مخصص للقياس المباشر لسرعة النيوترينو. تبدو النتائج مثيرة: كانت سرعة النيوترينو طفيفة - ولكنها ذات دلالة إحصائية! - أسرع من سرعة الضوء. تحتوي الورقة التعاونية على تحليل لمصادر مختلفة للأخطاء والشكوك، لكن رد فعل الغالبية العظمى من الفيزيائيين يظل متشككًا للغاية، ويرجع ذلك في المقام الأول إلى أن هذه النتيجة لا تتفق مع البيانات التجريبية الأخرى حول خصائص النيوترينوات.

أرز. 1.

تفاصيل التجربة

فكرة التجربة (انظر تجربة OPERA) بسيطة للغاية. يولد شعاع النيوترينو في CERN، ويطير عبر الأرض إلى مختبر Gran Sasso الإيطالي ويمر هناك عبر كاشف نيوترينو خاص OPERA. تتفاعل النيوترينوات بشكل ضعيف جدًا مع المادة، ولكن نظرًا لأن تدفقها من CERN كبير جدًا، فإن بعض النيوترينوات لا تزال تصطدم بالذرات داخل الكاشف. وهناك يقومون بتوليد سلسلة من الجسيمات المشحونة وبالتالي يتركون إشارتهم في الكاشف. النيوترينوات في CERN لا تولد بشكل مستمر، بل في “انفجارات”، وإذا عرفنا لحظة ولادة النيوترينو ولحظة امتصاصه في الكاشف، وكذلك المسافة بين المختبرين، يمكننا حساب سرعة النيوترينو. النيوترينو.

تبلغ المسافة بين المصدر والكاشف في خط مستقيم حوالي 730 كم ويتم قياسها بدقة 20 سم (المسافة الدقيقة بين النقاط المرجعية هي 730,534.61 ± 0.20 متر). صحيح أن العملية المؤدية إلى ولادة النيوترينوات لم يتم تحديدها بهذه الدقة. في CERN، يتم إطلاق شعاع من البروتونات عالية الطاقة من معجل SPS، ويتم إسقاطه على هدف الجرافيت ويولد جسيمات ثانوية، بما في ذلك الميزونات. فهي لا تزال تطير للأمام بسرعة قريبة من سرعة الضوء وتتحلل إلى الميونات بينما تنبعث منها النيوترينوات. تتحلل الميونات أيضًا وتنتج نيوترينوات إضافية. ثم يتم امتصاص جميع الجزيئات، باستثناء النيوترينوات، في سمك المادة، وتصل بحرية إلى موقع الكشف. يظهر الرسم التخطيطي العام لهذا الجزء من التجربة في الشكل. 1.

يمكن أن يمتد الشلال بأكمله المؤدي إلى ظهور شعاع النيوترينو لمئات الأمتار. ومع ذلك، منذ ذلك الحين الجميعتطير الجسيمات الموجودة في هذه المجموعة للأمام بسرعة قريبة من سرعة الضوء بالنسبة لوقت الكشف، لا يوجد فرق عمليًا بين ما إذا كان النيوترينو قد ولد فورًا أو بعد كيلومتر واحد من السفر (ومع ذلك، من المهم جدًا معرفة متى يكون البروتون الأصلي بالضبط هو الذي أدى إلى ظهوره). ولادة هذا النيوترينو طار من المسرع). ونتيجة لذلك، فإن النيوترينوات المتولدة، بشكل عام، تكرر ببساطة شكل شعاع البروتون الأصلي. ولذلك، فإن المعلمة الرئيسية هنا هي بالضبط المظهر الجانبي الزمني لشعاع البروتون المنبعث من المسرع، ولا سيما الموضع الدقيق لحوافه الأمامية والخلفية، ويتم قياس هذا المظهر الجانبي بالوقت المناسب قم القرار (انظر الشكل 2).

كل جلسة لإسقاط شعاع البروتون على الهدف (في اللغة الإنجليزية، تسمى هذه الجلسة انسكاب، "الانفجار") يستمر حوالي 10 ميكروثانية ويؤدي إلى ولادة عدد كبير من النيوترينوات. ومع ذلك، فإن جميعها تقريبًا تحلق عبر الأرض (والكاشف) دون أي تفاعل. وفي تلك الحالات النادرة التي يكتشف فيها الكاشف النيوترينو، يكون من المستحيل تحديد اللحظة المحددة التي انبعث فيها النيوترينو خلال فترة الـ 10 ميكروثانية. لا يمكن إجراء التحليل إلا إحصائيًا، أي تجميع العديد من حالات اكتشاف النيوترينو وبناء توزيعها بمرور الوقت بالنسبة لنقطة البداية لكل جلسة. في الكاشف، تعتبر نقطة البداية هي اللحظة الزمنية التي تصل فيها الإشارة التقليدية، التي تتحرك بسرعة الضوء وتنبعث بالضبط في لحظة الحافة الأمامية لشعاع البروتون، إلى الكاشف. أصبح القياس الدقيق لهذه اللحظة ممكنًا من خلال مزامنة الساعات في مختبرين بدقة تبلغ بضعة نانو ثانية.

في الشكل. ويبين الشكل 3 مثالاً على هذا التوزيع. النقاط السوداء هي بيانات نيوترينو حقيقية يسجلها الكاشف ويجمعها على عدد كبير من الجلسات. يُظهر المنحنى الأحمر إشارة "مرجعية" تقليدية تنتقل بسرعة الضوء. يمكن ملاحظة أن البيانات تبدأ عند حوالي 1048.5 نانو ثانية سابقًاإشارة مرجعية. ومع ذلك، لا يعني هذا أن النيوترينوات تتقدم فعليًا على الضوء بمقدار ميكروثانية، ولكنه مجرد سبب لقياس جميع أطوال الكابلات، وسرعات استجابة المعدات، وأوقات التأخير الإلكترونية، وما إلى ذلك. تم إجراء إعادة الفحص هذه وتبين أنها تعادل عزم الدوران "المرجعي" بمقدار 988 نانو ثانية. وهكذا، اتضح أن إشارة النيوترينو تتفوق بالفعل على الإشارة المرجعية، ولكن بحوالي 60 نانو ثانية فقط. ومن حيث سرعة النيوترينو، فهذا يتوافق مع تجاوز سرعة الضوء بحوالي 0.0025%.

تم تقدير خطأ هذا القياس من قبل مؤلفي التحليل بـ 10 نانو ثانية، والذي يتضمن أخطاء إحصائية ومنهجية. ومن ثم، يزعم المؤلفون أنهم "يشاهدون" حركة النيوترينو فائقة السطوع عند مستوى ثقة إحصائي قدره ستة انحرافات معيارية.

إن الفرق بين النتائج والتوقعات بستة انحرافات معيارية هو بالفعل كبير جدًا ويسمى في فيزياء الجسيمات الكلمة الكبيرة "الاكتشاف". ومع ذلك، يجب فهم هذا الرقم بشكل صحيح: فهو يعني فقط الاحتمال إحصائيةالتقلبات في البيانات صغيرة جدًا، لكنها لا تشير إلى مدى موثوقية تقنية معالجة البيانات ومدى مراعاة الفيزيائيين لجميع الأخطاء الآلية. ففي نهاية المطاف، هناك العديد من الأمثلة في فيزياء الجسيمات حيث لم يتم تأكيد الإشارات غير العادية من خلال تجارب أخرى ذات ثقة إحصائية عالية بشكل استثنائي.

