ماذا سيحدث عند الوصول لسرعة الضوء. كيف سيتجاوز علماء ناسا سرعة الضوء في الفضاء؟

25 مارس 2017

يسافر إلى سرعة فائقة- أحد أسس الخيال العلمي الفضائي. ومع ذلك، ربما يعرف الجميع - حتى الأشخاص البعيدين عن الفيزياء - أن الحد الأقصى السرعة الممكنةإن حركة الأجسام المادية أو انتشار أية إشارات هي سرعة الضوء في الفراغ. ويرمز لها بالحرف ج وتبلغ سرعتها 300 ألف كيلومتر في الثانية تقريباً؛ القيمة الدقيقةث = 299,792,458 م/ث.

تعتبر سرعة الضوء في الفراغ إحدى الثوابت الفيزيائية الأساسية. استحالة تحقيق سرعات تتجاوز c يتبع من نظرية خاصةالنسبية (SRT) لأينشتاين. إذا أمكن إثبات إمكانية إرسال الإشارات بسرعات فائقة السرعة، فسوف تسقط النظرية النسبية. ولم يحدث هذا حتى الآن، رغم المحاولات العديدة لدحض الحظر على وجود سرعات أكبر من c. ومع ذلك، في دراسات تجريبيةفي الآونة الأخيرة بعض جدا ظواهر مثيرة للاهتماممما يشير إلى أنه في ظل ظروف تم إنشاؤها خصيصًا، يمكن ملاحظة السرعات الفائقة للضوء دون انتهاك مبادئ النظرية النسبية.

في البداية، دعونا نتذكر الجوانب الرئيسية المتعلقة بمشكلة سرعة الضوء.

بادئ ذي بدء: لماذا هذا مستحيل (إذا الظروف العادية) تجاوز الحد الضوء؟ لأنه يتم انتهاك القانون الأساسي لعالمنا - قانون السببية، والذي بموجبه لا يمكن للنتيجة أن تسبق السبب. لم يلاحظ أحد من قبل، على سبيل المثال، أن الدب سقط ميتًا أولاً ثم أطلق الصياد النار. عند السرعات التي تتجاوز c، يصبح تسلسل الأحداث معكوسًا، ويتم إرجاع الشريط الزمني إلى الخلف. من السهل التحقق من ذلك من خلال المنطق البسيط التالي.

لنفترض أننا على متن سفينة فضائية معجزة، تتحرك بسرعة أكبر من الضوء. ثم نلحق تدريجياً بالضوء المنبعث من المصدر في أوقات سابقة وأقدم. أولاً، سنلحق بالفوتونات المنبعثة، على سبيل المثال، بالأمس، ثم تلك المنبعثة أول من أمس، ثم أسبوع، أو شهر، أو عام مضى، وهكذا. ولو كان مصدر الضوء مرآة تعكس الحياة، لرأينا أولاً أحداث الأمس، ثم أول أمس، وهكذا. يمكننا أن نرى، على سبيل المثال، رجلاً عجوزاً يتحول تدريجياً إلى رجل في منتصف العمر، ثم إلى شاب، إلى شاب، إلى طفل... أي أن الزمن سيعود إلى الوراء، وننتقل من الحاضر إلى الحاضر. الماضي. ومن ثم فإن الأسباب والنتائج سوف تتغير الأماكن.

على الرغم من أن هذه المناقشة تتجاهل تمامًا التفاصيل الفنية لعملية مراقبة الضوء، إلا أنها من وجهة نظر أساسية توضح بوضوح أن الحركة بسرعات فائقة الضوء تؤدي إلى وضع مستحيل في عالمنا. ومع ذلك، فقد وضعت الطبيعة شروطًا أكثر صرامة: فالحركة ليس فقط بسرعة فائقة السرعة لا يمكن تحقيقها، ولكن أيضًا بسرعة سرعة متساويةالضوء - لا يمكنك الاقتراب منه إلا. ويترتب على النظرية النسبية أنه عندما تزداد سرعة الحركة، تنشأ ثلاثة ظروف: زيادة كتلة جسم متحرك، وتناقص حجمه في اتجاه الحركة، وتباطأ تدفق الزمن على هذا الجسم (من النقطة وجهة نظر مراقب خارجي "يستريح"). عند السرعات العادية، تكون هذه التغييرات ضئيلة، ولكن مع اقترابها من سرعة الضوء تصبح ملحوظة أكثر فأكثر، وفي الحد - عند سرعة تساوي c - تصبح الكتلة كبيرة بلا حدود، ويفقد الجسم حجمه تمامًا في الاتجاه الحركة ويتوقف الزمن عليه. ولذلك لا يمكن لأي جسم مادي أن يصل إلى سرعة الضوء. فقط الضوء نفسه لديه مثل هذه السرعة! (وأيضًا جسيم "شامل الاختراق" - النيوترينو، الذي، مثل الفوتون، لا يمكنه التحرك بسرعة أقل من c.)

الآن عن سرعة نقل الإشارة. ومن المناسب هنا استخدام تمثيل الضوء على شكل موجات كهرومغناطيسية. ما هي الإشارة؟ هذه بعض المعلومات التي يجب نقلها. ممتاز موجه كهرومغناطيسية- هذا هو الجيوب الأنفية اللانهائية ذات تردد واحد بدقة، ولا يمكنه حمل أي معلومات، لأن كل فترة من هذا الجيوب الأنفية تكرر تمامًا الفترة السابقة. يمكن لسرعة حركة مرحلة الموجة الجيبية - ما يسمى بسرعة الطور - أن تتجاوز، في ظل ظروف معينة، سرعة الضوء في الفراغ في الوسط. لا توجد قيود هنا، لأن سرعة الطور ليست سرعة الإشارة - فهي غير موجودة بعد. لإنشاء إشارة، تحتاج إلى إنشاء نوع من "العلامة" على الموجة. يمكن أن تكون هذه العلامة، على سبيل المثال، تغييرا في أي من معلمات الموجة - السعة أو التردد أو المرحلة الأولية. ولكن بمجرد وضع العلامة، تفقد الموجة جيبيتها. تصبح معدلة، وتتكون من مجموعة من الموجات الجيبية البسيطة ذات السعات والترددات المختلفة المراحل الأولية- مجموعات الموجات. السرعة التي تتحرك بها العلامة في الموجة المعدلة هي سرعة الإشارة. عند الانتشار في وسط ما، تتزامن هذه السرعة عادةً مع سرعة المجموعة التي تميز انتشار مجموعة الموجات المذكورة أعلاه ككل (انظر "العلم والحياة" رقم 2، 2000). في الظروف العادية، تكون سرعة المجموعة، وبالتالي سرعة الإشارة، أقل من سرعة الضوء في الفراغ. وليس من قبيل الصدفة أن يتم استخدام عبارة "في ظل الظروف العادية" هنا، لأنه في بعض الحالات قد تتجاوز سرعة المجموعة c أو حتى تفقد معناها، ولكنها لا تشير بعد ذلك إلى انتشار الإشارة. تثبت محطة الخدمة أنه من المستحيل إرسال إشارة بسرعة أكبر من c.

لماذا هو كذلك؟ لأن نفس قانون السببية يعمل كعائق أمام إرسال أي إشارة بسرعة أكبر من c. دعونا نتخيل مثل هذا الموقف. في مرحلة ما، يقوم وميض الضوء (الحدث 1) بتشغيل جهاز يرسل إشارة راديو معينة، وفي نقطة بعيدة B، تحت تأثير إشارة الراديو هذه، يحدث انفجار (الحدث 2). من الواضح أن الحدث 1 (التوهج) هو السبب، والحدث 2 (الانفجار) هو النتيجة التي تحدث أسباب لاحقة. لكن إذا انتشرت إشارة الراديو بسرعة فائقة السرعة، فإن الراصد بالقرب من النقطة B سيرى انفجارًا أولاً، وعندها فقط سبب الانفجار الذي وصل إليه بسرعة وميض الضوء. بمعنى آخر، بالنسبة لهذا المراقب، كان الحدث 2 قد وقع قبل الحدث 1، أي أن التأثير كان سيسبق السبب.

