Superluminal reise er et av grunnlagene for romfag science fiction. Imidlertid vet sannsynligvis alle - også folk langt fra fysikk - at den maksimale mulige hastigheten på bevegelse av materielle gjenstander eller utbredelse av signaler er lysets hastighet i et vakuum. Det er betegnet med bokstaven c og er nesten 300 tusen kilometer i sekundet; den eksakte verdien er c = 299 792 458 m / s.
Lysets hastighet i et vakuum er en av de grunnleggende fysiske konstantene. Umuligheten av å oppnå hastigheter over c følger av Einsteins spesielle relativitetsteori (SRT). Hvis det var mulig å bevise at signaler kan overføres i superluminal hastighet, ville relativitetsteorien falle. Så langt har ikke dette skjedd, til tross for mange forsøk på å tilbakevise forbudet mot eksistensen av hastigheter større enn ca. I nyere eksperimentelle studier er det imidlertid oppdaget noen veldig interessante fenomener, som indikerer at under spesiallagde forhold kan superluminal hastigheter overholdes og prinsippene i relativitetsteorien ikke brytes.
La oss til å begynne med huske de viktigste aspektene relatert til problemet med lysets hastighet.
Først av alt: hvorfor er det umulig (under normale forhold) å overskride lysgrensen? For da blir den grunnleggende loven i vår verden krenket - kausalitetsloven, hvorved effekten ikke kan overskride årsaken. Ingen har noen gang sett på, for eksempel først en bjørn falt død, og deretter en jeger avfyrt. Ved hastigheter som overstiger s, blir hendelsesforløpet reversert, tidsbåndet blir spolet på nytt. Dette er enkelt å bekrefte ut fra følgende enkle resonnement.
La oss anta at vi er på et slags rom mirakelskip, og beveger oss raskere enn lys. Så ville vi gradvis ta igjen lyset som kilden gir ut på tidligere og tidligere tidspunkter. Først ville vi få tak i fotonene som ble sendt ut, si, i går, deretter de som ble sendt ut i går, så for en uke, en måned, et år siden, og så videre. Hvis lyskilden var et speil som gjenspeiler livet, ville vi først se hendelsene i går, deretter i går og så videre. Vi kunne se, si, en gammel mann som gradvis blir til en middelaldrende mann, deretter til en ung mann, til en ungdom, til et barn … Det vil si at tiden ville slå tilbake, vi ville gå fra nåtiden til fortiden. Årsakene og virkningene ville bli reversert.
Selv om denne resonnementet helt ignorerer de tekniske detaljene i prosessen med å observere lys, fra et grunnleggende synspunkt, viser det tydelig at bevegelse med superluminal hastighet fører til en umulig situasjon i vår verden. Naturen har imidlertid satt enda strengere forhold: det er ikke oppnåelig å bevege seg ikke bare med superluminal hastighet, men også med en hastighet lik lysets hastighet - du kan bare nærme deg den. Fra relativitetsteorien følger det at med en økning i bevegelsens hastighet oppstår tre omstendigheter: massen til et bevegelig objekt øker, størrelsen avtar i bevegelsesretningen, og tidsstrømmen på dette objektet bremser (fra synspunktet til en ekstern "hvilende" observatør). Ved vanlige hastigheter er disse endringene ubetydelige, men når de nærmer seg lysets hastighet, blir de mer merkbare,og i grensen - med en hastighet lik c - blir massen uendelig stor, objektet mister fullstendig størrelsen i bevegelsesretningen og tiden stopper på den. Derfor kan ingen materiell kropp nå lysets hastighet. Bare lys i seg selv har så stor hastighet! (Og også den "gjennomgripende" partikkelen - nøytrino, som i likhet med et foton ikke kan bevege seg med en hastighet mindre enn s.)