ما الذي تتعارض معه النيوترينوات فائقة السطوع؟

وخلافًا للاعتقاد السائد، فإن النسبية الخاصة في حد ذاتها لا تمنع وجود جسيمات تتحرك بسرعات فائقة السرعة. ومع ذلك، بالنسبة لمثل هذه الجسيمات (التي يطلق عليها عمومًا "التاكيونات")، تعد سرعة الضوء أيضًا حدًا، ولكن فقط من الأسفل - لا يمكنها التحرك بشكل أبطأ منه. في هذه الحالة، يكون اعتماد طاقة الجسيمات على السرعة معكوسًا: فكلما زادت الطاقة، اقتربت سرعة التاكيونات من سرعة الضوء.

تبدأ مشاكل أكثر خطورة في نظرية المجال الكمي. تحل هذه النظرية محل ميكانيكا الكم عندما يتعلق الأمر بالجسيمات الكمومية ذات الطاقات العالية. في هذه النظرية، الجسيمات ليست نقاطًا، ولكنها، نسبيًا، جلطات من حقل مادي، ولا يمكن اعتبارها منفصلة عن الحقل. اتضح أن التاكيونات تقلل من طاقة المجال، مما يعني أنها تجعل الفراغ غير مستقر. ومن ثم يكون من الأفضل أن يتحلل الفراغ تلقائيًا إلى عدد كبير من هذه الجسيمات، وبالتالي فمن غير المجدي التفكير في حركة تاكيون واحد في الفضاء الفارغ العادي. يمكننا القول أن التاكيون ليس جسيمًا، بل هو عدم استقرار في الفراغ.

في حالة فرميونات التاكيون، يكون الوضع أكثر تعقيدًا إلى حد ما، ولكن هناك أيضًا تنشأ صعوبات مماثلة تمنع إنشاء نظرية حقل كمومي متسقة ذاتيًا، بما في ذلك النظرية النسبية العادية.

ومع ذلك، هذه ليست الكلمة الأخيرة من الناحية النظرية. وكما يقيس التجريبيون كل ما يمكن قياسه، فإن المنظرين يختبرون أيضًا جميع النماذج الافتراضية المحتملة التي لا تتعارض مع البيانات المتاحة. على وجه الخصوص، هناك نظريات يسمح فيها بانحراف صغير، لم يلاحظ بعد، عن افتراضات النظرية النسبية - على سبيل المثال، يمكن أن تكون سرعة الضوء نفسها قيمة متغيرة. مثل هذه النظريات لا تحظى بعد بدعم تجريبي مباشر، لكنها لم تنته بعد.

يمكن تلخيص هذا المخطط الموجز للإحتمالات النظرية على النحو التالي: على الرغم من أن الحركة فوق الضوئية ممكنة في بعض النماذج النظرية، إلا أنها تظل بنيات افتراضية بحتة. جميع البيانات التجريبية المتاحة اليوم موصوفة بنظريات قياسية دون حركة فائقة السطوع. لذلك، إذا تم تأكيدها بشكل موثوق بالنسبة لبعض الجسيمات على الأقل، فسيتعين إعادة صياغة نظرية المجال الكمي بشكل جذري.

فهل ينبغي اعتبار نتيجة OPERA "العلامة الأولى" بهذا المعنى؟ ليس بعد. ولعل السبب الأكثر أهمية للشكوك يظل حقيقة أن نتيجة OPERA لا تتفق مع البيانات التجريبية الأخرى حول النيوترينوات.

أولاً، خلال انفجار المستعر الأعظم الشهير SN1987A، تم أيضًا تسجيل النيوترينوات التي وصلت قبل عدة ساعات من نبض الضوء. هذا لا يعني أن النيوترينوات كانت تتحرك بسرعة أكبر من الضوء، ولكنه يعكس فقط حقيقة أن النيوترينوات تنبعث في وقت مبكر من انهيار قلب المستعر الأعظم مقارنة بالضوء. لكن بما أن النيوترينوات والضوء، بعد سفرهما لمدة 170 ألف سنة، لم تتباعدا أكثر من بضع ساعات، فهذا يعني أن سرعتيهما متقاربتان للغاية ولا تختلفان بأكثر من أجزاء من المليار. تُظهر تجربة OPERA تناقضًا أكبر بآلاف المرات.

هنا، بالطبع، يمكننا القول أن النيوترينوات المنتجة أثناء انفجارات المستعرات الأعظم والنيوترينوات الصادرة عن CERN تختلف اختلافًا كبيرًا في الطاقة (عدة عشرات من MeV في المستعرات الأعظم و10–40 GeV في التجربة الموصوفة)، وتختلف سرعة النيوترينوات اعتمادًا على الطاقة. . لكن هذا التغيير في هذه الحالة يعمل في الاتجاه "الخاطئ": فكلما زادت طاقة التاكيونات، كلما اقتربت سرعتها من سرعة الضوء. بالطبع، حتى هنا يمكننا التوصل إلى نوع من التعديل لنظرية تاكيون حيث سيكون هذا الاعتماد مختلفًا تمامًا، ولكن في هذه الحالة سيتعين علينا مناقشة النموذج "الافتراضي المزدوج".

علاوة على ذلك، من خلال وفرة البيانات التجريبية التي تم الحصول عليها في السنوات الأخيرة حول تذبذبات النيوترينو، يترتب على ذلك أن كتل جميع النيوترينوات تختلف عن بعضها البعض فقط بأجزاء من الإلكترون فولت. إذا تم اعتبار نتيجة OPERA بمثابة مظهر من مظاهر الحركة الفائقة للنيوترينوات، فإن القيمة المربعة لكتلة نيوترينو واحد على الأقل ستكون في حدود -(100 MeV) 2 (الكتلة المربعة السالبة هي مظهر رياضي لـ -(100 MeV) 2) حقيقة أن الجسيم يعتبر تاكيون). ثم علينا أن نعترف بذلك الجميعأنواع النيوترينوات هي تاكيونات ولها نفس الكتلة تقريبًا. من ناحية أخرى، فإن القياس المباشر لكتلة النيوترينو في اضمحلال بيتا لنواة التريتيوم يوضح أن كتلة النيوترينو (بالقيمة المطلقة) يجب ألا تتجاوز 2 إلكترون فولت. بمعنى آخر، لن يكون من الممكن التوفيق بين كل هذه البيانات مع بعضها البعض.

يمكن استخلاص الاستنتاج من هذا على النحو التالي: من الصعب أن تتناسب النتيجة المعلنة لتعاون OPERA مع أي من النماذج النظرية الأكثر غرابة.