ومن المناسب التأكيد على أن “الحظر الفائق للضوء” للنظرية النسبية يفرض فقط على حركة الأجسام المادية ونقل الإشارات. في العديد من المواقف، تكون الحركة بأي سرعة ممكنة، لكن هذه لن تكون حركة الأشياء أو الإشارات المادية. على سبيل المثال، تخيل اثنين من المسطرين الطويلين إلى حد ما يقعان في نفس المستوى، أحدهما يقع أفقيا، والآخر يتقاطع معه بزاوية صغيرة. إذا تم تحريك المسطرة الأولى للأسفل (في الاتجاه المشار إليه بالسهم) بسرعة عالية، فيمكن جعل نقطة تقاطع المسطرتين تسير بالسرعة المطلوبة، لكن هذه النقطة ليست جسمًا ماديًا. مثال آخر: إذا أخذت مصباحًا يدويًا (أو، على سبيل المثال، ليزر ينتج شعاعًا ضيقًا) ووصفت بسرعة قوسًا في الهواء، إذن السرعة الخطيةسيزداد شعاع الضوء مع المسافة وبشكل كافٍ مسافة كبيرةسوف يتجاوز ج. ستتحرك بقعة الضوء بين النقطتين A وB بسرعة فائقة السرعة، لكن هذا لن يكون بمثابة إرسال إشارة من A إلى B، لأن بقعة الضوء هذه لا تحمل أي معلومات حول النقطة A.

يبدو أن مسألة السرعات الفائقة للضوء قد تم حلها. لكن في ستينيات القرن العشرين، طرح علماء الفيزياء النظرية فرضية وجود جسيمات فائقة السطوع تسمى التاكيونات. هذه جسيمات غريبة جدًا: فهي ممكنة من الناحية النظرية، ولكن لتجنب التناقضات مع النظرية النسبية، كان لا بد من تخصيص كتلة سكون خيالية لها. فيزيائياً، الكتلة الخيالية غير موجودة؛ إنها تجريد رياضي بحت. ومع ذلك، فإن هذا لم يسبب قلقا خاصا، لأن التاكيونات لا يمكن أن تكون في حالة راحة - فهي موجودة (إذا كانت موجودة!) فقط بسرعات تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ، وفي هذه الحالة تبين أن كتلة التاكيون حقيقية. هناك بعض التشابه هنا مع الفوتونات: الفوتون لديه كتلة سكون صفر، ولكن هذا يعني ببساطة أن الفوتون لا يمكن أن يكون في حالة سكون، ولا يمكن إيقاف الضوء.

كان أصعب شيء، كما قد يتوقع المرء، هو التوفيق بين فرضية تاكيون وقانون السببية. المحاولات التي بذلت في هذا الاتجاه، على الرغم من كونها بارعة للغاية، إلا أنها لم تؤد إلى نجاح واضح. لم يتمكن أحد من تسجيل التاكيونات تجريبيًا أيضًا. ونتيجة لذلك، الاهتمام بالتاكيونات باعتبارها فائقة السطوع الجسيمات الأوليةتلاشى تدريجيا.

ومع ذلك، في الستينيات، تم اكتشاف ظاهرة تجريبية، والتي أربكت الفيزيائيين في البداية. تم وصف ذلك بالتفصيل في مقال بقلم A. N. Oraevsky "Super موجات الضوءفي تضخيم الوسائط" (UFN No. 12, 1998). هنا سنلخص جوهر الأمر بإيجاز، ونحيل القارئ المهتم بالتفاصيل إلى المقالة المحددة.

بعد وقت قصير من اكتشاف الليزر - في أوائل الستينيات - ظهرت مشكلة الحصول على نبضات ضوئية عالية الطاقة قصيرة (تدوم حوالي 1 نانوثانية = 10-9 ثواني). للقيام بذلك، تم تمرير نبضة ليزر قصيرة من خلال بصري مكبر للصوت الكم. تم تقسيم النبض إلى قسمين بواسطة مرآة تقسيم الشعاع. تم إرسال أحدهما، وهو أقوى، إلى مكبر الصوت، والآخر تم نشره في الهواء وكان بمثابة نبض مرجعي يمكن من خلاله مقارنة النبض الذي يمر عبر مكبر الصوت. وتم تغذية كلا النبضتين إلى أجهزة الكشف الضوئي، ويمكن ملاحظة إشارات الخرج الخاصة بهما بصريًا على شاشة راسم الذبذبات. وكان من المتوقع أن تشهد النبضة الضوئية المارة عبر المضخم بعض التأخير فيها مقارنة بالنبضة المرجعية، أي أن سرعة انتشار الضوء في المضخم ستكون أقل منها في الهواء. تخيل دهشة الباحثين عندما اكتشفوا أن النبض ينتشر عبر مكبر الصوت بسرعة ليست فقط أكبر من الهواء، ولكن أيضًا أعلى بعدة مرات من سرعة الضوء في الفراغ!

بعد أن تعافى من الصدمة الأولى، بدأ الفيزيائيون في البحث عن سبب هذه النتيجة غير المتوقعة. لم يكن لدى أحد أدنى شك في مبادئ النظرية النسبية الخاصة، وهذا ما ساعد في العثور على التفسير الصحيح: إذا تم الحفاظ على مبادئ SRT، فيجب البحث عن الإجابة في خصائص الوسط المضخم.

دون الخوض في التفاصيل هنا، سنشير فقط إلى أن التحليل التفصيلي لآلية عمل وسيط التضخيم أوضح الوضع تمامًا. كانت النقطة عبارة عن تغير في تركيز الفوتونات أثناء انتشار النبضة - وهو التغيير الناجم عن التغير في كسب الوسط حتى قيمة سالبةأثناء مرور الجزء الخلفي من النبضة، عندما يكون الوسط يمتص الطاقة بالفعل، لأن احتياطيه الخاص قد تم استخدامه بالفعل بسبب نقله نبض خفيف. ولا يسبب الامتصاص زيادة في الدفعة بل إضعافها، وبالتالي تقوى الدفعة في الجزء الأمامي وتضعف في الجزء الخلفي. لنتخيل أننا نرصد نبضة باستخدام جهاز يتحرك بسرعة الضوء في وسط مكبر الصوت. إذا كان الوسط شفافا، فسنرى الدافع متجمدا في حالة من عدم الحركة. وفي البيئة التي تحدث فيها العملية المذكورة أعلاه، فإن تقوية الحافة الأمامية وضعف الحافة الخلفية للنبضة سوف يظهر للراصد بشكل يبدو وكأن الوسط هو الذي حرك النبضة إلى الأمام. لكن بما أن الجهاز (الراصد) يتحرك بسرعة الضوء، والنبضة تتفوق عليه، فإن سرعة النبضة تتجاوز سرعة الضوء! هذا هو التأثير الذي سجله المجربون. وهنا لا يوجد حقًا تناقض مع النظرية النسبية: إن عملية التضخيم هي ببساطة بحيث يتبين أن تركيز الفوتونات التي خرجت سابقًا أكبر من تلك التي خرجت لاحقًا. ليست الفوتونات هي التي تتحرك بسرعات فائقة السرعة، ولكن غلاف النبضة، ولا سيما الحد الأقصى لها، هو الذي يتم ملاحظته على مرسمة الذبذبات.

وهكذا، في حين أنه في الوسائط العادية يوجد دائمًا ضعف في الضوء وانخفاض في سرعته، والذي يحدده مؤشر الانكسار، في وسائط الليزر النشطة لا يوجد فقط تضخيم للضوء، ولكن أيضًا انتشار النبض بسرعة فائقة السرعة.

حاول بعض علماء الفيزياء أن يثبتوا تجريبيًا وجود حركة فائقة السطوع أثناء تأثير النفق، وهي إحدى الظواهر المدهشة في التاريخ. ميكانيكا الكم. يتكون هذا التأثير من حقيقة أن الجسيمات الدقيقة (بتعبير أدق، الكائنات الدقيقة، موجودة في ظروف مختلفةعرض كل من خصائص الجسيمات والموجة) قادر على اختراق ما يسمى حاجز محتمل- ظاهرة مستحيلة تماما في الميكانيكا الكلاسيكية(حيث يكون التشبيه هو الموقف التالي: الكرة التي يتم رميها على الحائط ستنتهي على الجانب الآخر من الجدار، أو سيتم نقل الحركة الشبيهة بالموجة المنقولة إلى حبل مربوط بالجدار إلى حبل مربوط به الجدار من الجانب الآخر). جوهر تأثير النفق في ميكانيكا الكم هو كما يلي. إذا واجه جسم مجهري ذو طاقة معينة منطقة بها الطاقة الكامنة، التي تتجاوز طاقة الجسم الصغير، تشكل هذه المنطقة عائقًا أمامه، ويتم تحديد ارتفاعها من خلال فرق الطاقة. لكن الجسم الصغير "يتسرب" عبر الحاجز! تم منح هذه الإمكانية له من خلال علاقة عدم اليقين المعروفة لهايزنبرغ، والتي تم كتابتها للطاقة ووقت التفاعل. إذا حدث تفاعل جسم مجهري مع حاجز خلال فترة زمنية معينة إلى حد ما، فإن طاقة الجسم الدقيق، على العكس من ذلك، ستتسم بعدم اليقين، وإذا كان عدم اليقين هذا في حدود ارتفاع الحاجز، فإن هذا الأخير يتوقف عن أن يكون عقبة لا يمكن التغلب عليها أمام الكائن الصغير. إن سرعة الاختراق عبر حاجز الجهد هي التي أصبحت موضوع بحث لعدد من علماء الفيزياء، الذين يعتقدون أنها يمكن أن تتجاوز ج.