Nå om signaloverføringshastigheten. Det er her hensiktsmessig å bruke representasjonen av lys i form av elektromagnetiske bølger. Hva er et signal? Dette er en slags informasjon som skal overføres. En ideell elektromagnetisk bølge er en uendelig sinus med strengt en frekvens, og den kan ikke bære noen informasjon, fordi hver periode i en slik sinusoid nøyaktig gjentar den forrige. Bevegelseshastigheten til fasen til en sinusformet bølge - den såkalte fasehastigheten - kan i et medium under visse forhold overstige lysets hastighet i et vakuum. Det er ingen begrensninger her, siden faserhastigheten ikke er signalhastigheten - den er ikke der ennå. For å lage et signal, må du lage et slags "merke" på bølgen. Et slikt merke kan for eksempel være en endring i hvilken som helst av bølgeparametrene - amplitude, frekvens eller startfase. Men når merket er laget,bølgen mister sinusoidalitet. Det blir modulert, bestående av et sett enkle sinusbølger med forskjellige amplituder, frekvenser og startfaser - en gruppe bølger. Hastigheten som merket beveger seg i den modulerte bølgen er signalets hastighet. Når man formerer seg i et medium, faller denne hastigheten vanligvis sammen med gruppehastigheten, som kjennetegner forplantningen av den ovennevnte gruppen av bølger som en helhet (se Science and Life No. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheten, og derav signalhastigheten, mindre enn lysets hastighet i vakuum. Det er ikke tilfeldig at uttrykket "under normale forhold" brukes, for i noen tilfeller kan gruppehastigheten også overstige c eller til og med miste betydningen, men da gjelder det ikke signalutbredelse. I SRT er det slått fast at det er umulig å overføre et signal med en hastighet større enn s. Det blir modulert, bestående av et sett enkle sinusbølger med forskjellige amplituder, frekvenser og startfaser - en gruppe bølger. Hastigheten som merket beveger seg i den modulerte bølgen er signalets hastighet. Når man forplanter seg i et medium, faller denne hastigheten vanligvis sammen med gruppehastigheten, som kjennetegner forplantningen av den ovennevnte gruppe bølger som en helhet (se Science and Life, nr. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheten, og derav signalhastigheten, mindre enn lysets hastighet i vakuum. Det er ikke tilfeldig at uttrykket "under normale forhold" brukes, for i noen tilfeller kan gruppehastigheten også overstige c eller til og med miste betydningen, men da gjelder det ikke signalutbredelse. I SRT er det slått fast at det er umulig å overføre et signal med en hastighet større enn s. Det blir modulert, bestående av et sett enkle sinusbølger med forskjellige amplituder, frekvenser og startfaser - en gruppe bølger. Hastigheten som merket beveger seg i den modulerte bølgen er signalets hastighet. Når man forplanter seg i et medium, faller denne hastigheten vanligvis sammen med gruppehastigheten, som kjennetegner forplantningen av den ovennevnte gruppe bølger som en helhet (se Science and Life, nr. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheten, og derav signalhastigheten, mindre enn lysets hastighet i vakuum. Det er ikke tilfeldig at uttrykket "under normale forhold" brukes, for i noen tilfeller kan gruppehastigheten også overstige c eller til og med miste betydningen, men da gjelder det ikke signalutbredelse. I SRT er det slått fast at det er umulig å overføre et signal med en hastighet større enn s.som består av et sett enkle sinusformede bølger med forskjellige amplituder, frekvenser og innledende faser - en gruppe bølger. Hastigheten som merket beveger seg i den modulerte bølgen er signalets hastighet. Når man forplanter seg i et medium, faller denne hastigheten vanligvis sammen med gruppehastigheten, som kjennetegner forplantningen av den ovennevnte gruppen av bølger som en helhet (se Science and Life No. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheten, og derav signalhastigheten, mindre enn lysets hastighet i vakuum. Det er ikke tilfeldig at uttrykket "under normale forhold" brukes, for i noen tilfeller kan gruppehastigheten også overstige c eller til og med miste betydningen, men da gjelder det ikke signalutbredelse. I SRT er det slått fast at det er umulig å overføre et signal med en hastighet større enn s.som består av et sett enkle sinusformede bølger med forskjellige amplituder, frekvenser og innledende faser - en gruppe bølger. Hastigheten som merket beveger seg i den modulerte bølgen er signalets hastighet. Når man forplanter seg i et medium, faller denne hastigheten vanligvis sammen med gruppehastigheten, som kjennetegner forplantningen av den ovennevnte gruppen av bølger som en helhet (se Science and Life No. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheten, og derav signalhastigheten, mindre enn lysets hastighet i vakuum. Det er ikke tilfeldig at uttrykket "under normale forhold" brukes, for i noen tilfeller kan gruppehastigheten også overstige c eller til og med miste betydningen, men da gjelder det ikke signalutbredelse. I SRT er det slått fast at det er umulig å overføre et signal med en hastighet større enn s.frekvenser og startfaser - grupper av bølger. Hastigheten som merket beveger seg i den modulerte bølgen er signalets hastighet. Når man forplanter seg i et medium, faller denne hastigheten vanligvis sammen med gruppehastigheten, som kjennetegner forplantningen av den ovennevnte gruppen av bølger som en helhet (se Science and Life No. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheten, og derav signalhastigheten, mindre enn lysets hastighet i vakuum. Det er ikke tilfeldig at uttrykket "under normale forhold" brukes, for i noen tilfeller kan gruppehastigheten også overstige c eller til og med miste betydningen, men da gjelder det ikke signalutbredelse. SRT slår fast at det er umulig å overføre et signal med en hastighet større enn s.frekvenser og startfaser - grupper av bølger. Hastigheten som merket beveger seg i den modulerte bølgen er signalets hastighet. Når man formerer seg i et medium, faller denne hastigheten vanligvis sammen med gruppehastigheten, som kjennetegner forplantningen av den ovennevnte gruppen av bølger som en helhet (se Science and Life No. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheten, og derav signalhastigheten, mindre enn lysets hastighet i vakuum. Det er ikke tilfeldig at uttrykket "under normale forhold" brukes, for i noen tilfeller kan gruppehastigheten også overstige c eller til og med miste betydningen, men da gjelder det ikke signalutbredelse. SRT slår fast at det er umulig å overføre et signal med en hastighet større enn s. Når man formerer seg i et medium, faller denne hastigheten vanligvis sammen med gruppehastigheten, som kjennetegner forplantningen av den ovennevnte gruppen av bølger som en helhet (se Science and Life No. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheten, og derav signalhastigheten, mindre enn lysets hastighet i vakuum. Det er ikke tilfeldig at uttrykket "under normale forhold" brukes, for i noen tilfeller kan gruppehastigheten også overstige c eller til og med miste betydningen, men da gjelder det ikke signalutbredelse. I SRT er det slått fast at det er umulig å overføre et signal med en hastighet større enn s. Når man formerer seg i et medium, faller denne hastigheten vanligvis sammen med gruppehastigheten, som kjennetegner forplantningen av den ovennevnte gruppen av bølger som en helhet (se Science and Life No. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheten, og derav signalhastigheten, mindre enn lysets hastighet i vakuum. Det er ikke tilfeldig at uttrykket "under normale forhold" brukes, for i noen tilfeller kan gruppehastigheten også overstige c eller til og med miste betydningen, men da gjelder det ikke signalutbredelse. I SRT er det slått fast at det er umulig å overføre et signal med en hastighet større enn s. Det er ikke tilfeldig at uttrykket "under normale forhold" brukes, for i noen tilfeller kan gruppehastigheten også overstige c eller til og med miste betydningen, men da gjelder det ikke signalutbredelse. I SRT er det slått fast at det er umulig å overføre et signal med en hastighet større enn s. Det er ikke tilfeldig at uttrykket "under normale forhold" brukes, for i noen tilfeller kan gruppehastigheten også overstige c eller til og med miste betydningen, men da gjelder det ikke signalutbredelse. I SRT er det slått fast at det er umulig å overføre et signal med en hastighet større enn s.
Salgsfremmende video:
Hvorfor er det slik? Fordi den samme kausalitetsloven fungerer som et hinder for overføring av ethvert signal med en hastighet større enn c. La oss forestille oss følgende situasjon. På et tidspunkt A slår en lysblink (hendelse 1) på en enhet som sender et visst radiosignal, og på et fjernt punkt B oppstår det en eksplosjon under virkningen av dette radiosignalet (hendelse 2). Det er tydelig at hendelse 1 (blitz) er en årsak, og hendelse 2 (eksplosjon) er en konsekvens som oppstår senere enn årsaken. Men hvis radiosignalet forplantet seg med en superluminal hastighet, ville en observatør i nærheten av punkt B først se en eksplosjon, og først da - et blitz som nådde ham med en hastighet på en lysblink, årsaken til eksplosjonen. Med andre ord, for denne observatøren vil hendelse 2 inntreffe tidligere enn hendelse 1, det vil si at effekten ville være foran årsaken.
Det er hensiktsmessig å understreke at "superluminalforbudet" av relativitetsteorien bare pålegges bevegelse av materielle kropper og overføring av signaler. I mange situasjoner er bevegelse med hvilken som helst hastighet mulig, men det vil ikke være bevegelse av materielle gjenstander eller signaler. Tenk deg for eksempel to ganske lange linjaler som ligger i samme plan, hvorav den ene er vannrett, og den andre skjærer den i en liten vinkel. Hvis den første linjalen blir beveget nedover (i pilens retning) med høy hastighet, kan kryssingspunktet mellom linjalene fås til å løpe så raskt du vil, men dette punktet er ikke et materiell organ. Et annet eksempel: hvis du tar en lommelykt (eller, for eksempel, en laser som gir en smal stråle) og raskt beskriver en lysbue i luften, vil lyspunktets lineære hastighet øke med avstand og i tilstrekkelig stor avstand overstige c. Lyspunktet vil bevege seg mellom punkt A og B med en superluminal hastighet, men dette vil ikke være en signaloverføring fra A til B, siden et slikt lyspunkt ikke har noen informasjon om punkt A.