ما هي الخطوة التالية؟

في جميع حالات التعاون الكبيرة في فيزياء الجسيمات، من المعتاد أن يتم إجراء كل تحليل محدد بواسطة مجموعة صغيرة من المشاركين، وعندها فقط يتم عرض النتائج للمناقشة العامة. في هذه الحالة، على ما يبدو، كانت هذه المرحلة قصيرة جدًا، ونتيجة لذلك لم يوافق جميع المشاركين في التعاون على التوقيع على المقال (تتضمن القائمة الكاملة 216 مشاركًا في التجربة، لكن النسخة المسبقة تحتوي على 174 مؤلفًا فقط). لذلك، في المستقبل القريب، على ما يبدو، سيتم إجراء العديد من الفحوصات الإضافية ضمن التعاون، وفقط بعد ذلك سيتم إرسال المقالة للطباعة.

وبطبيعة الحال، يمكننا الآن أن نتوقع سلسلة من الأوراق النظرية مع تفسيرات غريبة مختلفة لهذه النتيجة. ومع ذلك، حتى يتم التحقق من النتيجة المعلنة بشكل موثوق، لا يمكن اعتبارها اكتشافًا كاملاً.

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، فقد كشفت الدراسات التجريبية الحديثة عن بعض الظواهر المثيرة للاهتمام للغاية، مما 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. 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 تدريجيًا 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 هذا؟ 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" للنظرية النسبية يُفرض 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. 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، 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 المشار إليها.

بعد وقت قصير 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 التغيير في تركيز الفوتونات أثناء انتشار النبضة - وهو التغيير الناجم 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 للنبضة وضعف الحافة الخلفية للنبضة سوف يظهر للراصد بطريقة يبدو فيها الوسط وكأنه قد 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 صغير 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، عُقدت ندوة دولية حول مشاكل الحركة الفائقة للضوء 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 Vو> مع). هذا هو التشتت الشاذ، حيث يتغير نمط انتشار الضوء في المادة بشكل جذري. سرعة المجموعة Vتصبح 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 Vغرام > 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 استمرار الموجات في الانتشار في الفضاء، فإنها تصبح 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 للوسط 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 السلائف على قانون التشتت في البيئة. 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 تقوم بذلك لا يرسلونها."

يعتقد معظم الفيزيائيين أن العمل الجديد لا يوجه ضربة مدمرة 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، بناءً على صيغة أينشتاين لإضافة السرعات، ولكن هذا ما يؤكده بشكل أساسي مبدأ السببية. كتب أينشتاين نفسه، فيما يتعلق بمسألة نقل الإشارات 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 لدرجة استحالة افتراضها 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 تقديم إخلاء المسؤولية هذا بسبب ظهور فرضيات جديدة مؤخرًا في الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات، مما يسمح بوجود العديد من الأكوان المخفية عنا، والمتصلة بأنفاق طوبولوجية - قافزات. وجهة النظر هذه يشاركها، على سبيل المثال، عالم الفيزياء الفلكية الشهير ن.س. بالنسبة للمراقب الخارجي، تتم الإشارة إلى مداخل هذه الأنفاق بواسطة مجالات الجاذبية الشاذة، مثل الثقوب السوداء. إن التحركات في مثل هذه الأنفاق، كما يقترح واضعو الفرضيات، ستمكن من تجاوز الحد الأقصى للسرعة الذي تفرضه سرعة الضوء في الفضاء العادي، وبالتالي تحقيق فكرة إنشاء 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، فمن الصعب أن نرفض 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

في سبتمبر 2011، صدم الفيزيائي أنطونيو إريديتاتو العالم. بيانه يمكن أن يحدث ثورة في فهمنا للكون. إذا كانت البيانات التي جمعها 160 من علماء مشروع OPERA صحيحة، فقد لوحظ ما لا يصدق. تحركت الجسيمات - في هذه الحالة النيوترينوات - بشكل أسرع من الضوء. وهذا مستحيل بحسب النظرية النسبية لأينشتاين. وستكون عواقب مثل هذه الملاحظة لا تصدق. قد يتعين إعادة النظر في أسس الفيزياء ذاتها.

ورغم أن إيريديتاتو قال إنه وفريقه "واثقون للغاية" في نتائجهم، إلا أنهم لم يقولوا إن البيانات دقيقة تماما. وبدلاً من ذلك، طلبوا من علماء آخرين مساعدتهم في معرفة ما يجري.

وفي النهاية تبين أن نتائج OPERA كانت خاطئة. بسبب ضعف توصيل الكابل، حدثت مشكلة في المزامنة وكانت الإشارات الصادرة من الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) غير دقيقة. كان هناك تأخير غير متوقع في الإشارة. ونتيجة لذلك، أظهرت قياسات الوقت الذي استغرقته النيوترينوات للسفر مسافة معينة 73 نانو ثانية إضافية: ويبدو أن النيوترينوات كانت تتحرك بسرعة أكبر من الضوء.

على الرغم من أشهر من الاختبارات الدقيقة قبل بدء التجربة والتحقق مرة أخرى من البيانات بعد ذلك، إلا أن العلماء كانوا مخطئين بشكل خطير. استقال إيريديتاتو على الرغم من تعليقات الكثيرين بأن مثل هذه الأخطاء تحدث دائمًا بسبب التعقيد الشديد لمسرعات الجسيمات.

لماذا أثار الاقتراح - مجرد الاقتراح - بأن شيئًا ما يمكن أن ينتقل بسرعة أسرع من الضوء كل هذه الضجة؟ ما مدى تأكدنا من أنه لا يوجد شيء يمكنه التغلب على هذا الحاجز؟

دعونا نلقي نظرة على السؤال الثاني من هذه الأسئلة أولاً. تبلغ سرعة الضوء في الفراغ 299,792.458 كيلومترًا في الثانية - وللتيسير، تم تقريب هذا الرقم إلى 300,000 كيلومتر في الثانية. إنه سريع جدًا. تبعد الشمس عن الأرض 150 مليون كيلومتر، ويستغرق ضوؤها ثماني دقائق وعشرين ثانية فقط للوصول إلى الأرض.

هل يمكن لأي من إبداعاتنا التنافس في السباق ضد الضوء؟ يعد المسبار الفضائي نيو هورايزنز واحدًا من أسرع الأجسام التي صنعها الإنسان على الإطلاق، حيث مر بالقرب من بلوتو وشارون في يوليو 2015. ووصلت سرعته بالنسبة إلى الأرض إلى 16 كيلومترا في الثانية. أقل بكثير من 300 ألف كيلومتر في الثانية.

ومع ذلك، كان لدينا جسيمات صغيرة تتحرك بسرعة كبيرة. في أوائل الستينيات، قام ويليام بيرتوزي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بإجراء تجارب على تسريع الإلكترونات إلى سرعات أعلى.

ونظرًا لأن الإلكترونات لها شحنة سالبة، فمن الممكن تسريعها، أو صدها بشكل أكثر دقة، عن طريق تطبيق نفس الشحنة السالبة على مادة ما. كلما تم تطبيق المزيد من الطاقة، زادت سرعة تسارع الإلكترونات.