في يونيو 1998، عقدت ندوة دولية حول مشاكل الحركة الفائقة في كولونيا، حيث تمت مناقشة النتائج التي تم الحصول عليها في أربعة مختبرات - في بيركلي وفيينا وكولونيا وفلورنسا.

وأخيرا، في عام 2000، ظهرت تقارير عن تجربتين جديدتين ظهرت فيهما تأثيرات الانتشار الفائق للضوء. تم تنفيذ إحداها بواسطة ليجون وونغ وزملائه في معهد برينستون للأبحاث (الولايات المتحدة الأمريكية). والنتيجة هي أن دخول نبضة ضوئية إلى غرفة مملوءة ببخار السيزيوم يزيد من سرعتها بمقدار 300 مرة. اتضح ذلك الجزء الرئيسييغادر النبض الجدار البعيد للغرفة حتى قبل دخول النبض إلى الغرفة عبر الجدار الأمامي. هذا الوضع يتناقض ليس فقط الفطرة السليمةبل في جوهرها النظرية النسبية.

تسببت رسالة L. Wong في مناقشة مكثفة بين الفيزيائيين، ومعظمهم لم يميلوا إلى رؤية انتهاك لمبادئ النسبية في النتائج التي تم الحصول عليها. ويعتقدون أن التحدي يكمن في شرح هذه التجربة بشكل صحيح.

في تجربة L. Wong، كانت مدة نبضة الضوء التي تدخل الغرفة مع بخار السيزيوم حوالي 3 ميكروثانية. يمكن أن توجد ذرات السيزيوم في ستة عشر حالة ميكانيكية كمومية محتملة، تسمى "المستويات الفرعية المغناطيسية فائقة الدقة للحالة الأرضية". وباستخدام الضخ الضوئي بالليزر، تم جلب جميع الذرات تقريبًا إلى حالة واحدة فقط من هذه الحالات الستة عشر، وهو ما يعادل تقريبًا الصفر المطلقدرجة الحرارة على مقياس كلفن (-273.15 درجة مئوية). وكان طول حجرة السيزيوم 6 سم. في الفراغ، ينتقل الضوء مسافة 6 سنتيمترات خلال 0.2 ns. من خلال الغرفة التي تحتوي على السيزيوم، كما أظهرت القياسات، مرت نبضة الضوء في وقت أقل بمقدار 62 نانوثانية مما كانت عليه في الفراغ. بمعنى آخر، الوقت الذي تستغرقه النبضة للمرور عبر وسط السيزيوم له علامة ناقص! في الواقع، إذا طرحنا 62 ns من 0.2 ns، نحصل على وقت "سلبي". هذا "التأخير السلبي" في الوسط - قفزة زمنية غير مفهومة - يساوي الوقت الذي تمر فيه النبضة 310 مرة عبر الحجرة في الفراغ. وكانت نتيجة هذا "الانعكاس الزمني" أن النبضة الخارجة من الحجرة تمكنت من التحرك بعيدًا عنها بمقدار 19 مترًا قبل أن تصل النبضة الواردة إلى الجدار القريب للغرفة. كيف يمكن تفسير مثل هذا الموقف المذهل (ما لم نشك بالطبع في نقاء التجربة)؟

إذا حكمنا من خلال المناقشة الجارية، لم يتم العثور على تفسير دقيق حتى الآن، ولكن ليس هناك شك في أن خصائص التشتت غير العادية للوسط تلعب دورًا هنا: بخار السيزيوم، الذي يتكون من ذرات مثارة بواسطة ضوء الليزر، هو وسط ذو تشتت غير طبيعي . دعونا نتذكر بإيجاز ما هو عليه.

تشتت المادة هو اعتماد معامل انكسار الطور (العادي) n على طول موجة الضوء l. وفي حالة التشتت الطبيعي، يزداد معامل الانكسار مع تناقص الطول الموجي، وهذا هو الحال في الزجاج والماء والهواء وجميع المواد الأخرى الشفافة للضوء. في المواد التي تمتص الضوء بقوة، ينعكس مسار معامل الانكسار مع تغير الطول الموجي ويصبح أكثر حدة: مع انخفاض l (زيادة التردد w)، ينخفض ​​معامل الانكسار بشكل حاد ويصبح في منطقة معينة من الطول الموجي أقل من الوحدة ( سرعة الطور Vf > s ). هذا هو التشتت الشاذ، حيث يتغير نمط انتشار الضوء في المادة بشكل جذري. تصبح سرعة المجموعة Vgr أكبر من سرعة الطور للموجات ويمكن أن تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ (وتصبح سلبية أيضًا). يشير L. Wong إلى هذا الظرف باعتباره السبب الكامن وراء إمكانية تفسير نتائج تجربته. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن الشرط Vgr > c هو شرط شكلي بحت، حيث تم تقديم مفهوم سرعة المجموعة لحالة التشتت الصغير (العادي)، للوسائط الشفافة، عندما لا تغير مجموعة من الموجات شكلها تقريبًا أثناء الانتشار. في مناطق التشتت الشاذ، يتشوه نبض الضوء بسرعة ويفقد مفهوم السرعة الجماعية معناه؛ في هذه الحالة، يتم تقديم مفاهيم سرعة الإشارة وسرعة انتشار الطاقة، والتي تتزامن في الوسائط الشفافة مع سرعة المجموعة، وفي الوسائط ذات الامتصاص تظل أقل من سرعة الضوء في الفراغ. ولكن هذا هو الشيء المثير للاهتمام في تجربة وونغ: نبضة الضوء، التي تمر عبر وسط ذي تشتت غير طبيعي، لا تتشوه، بل تحتفظ بشكلها تمامًا! وهذا يتوافق مع الافتراض القائل بأن الدفعة تنتشر بسرعة جماعية. لكن إذا كان الأمر كذلك، فيتبين أنه لا يوجد امتصاص في الوسط، على الرغم من أن التشتت الشاذ للوسط يرجع بالتحديد إلى الامتصاص! وونغ نفسه، على الرغم من اعترافه بأن الكثير لا يزال غير واضح، يعتقد أن ما يحدث فيه الإعداد التجريبيةيمكن تفسيرها بصريا لتقريب أولي بالطريقة الآتية.

تتكون نبضة الضوء من العديد من المكونات ذات الأطوال الموجية (الترددات) المختلفة. ويبين الشكل ثلاثة من هذه المكونات (الموجات 1-3). عند نقطة ما، تكون الموجات الثلاث في الطور (تتطابق الحدود القصوى لها)؛ هنا، يضيفون، يعززون بعضهم البعض ويشكلون دفعة. مثل مزيد من النشرفي الفضاء، يتم إزالة الأمواج وبالتالي "يطفئ" بعضها البعض.

وفي منطقة التشتت الشاذ (داخل خلية السيزيوم)، تصبح الموجة الأقصر (الموجة 1) أطول. وعلى العكس من ذلك، فإن الموجة التي كانت الأطول بين الموجات الثلاثة (الموجة 3) تصبح الأقصر.

وبالتالي تتغير أطوار الموجات تبعا لذلك. وبمجرد مرور الموجات عبر خلية السيزيوم، يتم استعادة مقدماتها الموجية. بعد أن خضعت لتعديل طور غير عادي في مادة ذات تشتت غير طبيعي، فإن الموجات الثلاث المعنية تجد نفسها مرة أخرى في طور في مرحلة ما. هنا تتجمع مرة أخرى وتشكل نبضة بنفس الشكل تمامًا مثل تلك التي تدخل وسط السيزيوم.

عادةً في الهواء، وفي الواقع في أي وسط شفاف ذي تشتت عادي، لا يمكن لنبضة الضوء أن تحافظ على شكلها بدقة عند الانتشار عبر مسافة بعيدة، أي أنه لا يمكن أن يتم تنفيذ جميع مكوناتها على مراحل عند أي نقطة بعيدة على طول مسار الانتشار. وفي الظروف العادية، تظهر نبضة خفيفة في هذه النقطة البعيدة بعد مرور بعض الوقت. ومع ذلك، نظرا للخصائص الشاذة للوسيط المستخدم في التجربة، فقد تبين أن النبض عند نقطة نائية يتم مراحله بنفس الطريقة عند دخول هذه الوسيلة. وهكذا فإن النبضة الضوئية تتصرف كما لو أن لها تأخيراً زمنياً سالباً في طريقها إلى نقطة بعيدة، أي أنها ستصل إليها ليس متأخراً، بل أبكر من مرورها عبر الوسط!

