ما يتحرك بسرعة الضوء. تم اكتشاف جسيم يتحرك بشكل أسرع من الضوء

دكتوراه في العلوم التقنية أ. جولوبيف.

في منتصف العام الماضي، ظهرت رسالة مثيرة في المجلات. اكتشف مجموعة من الباحثين الأمريكيين أن نبضة ليزر قصيرة جدًا تتحرك في وسط مختار خصيصًا أسرع بمئات المرات من الفراغ. بدت هذه الظاهرة مذهلة تمامًا (سرعة الضوء في الوسط تكون دائمًا أقل منها في الفراغ) بل إنها أثارت الشكوك حول صحة النظرية النسبية الخاصة. وفي الوقت نفسه، تم اكتشاف جسم مادي فائق السطوع - نبض ليزر في وسط تضخيم - لأول مرة ليس في عام 2000، ولكن قبل 35 عامًا، في عام 1965، ونوقشت إمكانية الحركة فوق السطوع على نطاق واسع حتى أوائل السبعينيات. اليوم، اندلع النقاش حول هذه الظاهرة الغريبة بقوة متجددة.

أمثلة على الحركة "فائقة اللمعية".

في أوائل الستينيات، بدأ الحصول على نبضات ضوئية قصيرة عالية الطاقة عن طريق تمرير وميض ليزر عبر مضخم كمي (وسيط ذو كثافة معكوسة).

في وسط التضخيم، تسبب المنطقة الأولية لنبضة ضوئية انبعاثًا محفزًا للذرات في وسط المضخم، وتسبب منطقتها النهائية امتصاصها للطاقة. ونتيجة لذلك، سيظهر للراصد أن النبضة تتحرك بشكل أسرع من الضوء.

تجربة ليجون وونغ.

ينكسر شعاع الضوء الذي يمر عبر منشور مصنوع من مادة شفافة (على سبيل المثال، الزجاج)، أي أنه يعاني من التشتت.

النبضة الضوئية عبارة عن مجموعة من التذبذبات ذات الترددات المختلفة.

ربما يعلم الجميع - حتى الأشخاص البعيدين عن الفيزياء - أن أقصى سرعة ممكنة لحركة الأجسام المادية أو انتشار أي إشارات هي سرعة الضوء في الفراغ. ويشار إليه بالحرف معوتصل سرعتها إلى 300 ألف كيلومتر في الثانية تقريبًا؛ القيمة الدقيقة مع= 299,792,458 م/ث. تعتبر سرعة الضوء في الفراغ إحدى الثوابت الفيزيائية الأساسية. عدم القدرة على تحقيق سرعات تتجاوز مع، يتبع من نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين (STR). 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 منها مع. ومع ذلك، كشفت الدراسات التجريبية الحديثة عن بعض الظواهر المثيرة للاهتمام، مما يشير إلى أنه في ظل ظروف تم إنشاؤها خصيصًا يمكن ملاحظة سرعات فائقة الضوء دون انتهاك مبادئ النظرية النسبية.

في البداية، دعونا نتذكر الجوانب الرئيسية المتعلقة بمشكلة سرعة الضوء. أولا: لماذا يستحيل (في الظروف العادية) تجاوز حد 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. بسرعات تتجاوز مع، يصبح تسلسل الأحداث معكوسًا، ويعود الشريط الزمني إلى الوراء. 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: الحركة ليس فقط بسرعة فائقة السرعة لا يمكن تحقيقها، ولكن أيضًا بسرعة تساوي سرعة الضوء - لا يمكن الاقتراب منها 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 أكثر وضوحًا، وفي الحد الأقصى - عند سرعة تساوي مع- تصبح الكتلة كبيرة بلا حدود، ويفقد الجسم حجمه تمامًا في اتجاه 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 مع.)

الآن عن سرعة نقل الإشارة. ومن المناسب هنا استخدام تمثيل الضوء على شكل موجات كهرومغناطيسية. ما هي الإشارة؟ هذه بعض المعلومات التي يجب نقلها. الموجة الكهرومغناطيسية المثالية هي عبارة عن جيبية لا نهائية ذات تردد واحد فقط، ولا يمكنها حمل أي معلومات، لأن كل فترة من مثل هذه الجيوب الأنفية تكرر تمامًا الفترة السابقة. سرعة حركة مرحلة الموجة الجيبية - ما يسمى بسرعة الطور - يمكن في وسط تحت ظروف معينة أن تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ. 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 بسعات وترددات ومراحل أولية مختلفة - مجموعة من 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 الظروف العادية" هنا، لأنه في بعض الحالات يمكن أن تتجاوز سرعة المجموعة معأو حتى تفقد معناها، ولكنها بعد ذلك لا تتعلق بانتشار الإشارة. تثبت محطة الخدمة أنه من المستحيل إرسال إشارة بسرعة أكبر من مع.