قد يعتقد المرء أنه سيحتاج ببساطة إلى زيادة الطاقة المطبقة للوصول إلى سرعة 300000 كم/ثانية. ولكن اتضح أن الإلكترونات ببساطة لا تستطيع التحرك بهذه السرعة. أظهرت تجارب بيرتوزي أن استخدام المزيد من الطاقة لا يؤدي إلى زيادة متناسبة بشكل مباشر في سرعة الإلكترونات.

وبدلاً من ذلك، كان لا بد من تطبيق كميات هائلة من الطاقة الإضافية لتغيير سرعة الإلكترونات ولو بشكل طفيف. لقد اقتربت أكثر فأكثر من سرعة الضوء، لكنها لم تصل إليها أبدًا.

تخيل أنك تتحرك نحو الباب بخطوات صغيرة، بحيث تغطي كل خطوة نصف المسافة من موقعك الحالي إلى الباب. بالمعنى الدقيق للكلمة، لن تصل أبدًا إلى الباب، لأنه بعد كل خطوة تخطوها، سيظل أمامك مسافة يتعين عليك قطعها. واجه بيرتوزي نفس المشكلة تقريبًا أثناء تعامله مع إلكتروناته.

لكن الضوء يتكون من جسيمات تسمى الفوتونات. لماذا يمكن لهذه الجسيمات أن تنتقل بسرعة الضوء، لكن الإلكترونات لا تستطيع ذلك؟

يقول روجر رسول، عالم الفيزياء في جامعة ملبورن في أستراليا: "عندما تتحرك الأجسام بشكل أسرع وأسرع، فإنها تصبح أثقل، وكلما أصبحت أثقل، كلما كان من الصعب عليها أن تتسارع، لذلك لن تصل أبدًا إلى سرعة الضوء". "الفوتون ليس له كتلة. ولو كان له كتلة، لما استطاع أن يتحرك بسرعة الضوء."

الفوتونات خاصة. ليس فقط أنها ليس لديها كتلة، مما يوفر لها حرية الحركة الكاملة في فراغ الفضاء، ولكنها أيضًا لا تحتاج إلى التسارع. الطاقة الطبيعية التي لديهم تتحرك في موجات مثلهم تمامًا، لذلك عندما يتم إنشاؤها تكون لديهم بالفعل أقصى سرعة. في بعض النواحي، من الأسهل التفكير في الضوء كطاقة وليس كتيار من الجسيمات، على الرغم من أن الضوء في الحقيقة هو كليهما.

ومع ذلك، ينتقل الضوء بشكل أبطأ بكثير مما قد نتوقعه. على الرغم من أن خبراء تكنولوجيا الإنترنت يحبون التحدث عن الاتصالات التي تعمل بسرعة "سرعة الضوء" في الألياف الضوئية، إلا أن الضوء ينتقل في الألياف الزجاجية بسرعة أبطأ بنسبة 40% منه في الفراغ.

في الواقع، تنتقل الفوتونات بسرعة 300 ألف كيلومتر في الثانية، ولكنها تواجه قدرًا معينًا من التداخل الناجم عن الفوتونات الأخرى المنبعثة من ذرات الزجاج أثناء مرور موجة الضوء الرئيسية. قد لا يكون من السهل فهم ذلك، لكننا حاولنا على الأقل.

بنفس الطريقة، في إطار تجارب خاصة مع الفوتونات الفردية، كان من الممكن إبطائها بشكل مثير للإعجاب. لكن في أغلب الحالات، 300000 سيكون الرقم الصحيح. لم نر أو نبني أي شيء يمكنه التحرك بهذه السرعة، أو حتى أسرع. هناك نقاط خاصة، ولكن قبل أن نتطرق إليها، دعونا نتطرق إلى سؤالنا الآخر. لماذا من المهم جدًا اتباع قاعدة سرعة الضوء بدقة؟

الجواب مرتبط بشخص اسمه، كما هو الحال غالبا في الفيزياء. تستكشف نظريته النسبية الخاصة الآثار العديدة لحدود السرعة العالمية. ومن أهم عناصر النظرية فكرة أن سرعة الضوء ثابتة. بغض النظر عن مكان وجودك أو مدى سرعة تحركك، يتحرك الضوء دائمًا بنفس السرعة.

ولكن هذا يثير العديد من المشاكل المفاهيمية.

تخيل الضوء الذي يسقط من مصباح يدوي على مرآة مثبتة في سقف مركبة فضائية ثابتة. يرتفع الضوء وينعكس عن المرآة ويسقط على أرضية المركبة الفضائية. لنفترض أنه قطع مسافة 10 أمتار.

تخيل الآن أن هذه المركبة الفضائية تبدأ في التحرك بسرعة هائلة تبلغ عدة آلاف من الكيلومترات في الثانية. عندما تقوم بتشغيل المصباح، يتصرف الضوء كما كان من قبل: فهو يضيء لأعلى، ويضرب المرآة، وينعكس على الأرض. ولكن للقيام بذلك، يجب على الضوء أن يسافر مسافة قطرية، وليس مسافة عمودية. بعد كل شيء، تتحرك المرآة الآن بسرعة مع المركبة الفضائية.

وبناءً على ذلك، تزداد المسافة التي يقطعها الضوء. لنفترض 5 أمتار. وتبين أن إجمالي ذلك يبلغ 15 مترًا، وليس 10.

وعلى الرغم من ذلك، وعلى الرغم من زيادة المسافة، فإن نظريات أينشتاين تدعي أن الضوء سيظل يتحرك بنفس السرعة. وبما أن السرعة هي المسافة مقسومة على الزمن، وبما أن السرعة تظل كما هي وتزداد المسافة، فلا بد أن يزيد الزمن أيضًا. نعم، الوقت نفسه يجب أن يمتد. وعلى الرغم من أن هذا يبدو غريبا، فقد تم تأكيده تجريبيا.

وتسمى هذه الظاهرة تمدد الزمن. يتحرك الوقت بشكل أبطأ بالنسبة للأشخاص الذين يسافرون في مركبات سريعة الحركة مقارنة بأولئك الذين هم ثابتون.

على سبيل المثال، يتحرك الوقت أبطأ بمقدار 0.007 ثانية بالنسبة لرواد الفضاء في محطة الفضاء الدولية، التي تتحرك بسرعة 7.66 كم/ثانية بالنسبة إلى الأرض، مقارنة بالناس على هذا الكوكب. والأكثر إثارة للاهتمام هو الوضع مع جسيمات مثل الإلكترونات المذكورة أعلاه، والتي يمكن أن تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء. وفي حالة هذه الجسيمات، فإن درجة التباطؤ ستكون هائلة.

ويشير ستيفن كولثامر، عالم الفيزياء التجريبية بجامعة أكسفورد بالمملكة المتحدة، إلى مثال الجسيمات التي تسمى الميونات.

الميونات غير مستقرة: فهي تتحلل بسرعة إلى جسيمات أبسط. بسرعة كبيرة لدرجة أن معظم الميونات التي تغادر الشمس يجب أن تتحلل بحلول الوقت الذي تصل فيه إلى الأرض. لكن في الواقع، تصل الميونات إلى الأرض من الشمس بكميات هائلة. لقد حاول الفيزيائيون منذ فترة طويلة فهم السبب.