يميل معظم الفيزيائيين إلى ربط هذه النتيجة بظهور مادة أولية منخفضة الشدة في الوسط المشتت للغرفة. والحقيقة هي أنه أثناء التحلل الطيفي للنبضة، يحتوي الطيف على مكونات ذات ترددات عالية بشكل تعسفي ذات سعة صغيرة لا تذكر، ما يسمى بالسلائف، التي تسبق "الجزء الرئيسي" من النبضة. تعتمد طبيعة النشأة وشكل المادة الأولية على قانون التشتت في الوسط. ومع أخذ ذلك في الاعتبار، يُقترح تفسير تسلسل الأحداث في تجربة وونغ على النحو التالي. الموجة القادمة، "تمتد" النذير أمامها، تقترب من الكاميرا. وقبل أن تضرب ذروة الموجة الواردة الجدار القريب من الحجرة، يبدأ ظهور نبضة في الحجرة، تصل إلى الجدار البعيد وتنعكس عنه، لتشكل "موجة عكسية". هذه الموجة، التي تنتشر أسرع بـ 300 مرة من c، تصل إلى الجدار القريب وتلتقي بالموجة القادمة. تلتقي قمم إحدى الموجات مع قيعان موجة أخرى، بحيث تدمر بعضها البعض، ونتيجة لذلك لا يتبقى شيء. وتبين أن الموجة الواردة "تسدد الدين" لذرات السيزيوم، التي "أعطتها" الطاقة في الطرف الآخر من الغرفة. أي شخص شاهد فقط بداية التجربة ونهايتها لن يرى سوى نبضة من الضوء "تقفز" إلى الأمام في الوقت المناسب، وتتحرك بشكل أسرع من c.

يعتقد L. Wong أن تجربته لا تتفق مع النظرية النسبية. ويعتقد أن القول بعدم إمكانية الوصول إلى السرعة الفائقة للضوء ينطبق فقط على الأجسام ذات الكتلة الساكنة. ويمكن تمثيل الضوء إما على شكل موجات، وهو ما لا ينطبق عليه مفهوم الكتلة بشكل عام، أو على شكل فوتونات لها كتلة سكون، كما هو معروف يساوي الصفر. ولذلك فإن سرعة الضوء في الفراغ، بحسب وونغ، ليست هي الحد الأقصى. ومع ذلك، يعترف وونغ بأن التأثير الذي اكتشفه لا يجعل من الممكن نقل المعلومات بسرعات أكبر من c.

يقول بي. ميلوني، عالم الفيزياء في مختبر لوس ألاموس الوطني في الولايات المتحدة: «المعلومات هنا موجودة بالفعل في الحافة الأمامية للنبضة، ويمكن أن تعطي الانطباع بإرسال المعلومات بشكل أسرع من الضوء، حتى عندما تقوم بذلك لا يرسلونها."

يعتقد معظم علماء الفيزياء ذلك عمل جديدلا يوجه ضربة ساحقة للمبادئ الأساسية. لكن ليس كل الفيزيائيين يعتقدون أن المشكلة قد تم حلها. ويعتقد البروفيسور أ. رانفاني، من مجموعة الأبحاث الإيطالية التي أجرت تجربة أخرى مثيرة للاهتمام في عام 2000، أن السؤال لا يزال مفتوحا. اكتشفت هذه التجربة، التي أجراها دانيال موغناي وأنيديو رانفاني وروكو روجيري، أن موجات الراديو ذات الموجات السنتيمترية في الهواء العادي تنتقل بسرعات أسرع بنسبة 25٪ من سرعة c.

لتلخيص، يمكننا أن نقول ما يلي.

يعمل السنوات الأخيرةأظهر أنه في ظل ظروف معينة يمكن أن تحدث سرعة فائقة السرعة بالفعل. ولكن ما الذي يتحرك بالضبط بسرعات فائقة السرعة؟ النظرية النسبية، كما ذكرنا سابقًا، تحظر مثل هذه السرعة بالنسبة للأجسام المادية والإشارات التي تحمل المعلومات. ومع ذلك، فإن بعض الباحثين يحاولون باستمرار إثبات التغلب على حاجز الضوء المخصص للإشارات. والسبب في ذلك يكمن في حقيقة أن النظرية النسبية الخاصة ليس لها مبرر رياضي صارم (يعتمد، على سبيل المثال، على معادلات ماكسويل لـ حقل كهرومغناطيسي) استحالة إرسال الإشارات بسرعات أكبر من ج. يمكن للمرء أن يقول أن مثل هذه الاستحالة في STR تم إثباتها بطريقة حسابية بحتة، استنادًا إلى صيغة أينشتاين لإضافة السرعات، ولكن هذا ما يؤكده بشكل أساسي مبدأ السببية. كتب أينشتاين نفسه، فيما يتعلق بمسألة نقل الإشارة فائقة السطوع، أنه في هذه الحالة "... نحن مضطرون إلى النظر في إمكانية وجود آلية لنقل الإشارة، حيث يسبق الفعل المحقق السبب، ولكن على الرغم من أن هذا ينتج عن نقطة منطقية بحتة وجهة النظر لا تحتوي على نفسها، في رأيي، لا توجد تناقضات؛ ومع ذلك فهي تتناقض مع طبيعة تجربتنا بأكملها بحيث يبدو أن استحالة الافتراض V > c مثبتة بما فيه الكفاية. مبدأ السببية هو حجر الزاوية الذي يكمن وراء استحالة نقل الإشارات فائقة السطوع. وعلى ما يبدو، فإن جميع عمليات البحث عن إشارات فائقة السطوع دون استثناء سوف تتعثر على هذا الحجر، بغض النظر عن مدى رغبة المجربين في اكتشاف مثل هذه الإشارات، فهذه هي طبيعة عالمنا.

لكن دعونا نتخيل أن الرياضيات النسبية ستظل تعمل بسرعات فائقة السرعة. وهذا يعني أنه من الناحية النظرية لا يزال بإمكاننا معرفة ما يمكن أن يحدث إذا تجاوز الجسم سرعة الضوء.

دعونا نتخيل سفينتين فضائيتين تتجهان من الأرض نحو نجم يبعد عن كوكبنا 100 سنة ضوئية. تغادر أول سفينة الأرض بسرعة 50% من سرعة الضوء، لذا ستستغرق الرحلة 200 عام. أما السفينة الثانية، المجهزة بمحرك ملتوي افتراضي، فسوف تسافر بسرعة 200% من سرعة الضوء، ولكن بعد مرور 100 عام على الأولى. ماذا سيحدث؟

وفقا للنظرية النسبية، فإن الإجابة الصحيحة تعتمد إلى حد كبير على وجهة نظر الراصد. ومن الأرض، يبدو أن السفينة الأولى قد قطعت بالفعل مسافة كبيرة قبل أن تتفوق عليها السفينة الثانية، التي تتحرك أسرع بأربع مرات. لكن من وجهة نظر الأشخاص الذين كانوا على متن السفينة الأولى، كل شيء مختلف قليلاً.

تتحرك السفينة رقم 2 بشكل أسرع من الضوء، مما يعني أنها يمكن أن تتفوق على الضوء الذي تنبعث منه بنفسها. يؤدي هذا إلى نوع من "الموجة الضوئية" (مماثلة للموجة الصوتية، فقط بدلاً من اهتزازات الهواء، تهتز موجات الضوء هنا)، والتي تولد عدة تأثيرات مثيرة للاهتمام. تذكر أن الضوء المنبعث من السفينة رقم 2 يتحرك بشكل أبطأ من السفينة نفسها. وستكون النتيجة مضاعفة بصرية. بمعنى آخر، سيرى طاقم السفينة رقم 1 أولاً أن السفينة الثانية ظهرت بجانبهم وكأنها جاءت من العدم. ثم يصل الضوء الصادر من السفينة الثانية إلى الأولى بتأخير بسيط، وتكون النتيجة نسخة مرئية تتحرك في نفس الاتجاه بتأخر بسيط.

ويمكن رؤية شيء مماثل في العاب كمبيوترعندما يقوم المحرك، نتيجة لفشل النظام، بتحميل النموذج وخوارزمياته إليه نقطة النهايةحركات أسرع من انتهاء الرسوم المتحركة نفسها، لذلك تحدث عدة لقطات. ربما يكون هذا هو السبب وراء عدم إدراك وعينا لهذا الجانب الافتراضي من الكون الذي تتحرك فيه الأجسام بسرعات فائقة السرعة - وربما يكون هذا هو الأفضل.

