid någon tidpunkt är alla tre vågorna i fas (deras maxima sammanfaller); här lägger de ihop, förstärker varandra och bildar en impuls. När de fortplantar sig vidare i rymden är vågorna ur fas och "släcker" därigenom varandra.

I området för anomal dispersion (inuti cesiumcellen) blir vågen som var kortare (våg 1) längre. Omvänt blir den våg som var längst av de tre (våg 3) den kortaste.

Följaktligen ändras också vågornas faser i enlighet med detta. När vågorna har passerat genom cesiumcellen återställs deras vågfronter. Efter att ha genomgått en ovanlig fasmodulering i ett ämne med anomal dispersion, är de tre vågorna i fråga återigen i fas vid en viss punkt. Här adderas de igen och bildar en puls av exakt samma form som när de kommer in i cesiummediet.

Vanligtvis i luft och i praktiskt taget vilket transparent medium som helst med normal spridning, kan en ljuspuls inte exakt bibehålla sin form när den utbreder sig över ett avlägset avstånd, det vill säga alla dess komponenter kan inte fasas vid någon avlägsen punkt längs utbredningsvägen. Och under normala förhållanden uppträder en ljuspuls på en så avlägsen punkt efter en tid. Men på grund av de anomala egenskaperna hos mediet som användes i experimentet visade sig pulsen på en avlägsen punkt vara fasad på samma sätt som när den gick in i detta medium. Sålunda beter sig ljuspulsen som om den hade en negativ tidsfördröjning på väg till en avlägsen punkt, det vill säga den skulle komma fram till den inte senare, men tidigare än den har passerat miljön!

De flesta fysiker är benägna att associera detta resultat med uppkomsten av en lågintensiv prekursor i det dispersiva mediet i kammaren. Faktum är att i den spektrala nedbrytningen av en puls innehåller spektrumet komponenter med godtyckligt höga frekvenser med försumbar amplitud, den så kallade prekursorn, som går före "huvuddelen" av pulsen. Etableringens natur och prekursorns form beror på spridningslagen i mediet. Med detta i åtanke föreslås händelseförloppet i Wongs experiment tolkas enligt följande. Den inkommande vågen, som "sträcker ut" förebudet framför sig, närmar sig kameran. Innan toppen av den inkommande vågen träffar den närmaste väggen av kammaren, initierar prekursorn en impuls i kammaren, som når den bortre väggen och reflekteras från den och bildar en "bakåtvåg". Denna våg, som fortplantar sig 300 gånger snabbare än c, når den närmaste väggen och möter den inkommande vågen. En vågs toppar möter en annans dalar, så de förstör varandra och inget blir kvar som ett resultat. Det visar sig att den inkommande vågen "återför skulden" till cesiumatomerna, som "lånade ut" energi till den i andra änden av kammaren. Den som bara skulle observera början och slutet av experimentet skulle bara se en ljuspuls som "hoppade" framåt i tiden, rör sig snabbare med.

L. Wong menar att hans experiment inte stämmer överens med relativitetsteorin. Uttalandet om ouppnåeligheten av superluminal hastighet, tror han, är endast tillämpligt på föremål med vilomassa. Ljus kan representeras antingen i form av vågor, för vilka begreppet massa i allmänhet inte är tillämpligt, eller i form av fotoner med en vilomassa, som bekant, lika med noll. Därför är ljusets hastighet i ett vakuum, anser Wong, inte gränsen. Trots det medger Wong att effekten han upptäckt inte gör det möjligt att överföra information med en hastighet som är högre än s.

"Informationen här är redan i framkant av pulsen", säger P. Milonny, fysiker vid Los Alamos National Laboratory, USA.

De flesta fysiker tror att det nya verket inte ger ett förkrossande slag mot grundläggande principer. Men inte alla fysiker tror att problemet är löst. Professor A. Ranfagni från den italienska forskargruppen, som genomförde ytterligare ett intressant experiment 2000, menar att frågan fortfarande är öppen. Detta experiment, utfört av Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni och Rocco Ruggeri, fann att centimeterbandsradiovågor i vanliga flygresor med en hastighet på 25 % över c.

Sammanfattningsvis kan vi säga följande.

De senaste årens arbete visar att under vissa förhållanden kan superluminal hastighet faktiskt ske. Men vad exakt är att resa med superluminal hastighet? Relativitetsteorin, som redan nämnts, förbjuder en sådan hastighet för materiella kroppar och för signaler som bär information. Ändå försöker vissa forskare mycket ihärdigt visa hur man kan övervinna ljusbarriären för signaler. Anledningen till detta ligger i det faktum att det i den speciella relativitetsteorin inte finns någon rigorös matematisk motivering (baserad till exempel på Maxwells ekvationer för det elektromagnetiska fältet) för omöjligheten att sända signaler med en hastighet större än s. Denna omöjlighet i SRT är etablerad, kan man säga, rent aritmetiskt, utgående från Einsteins formel för tillägg av hastigheter, men detta bekräftas i grunden av kausalitetsprincipen. Einstein själv, med tanke på frågan om superluminal signalöverföring, skrev att i detta fall "... vi är tvungna att överväga en signalöverföringsmekanism, när vi använder vilken den uppnådda åtgärden föregår orsaken. Men även om detta är ett resultat av en rent logisk punkt synen innehåller inte i mig själv, enligt min mening, inga motsägelser, den motsäger ändå naturen av hela vår erfarenhet så mycket att omöjligheten av antagandet V> c verkar vara tillräckligt bevisat." Principen om kausalitet är hörnstenen som ligger till grund för omöjligheten av FTL-signalöverföring. Och på den här stenen kommer tydligen alla sökningar efter superluminala signaler, utan undantag, att snubbla, oavsett hur experimenterande skulle vilja upptäcka sådana signaler, för sådan är vår världs natur.

Men låt oss ändå föreställa oss att relativitetsmatematiken fortfarande kommer att fungera i hastigheter snabbare än ljuset. Det betyder att vi teoretiskt sett fortfarande kan ta reda på vad som skulle hända om kroppen råkade överskrida ljusets hastighet.

Föreställ dig två rymdskepp på väg från jorden mot en stjärna som är 100 ljusår bort från vår planet. Det första fartyget lämnar jorden med 50 % ljusets hastighet, så det kommer att ta 200 år för hela resan. Det andra fartyget, utrustat med en hypotetisk varpdrift, kommer att färdas med 200 % ljusets hastighet, men 100 år efter det första. Vad kommer att hända?