يقول كولثامر: "الإجابة على هذا اللغز هي أن الميونات تتولد بطاقة كبيرة لدرجة أنها تنتقل بسرعة تقارب سرعة الضوء". "إن إحساسهم بالوقت، إذا جاز التعبير، فإن ساعتهم الداخلية بطيئة."

"يبقى الميون على قيد الحياة" لفترة أطول من المتوقع بالنسبة لنا، وذلك بفضل انحراف زمني حقيقي وطبيعي. عندما تتحرك الأجسام بسرعة مقارنة بالأشياء الأخرى، فإن طولها أيضًا يتناقص وينكمش. هذه العواقب، تمدد الزمن وتقليل الطول، هي أمثلة لكيفية تغير الزمكان اعتمادًا على حركة الأشياء - أنا، أنت، أو مركبة فضائية - ذات كتلة.

والمهم كما قال أينشتاين هو أن الضوء لا يتأثر لأنه لا كتلة له. ولهذا السبب تسير هذه المبادئ جنبًا إلى جنب. إذا تمكنت الأشياء من السفر بسرعة أكبر من الضوء، فإنها ستطيع القوانين الأساسية التي تصف كيفية عمل الكون. هذه هي المبادئ الأساسية. الآن يمكننا أن نتحدث عن بعض الاستثناءات والاستثناءات.

فمن ناحية، على الرغم من أننا لم نر أي شيء يتحرك بشكل أسرع من الضوء، فإن هذا لا يعني أنه لا يمكن نظريًا التغلب على حد السرعة هذا في ظل ظروف محددة للغاية. على سبيل المثال، خذ توسع الكون نفسه. تبتعد المجرات في الكون عن بعضها البعض بسرعات تفوق سرعة الضوء بشكل كبير.

هناك موقف آخر مثير للاهتمام يتعلق بالجسيمات التي تشترك في نفس الخصائص في نفس الوقت، بغض النظر عن المسافة بينها. وهذا ما يسمى "التشابك الكمي". سوف يدور الفوتون لأعلى ولأسفل، ويختار بشكل عشوائي بين حالتين محتملتين، لكن اختيار اتجاه الدوران سوف ينعكس بدقة على فوتون آخر في مكان آخر إذا كانا متشابكين.

سيحصل عالمان، يدرس كل منهما الفوتون الخاص به، على نفس النتيجة في نفس الوقت، بسرعة أكبر مما تسمح به سرعة الضوء.

ومع ذلك، في كلا المثالين، من المهم ملاحظة أنه لا توجد معلومات تنتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء بين جسمين. يمكننا حساب توسع الكون، لكننا لا نستطيع مراقبة الأجسام الموجودة فيه بشكل أسرع من الضوء: لقد اختفت عن الأنظار.

أما العالمان بفوتوناتهما، فرغم أنهما استطاعا الحصول على نتيجة واحدة في نفس الوقت، إلا أنهما لم يستطيعا أن يعرف كل منهما الآخر بشكل أسرع من انتقال الضوء بينهما.

يقول كولثامر: "هذا لا يسبب لنا أي مشاكل، لأنه إذا كان بإمكانك إرسال إشارات أسرع من الضوء، فستحصل على مفارقات غريبة حيث يمكن للمعلومات أن تعود بطريقة أو بأخرى بالزمن إلى الوراء".

هناك طريقة أخرى ممكنة لجعل السفر بسرعة أكبر من الضوء ممكنًا من الناحية التقنية: حدوث انشقاقات في الزمكان تسمح للمسافر بالهروب من قواعد السفر العادي.

يعتقد جيرالد كليفر من جامعة بايلور في تكساس أنه في يوم من الأيام سنكون قادرين على بناء مركبة فضائية تنتقل بسرعة أكبر من الضوء. الذي يتحرك من خلال الثقب الدودي. الثقوب الدودية عبارة عن حلقات في الزمكان تتناسب تمامًا مع نظريات أينشين. يمكن أن تسمح لرائد الفضاء بالقفز من أحد طرفي الكون إلى الطرف الآخر عبر شذوذ في الزمكان، وهو شكل من أشكال الاختصار الكوني.

لن تتجاوز سرعة الجسم الذي يسافر عبر الثقب الدودي سرعة الضوء، لكنه نظريًا يمكنه الوصول إلى وجهته بشكل أسرع من الضوء الذي يتخذ مسارًا "طبيعيًا". لكن الثقوب الدودية قد لا تكون متاحة تمامًا للسفر إلى الفضاء. هل يمكن أن تكون هناك طريقة أخرى لتشويه الزمكان بشكل فعال للتحرك بسرعة أكبر من 300 ألف كيلومتر في الثانية بالنسبة لشخص آخر؟

كما استكشف كليفر فكرة "محرك ألكوبيير" في عام 1994. وهو يصف الحالة التي ينقبض فيها الزمكان أمام المركبة الفضائية، ويدفعها للأمام، ويتوسع خلفها، ويدفعها أيضًا للأمام. يقول كليفر: "ولكن بعد ذلك، ظهرت المشاكل: كيفية القيام بذلك، وكم الطاقة اللازمة".

وفي عام 2008، قام هو وطالب الدراسات العليا ريتشارد أوبوزي بحساب مقدار الطاقة المطلوبة.

"لقد تخيلنا سفينة 10 م × 10 م × 10 م - 1000 متر مكعب - وحسبنا أن كمية الطاقة المطلوبة لبدء العملية ستكون معادلة لكتلة كوكب المشتري بأكمله."

بعد ذلك يجب "إضافة" الطاقة باستمرار حتى لا تنتهي العملية. ولا أحد يعرف ما إذا كان هذا ممكنًا أم لا، أو كيف ستبدو التكنولوجيا اللازمة. يقول كليفر: "لا أريد أن يُقتبس مني لعدة قرون وكأنني تنبأت بشيء لن يحدث أبدًا، لكنني لا أرى أي حلول حتى الآن".

لذا، فإن السفر بسرعة أكبر من سرعة الضوء يظل خيالًا علميًا في الوقت الحالي. في الوقت الحالي، الطريقة الوحيدة هي الانغماس في الرسوم المتحركة المعلقة العميقة. ومع ذلك، فالأمر ليس سيئًا تمامًا. تحدثنا في معظم الأوقات عن الضوء المرئي. ولكن في الواقع، الضوء هو أكثر من ذلك بكثير. من موجات الراديو وأجهزة الميكروويف إلى الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما المنبعثة من الذرات أثناء اضمحلالها، هذه الأشعة الجميلة كلها مصنوعة من نفس الشيء: الفوتونات.

الفرق يكمن في الطاقة، وبالتالي في الطول الموجي. وتشكل هذه الأشعة معًا الطيف الكهرومغناطيسي. حقيقة أن موجات الراديو، على سبيل المثال، تنتقل بسرعة الضوء مفيدة بشكل لا يصدق للاتصالات.

في بحثه، أنشأ كولثامر دائرة تستخدم الفوتونات لنقل الإشارات من جزء من الدائرة إلى جزء آخر، لذا فهو مؤهل جيدًا للتعليق على فائدة سرعة الضوء المذهلة.