Det ser ut til at spørsmålet om superluminal hastigheter er løst. Men på 60-tallet av det tjuende århundre la teoretiske fysikere frem en hypotese om eksistensen av superluminale partikler kalt tachyons. Dette er veldig rare partikler: teoretisk er de mulige, men for å unngå motsetninger med relativitetsteorien, måtte de tilskrive en tenkt hvilemasse. Fysisk imaginær masse eksisterer ikke, det er en rent matematisk abstraksjon. Imidlertid forårsaket dette ikke mye alarm, siden tachyons ikke kan være i ro - de eksisterer (hvis de finnes!) Bare i hastigheter som overskrider lysets hastighet i et vakuum, og i dette tilfellet viser massen til tachyon seg å være reell. Det er noen analogi her med fotoner: et foton har null hvilemasse, men dette betyr ganske enkelt at et foton ikke kan være i ro - lys kan ikke stoppes.
Det vanskeligste, som forventet, var å forene tachyon-hypotesen med kausalitetsloven. Forsøk i denne retningen, selv om de var ganske geniale, førte ikke til åpenbar suksess. Ingen lyktes heller å registrere tachyons eksperimentelt. Som et resultat ble interessen for takyoner som superluminal elementære partikler gradvis forsvunnet.
På 60-tallet ble imidlertid et fenomen eksperimentelt oppdaget som opprinnelig forvirret fysikere. Dette er beskrevet i detalj i artikkelen av A. N. Oraevsky "Superluminalbølger i forsterkende medier" (Phys. Phys. Nr. 12, 1998). Her vil vi kort oppsummere saken, med henvisning til leseren som er interessert i detaljer til den spesifiserte artikkelen.
Rett etter oppdagelsen av lasere - på begynnelsen av 60-tallet - oppsto problemet med å få korte (ca. 1 ns = 10-9 s) høye kraftpulser. For dette ble en kort laserpuls ført gjennom en optisk kvanteforsterker. Pulsen ble delt i to deler av et strålesplittende speil. Den ene av dem, kraftigere, ble sendt til forsterkeren, mens den andre forplantet seg i luften og fungerte som en referansepuls som man kunne sammenligne pulsen som passerte gjennom forsterkeren. Begge pulser ble matet til fotodetektorer, og deres utgangssignaler kunne observeres visuelt på oscilloskopskjermen. Det ble forventet at lyspulsen som passerer gjennom forsterkeren vil oppleve en viss forsinkelse i den sammenlignet med referansepulsen, det vil si at forplantningshastigheten av lys i forsterkeren vil være mindre enn i luft. Se for deg forskernes overraskelse da de oppdaget at pulsen forplantet seg gjennom forsterkeren med en hastighet ikke bare større enn i luft, men også overskredet lysets hastighet i et vakuum flere ganger!
Etter å ha kommet seg etter det første sjokket, begynte fysikere å se etter årsaken til et så uventet resultat. Ingen hadde engang den minste tvil om prinsippene i den spesielle relativitetsteorien, og det var dette som bidro til å finne den rette forklaringen: hvis prinsippene om spesiell relativitet er bevart, så bør svaret søkes i egenskapene til det forsterkende mediet.
Uten å gå nærmere inn på detaljer her påpeker vi bare at en detaljert analyse av virkningsmekanismen til forsterkningsmediet har fullstendig klargjort situasjonen. Saken besto i en endring i konsentrasjonen av fotoner under pulsutbredelse - en endring på grunn av en endring i forsterkningen av mediet opp til en negativ verdi under passering av baksiden av pulsen, når mediet allerede absorberer energi, fordi det allerede har blitt brukt sin egen reserve på grunn av dens overføring til lyspulsen. Absorpsjon forårsaker ikke forsterkning, men en svekkelse av impulsen, og dermed blir impulsen forbedret i fronten og svekket i ryggen. La oss forestille oss at vi observerer en puls ved hjelp av en enhet som beveger seg med lysets hastighet i et forsterkermedium. Hvis mediet var gjennomsiktig, ville vi se impulsen frosset i uførhet. I miljøet,hvor prosessen som er nevnt ovenfor skjer, vil forsterkningen av forkanten og svekkelsen av bakkanten av pulsen vises for observatøren på en slik måte at mediet som kjent har beveget pulsen fremover. Men siden enheten (observatøren) beveger seg med lysets hastighet, og pulsen overtar den, da overskrider hastigheten på pulsen lysets hastighet! Det er denne effekten som ble registrert av eksperimentene. Og her er det virkelig ingen motsetning med relativitetsteorien: bare forsterkningsprosessen er slik at konsentrasjonen av fotoner som kom ut tidligere viser seg å være mer enn de som kom ut senere. Det er ikke fotoner som beveger seg med superluminal hastighet, men pulskonvolutten, spesielt dets maksimale, som blir observert på oscilloskopet. Men siden enheten (observatøren) beveger seg med lysets hastighet, og pulsen overtar den, da overskrider hastigheten på pulsen lysets hastighet! Det er denne effekten som ble registrert av eksperimentene. Og her er det virkelig ingen motsetning med relativitetsteorien: bare forsterkningsprosessen er slik at konsentrasjonen av fotoner som kom ut tidligere viser seg å være mer enn de som kom ut senere. Det er ikke fotoner som beveger seg med superluminal hastighet, men pulskonvolutten, spesielt dets maksimale, som blir observert på oscilloskopet. Men siden enheten (observatøren) beveger seg med lysets hastighet, og pulsen overtar den, da overskrider hastigheten på pulsen lysets hastighet! Det er denne effekten som ble registrert av eksperimentene. Og her er det virkelig ingen motsetning med relativitetsteorien: bare forsterkningsprosessen er slik at konsentrasjonen av fotoner som kom ut tidligere viser seg å være mer enn de som kom ut senere. Det er ikke fotoner som beveger seg med superluminal hastighet, men pulskonvolutten, spesielt dets maksimale, som blir observert på oscilloskopet. Det er ikke fotoner som beveger seg med superluminal hastighet, men pulskonvolutten, spesielt dets maksimale, som blir observert på oscilloskopet. Det er ikke fotoner som beveger seg med superluminal hastighet, men pulskonvolutten, spesielt dets maksimale, som blir observert på oscilloskopet.