Enligt relativitetsteorin beror det korrekta svaret till stor del på betraktarens perspektiv. Från jorden kommer det att visa sig att det första fartyget redan har färdats en avsevärd sträcka innan det blev omkört av det andra fartyget, som rör sig fyra gånger snabbare. Men ur människornas synvinkel på det första skeppet är allt lite annorlunda.

Skepp nr 2 rör sig snabbare än ljuset, vilket innebär att det till och med kan köra om ljuset som det självt avger. Detta leder till en slags "ljusvåg" (analogt med ljud, men istället för att vibrera luft vibrerar ljusvågor här), vilket genererar flera intressanta effekter. Kom ihåg att ljuset från fartyg # 2 rör sig långsammare än själva fartyget. Som ett resultat kommer en visuell fördubbling att inträffa. Med andra ord, till en början kommer besättningen på fartyg #1 att se att det andra fartyget har dykt upp bredvid det som från ingenstans. Sedan kommer ljuset från det andra fartyget att nå det första med en liten fördröjning, och resultatet blir en synlig kopia som kommer att röra sig i samma riktning med en liten fördröjning.

Något liknande kan ses i datorspel, när motorn, som ett resultat av ett systemfel, laddar modellen och dess algoritmer vid rörelsens slutpunkt snabbare än själva animationen slutar, så att flera tagningar skapas. Det är förmodligen därför som vårt medvetande inte uppfattar den där hypotetiska aspekten av universum, där kroppar rör sig i superluminal hastighet - kanske är detta det bästa.

P.S. ... men i det sista exemplet förstod jag inte något, varför fartygets verkliga position är förknippad med "ljuset som sänds ut av det"? Tja, låt dem se honom som något inte är där, men i verkligheten kommer han att köra om det första skeppet!

källor

Skuggor kan färdas snabbare än ljus, men kan inte bära substans eller information

Är FTL-flygning möjligt?

Avsnitten i den här artikeln har underrubriker och du kan referera till varje avsnitt separat.

Enkla exempel på FTL-resor

1. Cherenkov-effekten

När vi talar om rörelse med superluminal hastighet menar vi ljusets hastighet i vakuum c(299 792 458 m/s). Därför kan Cherenkov-effekten inte betraktas som ett exempel på rörelse med superluminal hastighet.

2. Tredje observatören

Om raketen A flyger ifrån mig med fart 0,6c västerut och raketen B flyger ifrån mig med fart 0,6cösterut, då ser jag att avståndet mellan A och Bökar i en takt 1,2c... Att se missilerna flyga A och B från sidan ser den tredje observatören att den totala hastigheten för borttagning av missil är större än c .

men relativ hastighet inte lika med summan av hastigheterna. Rakethastighet A angående raketen Bär den hastighet med vilken avståndet till raketen ökar A sett av en observatör som flyger på en raket B... Den relativa hastigheten måste beräknas med den relativistiska hastighetsadditionsformeln. (se Hur lägger du till hastigheter i speciell relativitet?) I det här exemplet är den relativa hastigheten ungefär 0,88c... Så i det här exemplet fick vi inte den superluminala hastigheten.

3. Ljus och skugga

Tänk på hur snabbt skuggan kan röra sig. Om lampan är nära, så rör sig skuggan av ditt finger på den bortre väggen mycket snabbare än ditt finger rör sig. När du flyttar fingret parallellt med väggen kommer skuggans hastighet in D / d gånger mer än ett fingers hastighet. Här där avståndet från lampan till fingret, och D- från lampa till vägg. Hastigheten blir ännu högre om väggen är i vinkel. Om väggen är väldigt långt borta, kommer skuggans rörelse att släpa efter fingrets rörelse, eftersom ljuset tar tid att nå väggen, men hastigheten på skuggrörelsen längs väggen kommer att öka ännu mer. Skuggans hastighet begränsas inte av ljusets hastighet.

Ett annat föremål som kan färdas snabbare än ljus är en ljusfläck från en laser riktad mot månen. Avståndet till månen är 385 000 km. Du kan själv beräkna rörelsehastigheten för ljuspunkten på Månens yta, med små vibrationer av laserpekaren i handen. Du kanske också gillar exemplet med en våg som löper in i en rak linje av stranden i en liten vinkel. Hur snabbt kan skärningspunkten mellan vågen och stranden färdas längs stranden?

Alla dessa saker kan hända i naturen. Till exempel kan en ljusstråle från en pulsar färdas längs ett dammmoln. En kraftig explosion kan skapa sfäriska vågor av ljus eller strålning. När dessa vågor skär någon yta uppstår ljuscirklar på denna yta, som expanderar snabbare än ljus. Detta fenomen uppstår till exempel när en elektromagnetisk puls från en blixt går genom den övre atmosfären.

4. Fast kropp

Om du har ett långt styvt spö och du träffar ena änden av spöet, börjar inte den andra änden röra sig direkt? Är inte detta ett sätt att överföra information snabbare än ljus?

Det skulle vara sant om idealiskt sett fanns stela kroppar. I praktiken överförs stöten längs staven med ljudhastigheten, vilket beror på stavmaterialets elasticitet och densitet. Dessutom begränsar relativitetsteorin den möjliga ljudhastigheten i ett material till värdet c .

Samma princip gäller om du håller ett snöre eller spö upprätt, släpper det, och det börjar falla under påverkan av gravitationen. Den övre änden, som du släpper, börjar falla omedelbart, men den nedre änden kommer att börja röra sig först efter ett tag, eftersom försvinnandet av hållkraften överförs nedför stången med ljudhastigheten i materialet.

Formuleringen av den relativistiska elasticitetsteorin är ganska komplicerad, men den allmänna idén kan illustreras med hjälp av newtonsk mekanik. Ekvationen för longitudinell rörelse för en ideal elastisk kropp kan härledas från Hookes lag. Vi betecknar stavens linjära densitet ρ , Youngs elasticitetsmodul Y... Längsgående förskjutning X uppfyller vågekvationen

ρ d 2 X / dt 2 - Y d 2 X / dx 2 = 0

Planvågslösning färdas med ljudets hastighet s, som bestäms från formeln s2 = Y/p... Vågekvationen tillåter inte störningar av mediet att röra sig snabbare än med hastigheten s... Dessutom ger relativitetsteorin en gräns för värdet av elasticitet: Y< ρc 2 ... I praktiken kommer inget känt material i närheten av denna gräns. Observera också att även om ljudhastigheten är nära c, så rör sig inte själva ämnet nödvändigtvis med en relativistisk hastighet.

