Неутриното пътуват по-бързо от скоростта на светлината! Възможно е да се преодолее скоростта на светлината - учени

Скоростта на разпространение на светлината е 299 792 458 метра в секунда, но гранична стойностОтдавна я нямаше. “Futurist” събра 4 теории, в които светлината вече не е Михаел Шумахер.

американски учен японски произход, специалист в областта теоретична физикаМичио Каку е уверен, че скоростта на светлината може да бъде преодоляна.

Голям взрив

Най-много известен пример, когато светлинната бариера е била преодоляна, Мичио Каку нарича Големия взрив - ултрабърз „пук“, който се превърна в началото на разширяването на Вселената, преди което тя е била в уникално състояние.

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

Фенерче в нощното небе

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

Квантово заплитане

По-бърза от скоростта на светлината може да не е някакъв обект, а цяло явление или по-скоро връзка, наречена квантово заплитане. Това е квантово-механичен феномен, при който квантовите състояния на два или повече обекта са взаимозависими. За да произведете двойка квантово заплетени фотони, можете да осветите лазер с определена честота и интензитет върху нелинеен кристал. В резултат на разсейването на лазерен лъч фотоните ще се появят в два различни конуса на поляризация, връзката между които ще се нарече квантово заплитане. така че квантово заплитанее един от начините за взаимодействие на субатомните частици и процесът на тази комуникация може да се случи по-бързо от светлината.

„Ако два електрона се съберат, те ще вибрират в унисон, според квантовата теория. Но ако след това разделите тези електрони на много светлинни години, те пак ще комуникират един с друг. Ако разклатите един електрон, другият ще усети тази вибрация и това ще се случи по-бързо от скоростта на светлината. Алберт Айнщайн смяташе, че този феномен ще бъде опроверган квантова теория, защото нищо не може да се движи по-бързо от светлината, но всъщност той греши“, казва Мичио Каку.

червееви дупки

Темата за нарушаването на скоростта на светлината се играе в много научнофантастични филми. Сега дори тези, които са далеч от астрофизиката, са чули фразата „червеева дупка“, благодарение на филма „Интерстелар“. Това е специална кривина в пространствено-времевата система, тунел в пространството, който ви позволява да преодолеете огромни разстояния за пренебрежимо кратко време.

За подобни изкривявания говорят не само филмови сценаристи, но и учени. Мичио Каку вярва, че червеева дупка, или както още я наричат, червеева дупка, е една от двете най- реални начинипредава информация по-бързо от скоростта на светлината.

Вторият метод, също свързан с промени в материята, е компресиране на пространството пред вас и разширяване зад вас. В това деформирано пространство възниква вълна, която се движи по-бързо от скоростта на светлината, ако се контролира от тъмната материя.

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

Доктор на техническите науки А. ГОЛУБЕВ.

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

Примери за "свръхсветлинно" движение.

В началото на 60-те години започнаха да се получават къси светлинни импулси с висока мощност чрез преминаване на лазерна светкавица през квантов усилвател (среда с обърната населеност).

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

Експериментът на Lijun Wong.

Лъч светлина, преминаващ през призма, изработена от прозрачен материал (например стъкло), се пречупва, т.е. изпитва дисперсия.

Светлинният импулс е набор от трептения с различни честоти.

Вероятно всеки - дори хора, далеч от физиката - знае, че максималната възможна скорост на движение на материални обекти или разпространение на всякакви сигнали е скоростта на светлината във вакуум. Означава се с буквата си е почти 300 хиляди километра в секунда; точна стойност с= 299,792,458 m/s. Скоростта на светлината във вакуум е една от основните физични константи. Невъзможност за постигане на превишени скорости с, следва от специалната теория на относителността (СТО) на Айнщайн. Ако можеше да се докаже, че предаването на сигнали със свръхсветлинни скорости е възможно, теорията на относителността би паднала. Досега това не се е случило, въпреки многобройните опити да се опровергае забраната за съществуване на скорости, по-големи от с. Въпреки това, в експериментални изследванияНапоследък някои много интересни явления, което показва, че при специално създадени условия е възможно да се наблюдават свръхсветлинни скорости и при това да не се нарушават принципите на теорията на относителността.

Като начало нека си припомним основните аспекти, свързани с проблема за скоростта на светлината. Първо: защо е невъзможно (при нормални условия) да се превиши границата на светлината? Защото тогава се нарушава основният закон на нашия свят – законът за причинно-следствената връзка, според който следствието не може да предхожда причината. Никой не е забелязал, че например мечка първо е паднала мъртва, а след това ловецът е застрелял. При скорости над с, последователността от събития се обръща, лентата на времето се превърта назад. Това е лесно да се провери от следните прости разсъждения.

Да предположим, че сме на някакъв космически кораб-чудо, който се движи по-бързо от светлината. Тогава постепенно щяхме да наваксаме светлината, излъчвана от източника във все по-ранни и по-ранни моменти. Първо, ще наваксаме фотони, излъчени, да речем, вчера, след това тези, излъчени завчера, след това седмица, месец, година и т.н. Ако източникът на светлина беше огледало, отразяващо живота, тогава първо щяхме да видим събитията от вчера, след това от завчера и т.н. Можем да видим, да речем, старец, който постепенно се превръща в мъж на средна възраст, след това в млад мъж, в младеж, в дете... Тоест времето ще се върне назад, ще преминем от настоящето към миналото. Тогава причините и следствията ще сменят местата си.