ملاحظة. ... ولكن في المثال الأخيرلا أفهم شيئًا، لماذا يرتبط الموضع الحقيقي للسفينة بـ "الضوء المنبعث منها"؟ حسنًا، حتى لو رأوه في المكان الخطأ، فهو في الواقع سيتجاوز السفينة الأولى!

مصادر

حقوق الطبع والنشر التوضيحيةثينكستوك

الرقم القياسي الحالي للسرعة في الفضاء يبلغ 46 عامًا. وتساءل المراسل متى سيتعرض للضرب.

نحن البشر مهووسون بالسرعة. لذلك، فقط في الأشهر القليلة الماضية أصبح من المعروف أن الطلاب في ألمانيا سجلوا رقما قياسيا في سرعة السيارة الكهربائية، وتخطط القوات الجوية الأمريكية لتحسين الطائرات التي تفوق سرعتها سرعة الصوت بحيث تصل سرعتها إلى خمسة أضعاف سرعة الصوت، أي. أكثر من 6100 كم/ساعة.

لن يكون لدى مثل هذه الطائرات طاقم، ولكن ليس لأن الناس لا يستطيعون التحرك بهذه السرعات العالية. في الواقع، لقد تحرك الناس بالفعل بسرعات أكبر بعدة مرات من سرعة الصوت.

ومع ذلك، هل هناك حد لن تتمكن بعده أجسادنا المندفعة بسرعة من تحمل الحمل الزائد؟

ويتقاسم الرقم القياسي الحالي للسرعة بالتساوي ثلاثة رواد فضاء شاركوا في مهمة أبولو 10 الفضائية، وهم توم ستافورد وجون يونغ ويوجين سيرنان.

في عام 1969، عندما دار رواد الفضاء حول القمر وعادوا، وصلت الكبسولة التي كانوا فيها إلى سرعة تبلغ 39.897 كم/ساعة على الأرض.

يقول جيم براي من شركة لوكهيد مارتن المعنية بالفضاء: "أعتقد أنه منذ مائة عام مضت لم يكن بوسعنا أن نتخيل أن الإنسان يمكن أن يتحرك في الفضاء بسرعة تقارب 40 ألف كيلومتر في الساعة".

براي هو مدير مشروع الوحدة الصالحة للسكن لمركبة أوريون الفضائية، والتي تطورها وكالة الفضاء الأمريكية ناسا.

وفقا للمطورين ، سفينة فضائيةأوريون متعدد الأغراض وقابل لإعادة الاستخدام جزئيًا ويجب أن يحمل رواد الفضاء إلى مدار أرضي منخفض. من الممكن جدًا أنه بمساعدتها سيكون من الممكن كسر الرقم القياسي للسرعة الذي تم تسجيله لشخص قبل 46 عامًا.

ومن المقرر أن يقوم الصاروخ الجديد فائق الثقل، وهو جزء من نظام الإطلاق الفضائي، بأول رحلة مأهولة له في عام 2021. سيكون هذا تحليقًا بالقرب من كويكب يقع في مدار القمر.

يمكن للشخص العادي أن يتحمل حوالي خمسة جيجا من القوة قبل أن يفقد وعيه.

ومن ثم ينبغي أن تتبعها رحلات استكشافية تستغرق أشهرًا إلى المريخ. الآن، وفقا للمصممين، المعتاد السرعة القصوىيجب أن تكون سرعة أوريون حوالي 32 ألف كم/ساعة. ومع ذلك، يمكن تجاوز السرعة التي حققتها أبولو 10 حتى لو تم الحفاظ على التكوين الأساسي للمركبة الفضائية أوريون.

"تم تصميم أوريون للطيران إلى لأغراض مختلفةيقول براي: "طوال عمرها". "قد تكون سرعته أعلى بكثير مما نخطط له حاليًا."

ولكن حتى أوريون لن يمثل ذروة السرعة البشرية المحتملة. يقول براي: “ليس هناك حد للسرعة التي يمكننا السفر بها بخلاف سرعة الضوء”.

وسرعة الضوء تبلغ مليار كيلومتر في الساعة. فهل هناك أمل في أن نتمكن من سد الفجوة بين 40 ألف كم/ساعة وهذه القيم؟

ومن المدهش أن السرعة كمية ناقلاتوالتي تشير إلى سرعة الحركة واتجاه الحركة، لا تشكل مشكلة بالنسبة للإنسان من الناحية الجسدية، طالما أنها ثابتة نسبياً وموجهة في اتجاه واحد.

وبالتالي، فإن الإنسان -نظريًا- لا يمكنه التحرك في الفضاء إلا بشكل أبطأ قليلًا من «السرعة القصوى للكون»، أي. سرعة الضوء.

حقوق الطبع والنشر التوضيحيةناساتعليق على الصورة كيف سيشعر الشخص وهو على متن سفينة تحلق بسرعة قريبة من الضوء؟

ولكن حتى لو تغلبنا على العقبات التكنولوجية الكبيرة المرتبطة بالمركبات الفضائية عالية السرعة، فإن أجسامنا الهشة، ومعظمها مائية، ستواجه مخاطر جديدة مرتبطة بتأثيرات السرعة العالية.

قد تنشأ مخاطر خيالية فقط إذا كان الناس قادرين على التحرك سرعة أسرعالضوء من خلال استغلال الثغرات في الفيزياء الحديثة أو من خلال الاكتشافات التي تكسر القالب.

كيفية تحمل الأحمال الزائدة

أما إذا أردنا السفر بسرعة تزيد عن 40 ألف كيلومتر في الساعة، فعلينا أن نصل إليها ثم نبطئ السرعة، ببطء وصبر.

التسارع السريع والتباطؤ السريع بنفس القدر أمر محفوف بالمخاطر خطر مميتلجسم الإنسان. ويتجلى ذلك في خطورة الإصابات الناتجة عن حوادث السيارات التي تنخفض فيها السرعة من عدة عشرات الكيلومترات في الساعة إلى الصفر.

ما هو سبب هذا؟ في تلك الخاصية للكون والتي تسمى بالقصور الذاتي أو القدرة الجسد الماديذو كتلة، يقاوم التغيرات في حالة السكون أو الحركة في غياب أو تعويض المؤثرات الخارجية.

وقد صيغت هذه الفكرة في قانون نيوتن الأول الذي ينص على أن "كل جسم يظل في حالته من السكون أو الثبات والثبات" حركة مستقيمةإلى أن وإلى الحد الذي لا تجبره القوى التطبيقية على تغيير هذا الوضع".

نحن البشر قادرون على تحمل أحمال زائدة هائلة دون التعرض لإصابة خطيرة، ولو للحظات قليلة فقط.

"حالة الراحة والحركة مع سرعة ثابتةيوضح براي: "هذا أمر طبيعي بالنسبة لجسم الإنسان". "يجب أن نهتم بحالة الشخص في لحظة التسارع".

منذ حوالي قرن من الزمان، أدى تطوير الطائرات القوية التي يمكنها المناورة بسرعة إلى ظهور أعراض غريبة لدى الطيارين بسبب التغيرات في سرعة واتجاه الرحلة. وشملت هذه الأعراض فقدان مؤقت للرؤية والشعور إما بالثقل أو انعدام الوزن.

والسبب هو قوى الجاذبية المقاسة بوحدات G، وهي النسبة التسارع الخطيلتسريع السقوط الحرعلى سطح الأرض تحت تأثير الجاذبية أو الجاذبية. تعكس هذه الوحدات تأثير تسارع الجاذبية على كتلة جسم الإنسان على سبيل المثال.

الحمل الزائد بمقدار 1 G يساوي وزن الجسم الموجود في مجال الجاذبية الأرضية وينجذب إلى مركز الكوكب بسرعة 9.8 م/ث (عند مستوى سطح البحر).

تعتبر قوى الجاذبية التي يتم اختبارها عموديًا من الرأس إلى أخمص القدمين أو العكس أخبارًا سيئة حقًا للطيارين والركاب.

في الأحمال الزائدة السلبية، أي. يتباطأ، ويندفع الدم من أصابع القدم إلى الرأس، وينشأ شعور بالتشبع الزائد، كما هو الحال عند الوقوف على اليدين.

حقوق الطبع والنشر التوضيحية SPLتعليق على الصورة ومن أجل فهم عدد رواد الفضاء الذين يمكنهم الصمود في الفضاء، يتم تدريبهم في جهاز طرد مركزي

يحدث "الحجاب الأحمر" (الشعور الذي يشعر به الشخص عندما يندفع الدم إلى الرأس) عندما ترتفع الجفون السفلية الشفافة والمنتفخة بالدم وتغطي حدقة العين.

وعلى العكس من ذلك، أثناء التسارع أو قوى التسارع الإيجابية، يتدفق الدم من الرأس إلى القدمين، وتبدأ العينان والدماغ في نقص الأكسجين حيث يتراكم الدم في الأطراف السفلية.