Även om det inte finns några fasta ämnen i naturen, så finns det rörelse av fasta ämnen som kan användas för att övervinna ljusets hastighet. Det här ämnet tillhör det redan beskrivna avsnittet med skuggor och högdagrar. (Se The Superluminal Scissors, The Rigid Rotating Disk in Relativity).

5. Fashastighet

Våg ekvation
d 2 u / dt 2 - c 2 d 2 u / dx 2 + w 2 u = 0

har en lösning i formen
u = A cos (ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 = 0

Dessa är sinusformade vågor som fortplantar sig med hastighet v
v = b / a = sqrt (c 2 + w 2 / a 2)

Men detta är mer än c. Är detta en ekvation för tachyoner? (se vidare avsnitt). Nej, detta är den vanliga relativistiska ekvationen för en partikel med massa.

För att eliminera paradoxen är det nödvändigt att skilja mellan "fashastigheten" v ph och "grupphastighet" v gr, och
v ph v gr = c 2

Vågformslösningen kan ha frekvensspridning. I detta fall rör sig vågpaketet med en grupphastighet som är mindre än c... Med hjälp av ett vågpaket kan information endast överföras med en grupphastighet. Vågor i ett vågpaket rör sig med fashastighet. Fashastighet är ett annat exempel på FTL-rörelse som inte kan användas för att kommunicera meddelanden.

6. Superluminala galaxer

7. Relativistisk raket

Låt en observatör på jorden se ett rymdskepp dra sig tillbaka i en hastighet 0,8c Enligt relativitetsteorin kommer han att se att klockan på rymdfarkosten går 5/3 gånger långsammare. Om vi delar avståndet till fartyget med flygtiden enligt ombordsklockan får vi hastigheten 4/3c... Observatören drar slutsatsen att med hjälp av sin ombordklocka kommer fartygets pilot också att fastställa att han flyger i superluminal hastighet. Ur pilotens synvinkel går hans klocka normalt och det interstellära rymden har krympt 5/3 gånger. Därför flyger den de kända avstånden mellan stjärnorna snabbare, med en hastighet 4/3c .

Men det här är fortfarande ingen superluminal flygning. Du kan inte beräkna hastighet med avstånd och tid definierade i olika referensramar.

8. Tyngdhastigheten

Vissa insisterar på att gravitationshastigheten är mycket högre. c eller till och med oändliga. Kolla in Reser gravitationen med ljusets hastighet? och vad är gravitationsstrålning? Gravitationsstörningar och gravitationsvågor fortplantar sig med en hastighet c .

9. EPR-paradox

10. Virtuella fotoner

11. Kvanttunneleffekt

Inom kvantmekaniken tillåter tunneleffekten en partikel att övervinna en barriär, även om det inte finns tillräckligt med energi för den. Det är möjligt att beräkna tunnlingstiden genom en sådan barriär. Och det kan visa sig vara mindre än vad som krävs för att ljus ska klara samma sträcka med en hastighet c... Kan detta användas för att skicka meddelanden snabbare än ljuset?

Quantum Electrodynamics säger nej! Ändå har ett experiment utförts som visade superluminal informationsöverföring med hjälp av tunneleffekten. Genom en 11,4 cm bred barriär med en hastighet av 4,7 c Mozarts fyrtionde symfoni levererades. Förklaringen till detta experiment är mycket kontroversiell. De flesta fysiker tror att tunneleffekten inte kan överföras information snabbare än ljuset. Om det var möjligt, varför inte skicka signalen tillbaka i tiden genom att placera utrustningen i en snabbrörlig referensram.

17. Kvantfältteori

Med undantag för gravitationen är alla observerbara fysiska fenomen förenliga med "Standardmodellen". Standardmodellen är en relativistisk kvantfältteori som förklarar elektromagnetiska och nukleära interaktioner, såväl som alla kända partiklar. I denna teori "pendlar" alla operatorpar som motsvarar fysiska observerbara objekt åtskilda av ett mellanrumsliknande intervall av händelser (det vill säga du kan ändra ordningen på dessa operatorer). I princip innebär detta att i standardmodellen kan påverkan inte färdas snabbare än ljus, och detta kan betraktas som kvantfältsekvivalenten till argumentet för oändlig energi.

Men i standardmodellens kvantfältteorin finns det inga felfritt rigorösa bevis. Ingen har ännu ens bevisat att denna teori är internt konsekvent. Detta är med största sannolikhet inte fallet. Det finns i alla fall ingen garanti för att det inte finns några partiklar eller krafter som ännu inte har upptäckts som inte följer förbudet mot superluminal resor. Det finns heller ingen generalisering av denna teori, inklusive gravitation och allmän relativitet. Många fysiker som arbetar inom området kvantgravitation tvivlar på att enkla begrepp om kausalitet och lokalitet kommer att generaliseras. Det finns ingen garanti för att ljusets hastighet i en framtida mer komplett teori kommer att behålla betydelsen av att begränsa hastigheten.

18. Farfarsparadoxen

I speciell relativitetsteori rör sig en partikel som färdas snabbare än ljus i en referensram bakåt i tiden i en annan referensram. Superluminal rörelse eller överföring av information skulle göra det möjligt att resa eller skicka ett meddelande till det förflutna. Om en sådan tidsresa var möjlig, skulle du kunna gå tillbaka i tiden och ändra historiens gång genom att döda din farfar.

Detta är ett mycket starkt argument mot möjligheten av FTL-resor. Det är sant att det finns en nästan osannolik sannolikhet att någon form av begränsad superluminal rörelse är möjlig, vilket inte tillåter en återgång till det förflutna. Eller kanske tidsresor är möjliga, men kausaliteten kränks på något konsekvent sätt. Allt detta är mycket osannolikt, men om vi diskuterar FTL-resor är det bättre att vara redo för nya idéer.

Det omvända är också sant. Om vi kunde resa tillbaka i tiden skulle vi kunna övervinna ljusets hastighet. Du kan gå tillbaka i tiden, flyga någonstans med låg hastighet och komma dit innan ljuset, skickat på vanligt sätt, kommer. Se Tidsresor för detaljer om detta ämne.

Öppna frågor om FTL-resor

I det här sista avsnittet kommer jag att beskriva några seriösa idéer för möjliga resor snabbare än lätt. Dessa ämnen ingår inte ofta i FAQ, eftersom de inte är mer som svar, utan en massa nya frågor. De är med här för att visa att det pågår seriös forskning i denna riktning. Endast en kort introduktion till ämnet ges. Du kan hitta detaljer på Internet. Som med allt på internet, var kritisk mot dem.