Въпреки че тази дискусия напълно игнорира техническите детайли на процеса на наблюдение на светлината, от фундаментална гледна точка тя ясно демонстрира, че движението със свръхсветлинни скорости води до ситуация, която е невъзможна в нашия свят. Природата обаче е поставила още по-строги условия: движението не само със свръхсветлинна скорост е недостижимо, но и със скорост, равна на скоростта на светлината - човек може само да се приближи до нея. От теорията на относителността следва, че когато скоростта на движение се увеличава, възникват три обстоятелства: масата на движещ се обект се увеличава, размерът му в посоката на движение намалява и протичането на времето върху този обект се забавя (от точката от гледна точка на външен „почиващ” наблюдател). При обикновени скорости тези промени са незначителни, но с приближаването на скоростта на светлината те стават все по-осезаеми и в границата - при скорост, равна на с, - масата става безкрайно голяма, обектът напълно губи размери в посоката на движение и времето спира върху него. Следователно нито едно материално тяло не може да достигне скоростта на светлината. Само самата светлина има такава скорост! (А също и „всепроникваща“ частица - неутрино, която подобно на фотон не може да се движи със скорост по-малка от с.)

Сега за скоростта на предаване на сигнала. Тук е подходящо да се използва представянето на светлината под формата на електромагнитни вълни. Какво е сигнал? Това е информация, която трябва да бъде предадена. перфектен електромагнитна вълна- това е безкрайна синусоида със строго една честота и не може да носи никаква информация, тъй като всеки период на такава синусоида точно повтаря предишния. Скоростта на движение на фазата на синусоида - така наречената фазова скорост - може в среда при определени условия да надвишава скоростта на светлината във вакуум. Тук няма ограничения, тъй като фазовата скорост не е скоростта на сигнала - тя все още не съществува. За да създадете сигнал, трябва да направите някакъв вид „маркировка“ върху вълната. Такъв знак може да бъде например промяна на някой от параметрите на вълната - амплитуда, честота или начална фаза. Но веднага щом се постави марката, вълната губи своята синусоидалност. Той става модулиран, състоящ се от набор от прости синусоиди с различни амплитуди, честоти и начални фази- групи от вълни. Скоростта, с която марката се движи в модулираната вълна, е скоростта на сигнала. При разпространение в среда тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, която характеризира разпространението на горепосочената група вълни като цяло (виж "Наука и живот" No 2, 2000 г.). При нормални условия груповата скорост и следователно скоростта на сигнала по-малка скоростсветлина във вакуум. Тук неслучайно е използван изразът „при нормални условия“, тъй като в някои случаи груповата скорост може да надвишава сили дори губи значението си, но тогава не е свързано с разпространението на сигнала. Сервизът установява, че е невъзможно да се предава сигнал със скорост, по-голяма от с.

защо е така Тъй като има пречка за предаване на всеки сигнал със скорост, по-голяма от сСъщият закон за причинно-следствената връзка служи. Нека си представим такава ситуация. В дадена точка А светлинен проблясък (събитие 1) включва устройство, изпращащо определен радиосигнал, а в отдалечена точка Б, под въздействието на този радиосигнал, възниква експлозия (събитие 2). Ясно е, че събитие 1 (пламване) е причината, а събитие 2 (експлозия) е следствието, настъпващо по-късно от причината. Но ако радиосигналът се разпространяваше със свръхсветлинна скорост, наблюдател близо до точка B първо би видял експлозия и едва след това тя щеше да го достигне със скоростта спроблясък на светлина, причината за експлозията. С други думи, за този наблюдател събитие 2 би се случило по-рано от събитие 1, тоест ефектът щеше да предхожда причината.

Уместно е да се подчертае, че „свръхсветлинната забрана” на теорията на относителността се налага само върху движението на материалните тела и предаването на сигнали. В много ситуации е възможно движение с всякаква скорост, но това няма да е движение на материални обекти или сигнали. Например, представете си две доста дълги владетели, лежащи в една и съща равнина, едната от които е разположена хоризонтално, а другата я пресича под малък ъгъл. Ако първата линия се премести надолу (в посоката, посочена от стрелката) с висока скорост, точката на пресичане на линийките може да се накара да се движи толкова бързо, колкото желаете, но тази точка не е материално тяло. Друг пример: ако вземете фенерче (или, да речем, лазер, даващ тесен лъч) и бързо опишете с него дъга във въздуха, тогава линейната скорост на светлинното петно ​​ще се увеличи с разстоянието и на достатъчно голямо разстояние ще надхвърлям с.Светлинното петно ​​ще се движи между точки A и B със свръхсветлинна скорост, но това няма да бъде предаване на сигнал от A към B, тъй като такова светлинно петно ​​не носи никаква информация за точка A.

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

Най-трудното нещо, както може да се очаква, се оказа да се съгласува тахионната хипотеза със закона за причинно-следствената връзка. Направените опити в тази посока, макар и доста гениални, не доведоха до очевиден успех. Никой също не е успял експериментално да регистрира тахиони. В резултат на това интересът към тахионите като свръхсветлинни елементарни частици постепенно избледня.

Въпреки това, през 60-те години експериментално е открит феномен, който първоначално обърка физиците. Това е описано подробно в статията на А. Н. Ораевски „Свръхсветлинни вълни в усилващи среди“ (UFN № 12, 1998 г.). Тук ще резюмираме накратко същността на въпроса, като препращаме интересуващия се от подробности читател към посочената статия.