لماذا هو كذلك؟ لأن هناك عائق أمام إرسال أي إشارة بسرعة أكبر من معيخدم نفس قانون السببية. 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). ومن الواضح أن الحدث 1 (التوهج) هو السبب، والحدث 2 (الانفجار) هو النتيجة، التي حدثت بعد السبب. ولكن إذا انتشرت إشارة الراديو بسرعة فائقة، فإن المراقب بالقرب من النقطة B سيرى انفجارًا أولاً، وعندها فقط سيصل إليه بالسرعة معوميض من الضوء هو سبب الانفجار. 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 يعطي شعاعًا ضيقًا) ووصفت به بسرعة قوسًا في الهواء، فإن السرعة الخطية لبقعة الضوء ستزداد مع المسافة وعلى مسافة كبيرة بما فيه الكفاية يزيد عن مع.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. فيزيائيا، الكتلة الخيالية غير موجودة، بل هي 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.

وتبين أن أصعب شيء هو، كما هو متوقع، 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، تلاشى الاهتمام بالتاكيونات كجسيمات أولية فائقة الضوء تدريجيًا.

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

بعد فترة وجيزة من اكتشاف الليزر - في أوائل الستينيات - ظهرت مشكلة الحصول على نبضات ضوئية عالية الطاقة قصيرة (مدة حوالي 1 ns = 10 -9 s). وللقيام بذلك، تم تمرير نبضة ليزر قصيرة عبر مضخم كمي بصري. 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 هي التغير في تركيز الفوتونات أثناء انتشار النبضة - وهو التغير الناتج عن التغير في كسب الوسط إلى قيمة سالبة أثناء مرور الجزء الخلفي من النبضة، عندما يمتص الوسط بالفعل الطاقة، لأن احتياطيها الخاص قد تم استهلاكه بالفعل بسبب انتقاله إلى نبضة الضوء. 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 ميكانيكا الكم. يتمثل هذا التأثير في حقيقة أن الجسيمات الدقيقة (بتعبير أدق، الأجسام الدقيقة التي تظهر في ظروف مختلفة خصائص الجسيم وخصائص الموجة) قادرة على اختراق ما يسمى بالحاجز المحتمل - وهي ظاهرة غير موجودة تمامًا مستحيل في الميكانيكا الكلاسيكية (حيث يكون مثل هذا الموقف مشابهًا: فالكرة 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 إلى الحائط من الجانب الآخر). جوهر تأثير النفق في ميكانيكا الكم هو كما يلي. إذا صادف جسم دقيق له طاقة معينة في طريقه منطقة ذات طاقة وضع تزيد عن طاقة الجسم الصغير، فإن هذه المساحة تكون حاجزا له، ويتحدد ارتفاعها بفارق 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. أصبحت سرعة الاختراق عبر حاجز محتمل موضوع بحث لعدد من علماء الفيزياء، الذين يعتقدون أنه يمكن أن يتجاوز مع.

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 أن الجزء الرئيسي من النبض خرج من الجدار البعيد للغرفة حتى قبل دخول النبض إلى الغرفة عبر الجدار الأمامي. وهذا الوضع لا يتعارض مع المنطق السليم فحسب، بل يتعارض في جوهره مع 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 يتوافق مع درجة حرارة الصفر المطلق تقريبًا على مقياس كلفن (-273.15 درجة مئوية). وكان طول حجرة السيزيوم 6 سم. في الفراغ، ينتقل الضوء مسافة 6 سنتيمترات خلال 0.2 ns. كما أظهرت القياسات، مرت نبضة الضوء عبر الحجرة التي تحتوي على السيزيوم في وقت أقل بمقدار 62 ns 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 على معامل انكسار الطور (العادي). نعلى الطول الموجي للضوء 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 أقل من الوحدة في منطقة معينة من الطول الموجي (سرعة المرحلة الخامسو> مع). هذا هو التشتت الشاذ، حيث يتغير نمط انتشار الضوء في المادة بشكل جذري. سرعة المجموعة الخامستصبح gr 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. ولكن تجدر الإشارة إلى أن الشرط الخامسغرام > معهو 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! وونج نفسه، رغم اعترافه بأن الكثير لا يزال غير واضح، يعتقد أن ما يحدث في إعداده التجريبي يمكن تفسيره بوضوح، للوهلة الأولى، على النحو التالي.