19. Tachyoner

Takyoner är hypotetiska partiklar som färdas snabbare än ljus lokalt. För att göra detta måste de ha en imaginär massa. I det här fallet är tachyonens energi och momentum verkliga värden. Det finns ingen anledning att tro att superluminala partiklar inte kan detekteras. Skuggor och ljusfläckar kan färdas snabbare än ljus och kan upptäckas.

Hittills har tachyoner inte hittats, och fysiker tvivlar på deras existens. Det har förekommit påståenden att i experiment för att mäta massan av neutriner som produceras av beta-sönderfall av tritium, var neutrinerna tachyoner. Detta är tveksamt, men har ännu inte helt motbevisats.

Det finns problem med tachyonteori. Förutom den möjliga kränkningen av kausalitet gör tachyoner också vakuumet instabilt. Det kan vara möjligt att kringgå dessa svårigheter, men inte ens då kommer vi att kunna använda tachyoner för superluminal meddelandeöverföring.

De flesta fysiker tror att uppkomsten av tachyoner i en teori är ett tecken på några problem i denna teori. Idén med tachyons är så populär bland allmänheten bara för att de ofta nämns i science fiction-litteratur. Se Tachyons.

20. Maskhål

Det mest kända sättet för globala FTL-resor är användningen av maskhål. Ett maskhål är en slits i rum-tid från en punkt i universum till en annan, som gör att du kan gå från ena änden av hålet till den andra snabbare än den vanliga vägen. Maskhål beskrivs av allmän relativitetsteori. För att skapa dem måste du ändra topologin för rum-tid. Kanske kommer detta att bli möjligt inom ramen för kvantteorin om gravitation.

Att hålla ett maskhål öppet kräver ytor med negativ energi. C.W. Misner och K.S. Thorne föreslog att man skulle använda Casimir-effekten i stor skala för att skapa negativ energi. Visser föreslog att man skulle använda kosmiska strängar för detta. Det är väldigt spekulativa idéer, och det kanske inte är möjligt. Kanske den erforderliga formen av exotisk materia med negativ energi inte existerar.

Ljusets utbredningshastighet är lika med 299 792 458 meter per sekund, men det är inte längre ett gränsvärde. "Futurist" har samlat 4 teorier, där ljus inte längre är Michael Schumacher.

En amerikansk vetenskapsman av japanskt ursprung, expert på teoretisk fysik Michio Kaku är säker på att ljusets hastighet kan övervinnas.

Big Bang

Det mest kända exemplet på när ljusbarriären övervanns, kallar Michio Kaku Big Bang - en ultrasnabb "pop" som blev början på universums expansion, till vilken den befann sig i ett unikt tillstånd.

"Inget materiellt föremål kan tränga igenom ljusbarriären. Men tomt utrymme kan säkert röra sig snabbare än ljuset. Ingenting kan vara mer tomt än ett vakuum, vilket betyder att det kan expandera snabbare än ljusets hastighet, är forskaren säker.

Ficklampa på natthimlen

Om du lyser med en lykta på natthimlen, kan i princip en stråle som går från en del av universum till en annan, belägen på ett avstånd av många ljusår, röra sig snabbare än ljusets hastighet. Problemet är att det i det här fallet inte kommer att finnas något materiellt föremål som verkligen rör sig snabbare än ljuset. Föreställ dig att du är omgiven av en jättesfär som är ett ljusår i diameter. En bild av en ljusstråle kommer att svepa över denna sfär på några sekunder, trots dess storlek. Men bara bilden av en stråle kan röra sig över natthimlen snabbare än ljus, och inte information eller materiellt föremål.

Kvantsammanflätning

Snabbare än ljusets hastighet kanske inte är något objekt, utan ett helt fenomen, eller snarare ett förhållande som kallas kvantintrång. Detta är ett kvantmekaniskt fenomen där kvanttillstånden för två eller flera objekt är beroende av varandra. För att få ett par intrasslade fotoner kan du lysa en laser med en specifik frekvens och intensitet på en olinjär kristall. Som ett resultat av spridningen av laserstrålen kommer fotoner att dyka upp i två olika polarisationskoner, vars koppling kommer att kallas kvantentanglement. Så, kvantintrassling är ett sätt som subatomära partiklar interagerar på, och processen för denna anslutning kan vara snabbare än ljus.

"Om två elektroner förs samman kommer de att vibrera unisont, enligt kvantteorin. Men om man sedan delar de där elektronerna med många ljusår håller de fortfarande kontakten med varandra. Om du skakar en elektron kommer den andra att känna denna vibration, och detta kommer att ske snabbare än ljusets hastighet. Albert Einstein trodde att detta fenomen skulle motbevisa kvantteorin, eftersom ingenting kan röra sig snabbare än ljus, men i själva verket hade han fel, säger Michio Kaku.

Maskhål

Temat att övervinna ljusets hastighet spelas upp i många science fiction-filmer. Nu hör även de som är långt ifrån astrofysik frasen "maskhål", tack vare filmen "Interstellar". Detta är en speciell krökning i rymd-tidssystemet, en tunnel i rymden, som gör att man kan övervinna enorma avstånd på försumbar tid.

Sådana förvrängningar talas om inte bara av filmmanusförfattare, utan också av vetenskapsmän. Michio Kaku menar att ett maskhål, eller som det också kallas, ett maskhål, är ett av de två mest realistiska sätten att överföra information snabbare än ljusets hastighet.

Det andra sättet, också förknippat med förändringar i materien, är sammandragningen av rymden framför dig och expansionen bakom dig. I detta deformerade utrymme genereras en våg som färdas snabbare än ljusets hastighet om den kontrolleras av mörk materia.

Således kan den enda verkliga chansen för en person att lära sig att övervinna ljusbarriären vara gömd i den allmänna relativitetsteorin och krökningen av rum och tid. Men allting vilar mot den mycket mörka materien: ingen vet om den existerar med säkerhet och om maskhålen är stabila.

Doktor i tekniska vetenskaper A. GOLUBEV.