ويشير إلى أن "حقيقة أننا قمنا ببناء البنية التحتية للإنترنت، على سبيل المثال، والراديو قبله، بناءً على الضوء، لها علاقة بالسهولة التي يمكننا بها نقلها". ويضيف أن الضوء يعمل بمثابة قوة الاتصال في الكون. عندما تبدأ الإلكترونات الموجودة في الهاتف المحمول في الاهتزاز، يتم إطلاق الفوتونات وتتسبب في اهتزاز الإلكترونات الموجودة في هاتف محمول آخر أيضًا. هذه هي الطريقة التي تولد بها مكالمة هاتفية. كما أن ارتعاش الإلكترونات في الشمس ينبعث منه فوتونات - بكميات هائلة - والتي تشكل الضوء بالطبع، مما يمنح الحياة على الأرض الحرارة والضوء.

الضوء هو اللغة العالمية للكون. وتبقى سرعتها - 299,792.458 كيلومترًا في الثانية - ثابتة. وفي الوقت نفسه، المكان والزمان مرنان. ربما لا ينبغي لنا أن نفكر في كيفية التحرك بشكل أسرع من الضوء، ولكن في كيفية التحرك بشكل أسرع عبر هذا الفضاء وهذه المرة؟ الذهاب إلى الجذر، إذا جاز التعبير؟

نشر فريق من العلماء من تجربة OPERA، بالتعاون مع المنظمة الأوروبية للأبحاث النووية (CERN)، نتائج مثيرة لتجربة للتغلب على سرعة الضوء. ونتائج التجربة تدحض النظرية النسبية الخاصة لألبرت أينشتاين، والتي تقوم عليها الفيزياء الحديثة كلها. تنص النظرية على أن سرعة الضوء تبلغ 299,792,458 م/ث، ولا يمكن للجسيمات الأولية أن تنتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء.

ومع ذلك، سجل العلماء أن شعاع النيوترينو تجاوزه بمقدار 60 نانو ثانية عندما قطع مسافة 732 كيلومترا. حدث ذلك في 22 سبتمبر/أيلول خلال تجربة أجرتها مجموعة دولية من علماء الفيزياء النووية من إيطاليا وفرنسا وروسيا وكوريا واليابان ودول أخرى.

جرت التجربة على النحو التالي: تم تسريع شعاع البروتون في مسرع خاص وضرب مركز هدف خاص. هكذا ولدت الميزونات - وهي جسيمات تتكون من الكواركات.

وأوضح الأكاديمي فاليري روباكوف، كبير الباحثين في معهد الأبحاث النووية التابع لأكاديمية العلوم الروسية، لصحيفة إزفستيا: "عندما تتحلل الميزونات، تولد النيوترينوات". - تم وضع الشعاع بحيث يسافر النيوترينو مسافة 732 كم ويصل إلى المختبر الإيطالي تحت الأرض في غران ساسو. ويحتوي على كاشف خاص يسجل سرعة شعاع النيوترينو.

نتائج الدراسة قسمت العالم العلمي. ويرفض بعض العلماء تصديق النتائج.

وقال الأكاديمي RAS سبارتاك بيلييف، المدير العلمي لمعهد الفيزياء العامة والفيزياء النووية، لإزفستيا: "ما فعلوه في CERN مستحيل من وجهة النظر الفيزيائية الحديثة". - من الضروري التحقق من هذه التجربة ونتائجها - ربما كانوا مخطئين ببساطة. جميع التجارب التي أجريت قبل ذلك تتناسب مع النظرية الموجودة، ولا داعي للذعر بسبب تجربة واحدة أجريت مرة واحدة.

في الوقت نفسه، يعترف الأكاديمي بيلييف: إذا كان من الممكن إثبات أن النيوترينو يمكن أن يتحرك بشكل أسرع من سرعة الضوء، فستكون ثورة.

وقال: "عندها سيتعين علينا كسر كل الفيزياء".

"إذا تم تأكيد النتائج، فستكون هذه ثورة"، يوافق الأكاديمي روباكوف. - من الصعب أن نقول كيف سينتهي الأمر بالنسبة للأشخاص العاديين. بشكل عام، من الممكن بالطبع تغيير النظرية النسبية الخاصة، لكن من الصعب للغاية القيام بذلك، وما هي النظرية التي ستتبلور نتيجة لذلك ليس واضحًا تمامًا.

وأشار روباكوف إلى أن التقرير يذكر أنه على مدى ثلاث سنوات من التجربة تم تسجيل وقياس 15 ألف حدث.

الإحصائيات جيدة جدًا، وقد شاركت في التجربة مجموعة دولية من العلماء ذوي السمعة الطيبة.

وأكد الأكاديميون أن هناك محاولات منتظمة في جميع أنحاء العالم لدحض النظرية النسبية الخاصة تجريبيا. ومع ذلك، لم يعط أي منهم نتائج إيجابية حتى الآن.

يمكن للظلال أن تنتقل بسرعة أكبر من الضوء، لكنها لا تستطيع نقل المادة أو المعلومات

هل الطيران فائق السطوع ممكن؟

أقسام هذه المقالة مترجمة ويمكن الرجوع إلى كل قسم على حدة.

أمثلة بسيطة على السفر فائق السطوع

1. تأثير شيرينكوف

عندما نتحدث عن التحرك بسرعات فائقة السرعة، فإننا نعني سرعة الضوء في الفراغ ج(299,792,458 م/ث). لذلك، لا يمكن اعتبار تأثير شيرينكوف مثالًا على الحركة بسرعة فائقة السرعة.

2. المراقب الثالث

إذا كان الصاروخ أيطير بعيدا عني بسرعة 0.6 جإلى الغرب والصاروخ بيطير بعيدا عني بسرعة 0.6 جإلى الشرق، فأرى أن المسافة بينهما أو بيزداد مع السرعة 1.2 ج. مشاهدة طيران الصواريخ أو بومن الخارج يرى المراقب الثالث أن السرعة الإجمالية لإزالة الصاروخ أكبر من ج .

لكن السرعة النسبيةلا يساوي مجموع السرعات. أسرعة الصاروخ بنسبة إلى الصاروخ أهو المعدل الذي تزداد به المسافة إلى الصاروخ بالذي يراه أحد المراقبين وهو يطير على صاروخ . يجب حساب السرعة النسبية باستخدام الصيغة النسبية لإضافة السرعات. (انظر كيف يمكنك إضافة السرعات في النسبية الخاصة؟) في هذا المثال، السرعة النسبية تساوي تقريبًا 0.88ج

. لذلك في هذا المثال لم نحصل على سرعة فائقة.