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

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

Без да навлизаме в подробности тук, само ще посочим, че детайлният анализ на механизма на действие на усилващата среда напълно изясни ситуацията. Въпросът беше промяна в концентрацията на фотони по време на разпространение на импулса - промяна, причинена от промяна в усилването на средата до отрицателна стойностпо време на преминаването на задната част на импулса, когато средата вече поглъща енергия, тъй като собственият й резерв вече е изразходван поради прехвърлянето й към светлинния импулс. Абсорбцията предизвиква не повишаване, а отслабване на импулса, като по този начин импулсът се засилва в предната част и отслабва в задната част. Нека си представим, че наблюдаваме импулс с помощта на устройство, движещо се със скоростта на светлината в усилвателната среда. Ако средата беше прозрачна, щяхме да видим импулс, застинал в неподвижност. В средата, в която протича горепосоченият процес, усилването на предния ръб и отслабването на задния ръб на импулса ще изглеждат на наблюдателя по такъв начин, че средата изглежда е преместила импулса напред. Но тъй като устройството (наблюдателят) се движи със скоростта на светлината, а импулсът го изпреварва, тогава скоростта на импулса надвишава скоростта на светлината! Именно този ефект е регистриран от експериментаторите. И тук наистина няма противоречие с теорията на относителността: процесът на усилване е просто такъв, че концентрацията на фотони, които са излезли по-рано, се оказва по-голяма от тези, които са излезли по-късно. Не фотоните се движат със свръхсветлинни скорости, а обвивката на импулса, по-специално неговият максимум, който се наблюдава на осцилоскоп.

По този начин, докато в обикновените среди винаги има отслабване на светлината и намаляване на скоростта й, определяща се от индекса на пречупване, в активните лазерни среди има не само усилване на светлината, но и разпространение на импулс със свръхсветлинна скорост.

Някои физици се опитаха експериментално да докажат наличието на свръхсветлинно движение по време на тунелния ефект - един от най- удивителни явления V квантова механика. Този ефект се състои в това, че микрочастица (по-точно микрообект, в различни условияпроявяващ свойства както на частици, така и на вълни) е в състояние да проникне през така наречената потенциална бариера - явление, напълно невъзможно в класическа механика(в която аналогията би била следната ситуация: топка, хвърлена в стена, ще се окаже от другата страна на стената или вълнообразното движение, придадено на въже, завързано за стената, ще бъде прехвърлено на въже, завързано за стената от другата страна). Същността на тунелния ефект в квантовата механика е следната. Ако микрообект с определена енергия срещне по пътя си област с потенциална енергия, превишаваща енергията на микрообекта, тази област е бариера за него, чиято височина се определя от енергийната разлика. Но микрообектът "изтича" през бариерата! Тази възможност му се дава от добре познатата зависимост на неопределеността на Хайзенберг, написана за енергията и времето на взаимодействие. Ако взаимодействието на микрообект с бариера се случи за доста определено време, тогава енергията на микрообекта, напротив, ще се характеризира с несигурност и ако тази несигурност е от порядъка на височината на бариерата, тогава последното престава да бъде непреодолима пречка за микрообекта. Скоростта на проникване през потенциална бариера е станала обект на изследване от редица физици, които смятат, че тя може да надхвърли с.

През юни 1998 г. в Кьолн се провежда международен симпозиум по проблемите на свръхсветлинното движение, където се обсъждат резултатите, получени в четири лаборатории - в Бъркли, Виена, Кьолн и Флоренция.

И накрая, през 2000 г. се появиха съобщения за два нови експеримента, в които се появи ефектът от свръхсветлинното разпространение. Една от тях е извършена от Lijun Wong и колегите му от Принстънския изследователски институт (САЩ). Резултатът е, че светлинен импулс, влизащ в камера, пълна с цезиеви пари, увеличава скоростта си 300 пъти. Оказа се, че основната част от импулса напусна далечната стена на камерата дори по-рано, отколкото импулсът влезе в камерата през предната стена. Тази ситуация противоречи не само здрав разум, а по същество теорията на относителността.

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

В експеримента на L. Wong светлинният импулс, влизащ в камерата с цезиеви пари, е с продължителност около 3 μs. Атомите на цезия могат да съществуват в шестнадесет възможни квантово-механични състояния, наречени „хиперфини магнитни поднива на основното състояние“. Използвайки оптично лазерно изпомпване, почти всички атоми бяха приведени само в едно от тези шестнадесет състояния, съответстващи на почти абсолютна нулатемпература по скалата на Келвин (-273,15 o C). Дължината на цезиевата камера беше 6 сантиметра. Във вакуум светлината изминава 6 сантиметра за 0,2 ns. Както показаха измерванията, светлинният импулс премина през камерата с цезий за време, което беше с 62 ns по-малко, отколкото във вакуум. С други думи, времето, необходимо на импулса да премине през цезиева среда, има знак минус! Наистина, ако извадим 62 ns от 0,2 ns, получаваме „отрицателно“ време. Това "отрицателно забавяне" в средата - неразбираем времеви скок - е равно на времето, през което импулсът би направил 310 преминавания през камерата във вакуум. Последствието от това „временно обръщане“ беше, че импулсът, напускащ камерата, успя да се отдалечи на 19 метра от нея, преди входящият импулс да достигне близката стена на камерата. Как може да се обясни такава невероятна ситуация (освен ако, разбира се, не се съмняваме в чистотата на експеримента)?