Selv om det i vanlige medier alltid er en demping av lys og en reduksjon i hastighet, bestemt av brytningsindeksen, i aktive lasermedier, observeres ikke bare lysforsterkning, men også pulsutbredelse med superluminal hastighet.
Noen fysikere har forsøkt å eksperimentelt bevise eksistensen av superluminal bevegelse i tunneleringseffekten - et av de mest fantastiske fenomenene i kvantemekanikk. Denne effekten består i det faktum at en mikropartikkel (mer presist, et mikroobjekt som viser både egenskapene til en partikkel og egenskapene til en bølge under forskjellige forhold) er i stand til å trenge gjennom den såkalte potensielle barrieren - et fenomen som er helt umulig i klassisk mekanikk (der den analoge ville være en slik situasjon: En ball som ble kastet inn i veggen ville være på den andre siden av veggen, eller den bølgende bevegelsen som ble gitt til tauet bundet til veggen, ville bli overført til tauet som var bundet til veggen på den andre siden). Essensen av tunneleringseffekten i kvantemekanikk er som følger. Hvis et mikroobjekt med en viss energi møter et område med potensiell energi på vei,overskrider mikroobjektets energi, er dette området for det en barriere, hvis høyde bestemmes av energiforskjellen. Men mikroobjektet "siver" gjennom barrieren! Denne muligheten er gitt ham av det velkjente Heisenberg usikkerhetsforholdet, skrevet for energi og samhandlingstid. Hvis samspillet mellom mikroobjektet og barrieren skjer i en tilstrekkelig bestemt tid, vil mikroobjektets energi tvert imot preges av usikkerhet, og hvis denne usikkerheten er i størrelsesorden barrierehøyden, slutter sistnevnte å være et uoverkommelig hinder for mikroobjektet. Her har penetrasjonshastigheten gjennom en potensiell barriere blitt gjenstand for forskning fra en rekke fysikere, som tror at den kan overstige s. Men mikroobjektet "siver" gjennom barrieren! Denne muligheten er gitt ham av det velkjente Heisenberg usikkerhetsforholdet, skrevet for energi og samhandlingstid. Hvis samspillet mellom mikroobjektet og barrieren skjer i en tilstrekkelig bestemt tid, vil mikroobjektets energi tvert imot preges av usikkerhet, og hvis denne usikkerheten er i størrelsesorden barrierehøyden, slutter sistnevnte å være et uoverkommelig hinder for mikroobjektet. Her har penetrasjonshastigheten gjennom en potensiell barriere blitt gjenstand for forskning fra en rekke fysikere, som tror at den kan overstige s. Men mikroobjektet "siver" gjennom barrieren! Denne muligheten er gitt ham av det velkjente Heisenberg usikkerhetsforholdet, skrevet for energi og samhandlingstid. Hvis samspillet mellom mikroobjektet og barrieren skjer i en tilstrekkelig bestemt tid, vil mikroobjektets energi tvert imot preges av usikkerhet, og hvis denne usikkerheten er i størrelsesorden barrierehøyden, slutter sistnevnte å være et uoverkommelig hinder for mikroobjektet. Her har penetrasjonshastigheten gjennom en potensiell barriere blitt gjenstand for forskning fra en rekke fysikere, som tror at den kan overstige s. Hvis samspillet mellom mikroobjektet og barrieren skjer i en tilstrekkelig bestemt tid, vil mikroobjektets energi tvert imot preges av usikkerhet, og hvis denne usikkerheten er i størrelsesorden barrierehøyden, slutter sistnevnte å være et uoverkommelig hinder for mikroobjektet. Her har penetrasjonshastigheten gjennom en potensiell barriere blitt gjenstand for forskning fra en rekke fysikere, som tror at den kan overstige s. Hvis samspillet mellom mikroobjektet og barrieren skjer i en tilstrekkelig bestemt tid, vil mikroobjektets energi tvert imot preges av usikkerhet, og hvis denne usikkerheten er i størrelsesorden barrierehøyden, slutter sistnevnte å være et uoverkommelig hinder for mikroobjektet. Her har penetrasjonshastigheten gjennom en potensiell barriere blitt gjenstand for forskning fra en rekke fysikere, som tror at den kan overstige s.