I mitten av förra året dök ett sensationellt reportage upp i tidningarna. En grupp amerikanska forskare fann att en mycket kort laserpuls färdas i ett speciellt utvalt medium hundratals gånger snabbare än i ett vakuum. Detta fenomen verkade helt otroligt (ljusets hastighet i ett medium är alltid mindre än i ett vakuum) och väckte till och med tvivel om giltigheten av den speciella relativitetsteorin. Under tiden upptäcktes ett superluminalt fysiskt objekt - en laserpuls i ett förstärkande medium - först inte 2000, utan 35 år tidigare, 1965, och möjligheten till superluminal rörelse diskuterades flitigt fram till början av 1970-talet. Idag har diskussionen kring detta märkliga fenomen blossat upp med förnyad kraft.

Exempel på "superluminal" rörelse.

I början av 1960-talet började högeffekts korta ljuspulser erhållas genom att en laserblixt passerade genom en kvantförstärkare (medium med invers population).

I förstärkarmediet orsakar den initiala regionen av ljuspulsen stimulerad emission av atomerna i förstärkarmediet, och dess sista region orsakar absorption av energi av dem. Som ett resultat kommer det att verka för observatören att pulsen rör sig snabbare än ljuset.

Lijun Wongs experiment.

En ljusstråle som passerar genom ett prisma av transparent material (t.ex. glas) bryts, det vill säga genomgår spridning.

En ljuspuls är en uppsättning vibrationer med olika frekvenser.

Förmodligen vet alla - även människor långt ifrån fysiken - att den högsta möjliga hastigheten för rörelse av materiella föremål eller utbredningen av några signaler är ljusets hastighet i ett vakuum. Det betecknas med bokstaven med och är nästan 300 tusen kilometer per sekund; exakt värde med= 299 792 458 m/s. Ljusets hastighet i ett vakuum är en av de grundläggande fysiska konstanterna. Omöjligheten att nå hastigheter som överstiger med, följer av Einsteins speciella relativitetsteori (SRT). Om det vore möjligt att bevisa att signaler kan sändas med superluminala hastigheter skulle relativitetsteorin falla. Hittills har detta inte hänt, trots många försök att motbevisa förbudet mot förekomsten av höga hastigheter med... I nyare experimentella studier har dock några mycket intressanta fenomen upptäckts, som tyder på att man under speciellt skapade förhållanden kan observera superluminala hastigheter utan att bryta mot relativitetsteorins principer.

Till att börja med, låt oss komma ihåg de viktigaste aspekterna relaterade till problemet med ljusets hastighet. Först och främst: varför är det omöjligt (under normala förhållanden) att överskrida ljusgränsen? För då kränks vår världs grundläggande lag - kausalitetslagen, enligt vilken effekten inte kan överträffa orsaken. Ingen har någonsin sett till exempel att först en björn föll död, och sedan en jägare sköt. Vid hastigheter som överstiger med, händelseförloppet är omvänt, tidsbandet spolas tillbaka. Detta är lätt att verifiera från följande enkla resonemang.

Även om detta resonemang helt ignorerar de tekniska detaljerna i processen att observera ljus, ur en grundläggande synvinkel, visar det tydligt att rörelse med superluminal hastighet leder till en omöjlig situation i vår värld. Men naturen har satt ännu strängare villkor: det är ouppnåeligt att röra sig inte bara med superluminal hastighet, utan också med en hastighet lika med ljusets hastighet - det går bara att närma sig. Av relativitetsteorin följer att med en ökning av rörelsehastigheten uppstår tre omständigheter: massan av ett rörligt föremål ökar, dess storlek minskar i rörelseriktningen och tidsflödet på detta föremål saktar ner (från och med synvinkeln för en extern "vilande" observatör). Vid vanliga hastigheter är dessa förändringar försumbara, men när de närmar sig ljusets hastighet blir de mer märkbara, och i gränsen - med en hastighet lika med med, - massan blir oändligt stor, föremålet tappar helt sin storlek i rörelseriktningen och tiden stannar på det. Därför kan ingen materiell kropp nå ljusets hastighet. Denna hastighet besitter endast ljuset självt! (Och även en "alltgenomträngande" partikel - en neutrino, som likt en foton inte kan röra sig med lägre hastighet än med.)

Nu om signalöverföringshastigheten. Det är här lämpligt att använda representationen av ljus i form av elektromagnetiska vågor. Vad är en signal? Detta är någon form av information som ska överföras. En idealisk elektromagnetisk våg är en oändlig sinusoid av strikt en frekvens, och den kan inte bära någon information, eftersom varje period av en sådan sinusoid exakt upprepar den föregående. Hastigheten med vilken fasen av en sinusvåg rör sig - den så kallade fashastigheten - kan i ett medium under vissa förhållanden överstiga ljusets hastighet i vakuum. Det finns inga begränsningar här, eftersom fashastigheten inte är signalhastigheten - den är inte där än. För att skapa en signal måste du göra något slags "märke" på vågen. Ett sådant märke kan till exempel vara en förändring av någon av vågparametrarna - amplitud, frekvens eller initial fas. Men så fort märket görs förlorar vågen sin sinusform. Den blir modulerad, bestående av en uppsättning enkla sinusformade vågor med olika amplituder, frekvenser och initiala faser - en grupp vågor. Hastigheten med vilken märket rör sig i den modulerade vågen är signalens hastighet. Vid fortplantning i ett medium sammanfaller denna hastighet vanligtvis med grupphastigheten, som kännetecknar utbredningen av ovan nämnda grupp av vågor som helhet (se Science and Life, nr 2, 2000). Under normala förhållanden är grupphastigheten, och därmed signalhastigheten, mindre än ljusets hastighet i vakuum. Det är inte av en slump att uttrycket "under normala förhållanden" används, eftersom grupphastigheten i vissa fall också kan överstiga med eller till och med förlora sin mening, men då gäller det inte signalförökning. I bensinstationen konstateras att det är omöjligt att sända en signal med en hastighet högre än med.

Varför är det så? Eftersom ett hinder för överföringen av en signal med en högre hastighet med samma kausalitetslag tjänar. Låt oss föreställa oss följande situation. Vid någon punkt A slår en ljusblixt (händelse 1) på en enhet som sänder en viss radiosignal, och vid en avlägsen punkt B inträffar en explosion under verkan av denna radiosignal (händelse 2). Det är tydligt att händelse 1 (blixt) är en orsak, och händelse 2 (explosion) är en följd som inträffar senare än orsaken. Men om radiosignalen fortplantade sig med en superluminal hastighet, skulle en observatör nära punkt B först se en explosion och först då - nå den med en hastighet med ljusblixt, orsaken till explosionen. Med andra ord, för denna observatör skulle händelse 2 inträffa tidigare än händelse 1, det vill säga effekten skulle ligga före orsaken.