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

Дисперсията на веществото е зависимостта на фазовия (обикновен) индекс на пречупване пвърху дължината на светлинната вълна l. При нормална дисперсия коефициентът на пречупване се увеличава с намаляване на дължината на вълната и това е случаят със стъкло, вода, въздух и всички други вещества, прозрачни за светлина. При вещества, които силно абсорбират светлина, ходът на индекса на пречупване с промяна на дължината на вълната се обръща и става много по-стръмен: с намаляване на l (увеличаване на честотата w), индексът на пречупване рязко намалява и в определена област на дължина на вълната става по-малък от единица (фазова скорост V f > с). Това е аномална дисперсия, при която моделът на разпространение на светлината в дадено вещество се променя радикално. Групова скорост V gr става по-голяма от фазовата скорост на вълните и може да надвиши скоростта на светлината във вакуум (и също да стане отрицателна). Л. Вонг посочва това обстоятелство като причина, залегнала в основата на възможността за обяснение на резултатите от неговия експеримент. Трябва да се отбележи обаче, че условието Vгр > се чисто формално, тъй като понятието групова скорост е въведено за случай на малка (нормална) дисперсия, за прозрачни среди, когато група от вълни почти не променя формата си по време на разпространение. В области с аномална дисперсия светлинният импулс бързо се деформира и концепцията за групова скорост губи своето значение; в този случай се въвеждат понятията скорост на сигнала и скорост на разпространение на енергията, които в прозрачни среди съвпадат с груповата скорост, а в среди с абсорбция остават по-малки от скоростта на светлината във вакуум. Но ето какво е интересно в експеримента на Вонг: светлинен импулс, преминаващ през среда с аномална дисперсия, не се деформира - той точно запазва формата си! И това съответства на предположението, че импулсът се разпространява с групова скорост. Но ако е така, тогава се оказва, че в средата няма абсорбция, въпреки че аномалната дисперсия на средата се дължи именно на абсорбцията! Самият Уонг, въпреки че признава, че много остава неясно, вярва, че това, което се случва в неговата експериментална настройка, може, в първо приближение, да бъде ясно обяснено по следния начин.

Светлинният импулс се състои от много компоненти с различни дължини на вълните (честоти). Фигурата показва три от тези компоненти (вълни 1-3). В даден момент и трите вълни са във фаза (максимумите им съвпадат); тук те, събирайки се, се подсилват взаимно и образуват импулс. Докато се разпространяват по-нататък в пространството, вълните стават дефазирани и по този начин се „отменят“ една друга.

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

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

Обикновено във въздуха и всъщност във всяка прозрачна среда с нормална дисперсия светлинният импулс не може точно да поддържа формата си, когато се разпространява на отдалечено разстояние, тоест всички негови компоненти не могат да бъдат фазирани в която и да е отдалечена точка по пътя на разпространение. И при нормални условия светлинен импулс се появява в толкова отдалечена точка след известно време. Въпреки това, поради аномалните свойства на средата, използвана в експеримента, импулсът в отдалечена точка се оказа фазиран по същия начин, както при влизане в тази среда. Така светлинният импулс се държи така, сякаш има отрицателно времезакъснение по пътя си към далечна точка, тоест ще стигне до нея не по-късно, а по-рано, отколкото е преминал през средата!

Повечето физици са склонни да свързват този резултат с появата на прекурсор с ниска интензивност в диспергиращата среда на камерата. Факт е, че по време на спектралното разлагане на импулса спектърът съдържа компоненти на произволно високи честоти с пренебрежимо малка амплитуда, така нареченият прекурсор, който върви пред „главната част“ на импулса. Естеството на установяване и формата на прекурсора зависят от закона за дисперсия в средата. Като се има предвид това, последователността от събития в експеримента на Вонг се предлага да се тълкува по следния начин. Входящата вълна, „разтягайки“ предвестника пред себе си, се приближава към камерата. Преди пикът на входящата вълна да удари близката стена на камерата, прекурсорът инициира появата на импулс в камерата, който достига далечната стена и се отразява от нея, образувайки „обратна вълна“. Тази вълна се разпространява 300 пъти по-бързо с, достига близката стена и посреща настъпващата вълна. Върховете на една вълна срещат падините на друга, така че те се унищожават един друг и в резултат на това не остава нищо. Оказва се, че идващата вълна „връща дълга“ към цезиевите атоми, които са й „заели“ енергия в другия край на камерата. Всеки, който наблюдаваше само началото и края на експеримента, би видял само импулс от светлина, който „скочи“ напред във времето, движейки се по-бързо с.

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

„Информацията тук вече се съдържа в режещ ръбимпулс“, казва П. Милони, физик от Националната лаборатория в Лос Аламос в Съединените щати. „И може да създаде впечатлението, че изпраща информация по-бързо от светлината, дори когато не я изпращате.“

Повечето физици вярват в това нова работане нанася съкрушителен удар на фундаменталните принципи. Но не всички физици смятат, че проблемът е решен. Професор А. Ранфани от италианския изследователска група, която осъществи др интересен експеримент 2000, смята, че въпросът все още остава открит. Този експеримент, проведен от Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni и Rocco Ruggeri, открива, че радиовълните от сантиметрови вълни при нормално пътуване по въздуха при скорости надвишават сс 25%.