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. ومع انتشارها في الفضاء، تصبح الموجات متوقفة وبالتالي "يلغي" 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.

عادة في الهواء، وفي الواقع في أي وسط شفاف ذي تشتت عادي، لا يمكن لنبضة الضوء أن تحافظ على شكلها بدقة عند الانتشار على 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 تنتشر أسرع 300 مرة مع، يصل إلى الجدار القريب ويلتقي 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" للأمام في الوقت المناسب، وتتحرك بشكل أسرع مع.

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، والتي لا ينطبق عليها مفهوم الكتلة بشكل عام، أو على شكل فوتونات لها كتلة ساكنة، كما هو معروف، تساوي 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 بسرعة أكبر من مع.

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 لا يرسلونها."

يعتقد معظم علماء الفيزياء أن العمل الجديد لا 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 تتجاوز معبنسبة 25%.

لتلخيص، يمكننا أن نقول ما يلي. يُظهر العمل في السنوات الأخيرة أنه في ظل ظروف معينة، يمكن أن تحدث السرعة الفائقة للضوء 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 أنه في النظرية النسبية الخاصة لا يوجد أي مبرر رياضي صارم (يعتمد، على سبيل المثال، على معادلات ماكسويل للمجال الكهرومغناطيسي) لاستحالة إرسال الإشارات بسرعات أكبر من مع. 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. أينشتاين نفسه، بالنظر إلى مسألة نقل الإشارة الفائقة، كتب 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 لدرجة أن استحالة الافتراض الخامس > قيبدو أنه مثبت بما فيه الكفاية." إن 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 حول هذا الحجر، بغض النظر عن مدى رغبة المجربين في اكتشاف مثل هذه الإشارات. إشارات، فهذه هي طبيعة عالمنا.

في الختام، يجب التأكيد على أن كل ما سبق ينطبق على وجه التحديد على عالمنا، إلى عالمنا. تم هذا التحفظ لأنه ظهرت مؤخرًا فرضيات جديدة في الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات، مما يسمح بوجود العديد من الأكوان المخفية عنا، والمتصلة بأنفاق طوبولوجية - قافزات. وجهة النظر هذه مشتركة، على سبيل المثال، عالم الفيزياء الفلكية الشهير N. S. كارداشيف. بالنسبة للمراقب الخارجي، تتم الإشارة إلى مداخل هذه الأنفاق بواسطة مجالات الجاذبية الشاذة، مثل الثقوب السوداء. إن الحركات في مثل هذه الأنفاق، كما يقترح واضعو الفرضيات، ستجعل من الممكن تجاوز الحد من سرعة الحركة التي تفرضها سرعة الضوء في الفضاء العادي، وبالتالي تحقيق فكرة الخلق آلة الزمن... من الممكن أن يحدث شيء غير عادي بالنسبة لنا في مثل هذه الأكوان. وعلى الرغم من أن مثل هذه الفرضيات تذكرنا الآن بقصص الخيال العلمي، إلا أنه لا ينبغي للمرء أن يرفض بشكل قاطع الاحتمال الأساسي لنموذج متعدد العناصر لبنية العالم المادي. شيء آخر هو أن كل هذه الأكوان الأخرى، على الأرجح، ستبقى بناءات رياضية بحتة لعلماء الفيزياء النظرية الذين يعيشون في عالمنا ويحاولون بقوة أفكارهم العثور على عوالم مغلقة أمامنا...

راجع الموضوع في نفس الموضوع

كما تعلمون، الفوتونات، جزيئات الضوء التي تشكل الضوء، تتحرك بسرعة الضوء. النظرية النسبية الخاصة ستساعدنا في هذا الأمر.