في البداية تصبح الرؤية ضبابية، أي. ويحدث فقدان رؤية الألوان ويتدحرج ما يسمى بـ”الحجاب الرمادي”، ثم يحدث فقدان كامل للرؤية أو “الحجاب الأسود”، ولكن يظل الشخص واعيًا.

الحمل الزائد المفرط يؤدي إلى فقدان الوعي الكامل. تسمى هذه الحالة بالإغماء الزائد. مات العديد من الطيارين بسبب سقوط "حجاب أسود" على أعينهم وتحطمهم.

يمكن للشخص العادي أن يتحمل حوالي خمسة جيجا من القوة قبل أن يفقد وعيه.

الطيارون، الذين يرتدون بدلات خاصة مضادة للجاذبية، ومدربون على شد وإرخاء عضلات الجذع بطريقة خاصة للحفاظ على تدفق الدم من الرأس، قادرون على التحكم في الطائرة بسرعة تبلغ حوالي تسعة جيغا.

عند الوصول إلى سرعة إبحار ثابتة تبلغ 26000 كم/ساعة في المدار، لا يشعر رواد الفضاء بالسرعة أكثر من الركاب على الرحلات التجارية

"لفترات قصيرة من الزمن جسم الإنسانيقول جيف سوياتيك، المدير التنفيذي للجمعية الطبية الفضائية، ومقرها الإسكندرية، فيرجينيا، إن بإمكانها تحمل قوى جاذبية أكبر بكثير من تسع قوى جاذبية. - ولكن تحمل الأحمال الزائدة العالية طوال الوقت فترة طويلةعدد قليل جدا من الناس قادرون على الوقت."

نحن البشر قادرون على تحمل أحمال زائدة هائلة دون التعرض لإصابة خطيرة، ولو للحظات قليلة فقط.

تم تسجيل الرقم القياسي للقدرة على التحمل على المدى القصير من قبل كابتن القوات الجوية الأمريكية إيلي بيدنج جونيور في قاعدة هولومان الجوية في نيو مكسيكو. في عام 1958، عندما قام بالفرملة على مزلجة خاصة بمحرك صاروخي، بعد التسارع إلى 55 كم/ساعة في 0.1 ثانية، تعرض لحمولة زائدة قدرها 82.3 جيجا.

تم تسجيل هذه النتيجة بواسطة مقياس التسارع المعلق على صدره. كما عانى بيدينج أيضًا من "سحابة سوداء" فوق عينيه، لكنه نجا بكدمات فقط خلال هذا العرض الرائع للقدرة البشرية على التحمل. صحيح أنه بعد السباق أمضى ثلاثة أيام في المستشفى.

والآن إلى الفضاء

كما تعرض رواد الفضاء، اعتمادًا على وسيلة النقل، لأحمال زائدة عالية إلى حد ما - من ثلاثة إلى خمسة جي - أثناء الإقلاع وعند العودة إلى الطبقات الكثيفة من الغلاف الجوي، على التوالي.

ويمكن تحمل هذه الأحمال الزائدة بسهولة نسبية، وذلك بفضل الفكرة الذكية المتمثلة في تثبيت مسافري الفضاء على مقاعد في وضعية الاستلقاء في مواجهة اتجاه الرحلة.

بمجرد وصولهم إلى سرعة طيران ثابتة تبلغ 26000 كم/ساعة في المدار، لا يشعر رواد الفضاء بالسرعة التي يشعر بها ركاب الرحلات الجوية التجارية.

إذا كانت الحمولة الزائدة لا تشكل مشكلة بالنسبة للرحلات الاستكشافية الطويلة على متن سفن أوريون، فعندئذٍ مع الرحلات الصغيرة صخور الفضاء– النيازك الدقيقة – كل شيء أكثر تعقيدًا.

حقوق الطبع والنشر التوضيحيةناساتعليق على الصورة للحماية من النيازك الدقيقة، سيحتاج أوريون إلى نوع من الدروع الفضائية

يمكن لهذه الجسيمات، بحجم حبة الأرز، أن تصل إلى سرعات مذهلة ومدمرة تصل إلى 300 ألف كيلومتر في الساعة. ولضمان سلامة السفينة وسلامة طاقمها، تم تجهيز أوريون بطبقة واقية خارجية يتراوح سمكها من 18 إلى 30 سم.

بالإضافة إلى ذلك، يتم توفير دروع حماية إضافية، كما يتم استخدام وضع مبتكر للمعدات داخل السفينة.

يقول جيم براي: "لتجنب فقدان أنظمة الطيران التي تعتبر حيوية للمركبة الفضائية بأكملها، يجب علينا أن نحسب بدقة زوايا اقتراب النيازك الدقيقة".

كن مطمئنًا: النيازك الدقيقة ليست العقبة الوحيدة أمام البعثات الفضائية، حيث ستلعب السرعات العالية لرحلة الإنسان في الفراغ دورًا متزايد الأهمية.

خلال الرحلة الاستكشافية إلى المريخ، سيتعين حل مشاكل عملية أخرى، على سبيل المثال، تزويد الطاقم بالطعام ومواجهة خطر الإصابة بالسرطان المتزايد بسبب التعرض للشمس. جسم الإنسانالإشعاع الكوني.

إن تقليل وقت السفر من شأنه أن يقلل من خطورة مثل هذه المشكلات، وبالتالي فإن سرعة السفر ستصبح مرغوبة بشكل متزايد.

رحلات الفضاء من الجيل القادم

هذه الحاجة إلى السرعة ستضع عقبات جديدة في طريق المسافرين إلى الفضاء.

وستظل المركبة الفضائية الجديدة التابعة لناسا، والتي تهدد بتحطيم الرقم القياسي لسرعة أبولو 10، تعتمد عليها تم اختباره عبر الزمن الأنظمة الكيميائيةمحركات الصواريخ المستخدمة منذ الأول رحلات الفضاء. لكن هذه الأنظمة لها قيود شديدة على السرعة بسبب إطلاق كميات صغيرة من الطاقة لكل وحدة وقود.

إن مصدر الطاقة الأكثر تفضيلاً، على الرغم من كونه بعيد المنال، لمركبة فضائية سريعة هو المادة المضادة، وهي النظير والنقيض للمادة العادية

لذلك، من أجل زيادة سرعة الطيران بشكل كبير للأشخاص الذين يذهبون إلى المريخ وما بعده، يدرك العلماء أن هناك حاجة إلى أساليب جديدة تمامًا.

يقول براي: "إن الأنظمة التي لدينا اليوم قادرة تمامًا على الوصول إلى هناك، ولكننا جميعًا نود أن نشهد ثورة في المحركات".

إيريك ديفيس، عالم فيزياء أبحاث كبير في معهد الدراسات المتقدمة في أوستن، تكساس، ومشارك لمدة ست سنوات في برنامج فيزياء الدفع الاختراقي التابع لناسا. مشروع البحث، الذي اكتمل في عام 2002، حدد الوسائل الثلاث الواعدة، من وجهة نظر الفيزياء التقليدية، التي يمكن أن تساعد البشرية على تحقيق سرعات كافية بشكل معقول للسفر بين الكواكب.

باختصار، نحن نتحدث عن ظاهرة إطلاق الطاقة أثناء انقسام المادة والاندماج النووي الحراري وفناء المادة المضادة.

تتضمن الطريقة الأولى انشطار الذرات وتستخدم في المفاعلات النووية التجارية.

أما النوع الثاني، وهو الاندماج النووي الحراري، فيتضمن تكوين ذرات أثقل من ذرات بسيطة- هذه الأنواع من التفاعلات تغذي الشمس بالطاقة. إنها تقنية رائعة، ولكن من الصعب فهمها؛ إنها "دائمًا ما تكون على بعد 50 عامًا أخرى" - وهذا هو الحال دائمًا، كما يقول الشعار القديم لهذه الصناعة.

"هذا تماما مرحبا التكنولوجيايقول ديفيس: «لكنها مبنية على الفيزياء التقليدية، وقد تم ترسيخها منذ فجر العصر الذري». ووفقًا لتقديرات متفائلة، يمكن لأنظمة الدفع المبنية على مفاهيم الانشطار الذري والاندماج النووي، نظريًا، تسريع الكون. السفينة تصل إلى 10٪ من سرعة الضوء، أي ما يصل إلى 100 مليون كم / ساعة محترمة جدا.

حقوق الطبع والنشر التوضيحيةالقوات الجوية الامريكيةتعليق على الصورة لم يعد الطيران بسرعة تفوق سرعة الصوت مشكلة بالنسبة للبشر. والأمر الآخر هو سرعة الضوء، أو على الأقل قريبة منها..