За да обобщим, можем да кажем следното. Работи последните годинипоказват, че при определени условия действително може да възникне свръхсветлинна скорост. Но какво точно се движи със свръхсветлинни скорости? Теорията на относителността, както вече беше споменато, забранява такава скорост за материални тела и за сигнали, носещи информация. Въпреки това някои изследователи много упорито се опитват да демонстрират преодоляването на светлинната бариера специално за сигналите. Причината за това се крие във факта, че в специалната теория на относителността няма строго математическо оправдание (базирано, да речем, на уравненията на Максуел за електромагнитното поле) за невъзможността за предаване на сигнали със скорости, по-големи от с. Такава невъзможност в STR е установена, може да се каже, чисто аритметично, въз основа на формулата на Айнщайн за добавяне на скорости, но това се потвърждава фундаментално от принципа на причинността. Самият Айнщайн, разглеждайки въпроса за свръхсветлинното предаване на сигнала, пише, че в този случай „... ние сме принудени да считаме за възможен механизъм за предаване на сигнала, при който постигнатото действие предшества причината Но, въпреки че това е резултат от чисто логическа гледна точка гледната точка не съдържа себе си, по мое мнение, няма противоречия; въпреки това тя противоречи на природата на целия ни опит, че е невъзможно да се предположи V > sизглежда достатъчно доказано." Принципът на причинно-следствената връзка е крайъгълният камък, който стои в основата на невъзможността за предаване на свръхсветлинни сигнали. И очевидно всички търсения на свръхсветлинни сигнали без изключение ще се спънат в този камък, независимо колко много експериментаторите искат да открият такива сигнали, защото такава е природата на нашия свят.

В заключение трябва да се подчертае, че всичко казано по-горе се отнася конкретно за нашия свят, за нашата Вселена. Тази клауза е направена, защото напоследъкВ астрофизиката и космологията се появяват нови хипотези, които допускат съществуването на множество скрити от нас Вселени, свързани с топологични тунели – джъмпери. Тази гледна точка се споделя например от известния астрофизик Н. С. Кардашев. За външен наблюдател входовете на тези тунели са обозначени с аномални гравитационни полета, като черни дупки. Движенията в такива тунели, както предполагат авторите на хипотезите, ще позволят да се заобиколи ограничението на скоростта, наложено в обикновеното пространство от скоростта на светлината, и следователно да се реализира идеята за създаване на машина на времето. .. Възможно е в такива Вселени да се случват необичайни за нас неща. И въпреки че засега подобни хипотези твърде много напомнят на истории от научната фантастика, едва ли трябва категорично да се отхвърля принципната възможност за многоелементен модел на устройството на материалния свят. Друго нещо е, че всички тези други вселени най-вероятно ще останат чисто математически конструкции на физици-теоретици, живеещи в нашата Вселена и със силата на своите мисли, опитващи се да намерят светове, затворени за нас...

Вижте изданието по същата тема

Скоростта е по-голяма от скоростта на светлината във вакуум - това е реалност. Теорията на относителността на Айнщайн забранява само свръхсветлинното предаване на информация. Следователно има доста случаи, когато обектите могат да се движат по-бързо от светлината и да не счупят нищо. Да започнем със сенките и слънчевите лъчи.

Ако създадете сянка върху далечна стена от пръст, върху който осветявате фенерче, и след това преместите пръста си, сянката се движи много по-бързо от пръста ви. Ако стената е разположена много далеч, тогава движението на сянката ще изостане от движението на пръста, тъй като светлината все още ще трябва да достигне от пръста до стената, но въпреки това скоростта на сянката ще бъде същата брой пъти по-голям. Тоест скоростта на сянката не е ограничена от скоростта на светлината.

Освен сенките, слънчевите лъчи също могат да се движат по-бързо от светлината. Например петънце от лазерен лъч, насочен към Луната. Разстоянието до Луната е 385 000 км. Ако леко преместите лазера, като го преместите едва 1 см, тогава той ще има време да премине през Луната със скорост около една трета по-бърза от светлината.

Подобни неща могат да се случат и в природата. Например светлинен лъч от пулсар, неутронна звезда, може да премине през облак прах. Ярка светкавица създава разширяваща се обвивка от светлина или друго излъчване. Когато пресече повърхността на облака, той създава пръстен от светлина, който расте по-бързо от скоростта на светлината.

Всичко това са примери за неща, движещи се по-бързо от светлината, но които не са били физически тела. Използването на сянка или зайче не може да предаде свръхсветлинно съобщение, така че комуникацията, по-бърза от светлината, не работи.

И ето един пример, който е свързан с физическите тела. Гледайки напред, ще кажем, че отново свръхсветлинните съобщения няма да работят.

В референтна система, свързана с въртящо се тяло, отдалечените обекти могат да се движат със свръхсветлинни скорости. Например Алфа Кентавър, в референтната рамка на Земята, се движи със скорост повече от 9600 пъти скоростта на светлината, "преминавайки" разстояние от около 26 светлинни години на ден. И точно същия пример с Луната. Застанете с лице към него и се завъртете около оста си за няколко секунди. През това време той се завъртя около вас около 2,4 милиона километра, тоест 4 пъти по-бързо от скоростта на светлината. Ха-ха, ще кажете, не тя се въртеше, а аз... И не забравяйте, че в теорията на относителността всички отправни системи са независими, включително и ротационните. И така, от коя страна трябва да погледнете...

И така, какво трябва да направим? Е, всъщност тук няма противоречия, защото отново, това явление не може да се използва за свръхсветлинно предаване на съобщения. Освен това имайте предвид, че в близост до нея Луната не надвишава скоростта на светлината. А именно, в общата теория на относителността са наложени всички забрани за превишаване на локалната скорост на светлината.

IN съвременна физикасмята се, че тяло (имащо маса), влияние или информация не може да се пренася/движи по-бързо от скоростта на светлината. Правят се много опити да се докаже, че скоростта на светлината може да бъде надвишена, но засега без успех. Невъзможно е да се опровергае това твърдение експериментално, но експериментално дори теоретиците не са постигнали голям напредък в своите изследвания, след като са стигнали до хипотетични тахиони (частици, които винаги се движат по-бързо от скоростта на светлината) и са се спряли там, предавайки идеята на писатели на научна фантастика за реализация.