I juni 1998 fant et internasjonalt symposium om FTL-problemer sted i Köln, der resultatene oppnådd i fire laboratorier ble diskutert - i Berkeley, Wien, Köln og Firenze.
Og til slutt, i 2000, var det rapporter om to nye eksperimenter der virkningene av superluminal forplantning dukket opp. En av dem ble utført av Lijun Wong og medarbeidere ved et forskningsinstitutt i Princeton (USA). Resultatet er at lyspulsen som kommer inn i kammeret fylt med cesiumdamp øker hastigheten 300 ganger. Det viste seg at hoveddelen av pulsen forlater fjernveggen i kammeret enda tidligere enn pulsen kommer inn i kammeret gjennom frontveggen. Denne situasjonen motsier ikke bare sunn fornuft, men i hovedsak relativitetsteorien.
L. Wongs budskap provoserte intens diskusjon blant fysikere, de fleste av dem er ikke tilbøyelige til å se i resultatene få et brudd på relativitetsprinsippene. Utfordringen, mener de, er å forklare dette eksperimentet på riktig måte.
I L. Wongs eksperiment hadde lyspulsen som kom inn i kammeret med cesiumdamp en varighet på omtrent 3 μs. Cesiumatomer kan være i seksten mulige kvantemekaniske tilstander, kalt "magnetisk hyperfine grunntilstandsnivåer." Ved hjelp av optisk laserpumping ble nesten alle atomer brakt inn i bare en av disse seksten tilstandene, tilsvarende nesten absolutt nulltemperatur på Kelvin-skalaen (-273,15 ° C). Cesiumkammeret var 6 centimeter langt. I et vakuum reiser lys 6 centimeter i 0,2 ns. Målingene viste at lyspulsen passerte gjennom kammeret med cesium på 62 ns kortere tid enn i vakuum. Med andre ord har transittiden for pulsen gjennom cesiummediet et minustegn! Faktisk, hvis 62 ns er trukket fra 0,2 ns, får vi en "negativ" tid. Denne "negative forsinkelsen" i mediet - et uforståelig tidssprang - er lik tiden hvor pulsen ville fått 310 til å passere gjennom kammeret i et vakuum. Konsekvensen av denne "midlertidige velten" var at impulsen som forlot kammeret fikk tid til å bevege seg bort fra det med 19 meter før den innkommende impulsen nådde kammens nærmur. Hvordan kan en så utrolig situasjon forklares (hvis det selvfølgelig ikke er noen tvil om eksperimentets renhet)?for ikke å tvile på renhet av eksperimentet)?for ikke å tvile på renhet av eksperimentet)?
Ut fra diskusjonen som utspiller seg, er det ennå ikke funnet en eksakt forklaring, men det er ingen tvil om at uvanlige spredningsegenskaper til mediet spiller en rolle her: cesiumdamp, bestående av atomer som er eksiteret av laserlys, er et medium med avvikende spredning. La oss kort minne om hva det er.
Spredningen av et stoff er avhengigheten av fase (konvensjonell) brytningsindeks n av bølgelengden til lys l. Ved normal spredning øker brytningsindeksen med synkende bølgelengde, og dette skjer i glass, vann, luft og alle andre stoffer som er gjennomsiktige for lys. I stoffer som sterkt absorberer lys, endres brytningsindeksens motsats med en endring i bølgelengden og blir mye brattere: med en nedgang i l (en økning i frekvensen w), faller brytningsindeksen kraftig og i et bestemt bølgelengdeområde blir det mindre enn enhet (fasehastigheten Vph> s). Dette er den anomale spredningen, der bildet av forplantningen av lys i materie endres radikalt. Gruppehastigheten Vgr blir større enn bølgefasens hastighet og kan overstige lysets hastighet i vakuum (og også bli negativ). L. Wong peker på denne omstendigheten som grunnen til muligheten for å forklare resultatene fra eksperimentet. Det skal imidlertid bemerkes at tilstanden Vgr> c er rent formell, siden konseptet med gruppehastighet ble introdusert for tilfelle av liten (normal) spredning, for gjennomsiktige medier, når bølgegruppen nesten ikke endrer form under utbredelse. I regioner med anomal spredning, derimot, deformeres lyspulsen raskt og begrepet gruppehastighet mister sin betydning; i dette tilfellet blir konseptene signalhastighet og energiforplantningshastighet introdusert, som i transparente medier sammenfaller med gruppehastigheten, og i medier med absorpsjon forblir mindre enn lysets hastighet i vakuum. Men her er det som er interessant i Wongs eksperiment: en lett puls, som har gått gjennom et medium med anomal spredning, er ikke deformert - den beholder nøyaktig sin form!Og dette tilsvarer antagelsen om forplantningen av pulsen med gruppehastigheten. Men i så fall viser det seg at det ikke er noen absorpsjon i mediet, selv om den anomale spredningen av mediet skyldes nøyaktig absorpsjon! Wong selv, innrømmer at mye fremdeles er uklart, mener at det som skjer i hans eksperimentelle oppsett, i en første tilnærming, klart kan forklares som følger.