3. الضوء والظل فكر في مدى سرعة تحرك الظل. إذا كان المصباح قريبًا، فإن ظل إصبعك على الحائط البعيد يتحرك بشكل أسرع بكثير من تحرك إصبعك. عندما تحرك إصبعك بشكل موازي للحائط، فإن سرعة الظل تكوند / د مرات أسرع من سرعة إصبعك.هنا د- من المصباح إلى الحائط. ستكون السرعة أكبر إذا كان الجدار يقع بزاوية. إذا كان الجدار بعيدا جدا، فإن حركة الظل سوف تتخلف عن حركة الإصبع، حيث أن الضوء يستغرق وقتا طويلا للوصول إلى الحائط، ولكن سرعة الظل التي تتحرك على طول الجدار ستزداد أكثر. سرعة الظل لا تقتصر على سرعة الضوء.

هناك جسم آخر يمكنه السفر بسرعة أكبر من الضوء وهو البقعة الضوئية الصادرة عن الليزر والتي تستهدف القمر. المسافة إلى القمر هي 385000 كم. يمكنك بنفسك حساب السرعة التي تتحرك بها بقعة الضوء عبر سطح القمر من خلال اهتزازات طفيفة لمؤشر الليزر في يدك. قد يعجبك أيضًا مثال موجة تضرب خطًا مستقيمًا من الشاطئ بزاوية طفيفة. ما السرعة التي يمكن أن تتحرك بها نقطة تقاطع الموجة والشاطئ على طول الشاطئ؟

كل هذه الأشياء يمكن أن تحدث في الطبيعة. على سبيل المثال، يمكن لشعاع الضوء الصادر من النجم النابض أن ينتقل عبر سحابة من الغبار. يمكن للانفجار القوي أن يخلق موجات كروية من الضوء أو الإشعاع. وعندما تتقاطع هذه الموجات مع أي سطح، تظهر دوائر ضوئية على ذلك السطح وتتوسع بشكل أسرع من الضوء. وتحدث هذه الظاهرة، على سبيل المثال، عندما تمر نبضة كهرومغناطيسية من وميض البرق عبر الغلاف الجوي العلوي.

4. الصلبة

إذا كان لديك قضيب طويل صلب وضربت أحد طرفيه، ألن يتحرك الطرف الآخر على الفور؟ أليست هذه طريقة لنقل المعلومات بشكل فائق السطوع؟

سيكون صحيحا لوكانت هناك أجساد صلبة تمامًا. ومن الناحية العملية، ينتقل التأثير على طول القضيب بسرعة الصوت، والتي تعتمد على مرونة وكثافة مادة القضيب. ج .

بالإضافة إلى ذلك، فإن النظرية النسبية تحدد سرعات الصوت المحتملة في المادة بالقيمة

وينطبق نفس المبدأ إذا كنت تحمل خيطًا أو قضيبًا بشكل عمودي، ثم حررته، وبدأ في السقوط تحت تأثير الجاذبية. يبدأ الطرف العلوي الذي تركته في السقوط على الفور، لكن الطرف السفلي لن يبدأ في التحرك إلا بعد مرور بعض الوقت، حيث ينتقل اختفاء قوة التثبيت إلى أسفل القضيب بسرعة الصوت في المادة. ρ إن صياغة النظرية النسبية للمرونة معقدة للغاية، ولكن يمكن توضيح الفكرة العامة باستخدام الميكانيكا النيوتونية. يمكن استخلاص معادلة الحركة الطولية لجسم مرن مثالي من قانون هوك. دعونا نشير إلى الكثافة الخطية للقضيب ، معامل يونج للمرونةي . النزوح الطولي X

يفي بالمعادلة الموجية

يتحرك محلول الموجة المستوية بسرعة الصوت ق، والذي يتم تحديده من الصيغة ق 2 = ص/ρ. لا تسمح المعادلة الموجية للاضطرابات في الوسط بالتحرك بشكل أسرع من السرعة ق. بالإضافة إلى ذلك، فإن النظرية النسبية تعطي حدًا لحجم المرونة: ي< ρc 2 . ومن الناحية العملية، لا توجد مادة معروفة تقترب من هذا الحد. يرجى أيضًا ملاحظة أنه حتى لو كانت سرعة الصوت قريبة من ج، فإن المادة نفسها لا تتحرك بالضرورة بسرعة نسبية.

على الرغم من عدم وجود أجسام صلبة في الطبيعة، إلا أنها موجودة حركة الأجسام الصلبةوالتي يمكن استخدامها للتغلب على سرعة الضوء. يتعلق هذا الموضوع بقسم الظلال والإبرازات الموصوف بالفعل. (انظر المقص فائق اللمعية، القرص الصلب الدوار في النسبية).

5. سرعة المرحلة

معادلة الموجة
د 2 ش/dt 2 - ج 2 د 2 ش/دكس 2 + ث 2 ش = 0

لديه الحل في النموذج
ش = أ كوس(فاس - بت)، ج 2 أ 2 - ب 2 + ث 2 = 0

هذه موجات جيبية تنتشر بسرعة v
ت = ب/أ = جذر(ج 2 + ث 2 /أ 2)

لكنه أكثر من ج. ربما هذه هي معادلة التاكيونات؟ (انظر القسم الإضافي). لا، هذه معادلة نسبية عادية لجسيم له كتلة.

وللتخلص من المفارقة، عليك التمييز بين "سرعة الطور" ضدالرقم الهيدروجيني، و"سرعة المجموعة" ضدغرام و
v ph ·v gr = ج 2

قد يكون للحل الموجي تشتت التردد. في هذه الحالة، تتحرك الحزمة الموجية بسرعة جماعية، وهي أقل من ج. باستخدام الحزمة الموجية، لا يمكن نقل المعلومات إلا بسرعة المجموعة. تتحرك الموجات الموجودة في الحزمة الموجية بسرعة الطور. تعد سرعة الطور مثالًا آخر على الحركة فائقة السطوع التي لا يمكن استخدامها لنقل الرسائل.

6. المجرات فائقة السطوع

7. الصاروخ النسبي

دع مراقبًا على الأرض يرى مركبة فضائية تتحرك بعيدًا بسرعة 0.8 جووفقا للنظرية النسبية، سيرى أن الساعة على متن سفينة الفضاء تسير أبطأ بمقدار 5/3 مرات. إذا قسمنا المسافة إلى السفينة على زمن الرحلة وفقًا للساعة الموجودة على متن السفينة، فسنحصل على السرعة 4/3ج. ويخلص المراقب إلى أنه باستخدام ساعته الموجودة على متن السفينة، سيحدد قائد السفينة أيضًا أنه يطير بسرعة فائقة السرعة. من وجهة نظر الطيار، فإن ساعته تعمل بشكل طبيعي، لكن الفضاء بين النجوم تقلص بمقدار 5/3 مرات. ولذلك فهو يطير لمسافات معروفة بين النجوم بشكل أسرع وبسرعة كبيرة 4/3ج .

يعد تباطؤ الزمن تأثيرًا حقيقيًا يمكن استخدامه من حيث المبدأ في السفر إلى الفضاء للسفر لمسافات طويلة في فترة زمنية قصيرة من وجهة نظر رائد الفضاء. عند تسارع ثابت قدره 1 جرام، لن يتمتع رواد الفضاء براحة الجاذبية الاصطناعية فحسب، بل سيتمكنون أيضًا من عبور المجرة خلال 12 عامًا فقط في الوقت المناسب لهم. خلال الرحلة سيبلغ عمرهم 12 عامًا.