مصدر الطاقة الأكثر تفضيلاً، على الرغم من صعوبة تحقيقه، لمركبة فضائية سريعة هو المادة المضادة، النظير والنقيض للمادة العادية.

عندما يتلامس نوعان من المادة، فإنهما يدمران بعضهما البعض، مما يؤدي إلى إطلاق طاقة نقية.

إن التقنيات التي تجعل من الممكن إنتاج وتخزين كميات ضئيلة للغاية من المادة المضادة موجودة اليوم.

وفي الوقت نفسه، فإن إنتاج المادة المضادة بكميات مفيدة سيتطلب قدرات خاصة جديدة للجيل القادم، وسيتعين على الهندسة الدخول في سباق تنافسي لإنشاء مركبة فضائية مناسبة.

ولكن، كما يقول ديفيس، هناك الكثير أفكار عظيمةيتم العمل عليها بالفعل على لوحات الرسم.

ستكون المركبات الفضائية التي تعمل بالطاقة المضادة للمادة قادرة على التسارع لعدة أشهر أو حتى سنوات والوصول إلى نسب أكبر من سرعة الضوء.

وفي الوقت نفسه، ستظل الحمولة الزائدة على متن السفينة مقبولة بالنسبة لسكان السفينة.

وفي الوقت نفسه، فإن مثل هذه السرعات الجديدة الرائعة ستكون محفوفة بمخاطر أخرى على جسم الإنسان.

مدينة الطاقة

وبسرعة تصل إلى عدة مئات الملايين من الكيلومترات في الساعة، فإن أي ذرة من الغبار في الفضاء، من ذرات الهيدروجين المشتتة إلى النيازك الدقيقة، تصبح حتما رصاصة ذات طاقة عاليةوقادرة على اختراق بدن السفينة من خلالها.

يقول آرثر إدلشتاين: "عندما تتحرك بسرعات عالية جدًا، فهذا يعني أن الجسيمات القادمة نحوك تتحرك بنفس السرعات".

مع والده الراحل ويليام إدلشتاين، أستاذ الأشعة في كلية الطبجامعة جونز هوبكنز، كان يعمل فيها عمل علمي، والتي بحثت في آثار التعرض (للناس والتكنولوجيا) لذرات الهيدروجين الكونية أثناء السفر الفضائي فائق السرعة في الفضاء.

سيبدأ الهيدروجين بالتحلل إلى الجسيمات دون الذريةوالتي سوف تخترق داخل السفينة وتعرض الطاقم والمعدات للإشعاع.

سيدفعك محرك Alcubierre مثل راكب الأمواج الذي يركب موجة إيريك ديفيس، عالم الفيزياء البحثية

عند سرعة 95% من سرعة الضوء، فإن التعرض لمثل هذا الإشعاع يعني الموت الفوري تقريبًا.

سوف ترتفع درجة حرارة سفينة الفضاء إلى درجات حرارة الانصهار التي لا يمكن لأي مادة يمكن تخيلها أن تقاومها، وسوف يغلي الماء الموجود في أجسام أفراد الطاقم على الفور.

"هذه كلها مشاكل مزعجة للغاية"، يقول إدلشتاين بروح الدعابة القاتمة.

قام هو ووالده بحساب ذلك تقريبًا لإنشاء البعض نظام افتراضيحماية مغناطيسية قادرة على حماية السفينة والأشخاص الموجودين فيها من المطر الهيدروجيني القاتل، ويمكن للمركبة الفضائية أن تتحرك بسرعة لا تتجاوز نصف سرعة الضوء. ثم يكون لدى الأشخاص الموجودين على متن الطائرة فرصة للبقاء على قيد الحياة.

مارك ميليس، عالم فيزياء مشكل التحرك إلى الأمام، و مدير سابقيحذر برنامج فيزياء الحركة المتقدم التابع لوكالة ناسا من أن الحد الأقصى المحتمل للسرعة للسفر إلى الفضاء سيظل يمثل مشكلة في المستقبل البعيد.

"قائم على المعرفة الجسديةالمتراكمة حتى الآن، يمكننا القول أنه سيكون من الصعب للغاية الوصول إلى سرعات أعلى من 10% من سرعة الضوء، كما يقول ميليس. "نحن لسنا في أي خطر بعد." تشبيه بسيط: لماذا نقلق من الغرق إذا لم ندخل الماء بعد.

أسرع من الضوء؟

إذا افترضنا أننا تعلمنا السباحة، إذا جاز التعبير، فهل سنكون قادرين على إتقان الطيران الشراعي عبر الزمن الكوني - لتطوير هذا التشبيه بشكل أكبر - والتحليق بسرعات فائقة الضوء؟

إن فرضية القدرة الفطرية على البقاء في بيئة فائقة الإضاءة، على الرغم من أنها مشكوك فيها، لا تخلو من لمحات معينة من التنوير المتعلم في ظلام دامس.

تعتمد إحدى وسائل السفر المثيرة للاهتمام على تقنيات مشابهة لتلك المستخدمة في "محرك الالتواء" أو "محرك الالتواء" من سلسلة ستار تريك.

مبدأ تشغيل محطة توليد الطاقة هذه، والمعروفة أيضًا باسم "محرك ألكوبيير"* (سمي على اسم عالم الفيزياء النظرية المكسيكي ميغيل ألكوبيير)، هو أنها تسمح للسفينة بضغط الزمكان الطبيعي أمامها، كما وصفها ألبرت أينشتاين، وأوسعه خلفي.

حقوق الطبع والنشر التوضيحيةناساتعليق على الصورة الرقم القياسي الحالي للسرعة يحمله ثلاثة رواد فضاء أبولو 10 - توم ستافورد، جون يونغ، ويوجين سيرنان.

في الأساس، تتحرك السفينة في حجم معين من الزمكان، وهو نوع من "فقاعة الانحناء" التي تتحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء.

وهكذا تظل السفينة بلا حراك في الزمكان العادي في هذه "الفقاعة"، دون أن تتعرض للتشوه وتجنب انتهاكات الحد العالمي لسرعة الضوء.

يقول ديفيس: «بدلاً من الطفو عبر مياه الزمكان العادي، سيحملك محرك ألكوبيير مثل راكب أمواج يركب لوح ركوب الأمواج على طول قمة الموجة».

هناك أيضًا صيد معين هنا. لتنفيذ هذه الفكرة، هناك حاجة إلى شكل غريب من المادة له كتلة سالبة لضغط وتوسيع الزمكان.

يقول ديفيس: "الفيزياء لا تقول شيئًا ضد الكتلة السالبة، لكن لا توجد أمثلة عليها، ولم نشاهدها أبدًا في الطبيعة".

هناك صيد آخر. في ورقة بحثية نشرت عام 2012، اقترح باحثون من جامعة سيدني أن "الفقاعة الملتوية" سوف تتراكم مشحونة للغاية الجسيمات الكونيةلأنه سيبدأ حتمًا بالتفاعل مع محتويات الكون.

سوف تخترق بعض الجزيئات داخل الفقاعة نفسها وتضخ السفينة بالإشعاع.

محاصرون بسرعات الضوء الفرعي؟

هل محكوم علينا حقًا أن نظل عالقين بسرعات أقل من الضوء بسبب بيولوجيتنا الدقيقة؟!

لا يتعلق الأمر بوضع رقم قياسي جديد لسرعة العالم (المجرة؟) للبشر، بل يتعلق باحتمال تحويل البشرية إلى مجتمع بين النجوم.

بنصف سرعة الضوء - وهذا هو الحد الذي يمكن لجسمنا أن يتحمله، وفقًا لبحث إدلشتاين - رحلة إلى أقرب نجمسوف تستغرق الرحلة ذهابًا وإيابًا أكثر من 16 عامًا.

(تأثيرات تمدد الزمن، والتي من شأنها أن تجعل طاقم سفينة الفضاء يواجهون وقتًا أقل في نظامهم الإحداثي مقارنة بالأشخاص المتبقين على الأرض في نظامهم الإحداثي، لن يكون لها عواقب وخيمة عند نصف سرعة الضوء).

مارك ميليس متفائل. وبالنظر إلى أن البشرية اخترعت بدلات G والحماية من النيازك الدقيقة التي تسمح للبشر بالسفر بأمان في الفضاء الأزرق الكبير والأسود المرصع بالنجوم، فهو واثق من أننا نستطيع إيجاد طرق للبقاء على قيد الحياة مهما كانت حدود السرعة التي نصل إليها في المستقبل.

يقول ميليس: "إن نفس التقنيات التي يمكن أن تساعدنا في تحقيق سرعات سفر جديدة لا تصدق، ستزودنا بقدرات جديدة غير معروفة حتى الآن لحماية أطقم العمل".