En lyspuls består av mange komponenter med forskjellige bølgelengder (frekvenser). Figuren viser tre av disse komponentene (bølger 1-3). På et tidspunkt er alle tre bølger i fase (deres maksima sammenfaller); her forsterker de hverandre og danner en impuls. Når bølgene forplanter seg lenger i rommet, er bølgene ute av fase og "slukker" hverandre.
I området med anomal spredning (inne i cesiumcellen) blir bølgen som var kortere (bølge 1) lengre. Motsatt blir bølgen som var den lengste av de tre (bølge 3) den korteste.
Følgelig endres bølgefasene deretter. Når bølgene har passert gjennom cesiumcellen, gjenopprettes deres bølgefronter. Etter å ha gjennomgått en uvanlig fasemodulering i et stoff med anomal spredning, er de tre bølgene som vurderes igjen i fase på et bestemt punkt. Her bretter de seg igjen og danner en puls med nøyaktig samme form som å komme inn i cesiummediet.
Vanligvis i luft og i praktisk talt hvilket som helst gjennomsiktig medium med normal spredning, kan en lyspuls ikke nøyaktig opprettholde sin form når den forplanter seg over en fjern avstand, det vil si at alle dens komponenter ikke kan fases på noe fjernt punkt langs forplantningsveien. Og under normale forhold dukker det opp en lett puls på et så langt punkt etter noen tid. På grunn av de anomale egenskapene til mediet som ble brukt i eksperimentet, viste det seg imidlertid at pulsen på et fjernt punkt ble faset på samme måte som ved inntreden i dette mediet. Dermed oppfører lyspulsen seg som om den hadde en negativ tidsforsinkelse på vei til et fjernt punkt, det vil si at den ville ha kommet til den ikke senere, men tidligere enn den passerte omgivelsene!
De fleste fysikere er tilbøyelige til å knytte dette resultatet til utseendet som en forløper med lav intensitet i det spredende mediet i kammeret. Fakta er at under spektral dekomponering av en puls, inneholder spekteret komponenter av vilkårlig høye frekvenser med ubetydelig amplitude, den såkalte forløperen, som går foran "hoveddelen" av pulsen. Arten av etableringen og forløperens form er avhengig av spredningsloven i mediet. Med dette i bakhodet foreslås hendelsesforløpet i Wongs eksperiment å bli tolket som følger. Den innkommende bølgen, som "strekker" harbingen foran seg, nærmer seg kameraet. Før toppen av den innkommende bølgen treffer nærveggen i kammeret, initierer forløperen en impuls i kammeret, som når fjernveggen og reflekteres fra det og danner en "bakoverbølge". Denne bølgensprer seg 300 ganger raskere enn c, når nærveggen og møter den innkommende bølgen. Toppene til den ene bølgen møter trauene til en annen, så de ødelegger hverandre og ingenting blir igjen som et resultat. Det viser seg at den innkommende bølgen "returnerer gjelden" til cesiumatomene, som "lånte" energi til den i den andre enden av kammeret. Alle som bare ville observere begynnelsen og slutten av eksperimentet, ville bare se en lyspuls som "hoppet" fremover i tid og beveget seg raskere med. Jeg ville bare se en lyspuls som "hoppet" fremover i tid, og beveget meg raskere med. Jeg ville bare se en lyspuls som "hoppet" fremover i tid, og beveget meg raskere med.
L. Wong mener at eksperimentet hans ikke stemmer overens med relativitetsteorien. Uttalelsen om uoppnåbarhet av superluminal hastighet, mener han, gjelder bare for gjenstander med hvilemasse. Lys kan være representert enten i form av bølger, som massebegrepet generelt ikke kan brukes, eller i form av fotoner med en hvilemasse, som kjent, lik null. Derfor er lyshastigheten i et vakuum, mener Wong, ikke grensen. Likevel innrømmer Wong at effekten han oppdaget ikke gjør det mulig å overføre informasjon med en hastighet som er større enn s.