Det är relevant att betona att det "superluminala förbudet" av relativitetsteorin endast åläggs materiella kroppars rörelse och överföring av signaler. I många situationer är rörelse med vilken hastighet som helst möjlig, men det kommer inte att vara rörelse av materiella föremål eller signaler. Tänk dig till exempel två ganska långa linjaler som ligger i samma plan, varav den ena är horisontell och den andra skär den i en liten vinkel. Om den första linjalen flyttas nedåt (i pilens riktning) med hög hastighet, kan linjalernas skärningspunkt fås att springa så fort du vill, men denna punkt är inte en materiell kropp. Ett annat exempel: om du tar en ficklampa (eller säg en laser som ger en smal stråle) och snabbt beskriver en båge i luften, kommer ljuspunktens linjära hastighet att öka med avståndet och på ett tillräckligt stort avstånd kommer att överstiga med. Ljusfläcken kommer att röra sig mellan punkterna A och B med en superluminal hastighet, men detta kommer inte att vara en signalöverföring från A till B, eftersom en sådan ljusfläck inte bär någon information om punkt A.

Strax efter upptäckten av lasrar - i början av 60-talet - uppstod problemet med att få korta (med en varaktighet av storleksordningen 1 ns = 10 -9 s) högeffektsljuspulser. För detta leddes en kort laserpuls genom en optisk kvantförstärkare. Pulsen delades i två delar av en stråldelande spegel. En av dem, kraftigare, riktades till förstärkaren, medan den andra fortplantade sig i luften och fungerade som en referenspuls med vilken man kunde jämföra pulsen som passerade genom förstärkaren. Båda pulserna matades till fotodetektorer och deras utsignaler kunde observeras visuellt på oscilloskopskärmen. Det förväntades att ljuspulsen som passerar genom förstärkaren kommer att uppleva en viss fördröjning i jämförelse med referenspulsen, det vill säga att ljusets utbredningshastighet i förstärkaren kommer att vara mindre än i luft. Föreställ dig forskarnas förvåning när de upptäckte att pulsen fortplantade sig genom förstärkaren med en hastighet som inte bara var högre än i luft, utan också flera gånger snabbare än ljusets hastighet i vakuum!

Vissa fysiker har försökt att experimentellt bevisa förekomsten av superluminal rörelse i tunneleffekten - ett av de mest fantastiska fenomenen inom kvantmekaniken. Denna effekt består i det faktum att en mikropartikel (närmare bestämt ett mikroobjekt, som uppvisar både egenskaperna hos en partikel och egenskaperna hos en våg under olika förhållanden) kan penetrera den så kallade potentialbarriären - ett fenomen som är helt omöjligt i klassisk mekanik (där analogen skulle vara en sådan situation: En boll som kastas in i väggen skulle vara på andra sidan väggen, eller så skulle den böljande rörelsen som tilldelas repet som är bunden till väggen överföras till repet som är bunden till väggen på andra sidan). Kärnan i tunneleffekten inom kvantmekaniken är följande. Om ett mikroobjekt med en viss energi på sin väg möter ett område med en potentiell energi som överstiger mikroobjektets energi, är denna region en barriär för det, vars höjd bestäms av energiskillnaden. Men mikroobjektet "sipprar" genom barriären! Denna möjlighet ges till honom av den välkända Heisenberg-osäkerhetsrelationen, skriven för energi och interaktionstid. Om mikroobjektets interaktion med barriären inträffar under en tillräckligt bestämd tid, kommer mikroobjektets energi tvärtom att kännetecknas av osäkerhet, och om denna osäkerhet är av storleksordningen barriärhöjden, då upphör det senare att vara ett oöverstigligt hinder för mikroobjektet. Detta är hastigheten för penetration genom en potentiell barriär och har blivit föremål för forskning av ett antal fysiker, som tror att det kan överskrida med.

I juni 1998 ägde ett internationellt symposium om FTL-problem rum i Köln, där resultaten som erhållits i fyra laboratorier diskuterades - i Berkeley, Wien, Köln och i Florens.

I L. Wongs experiment hade ljuspulsen som kom in i kammaren med cesiumånga en varaktighet på cirka 3 μs. Cesiumatomer kan vara i sexton möjliga kvantmekaniska tillstånd som kallas "magnetiska hyperfina grundtillståndssubnivåer". Med hjälp av optisk laserpumpning fördes nästan alla atomer in i endast ett av dessa sexton tillstånd, motsvarande nästan absolut nolltemperatur på Kelvin-skalan (-273,15 o C). Cesiumkammaren var 6 centimeter lång. I ett vakuum färdas ljus 6 centimeter på 0,2 ns. Mätningarna visade att ljuspulsen passerade genom kammaren med cesium på 62 ns kortare tid än i vakuum. Med andra ord har pulsens transittid genom cesiummediet ett minustecken! Faktum är att om 62 ns subtraheras från 0,2 ns, får vi en "negativ" tid. Denna "negativa fördröjning" i mediet - ett obegripligt tidshopp - är lika med den tid under vilken pulsen skulle ha gjort 310 passager genom kammaren i ett vakuum. Konsekvensen av denna "tillfälliga kupp" blev att impulsen som lämnade kammaren hann förflytta sig bort från den med 19 meter innan den inkommande impulsen nådde kammarens närmaste vägg. Hur kan du förklara en sådan otrolig situation (om det naturligtvis inte råder några tvivel om experimentets renhet)?