في أفلام الخيال العلمي، تطير السفن الفضائية بين النجوم دائمًا بسرعة الضوء. وهذا عادة ما يسميه كتاب الخيال العلمي السرعة الفائقة. يصفه كل من الكتاب ومخرجي الأفلام ويعرضونه لنا باستخدام نفس الأسلوب الفني تقريبًا. في أغلب الأحيان، لكي تحقق السفينة اختراقًا سريعًا، يقوم الأبطال بسحب أو الضغط على الزر الموجود على عنصر التحكم، وتتسارع السيارة على الفور، وتتسارع تقريبًا إلى سرعة الضوء مع دوي يصم الآذان. تومض النجوم التي يراها المشاهد على متن السفينة أولاً، ثم تمتد بالكامل إلى خطوط. ولكن هل هذا ما تبدو عليه النجوم حقًا من خلال نوافذ سفينة الفضاء بسرعة فائقة؟ يقول الباحثون لا. في الواقع، لن يرى ركاب السفينة سوى قرصًا لامعًا بدلاً من النجوم الممتدة في خط واحد.

إذا تحرك جسم ما بسرعة الضوء تقريبًا، فقد يرى تأثير دوبلر قيد التنفيذ. في الفيزياء، هذا هو الاسم الذي يطلق على التغير في التردد والطول الموجي بسبب الحركة السريعة للمستقبل. سيزداد تردد ضوء النجوم الوامض أمام المشاهد من السفينة بدرجة كبيرة بحيث يتحول من النطاق المرئي إلى جزء الأشعة السينية من الطيف. يبدو أن النجوم تختفي! وفي الوقت نفسه، سينخفض ​​طول الإشعاع الكهرومغناطيسي المتبقي بعد الانفجار الكبير. سوف يصبح إشعاع الخلفية مرئيًا ويظهر كقرص لامع، يتلاشى عند الحواف.

ولكن كيف يبدو العالم من جانب جسم سيصل إلى سرعة الضوء؟ وكما هو معروف فإن الفوتونات، وهي جسيمات الضوء التي يتكون منها، تتحرك بهذه السرعات. النظرية النسبية الخاصة ستساعدنا في هذا الأمر. ووفقاً لها، عندما يتحرك جسم بسرعة الضوء لأي مدة زمنية، فإن الزمن الذي يقضيه في حركة هذا الجسم يصبح مساوياً للصفر. بعبارات بسيطة، إذا تحركت بسرعة الضوء، فمن المستحيل القيام بأي إجراء، مثل الملاحظة، والرؤية، والرؤية، وما إلى ذلك. فالجسم الذي يتحرك بسرعة الضوء لن يرى شيئًا في الواقع.

تنتقل الفوتونات دائمًا بسرعة الضوء. إنهم لا يضيعون الوقت في التسارع والكبح، لذا فإن حياتهم بأكملها لا تدوم أي وقت بالنسبة لهم. إذا كنا فوتونات، فإن لحظات ولادتنا وموتنا ستتزامن، أي أننا ببساطة لن ندرك أن العالم موجود على الإطلاق. ومن الجدير بالذكر أنه إذا تسارع جسم ما إلى سرعة الضوء، فإن سرعته في جميع الأنظمة المرجعية تصبح مساوية لسرعة الضوء. هذه هي فيزياء الصور. بتطبيق النظرية النسبية الخاصة، يمكننا أن نستنتج أنه بالنسبة لجسم يتحرك بسرعة الضوء، فإن العالم المحيط بأكمله سيبدو مسطحًا بلا حدود، وجميع الأحداث التي تحدث فيه ستحدث في نقطة زمنية واحدة.

تبلغ سرعة انتشار الضوء 299,792,458 مترًا في الثانية، لكنها لم تعد قيمة محددة منذ فترة طويلة. جمعت "المستقبلية" 4 نظريات حيث لم يعد النور مايكل شوماخر.

يعتقد العالم الأمريكي من أصل ياباني، الخبير في مجال الفيزياء النظرية، ميتشيو كاكو، أنه من الممكن التغلب على سرعة الضوء بسهولة.

الانفجار العظيم

يسمي ميتشيو كاكو المثال الأكثر شهرة عندما تم التغلب على حاجز الضوء بالانفجار الكبير - وهو "الانفجار" فائق السرعة الذي أصبح بداية توسع الكون، وقبل ذلك كان في حالة فردية.

"لا يمكن لأي جسم مادي التغلب على حاجز الضوء. ولكن من المؤكد أن الفضاء الفارغ يمكنه السفر بشكل أسرع من الضوء. لا شيء يمكن أن يكون أكثر فراغًا من الفراغ، مما يعني أنه يمكن أن يتوسع بسرعة أكبر من سرعة الضوء.