ملاحظات المترجم:

*جاء ميغيل ألكوبيير بفكرة فقاعته في عام 1994. وفي عام 1995، اقترح عالم الفيزياء النظرية الروسي سيرجي كراسنيكوف مفهوم جهاز للسفر إلى الفضاء بسرعة أكبر من سرعة الضوء. كانت الفكرة تسمى "أنبوب كراسنيكوف".

هذا انحناء مصطنع للزمكان وفقًا لمبدأ ما يسمى ب الثقب الدودي. من الناحية النظرية، ستتحرك السفينة في خط مستقيم من الأرض إلى نجم معين عبر الزمكان المنحني، مروراً بأبعاد أخرى.

ووفقا لنظرية كراسنيكوف، فإن مسافر الفضاء سيعود في نفس الوقت الذي انطلق فيه.

تميز القرن العشرين بأكبر الاكتشافات في مجال الفيزياء وعلم الكونيات. كان أساس هذه الاكتشافات هو النظريات التي طورتها المجرة فيزيائيون بارزون. وأشهرهم هو ألبرت أينشتاين، الذي تعتمد الفيزياء الحديثة على أعماله إلى حد كبير. ويترتب على نظريات العالم أن سرعة الضوء في الفراغ هي السرعة القصوى لحركة الجسيمات وتفاعلها. والمفارقات الزمنية الناشئة عن هذه النظريات مذهلة تمامًا: على سبيل المثال، بالنسبة للأجسام المتحركة، يتدفق الوقت بشكل أبطأ مقارنة بالأجسام الساكنة، وكلما اقتربنا من سرعة الضوء، كلما تباطأ الوقت. اتضح أنه بالنسبة لجسم يطير بسرعة الضوء، فإن الزمن سيتوقف تمامًا.

نوصي

وهذا يعطينا الأمل أنه مع المستوى المناسب من التكنولوجيا، من الناحية النظرية، يكون الشخص قادرًا على تحقيق أقصى استفادة الزوايا النائيةكون. وفي الوقت نفسه، وقت الرحلة في نظام الأرضسيكون العد التنازلي ملايين السنين، بينما على متن سفينة تحلق بسرعة قريبة من سرعة الضوء، لن تمر سوى أيام قليلة... مثل هذه الاحتمالات مثيرة للإعجاب، وفي الوقت نفسه يطرح السؤال: إذا كان علماء فيزياء ومهندسو المستقبل تسريع المركبة الفضائية بطريقة ما إلى قيم هائلة، حتى نظريًا حتى سرعة الضوء (على الرغم من أن فيزياءنا تنفي هذا الاحتمال)، فهل سنكون قادرين على الوصول ليس فقط إلى أبعد المجرات والنجوم، ولكن أيضًا إلى حافة كوننا، والنظر إلى ما هو أبعد من ذلك؟ حدود المجهول الذي ليس لدى العلماء فكرة عنه؟

نحن نعلم أن الكون قد تشكل منذ حوالي 13.79 مليار سنة، وهو يتوسع بشكل مستمر منذ ذلك الحين. يمكن للمرء أن يفترض أن نصف قطرها هو هذه اللحظةيجب أن يكون 13.79 مليار سنة ضوئية، وقطرها على التوالي 27.58 مليار سنة ضوئية. وسيكون هذا صحيحًا إذا كان الكون يتوسع بشكل منتظم بسرعة الضوء، وهي أقصى سرعة ممكنة. لكن البيانات التي تم الحصول عليها تخبرنا أن الكون يتوسع بمعدل متسارع.

نلاحظ أن المجرات البعيدة عنا تبتعد عنا بشكل أسرع من تلك القريبة - فمساحة عالمنا تتوسع باستمرار. وفي الوقت نفسه، هناك جزء من الكون يتحرك بعيدًا عنا بسرعة أكبر من سرعة الضوء. في هذه الحالة، لا يتم انتهاك أي افتراضات واستنتاجات للنظرية النسبية - فالأشياء الموجودة داخل الكون تظل بسرعات طفيفة. لا يمكن رؤية هذا الجزء من الكون - فسرعة الفوتونات المنبعثة من مصادر الإشعاع لا تكفي ببساطة للتغلب على سرعة توسع الفضاء.

تظهر الحسابات أن الجزء المرئي من عالمنا يبلغ قطره حوالي 93 مليار سنة ضوئية ويسمى ميتاجالكسي. لا يمكننا إلا أن نخمن ما يكمن وراء هذه الحدود وإلى أي مدى يمتد الكون. ومن المنطقي أن نفترض أن حافة الكون تبتعد عنا بأسرع سرعة وتتجاوز سرعة الضوء بكثير. وهذه السرعة تتزايد باستمرار. يصبح من الواضح أنه حتى لو كان بعض الأجسام تطير بسرعة الضوء، فلن تصل أبدًا إلى حافة الكون، لأن حافة الكون ستبتعد عنها بشكل أسرع.

إذا وجدت خطأ، يرجى تحديد جزء من النص والنقر عليه السيطرة + أدخل.

حتى لو تمكنا من بناء نماذج أولية للسفن التي يتخيلها علماء ناسا والتي يمكنها التحرك السرعة النسبيةولو أننا وجدنا أيضًا مصدرًا كبيرًا للغاية من الطاقة اللازمة لإطلاقها في السماء، لما كانت رحلتنا ممتعة كما قد تبدو على متن سفينة الألفية فالكون. ليست التكنولوجيا هي التي تفصلنا عن فرصة الطيران إلى النجوم المجاورة - إنها مسألة عدة قرون فقط. تكمن المشكلة في مدى خطورة الفضاء عندما يصبح موطنًا، ومدى هشاشة الجسم البشري.

إذا بدأنا بالتحرك بسرعة الضوء (300000 كم/ثانية). الفضاء بين النجوم، لكانوا قد ماتوا في بضع ثوان. على الرغم من حقيقة أن كثافة المادة في الفضاء منخفضة للغاية، فإنه عند هذه السرعة، حتى عدد قليل من ذرات الهيدروجين لكل سنتيمتر مكعب سوف تصطدم بمقدمة السفينة بتسارع لا يمكن تحقيقه على الأرض إلا في مصادم الهادرونات الكبير. ولهذا السبب سنتلقى جرعة إشعاعية تعادل عشرة آلاف سيفرت في الثانية. مع الأخذ في الاعتبار أن الجرعة المميتة للإنسان هي ستة زيفرتات، مثل ذلك شعاع مشعسوف يلحق الضرر بالسفينة ويدمر كل أشكال الحياة على متنها.

"إذا بدأنا التحرك بسرعة الضوء في الفضاء، فسوف نموت في بضع ثوان."

وفقا لبحث أجراه علماء من جامعة جونز هوبكنز، لا يمكن لأي قدر من الدروع أن يحمينا من هذا إشعاعات أيونية. في هذه الحالة، سيمتص حاجز من الألومنيوم يبلغ سمكه عشرة سنتيمترات أقل من 1٪ من الطاقة - لكن لا يمكن زيادة حجم الحاجز إلى أجل غير مسمى دون المخاطرة بإمكانية الإقلاع. ومع ذلك، بالإضافة إلى الهيدروجين المشع، فإن مركبتنا الفضائية التي تسير بسرعة الضوء ستكون مهددة بالتآكل الناتج عن الاصطدام الغبار بين النجوم. في أحسن الأحوال، سيتعين علينا أن نكتفي بـ 10% من سرعة الضوء، الأمر الذي سيسمح لنا بالوصول إلى أقرب نجم، بروكسيما سنتوري، بصعوبة كبيرة. مع مراعاة مسافة 4.22 سنة ضوئيةستستغرق مثل هذه الرحلة 40 عامًا، أي حياة بشرية واحدة غير مكتملة.

يظل الإشعاع الكوني عائقًا لا يمكن التغلب عليه بالنسبة لنا، ولكن إذا تمكنا من التغلب عليه في المستقبل البعيد، فإن السفر بسرعة الضوء سيكون أكثر تجربة مذهلة للإنسان. بهذه السرعة، سيتباطأ الوقت، وستصبح الشيخوخة عملية أطول بكثير (بعد كل شيء، حتى رواد الفضاء في محطة الفضاء الدولية خلال ستة أشهر يتمكنون من الوصول إلى عمر أقل بمقدار 0.007 ثانية من الأشخاص على الأرض). خلال هذه الرحلة، سوف ينحني مجالنا البصري، ويتحول إلى نفق. سنطير على طول هذا النفق للأمام، نحو وميض ناصع البياض كالثلج، دون أن نرى آثار النجوم، ونترك وراءنا أشد سوادًا، وأشد ظلامًا يمكنك تخيله.