Dispersionen av ett ämne är beroendet av fasens (konventionella) brytningsindex n från ljusets våglängd l. Vid normal spridning ökar brytningsindexet med minskande våglängd, och detta sker i glas, vatten, luft och alla andra ämnen som är transparenta för ljus. I ämnen som starkt absorberar ljus ändras brytningsindexförloppet till det motsatta med en förändring av våglängden och blir mycket brantare: med minskande l (ökning av frekvensen w) minskar brytningsindexet kraftigt och i ett visst område av våglängder blir mindre än enhet (fashastigheten V f> med). Detta är exakt den anomala spridningen, där bilden av ljusets utbredning i materia förändras radikalt. Grupphastighet V gr blir större än vågornas fashastighet och kan överstiga ljusets hastighet i vakuum (och även bli negativ). L. Wong pekar på denna omständighet som orsaken till möjligheten att förklara resultaten av hans experiment. Det bör dock noteras att villkoret V gr> medär rent formell, eftersom begreppet grupphastighet infördes för fallet med liten (normal) spridning, för transparenta medier, när gruppen av vågor nästan inte ändrar sin form under fortplantningen. I områden med anomal dispersion, å andra sidan, deformeras ljuspulsen snabbt och begreppet grupphastighet förlorar sin betydelse; i detta fall introduceras begreppen signalhastighet och energiutbredningshastighet, som i transparenta medier sammanfaller med grupphastigheten, och i medier med absorption förblir mindre än ljusets hastighet i vakuum. Men här är det som är intressant i Wongs experiment: en ljuspuls, som har passerat genom ett medium med onormal dispersion, deformeras inte - den behåller exakt sin form! Och detta motsvarar antagandet om pulsens utbredning med grupphastigheten. Men i så fall visar det sig att det inte finns någon absorption i mediet, även om mediets anomala spridning beror just på absorption! Wong själv, som medger att mycket fortfarande är oklart, tror att vad som händer i hans experimentupplägg kan, i en första uppskattning, tydligt förklaras enligt följande.

I området för anomal dispersion (inuti cesiumcellen) blir vågen som var kortare (våg 1) längre. Omvänt blir den våg som var längst av de tre (våg 3) den kortaste.

De flesta fysiker är benägna att associera detta resultat med uppkomsten av en lågintensiv prekursor i det dispersiva mediet i kammaren. Faktum är att i den spektrala nedbrytningen av en puls innehåller spektrumet komponenter med godtyckligt höga frekvenser med försumbar amplitud, den så kallade prekursorn, som går före "huvuddelen" av pulsen. Etableringens natur och prekursorns form beror på spridningslagen i mediet. Med detta i åtanke föreslås händelseförloppet i Wongs experiment tolkas enligt följande. Den inkommande vågen, som "sträcker ut" förebudet framför sig, närmar sig kameran. Innan toppen av den inkommande vågen träffar den närmaste väggen av kammaren, initierar prekursorn en impuls i kammaren, som når den bortre väggen och reflekteras från den och bildar en "bakåtvåg". Denna våg sprider sig 300 gånger snabbare med, når den närmaste väggen och möter den inkommande vågen. En vågs toppar möter en annans dalar, så de förstör varandra och inget blir kvar som ett resultat. Det visar sig att den inkommande vågen "återför skulden" till cesiumatomerna, som "lånade ut" energi till den i andra änden av kammaren. Den som bara skulle observera början och slutet av experimentet skulle bara se en ljuspuls som "hoppade" framåt i tiden och rörde sig snabbare med.

"Informationen här är redan i framkant av pulsen", säger P. Milonny, fysiker vid Los Alamos National Laboratory, USA.

De flesta fysiker tror att det nya verket inte ger ett förkrossande slag mot grundläggande principer. Men inte alla fysiker tror att problemet är löst. Professor A. Ranfagni från den italienska forskargruppen, som genomförde ytterligare ett intressant experiment 2000, menar att frågan fortfarande är öppen. Detta experiment, utfört av Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni och Rocco Ruggeri, fann att centimeterbandsradiovågor i normala flygresor med en hastighet som överstiger med med 25 %.

Sammanfattningsvis kan vi säga följande. De senaste årens arbete visar att under vissa förhållanden kan superluminal hastighet faktiskt ske. Men vad exakt är att resa med superluminal hastighet? Relativitetsteorin, som redan nämnts, förbjuder en sådan hastighet för materiella kroppar och för signaler som bär information. Ändå försöker vissa forskare mycket ihärdigt visa hur man kan övervinna ljusbarriären för signaler. Anledningen till detta ligger i det faktum att det i den speciella relativitetsteorin inte finns någon rigorös matematisk motivering (baserat till exempel på Maxwells ekvationer för det elektromagnetiska fältet) för omöjligheten att sända signaler med en hastighet högre än med... Denna omöjlighet i SRT är etablerad, kan man säga, rent aritmetiskt, utgående från Einsteins formel för tillägg av hastigheter, men detta bekräftas i grunden av kausalitetsprincipen. Einstein själv, med tanke på frågan om superluminal signalöverföring, skrev att i detta fall "... vi är tvungna att överväga en signalöverföringsmekanism, när vi använder vilken den uppnådda åtgärden föregår orsaken. Men även om detta är ett resultat av en rent logisk punkt synen innehåller inte i mig själv, enligt min mening, inga motsägelser, den motsäger ändå naturen av all vår erfarenhet så mycket att omöjligheten att anta V> c verkar vara tillräckligt bevisat.” , för detta är vår världs natur.

Sammanfattningsvis bör det betonas att allt ovanstående hänvisar specifikt till vår värld, till vårt universum. Denna reservation gjordes eftersom nya hypoteser nyligen har dykt upp inom astrofysik och kosmologi, som erkänner förekomsten av många universum dolda för oss, sammankopplade av topologiska tunnelbroar. Denna synvinkel delas till exempel av den berömde astrofysikern NS Kardashev. För en utomstående observatör är ingångarna till dessa tunnlar markerade av anomala gravitationsfält, som svarta hål. Rörelser i sådana tunnlar, enligt hypoteserna av författarna till hypoteserna, kommer att göra det möjligt att kringgå hastighetsgränsen i det vanliga rymden av ljusets hastighet, och följaktligen att förverkliga idén om att skapa en tidsmaskin. saker. Och även om sådana hypoteser än så länge alltför påminner om intriger från science fiction, bör man knappast kategoriskt förkasta den grundläggande möjligheten av en flerelementsmodell av den materiella världens struktur. Det är en annan sak att alla dessa andra universum sannolikt kommer att förbli rent matematiska konstruktioner av teoretiska fysiker som lever i vårt universum och försöker hitta världar som är stängda för oss av kraften i deras tankar ...

Se frågan om samma ämne

Men det visade sig att det är möjligt; nu tror de att vi aldrig kommer att kunna resa snabbare än ljuset ... ". Men i själva verket är det inte sant att någon en gång trodde att det är omöjligt att röra sig snabbare än ljud. Långt innan överljudsflygplan dök upp var det redan känt, att kulor flyger snabbare än ljud. guidadöverljudsflygning, och det var felet. SS-rörelsen är en helt annan sak. Det stod klart från början att överljudsflygningen hämmades av tekniska problem som helt enkelt måste lösas. Men det är helt oklart om problemen som hindrar SS-rörelsen någonsin kan lösas. Relativitetsteorin har mycket att säga om detta. Om SS-resor eller till och med signalöverföring är möjlig kommer kausaliteten att kränkas, och helt otroliga slutsatser kommer att följa av detta.