مصباح يدوي في سماء الليل

إذا قمت بتسليط مصباح يدوي في سماء الليل، فمن حيث المبدأ، فإن الحزمة التي تنتقل من جزء من الكون إلى جزء آخر، وتقع على مسافة العديد من السنوات الضوئية، يمكن أن تنتقل بشكل أسرع من سرعة الضوء. المشكلة هي أنه في هذه الحالة لن يكون هناك جسم مادي يتحرك بشكل أسرع من الضوء. تخيل أنك محاط بكرة عملاقة يبلغ قطرها سنة ضوئية واحدة. سوف تندفع صورة شعاع الضوء عبر هذه الكرة في غضون ثوانٍ، على الرغم من حجمها. لكن صورة الشعاع فقط هي التي يمكنها التحرك عبر سماء الليل بشكل أسرع من الضوء، وليس المعلومات أو الجسم المادي.

التشابك الكمي

قد لا يكون أسرع من سرعة الضوء جسمًا ما، بل ظاهرة بأكملها، أو بالأحرى علاقة تسمى التشابك الكمي. هذه ظاهرة ميكانيكية كمومية تكون فيها الحالات الكمومية لجسمين أو أكثر مترابطة. لإنتاج زوج من الفوتونات الكمومية المتشابكة، يمكنك تسليط شعاع ليزر بتردد وكثافة محددين على بلورة غير خطية. ونتيجة لتشتت شعاع الليزر، ستظهر الفوتونات في مخروطين مختلفين من الاستقطاب، وسيسمى الاتصال بينهما بالتشابك الكمي. لذا، فإن التشابك الكمي هو أحد الطرق التي تتفاعل بها الجسيمات دون الذرية، ويمكن أن تحدث عملية هذا الاتصال بشكل أسرع من الضوء.

"إذا تم جمع إلكترونين معًا، فسوف يهتزان في انسجام تام، وفقًا لنظرية الكم. لكن إذا قمت بعد ذلك بفصل هذه الإلكترونات بعدة سنوات ضوئية، فستظل تتواصل مع بعضها البعض. فإذا قمت بهز أحد الإلكترونات، سيشعر الآخر بهذا الاهتزاز، وسيحدث هذا بسرعة أكبر من سرعة الضوء. يقول ميتشيو كاكو: "اعتقد ألبرت أينشتاين أن هذه الظاهرة من شأنها أن تدحض نظرية الكم لأنه لا يوجد شيء يمكنه السفر بسرعة أكبر من الضوء، لكنه في الحقيقة كان مخطئًا".

الثقوب الدودية

يتم لعب موضوع كسر سرعة الضوء في العديد من أفلام الخيال العلمي. الآن حتى أولئك البعيدين عن الفيزياء الفلكية سمعوا عبارة "الثقب الدودي" بفضل فيلم "Interstellar". هذا انحناء خاص في نظام الزمكان، وهو نفق في الفضاء يسمح لك بالتغلب على مسافات هائلة في وقت قصير لا يكاد يذكر.

لا يتحدث كتاب سيناريو الأفلام فحسب، بل يتحدث العلماء أيضًا عن مثل هذه التشوهات. يعتقد ميتشيو كاكو أن الثقب الدودي، أو كما يطلق عليه أيضًا، الثقب الدودي، هو إحدى الطريقتين الأكثر واقعية لنقل المعلومات بسرعة أكبر من سرعة الضوء.

الطريقة الثانية، المرتبطة أيضًا بالتغيرات في المادة، هي ضغط المساحة التي أمامك وتمددها خلفك. وفي هذا الفضاء المشوه، تنشأ موجة تنتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء إذا سيطرت عليها المادة المظلمة.

وبالتالي، فإن الفرصة الحقيقية الوحيدة للإنسان لتعلم التغلب على حاجز الضوء قد تكمن في النظرية النسبية العامة وانحناء المكان والزمان. ومع ذلك، فإن الأمر برمته يعود إلى تلك المادة المظلمة للغاية: لا أحد يعرف ما إذا كانت موجودة بشكل مؤكد، وما إذا كانت الثقوب الدودية مستقرة.

طور علماء الفيزياء الفلكية من جامعة بايلور (الولايات المتحدة الأمريكية) نموذجًا رياضيًا لمحرك الفضاء الفائق الذي يسمح للشخص بالسفر عبر الفضاء بسرعة 10³² مرات أسرع من سرعة الضوء، مما يسمح للشخص بالطيران إلى مجرة ​​مجاورة والعودة مرة أخرى في غضون بضع ثوان. ساعات.