Съществуват обаче редица явления, които, изглежда,които нарушават горното ограничение и демонстрират свръхсветлинни скорости.

Например, понякога можете да чуете аргумента от хора, че слънчевият лъч може да се „движи“ по стената по-бързо от скоростта на светлината. По някаква причина обаче примерът за слънчев лъч често озадачава хората "движещ се слънчев лъч"не по-добре "подвижно мокро петно"за вода от под маркуча. „Слънчевото зайче“ не се движи като обект, а през слънчево зайченевъзможно е да се прехвърли информация от една точка в друга, което означава, че няма превишаване на скоростта на светлината.

Или така наречените „заплетени кванти”, които, бидейки разделени на произволно разстояние, „знаят” точно в какво противоположно състояние се намира вторият квант. Щом определим състоянието на един квант, в същия момент състоянието на втория ще се окаже точно обратното. Квантовото заплитане обаче предотвратява и преноса на всякаква информация.

Статията обаче не е за това. За съжаление забравих първоизточника, но все пак има нещо в света, което се разпространява по-бързо от скоростта на светлината:

„Според философа Лай Тин Уидл е известно само едно нещо, което се движи по-бързо от обикновената светлина. Това е монархията. Разсъжденията на Уидл са нещо подобно: във всеки в моментане можете да имате повече от един крал. Заедно с това традицията изисква да няма празнини между царете. Следователно, когато един крал умре, тронът трябва незабавно да премине към наследника. Вероятно, твърди философът, трябва да има някакви елементарни частици - крале или, може би, королевиони, осигуряващи приемственост."

Продължавайки тази логика, могат да се намерят много примери за подобни "нещата се движат по-бързо от обикновената светлина"свързано с промяна в статуса на човек и това, разбира се, е шега. Въпреки че... колкото по-дълбоко се гмурнете във въпросите на физиката, толкова повече нови въпроси възникват и понякога изглежда, че отговорите на учените не са се отдалечили твърде далеч от философските мисли на Лай Тин Уийд.

Това е физика. Именно поради тази причина математиката ще остане кралицата на всички науки. Петъчен виц по темата:

От училище ни учеха, че е невъзможно да надвишим скоростта на светлината и следователно да преместим човек космическото пространствое голям неразрешим проблем (как да стигнем до най-близката слънчева система, ако светлината може да измине това разстояние само за няколко хиляди години?). Може би американски учени са намерили начин да летят със супер скорости, не само без измама, но и следвайки основните закони на Алберт Айнщайн. Във всеки случай това твърди авторът на проекта за космически деформационен двигател Харолд Уайт.

Ние в редакцията сметнахме новината за абсолютно фантастична, затова днес, в навечерието на Деня на космонавтиката, публикуваме репортаж на Константин Какаес за списание Popular Science за феноменален проект на НАСА, ако успее, човек ще може да отиде отвъд слънчева система.

През септември 2012 г. няколкостотин учени, инженери и космически ентусиасти се събраха за втората публична среща на групата, наречена 100 Year Starship. Групата се ръководи от бивш астронавтМей Джемисън и тя основа DARPA. Целта на конференцията е „да направи възможно човешкото пътуване извън Слънчевата система до други звезди през следващите сто години“. Повечето участници в конференцията признават, че напредъкът в пилотираните космически изследвания е твърде малък. Въпреки милиардите долари, похарчени през последните няколко тримесечия, космическите агенции могат да направят почти толкова, колкото през 60-те години на миналия век. Всъщност 100 Year Starship беше свикан, за да поправи всичко това.

Но да минем по същество. След няколко дни на конференцията участниците в нея стигнаха до самата фантастични теми: регенерация на органи, проблемът с организираната религия на борда на кораб и т.н. Една от най-интересните презентации на 100-годишната среща на Starship беше наречена „Механика на полето на деформация 102“ и беше изнесена от Харолд „Сони“ Уайт от НАСА. Ветеран от агенцията, Уайт ръководи напредналата импулсна програма в космическия център Джонсън (JSC). Заедно с петима колеги създава " Пътна картакосмически задвижващи системи”, който изразява целите на НАСА в близко бъдеще пътуване в космоса. Планът изброява всички видове проекти за задвижване, от модерни химически ракети до мащабни разработки като антиматерия или ядрени машини. Но областта на изследване на Уайт е най-футуристичната от всички: тя се отнася до космическия варп двигател.

Ясно е, че всичко това звучи абсолютно фантастично: подобни разработки са истинска революция, която ще развърже ръцете на всички астрофизици по света. Вместо да прекарат 75 000 години в пътуване до Алфа Кентавър, най-близката звездна система до нашата, астронавтите на кораб с този двигател биха могли да направят пътуването за няколко седмици.

В светлината на края на програмата за совалки и нарастващата роля на частните полети до ниска околоземна орбита, НАСА казва, че се префокусира върху широкообхватни, много по-смели планове, които надхвърлят пътуванията до Луната. Тези цели могат да бъдат постигнати само чрез разработването на нови двигателни системи - колкото по-бързо, толкова по-добре. Няколко дни след конференцията ръководителят на НАСА Чарлз Болдън повтори думите на Уайт: „Искаме да пътуваме по-бързо от скоростта на светлината и без да спираме на Марс“.