Vi kommer först att diskutera enkla fall av STS-rörelse. Vi nämner dem inte för att de är intressanta, utan för att de kommer upp gång på gång i diskussioner om SS-rörelsen och därför måste hanteras. Sedan kommer vi att diskutera vad vi anser vara svåra fall av STS-rörelse eller kommunikation och överväga några av argumenten mot dem. Slutligen tittar vi på några av de mer allvarliga spekulationerna om den sanna STS-rörelsen.

Enkel SS-rörelse

1. Fenomenet Cherenkov-strålning

Ett sätt att resa snabbare än ljuset är att sakta ner själva ljuset först! :-) I ett vakuum flyger ljuset med en hastighet c, och detta värde är en världskonstant (se frågan Är ljusets hastighet konstant), och i ett tätare medium som vatten eller glas saktar det ner till hastigheten c / n, var när mediets brytningsindex (1,0003 för luft; 1,4 för vatten). Därför kan partiklar röra sig i vatten eller luft snabbare än ljus rör sig dit. Som ett resultat uppstår Vavilov-Cherenkov-strålning (se fråga).

Men när vi talar om SS-rörelsen menar vi naturligtvis överskottet över ljusets hastighet i ett vakuum c(299 792 458 m/s). Därför kan fenomenet Cherenkov inte betraktas som ett exempel på SS-rörelsen.

2.Från tredje part

Om raketen A flyger ifrån mig i en fart 0,6cåt väster och den andra B- från mig med fart 0,6cöst, sedan det totala avståndet mellan A och B i min referensram ökar i en takt 1,2c... Således kan den skenbara relativa hastigheten större än c observeras "från tredje sidan".

Denna hastighet är dock inte vad vi vanligtvis menar med relativ hastighet. Riktig rakethastighet A angående raketen Bär tillväxthastigheten för avståndet mellan missiler, som observeras av en observatör i en raket B... Två hastigheter måste adderas enligt den relativistiska formeln för addition av hastigheter (se frågan Hur adderar man hastigheter i partiell relativitet). I detta fall är den relativa hastigheten ungefär 0,88c, det vill säga den är inte superluminal.

3. Skuggor och kaniner

Tänk på hur snabbt skuggan kan röra sig? Om du skapar en skugga på en avlägsen vägg från ditt finger från en närliggande lampa och sedan flyttar fingret, så rör sig skuggan mycket snabbare än ditt finger. Om fingret rör sig parallellt med väggen kommer skuggans hastighet att vara in D / d gånger hastigheten för ett finger, där där avståndet från fingret till lampan, och D- avståndet från lampan till väggen. Och ännu högre hastighet kan visa sig om väggen är placerad i vinkel. Om väggen är mycket långt borta, kommer skuggans rörelse att släpa efter fingrets rörelse, eftersom ljuset fortfarande måste flyga från fingret till väggen, men fortfarande kommer hastigheten på skuggans rörelse att vara samma gånger större. Det vill säga att skuggans hastighet inte begränsas av ljusets hastighet.

Förutom skuggor kan kaniner också röra sig snabbare än ljus, till exempel en fläck från en laserstråle riktad mot månen. När du vet att avståndet till månen är 385 000 km, försök att beräkna ljusets hastighet genom att flytta lasern något. Du kan också tänka på en havsvåg som lutar mot stranden. Hur snabbt kan den punkt där vågen bryter röra sig?

Liknande saker kan hända i naturen. Till exempel kan en ljusstråle från en pulsar svepa ett moln av damm. En ljus blixt skapar ett expanderande skal av ljus eller annan strålning. När den korsar ytan skapas en ring av ljus som växer snabbare än ljusets hastighet. I naturen uppstår detta när en elektromagnetisk puls från blixten når den övre atmosfären.

Dessa var alla exempel på saker som rörde sig snabbare än ljus, men som inte var fysiska kroppar. Med hjälp av en skugga eller en kanin är det omöjligt att överföra ett SS-meddelande, så kommunikation snabbare än ljus fungerar inte. Och återigen, detta är tydligen inte vad vi vill förstå med ST-rörelse, även om det blir tydligt hur svårt det är att avgöra exakt vad vi behöver (se frågan Superluminal sax).

4. Fasta ämnen

Om du tar en lång, hård pinne och trycker på ena änden av den, rör sig den andra änden direkt eller inte? Är det möjligt att genomföra SS-överföringen av meddelandet på detta sätt?

Ja det var det skulle kan göras om sådana stela kroppar fanns. I verkligheten fortplantar sig effekten av att slå i änden av pinnen längs den med ljudets hastighet i ett givet ämne, och ljudets hastighet beror på materialets elasticitet och densitet. Relativitet sätter en absolut gräns för den möjliga hårdheten hos alla kroppar så att ljudhastigheten i dem inte kan överstiga c.

Samma sak händer om du sitter i attraktionsfältet och först håller snöret eller stången vertikalt i den övre änden och sedan släpper den. Punkten som du släpper kommer att börja röra sig omedelbart, och den nedre änden kan inte börja falla förrän påverkan av släppet når den med ljudets hastighet.

Det är svårt att formulera en allmän teori om elastiska material inom ramen för relativitetsteori, men huvudidén kan visas med hjälp av exemplet med Newtons mekanik. Ekvationen för longitudinell rörelse för en idealiskt elastisk kropp kan erhållas från Hookes lag. I variabler, massor per längdenhet sid och Youngs elasticitetsmodul Y, längsgående förskjutning X uppfyller vågekvationen.

Plan våglösning rör sig med ljudets hastighet s, och s 2 = Y P... Denna ekvation innebär inte möjligheten att ett kausalt inflytande sprider sig snabbare. s... Sålunda sätter relativitetsteorien en teoretisk gräns för storleken på elasticiteten: Y < pc 2... Det finns praktiskt taget inga material som ens kommer i närheten av det. Förresten, även om ljudhastigheten i materialet är nära c, materia i sig själv är inte alls skyldig att röra sig med relativistisk hastighet. Men hur vet vi att det i princip inte kan finnas något ämne som övervinner denna gräns? Svaret är att alla ämnen är sammansatta av partiklar, vars växelverkan följer standardmodellen för elementarpartiklar, och i denna modell kan ingen växelverkan färdas snabbare än ljus (se nedan om kvantfältteori).