ولكن هذه لا تزال ليست رحلة فائقة السطوع. لا يمكنك حساب السرعة باستخدام المسافة والوقت المحددين في أنظمة مرجعية مختلفة.

8. سرعة الجاذبية

يصر البعض على أن سرعة الجاذبية أكبر بكثير جأو حتى لا نهاية لها. شاهد هل تنتقل الجاذبية بسرعة الضوء؟ وما هو إشعاع الجاذبية؟ تنتشر اضطرابات الجاذبية وموجات الجاذبية بسرعة ج .

9. مفارقة EPR

10. الفوتونات الافتراضية

11. تأثير نفق الكم

في ميكانيكا الكم، يسمح تأثير النفق للجسيم بالتغلب على الحاجز، حتى لو لم يكن لديه ما يكفي من الطاقة للقيام بذلك. من الممكن حساب وقت حفر الأنفاق من خلال مثل هذا الحاجز. وقد يتبين أنها أقل مما هو مطلوب للضوء ليقطع نفس المسافة بالسرعة ج. هل يمكن استخدام هذا لنقل الرسائل بشكل أسرع من الضوء؟

الديناميكا الكهربائية الكمومية تقول "لا!" ومع ذلك، تم إجراء تجربة أظهرت نقل المعلومات بشكل فائق باستخدام تأثير النفق. من خلال حاجز بعرض 11.4 سم وبسرعة 4.7 جتم نقل السيمفونية الأربعين لموزارت. تفسير هذه التجربة مثير للجدل للغاية. يعتقد معظم الفيزيائيين أن تأثير النفق لا يمكن أن ينتقلمعلومة

أسرع من الضوء. إذا كان هذا ممكنا، فلماذا لا نرسل الإشارة إلى الماضي عن طريق وضع المعدات في إطار مرجعي سريع الحركة.

17. نظرية المجال الكمي

ومع ذلك، لا يوجد دليل صارم على نظرية المجال الكمي في النموذج القياسي. لم يثبت أحد حتى الآن أن هذه النظرية متسقة داخليًا. على الأرجح أن هذا ليس هو الحال. على أية حال، ليس هناك ما يضمن عدم وجود بعض الجسيمات أو القوى غير المكتشفة حتى الآن والتي لا تخضع للحظر المفروض على السفر فوق الضوء. كما لا يوجد تعميم لهذه النظرية التي تشمل الجاذبية والنسبية العامة. يشك العديد من الفيزيائيين العاملين في مجال الجاذبية الكمومية في إمكانية تعميم الأفكار البسيطة حول السببية والمحلية. ليس هناك ما يضمن أنه في نظرية مستقبلية أكثر اكتمالا، ستحتفظ سرعة الضوء بمعنى السرعة النهائية.

18. مفارقة الجد

في النسبية الخاصة، ينتقل الجسيم الذي يتحرك بسرعة أكبر من الضوء في إطار مرجعي واحد إلى الوراء عبر الزمن في إطار مرجعي آخر. إن السفر عبر FTL أو نقل المعلومات سيجعل من الممكن السفر أو إرسال رسالة إلى الماضي.

إذا كان مثل هذا السفر عبر الزمن ممكنًا، فيمكنك العودة بالزمن إلى الوراء وتغيير مسار التاريخ عن طريق قتل جدك.

هذه حجة خطيرة للغاية ضد إمكانية السفر فوق الضوء. صحيح أنه لا يزال هناك احتمال غير معقول بأن يكون هناك بعض السفر المحدود للضوء الفائق، مما يمنع العودة إلى الماضي. أو ربما يكون السفر عبر الزمن ممكنًا، ولكن يتم انتهاك السببية بطريقة متسقة. كل هذا بعيد الاحتمال، لكن إذا كنا نناقش السفر فوق الضوء، فمن الأفضل أن نكون مستعدين لأفكار جديدة.

والعكس صحيح أيضا. لو تمكنا من العودة بالزمن لتمكنا من التغلب على سرعة الضوء. يمكنك العودة بالزمن إلى الوراء، والتحليق في مكان ما بسرعة منخفضة، والوصول إلى هناك قبل وصول الضوء المرسل بالطريقة المعتادة. راجع السفر عبر الزمن للحصول على تفاصيل حول هذا الموضوع.

أسئلة مفتوحة حول السفر بسرعة أسرع من الضوء

في هذا القسم الأخير، سأصف بعض الأفكار الجادة حول إمكانية السفر بسرعة أكبر من الضوء. لا يتم تضمين هذه المواضيع غالبًا في الأسئلة الشائعة لأنها تبدو أقل شبهاً بالإجابات وأكثر شبهاً بالكثير من الأسئلة الجديدة. لقد تم تضمينها هنا لإظهار أنه يتم إجراء بحث جاد في هذا الاتجاه. يتم تقديم مقدمة قصيرة فقط للموضوع. يمكنك العثور على التفاصيل على شبكة الإنترنت. وكما هو الحال مع كل شيء على الإنترنت، كن منتقدًا لهم.

التاكيونات هي جسيمات افتراضية تنتقل محليًا بسرعة أكبر من الضوء. للقيام بذلك، يجب أن يكون لديهم كتلة وهمية.

علاوة على ذلك، فإن طاقة التاكيون وزخمه هي كميات حقيقية. لا يوجد سبب للاعتقاد بأنه لا يمكن الكشف عن الجسيمات فائقة السطوع. يمكن أن تنتقل الظلال والإبرازات بشكل أسرع من الضوء ويمكن اكتشافها.

ولم يتم العثور على التاكيونات حتى الآن، ويشكك الفيزيائيون في وجودها.

كانت هناك ادعاءات أنه في تجارب قياس كتلة النيوترينوات الناتجة عن تحلل بيتا للتريتيوم، كانت النيوترينوات عبارة عن تاكيونات.

وهذا أمر مشكوك فيه، ولكن لم يتم دحضه بشكل نهائي بعد.

هناك مشاكل مع نظرية تاكيون. بالإضافة إلى احتمالية تعطيل العلاقة السببية، فإن التاكيونات أيضًا تجعل الفراغ غير مستقر. قد يكون من الممكن التغلب على هذه الصعوبات، ولكن حتى ذلك الحين لن نكون قادرين على استخدام التاكيونات لنقل الرسائل فائقة السطوع.

ويعتقد معظم علماء الفيزياء أن ظهور التاكيونات في النظرية هو علامة على وجود بعض المشاكل في هذه النظرية. تحظى فكرة التاكيونات بشعبية كبيرة لدى الجمهور لمجرد ذكرها غالبًا في أدب الخيال العلمي. انظر تاكيون. 20. الثقوب الدوديةالطريقة الأكثر شهرة للسفر فائق السطوع على مستوى العالم هي استخدام الثقوب الدودية. الثقب الدودي هو قطع في الزمكان من نقطة في الكون إلى أخرى، مما يسمح لك بالسفر من أحد طرفي الثقب إلى الطرف الآخر بشكل أسرع من المسار المعتاد. يتم وصف الثقوب الدودية من خلال النظرية النسبية العامة.