ОТКЪДЕ ЗНАЕМ ЗА ТОЗИ ДВИГАТЕЛ

Първата популярна употреба на израза "space warp engine" датира от 1966 г., когато Jen Roddenberry издава " Стар Трек" През следващите 30 години този двигател съществува само като част от тази научнофантастична поредица. Физик на име Мигел Алкубиер гледа епизод от поредицата, точно когато работеше върху докторската си степен по обща теория на относителността и се чудеше дали е възможно да се създаде машина за космическа деформация в действителност. През 1994 г. той публикува документ, очертаващ тази позиция.

Алкубиер си представя балон в космоса. В предната част на балона времето-пространството се свива, а в задната се разширява (както се е случило по време на Големия взрив според физиците). Деформацията ще накара кораба да се плъзга гладко през пространството, сякаш сърфира на вълна, въпреки околния шум. По принцип един деформиран балон може да се движи толкова бързо, колкото желаете; ограниченията в скоростта на светлината, според теорията на Айнщайн, се прилагат само в контекста на пространство-времето, но не и в такива изкривявания на пространство-времето. Вътре в балона, както предположи Алкубиер, пространство-времето няма да се промени и няма да навреди на космическите пътници.

Уравненията на Айнщайн в общата теория на относителността са трудни за решаване в една посока, като се разбере как материята огъва пространството, но е възможно. Използвайки ги, Алкубиер установи, че разпределението на материята е необходимо условие за създаването на деформиран мехур. Единственият проблем е, че решенията доведоха до недефинирана форма на материя, наречена отрицателна енергия.

Говорейки на прост език, гравитацията е силата на привличане между два обекта. Всеки обект, независимо от размера си, упражнява някаква сила на привличане върху околната материя. Според Айнщайн тази сила е кривината на пространство-времето. Отрицателната енергия обаче е гравитационно отрицателна, тоест отблъскваща. Вместо да свързва времето и пространството, негативната енергия ги отблъсква и разделя. Грубо казано, за да работи такъв модел, Алкубиер се нуждае от отрицателна енергия, за да разшири пространство-времето зад кораба.

Въпреки факта, че никой никога не е измервал отрицателната енергия, според квантовата механика тя съществува и учените са се научили да я създават в лабораторията. Един от начините да се пресъздаде е чрез ефекта на Казимир: две успоредни проводящи плочи, разположени близо една до друга, създават известно количество отрицателна енергия. Слабо мястоМоделът на Alcubierre е, че неговото прилагане изисква огромно количествоможе да се произведе отрицателна енергия, с няколко порядъка по-висока, отколкото смятат учените.

Уайт казва, че е намерил начин да заобиколи това ограничение. В компютърна симулация Уайт модифицира геометрията на полето на деформация, така че на теория да може да произведе деформиран балон, използвайки милиони пъти по-малко отрицателна енергия, отколкото Алкубиер изчисли, че е необходима, и може би достатъчно малко, за да може космически кораб да носи средствата за производството му. „Откритията“, казва Уайт, „променят метода на Алкубиер от непрактичен в напълно правдоподобен.“

ДОКЛАД ОТ ЛАБОРАТОРИЯТА НА УАЙТ

Космическият център Джонсън се намира близо до лагуните на Хюстън, с изглед към залива Галвестън. Центърът е малко като крайградски колеж, предназначен само за обучение на астронавти. В деня на моето посещение Уайт ме посреща в сграда 15, многоетажен лабиринт от коридори, офиси и лаборатории, където се извършват тестове на двигатели. Уайт носи поло тениска на Eagleworks (както той нарича експериментите си с двигател), бродиран с орел, реещ се над футуристичен космически кораб.

Уайт започва кариерата си като инженер, провеждайки изследвания като част от роботизирана група. В крайна сметка той пое командването на цялото роботизирано крило на МКС, докато завършва докторската си степен по физика на плазмата. Едва през 2009 г. той променя интересите си към изучаването на движението и тази тема го пленява толкова много, че се превръща в основната причина да отиде да работи в НАСА.

„Той е доста необичаен човек, казва неговият шеф Джон Епълуайт, който ръководи отдела за задвижващи системи. - Определено е голям мечтател, но в същото време и талантлив инженер. Той знае как да превърне фантазиите си в истински инженерен продукт. Приблизително по същото време, когато се присъедини към НАСА, Уайт поиска разрешение да отвори собствена лаборатория, посветена на напреднали двигателни системи. Той сам измисли името Eagleworks и дори поиска от НАСА да създаде лого за неговата специализация. Тогава започна тази работа.

Уайт ме завежда до офиса си, който споделя с колега, който търси вода на Луната, и след това надолу до Eagleworks. Докато върви, той ми разказва за искането си да отвори лаборатория и го нарича „дълъг труден процес на намиране на напреднало движение, което да помогне на човека да изследва космоса“.

Уайт ми показва обекта и ми показва централната му функция - нещо, което той нарича "квантово вакуумно плазмено задвижване" (QVPT). Това устройство изглежда като огромна червена кадифена поничка с жици, плътно увити около сърцевината. Това е една от двете инициативи на Eagleworks (другата е warp drive). Това също е тайна разработка. Когато попитах какво е това, Уайт каза, че всичко, което може да каже, е, че технологията е дори по-готина от warp задвижването.) Според доклад на НАСА от 2011 г., написан от Уайт, корабът използва квантови флуктуации в празното пространство като източник на гориво, което означава, че космически кораб, задвижван от QVPT, няма да изисква гориво.

Двигателят използва квантови флуктуации в празното пространство като източник на гориво,
което означава космически кораб,
задвижван от QVPT, не изисква гориво.