عند الطيران، لن يشعر الناس بالأحمال الزائدة التي يشعرون بها في الطائرات الحديثة، ومع ذلك، يمكن أن يظهر مثل هذا المحرك في المعدن فقط في بضع مئات من السنين.

تعتمد آلية القيادة على مبدأ محرك التشوه الفضائي (Warp Drive)، الذي اقترحه الفيزيائي المكسيكي ميغيل ألكوبيير عام 1994. يتعين على الأمريكيين فقط تحسين النموذج وإجراء حسابات أكثر تفصيلاً.
يقول أحد مؤلفي الدراسة، ريتشارد أوبوسي: "إذا قمت بضغط المساحة أمام السفينة، وعلى العكس من ذلك، قمت بتوسيعها خلفها، فستظهر فقاعة الزمكان حول السفينة". "السفينة وتسحبها من العالم العادي إلى نظام الإحداثيات الخاص بها. ونظرًا للاختلاف في ضغط الزمكان، فإن هذه الفقاعة قادرة على التحرك في أي اتجاه، والتغلب على عتبة الضوء بآلاف المرات من حيث الحجم".

من المفترض أن المساحة المحيطة بالسفينة ستكون قادرة على التشوه بسبب الطاقة المظلمة التي لم تتم دراستها بعد. وقال سيرجي بوبوف، كبير الباحثين في قسم الفيزياء الفلكية النسبية في معهد ستيرنبرغ الفلكي التابع لجامعة موسكو الحكومية: "الطاقة المظلمة هي مادة لم تتم دراستها بشكل جيد للغاية، وتم اكتشافها مؤخرا نسبيا وتفسر لماذا تبدو المجرات وكأنها تطير بعيدا عن بعضها البعض". هناك عدة نماذج لها، لكن "لا يوجد نموذج مقبول بشكل عام حتى الآن. لقد اتخذ الأمريكيون كأساس لنموذج يعتمد على أبعاد إضافية، ويقولون إنه من الممكن تغيير خصائص هذه الأبعاد محليا. ثم اتضح "يمكن أن تكون هناك ثوابت كونية مختلفة في اتجاهات مختلفة. وبعد ذلك ستبدأ السفينة في الفقاعة في التحرك."

يمكن تفسير هذا "السلوك" للكون من خلال "نظرية الأوتار"، والتي بموجبها يتخلل فضاءنا بأكمله العديد من الأبعاد الأخرى. إن تفاعلهم مع بعضهم البعض يولد قوة تنافر، قادرة على توسيع ليس فقط المادة، مثل المجرات، ولكن أيضًا جسم الفضاء نفسه. ويسمى هذا التأثير "تضخم الكون".

يوضح رسلان ميتساييف، دكتور في العلوم الفيزيائية والرياضية، موظف في مركز الفضاء الفلكي التابع لمعهد ليبيديف الفيزيائي: "منذ الثواني الأولى لوجوده، يتمدد الكون. وتستمر هذه العملية حتى يومنا هذا". مع معرفة كل هذا، يمكنك محاولة توسيع أو تضييق المساحة بشكل مصطنع. وللقيام بذلك، من المفترض أن تؤثر على أبعاد أخرى، وبالتالي ستبدأ قطعة من عالمنا في التحرك في الاتجاه الصحيح تحت تأثير قوى الطاقة المظلمة.

في هذه الحالة، لا يتم انتهاك قوانين النظرية النسبية. داخل الفقاعة، ستبقى نفس قوانين العالم المادي، وستكون سرعة الضوء هي الحد الأقصى. ولا ينطبق هذا الوضع على ما يسمى بتأثير التوأم، والذي يخبرنا أنه أثناء السفر إلى الفضاء بسرعة الضوء، يتباطأ الزمن داخل السفينة بشكل ملحوظ وسيلتقي رائد الفضاء، العائد إلى الأرض، بأخيه التوأم وهو كبير في السن رجل. محرك Warp Drive يزيل هذه المشكلة، لأنه يدفع الفضاء، وليس السفينة.

لقد وجد الأمريكيون بالفعل هدفًا للرحلة المستقبلية. هذا هو الكوكب جليس 581 (Gliese 581)، الذي تقترب فيه الظروف المناخية والجاذبية من تلك الخاصة بالأرض. تبلغ المسافة إليه 20 سنة ضوئية، وحتى لو كان محرك Warp Drive يعمل بتريليونات المرات أضعف من قوته القصوى، فإن وقت السفر إليه سيكون بضع ثوانٍ فقط.