"Informasjonen her er allerede i forkant av pulsen," sier P. Milonny, en fysiker ved det amerikanske Los Alamos National Laboratory. "Og du kan få inntrykk av å sende informasjon raskere enn lys, selv når du ikke sender den."
De fleste fysikere mener at det nye arbeidet ikke slår et knusende slag mot grunnleggende prinsipper. Men ikke alle fysikere mener problemet er løst. Professor A. Ranfagni fra den italienske forskergruppen, som gjennomførte et annet interessant eksperiment i 2000, mener at spørsmålet forblir åpent. Dette eksperimentet, utført av Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni og Rocco Ruggeri, fant at centimeter-bånd radiobølger i vanlig luft reiser med en hastighet 25% større enn ca.
Oppsummert kan vi si følgende
Arbeid de siste årene har vist at superluminal hastighet under visse forhold faktisk kan finne sted. Men hva er egentlig å reise i superluminal hastighet? Relativitetsteorien forbyr som allerede nevnt en slik hastighet for materielle kropper og for signaler som bærer informasjon. Likevel prøver noen forskere vedvarende å demonstrere hvordan de kan overvinne lysbarrieren for signaler. Årsaken til dette ligger i det faktum at det i den spesielle relativitetsteorien ikke er noen streng matematisk begrunnelse (basert, for eksempel, på Maxwells ligninger for det elektromagnetiske feltet) for umuligheten å overføre signaler med en hastighet større enn s. En slik umulighet i SRT er etablert, kan man si, rent aritmetisk, og går ut fra Einstein-formelen for tilsetning av hastigheter,men dette er fundamentalt bekreftet av kausalitetsprinsippet. Einstein selv, med tanke på spørsmålet om superluminal signaloverføring, skrev at i dette tilfellet "… er vi tvunget til å vurdere en signaloverføringsmekanisme, når vi bruker den oppnådde handlingen foran saken. Men selv om dette resultatet fra et rent logisk synspunkt ikke inneholder, etter min mening, ingen motsetninger, det motsier likevel karakteren av hele vår opplevelse så mye at umuligheten av antagelsen V> c ser ut til å være tilstrekkelig bevist. " Kausalitetsprinsippet er hjørnesteinen som ligger til grunn for umuligheten av FTL-signaloverføring. Og denne steinen, tilsynelatende, vil snuble alle, uten unntak, søk etter superluminale signaler, uansett hvor mye eksperimentene ønsker å finne slike signaler,for dette er vår verdens natur.
Men la oss likevel forestille oss at relativitetens matematikk fremdeles vil fungere i hastigheter raskere enn lys. Dette betyr at vi teoretisk sett fremdeles kan finne ut hva som ville skje hvis kroppen tilfeldigvis overskred lysets hastighet.
Se for deg to romfartøyer som går fra Jorden mot en stjerne som er 100 lysår fjern fra planeten vår. Det første skipet forlater Jorden med 50% lysets hastighet, så det vil ta 200 år for hele reisen. Det andre skipet, utstyrt med et hypotetisk varpdrev, vil reise med 200% lysets hastighet, men 100 år etter det første. Hva vil skje?
I følge relativitetsteorien avhenger det riktige svaret i stor grad av observatørens perspektiv. Fra Jorden vil det se ut som om det første skipet allerede har tilbakelagt en betydelig avstand før det ble overtent av det andre skipet, som beveger seg fire ganger raskere. Men fra menneskets synspunkt på det første skipet, er alt litt annerledes.
Skip nr. 2 beveger seg raskere enn lys, noe som betyr at det til og med kan overhale lyset det slipper ut selv. Dette fører til en slags "lysbølge" (analog med lyd, bare i stedet for luftvibrasjoner, vibrerer lysbølger her), som genererer flere interessante effekter. Husk at lyset fra skip nr. 2 beveger seg saktere enn selve skipet. Som et resultat vil en visuell dobling forekomme. Med andre ord, til å begynne med vil mannskapet på skipet nr. 1 se at det andre skipet dukket opp ved siden av det som om ingensteds. Deretter vil lyset fra det andre skipet nå det første med en liten forsinkelse, og resultatet vil være en synlig kopi som vil bevege seg i samme retning med en liten forsinkelse.
Noe lignende kan sees i dataspill, når motoren, som et resultat av en systemsvikt, laster inn modellen og dens algoritmer ved endepunktet for bevegelse raskere enn selve animasjonen slutter, slik at flere skjer. Dette er sannsynligvis grunnen til at vår bevissthet ikke oppfatter det hypotetiske aspektet av universet, i hvilke kropper beveger seg i superluminal hastighet - kanskje dette er til det beste.
PS … men i det siste eksemplet forsto jeg ikke noe, hvorfor den faktiske posisjonen til skipet er assosiert med "lyset som sendes ut av det"? La dem se ham som noe som ikke er der, men i virkeligheten vil han overta det første skipet!