Когато устройството работи, системата на Уайт изглежда кинематографично перфектна: цветът на лазера е червен, а двата лъча са кръстосани като саби. Вътре в пръстена има четири керамични кондензатора, направени от бариев титанат, които Уайт зарежда при 23 000 волта. Уайт е прекарал последните две години и половина в разработването на експеримента и казва, че кондензаторите показват огромна потенциална енергия. Когато обаче го попитам как да създам отрицателната енергия, необходима за изкривеното пространство-време, той избягва отговора. Той обяснява, че е подписал декларация за неразгласяване и затова не може да разкрива подробности. Питам с кого е правил тези споразумения. Той казва: „С хората. Те идват и искат да говорят. Не мога да ви дам повече подробности.

ПРОТИВНИЦИ НА ИДЕЯТА ЗА ДВИГАТЕЛЯ

Досега теорията за изкривеното пътуване е доста интуитивна - изкривява времето и пространството, за да създаде движещ се балон - и има няколко съществени недостатъка. Дори ако Уайт значително намали количеството отрицателна енергия, изисквано от Алкубиер, това пак ще изисква повече, отколкото учените могат да произведат, казва Лорънс Форд, теоретичен физик в университета Тъфтс, който е написал множество статии по темата за отрицателната енергия през последните 30 години . Форд и други физици казват, че има фундаментални физически ограничения, не толкова поради инженерни несъвършенства, колкото поради факта, че това количество отрицателна енергия не може да съществува на едно място за дълго.

Друго предизвикателство: За да създадат уорп топка, която се движи по-бързо от светлината, учените ще трябва да генерират отрицателна енергия около и над космическия кораб. Уайт не смята, че това е проблем; той отговаря много неясно, че двигателят най-вероятно ще работи благодарение на някакъв съществуващ „апарат, който създава необходими условия" Създаването на тези условия пред кораба обаче би означавало осигуряване на постоянна доставка на отрицателна енергия, движеща се по-бързо от скоростта на светлината, което отново противоречи на общата теория на относителността.

И накрая, машината за космическа деформация поставя концептуален въпрос. В общата теория на относителността пътуването със свръхсветлинни скорости е еквивалентно на пътуване във времето. Ако такъв двигател е реален, Уайт създава машина на времето.

Тези пречки пораждат някои сериозни съмнения. „Не мисля, че физиката, която познаваме, и законите на физиката ни позволяват да вярваме, че той ще постигне нещо със своите експерименти“, казва Кен Олум, физик от университета Тъфтс, който също участва в дебата за екзотичното задвижване на Starship 100th Юбилейна среща“. Ноа Греъм, физик от Мидълбъри Колидж, който прочете две от статиите на Уайт по моя молба, ми изпрати имейл: „Не виждам нищо ценно научни доказателства, в допълнение към препратките към предишните му произведения."

Алкубиер, който сега е физик в Националния автономен университет на Мексико, има свои съмнения. „Дори и да стоя на космически кораби имам налична отрицателна енергия, няма начин да я поставя там, където трябва“, казва ми той по телефона от дома си в Мексико Сити. - Не, идеята е вълшебна, харесва ми, написах я сам. Но има няколко сериозни недостатъка в него, които виждам сега, през годините, и не знам нито един начин да ги поправя.

БЪДЕЩЕТО НА СУПЕР СКОРОСТТА

Вляво от главната порта на Научния център Джонсън ракета Сатурн V лежи настрани, нейните степени разделени, за да покажат вътрешното й съдържание. Тя е гигантска – един от многото й двигатели е с размерите на малка кола, а самата ракета е няколко фута по-дълга от футболно игрище. Това, разбира се, е доста красноречиво доказателство за особеностите на космическата навигация. Освен това тя е на 40 години и времето, което представлява - когато НАСА беше част от огромен национален план за изпращане на човек на Луната - отдавна е отминало. Днес JSC е просто място, което някога е било страхотно, но оттогава е напуснало космическия авангард.

Пробив в движението може да означава нова ераза JSC и НАСА и до известна степен част от тази ера започва сега. Сондата Dawn, изстреляна през 2007 г., изучава астероидния пръстен с помощта на йонни двигатели. През 2010 г. японците поръчаха Icarus, първият междупланетен кораб звезден кораб, задвижван от слънчево платно, друг вид експериментално задвижване. А през 2016 г. учените планират да тестват VASMIR, система, задвижвана от плазма, създадена специално за висока тяга на задвижване в МКС. Но когато тези системи могат да носят астронавти до Марс, те все още няма да могат да ги отведат извън Слънчевата система. За да постигне това, каза Уайт, НАСА ще трябва да поеме по-рискови проекти.

Warp задвижването е може би най-пресиленото от усилията на Nas да създава проекти за движение. Научна общностзаявява, че Уайт не може да го създаде. Експертите казват, че работи срещу законите на природата и физиката. Въпреки това НАСА стои зад проекта. „Субсидиран е на грешно ниво държавно ниво, което трябва да имат“, казва Applewhite. - Мисля, че ръководството има някакъв особен интерес той да продължи работата си; Това е една от онези теоретични концепции, които, ако успеят, променят напълно играта.

През януари Уайт сглоби своя щам интерферометър и премина към следващата си цел. Eagleworks надрасна собствения си дом. Новата лаборатория е по-голяма и, ентусиазирано заявява той, „сеизмично изолирана“, което означава, че е защитен от вибрации. Но може би най-хубавото в новата лаборатория (и най-впечатляващото) е, че НАСА даде на Уайт същите условия, които Нийл Армстронг и Бъз Олдрин имаха на Луната. Е, да видим.