Предназначен за директно измерване на скоростта на неутрино. Резултатите звучат сензационно: скоростта на неутриното беше леко - но статистически значима! - по-бързо от скоростта на светлината. Документът за сътрудничество съдържа анализ на различни източници на грешки и несигурност, но реакцията на огромното мнозинство физици остава много скептична, главно защото този резултат не е в съответствие с други експериментални данни за свойствата на неутриното.

ориз. 1.

Подробности за експеримента

Идеята на експеримента (вижте експеримента OPERA) е много проста. Неутринен лъч се ражда в CERN, прелита през Земята до италианската лаборатория Гран Сасо и там преминава през специален детектор за неутрино OPERA. Неутриното взаимодействат много слабо с материята, но тъй като техният поток от CERN е толкова голям, някои неутрино все още се сблъскват с атоми вътре в детектора. Там те генерират каскада от заредени частици и по този начин оставят своя сигнал в детектора. Неутриното в CERN не се раждат непрекъснато, а на „залпове“ и ако знаем момента на раждане на неутриното и момента на поглъщането му в детектора, както и разстоянието между двете лаборатории, можем да изчислим скоростта на неутриното.

Разстоянието между източника и детектора по права линия е приблизително 730 km и е измерено с точност до 20 cm (точното разстояние между референтните точки е 730 534,61 ± 0,20 метра). Вярно е, че процесът, водещ до раждането на неутрино, не е локализиран с такава точност. В CERN лъч от високоенергийни протони се освобождава от SPS ускорителя, пуска се върху графитна мишена и генерира вторични частици, включително мезони. Те все още летят напред с близка до скоростта на светлината и се разпадат на мюони, докато излъчват неутрино. Мюоните също се разпадат и произвеждат допълнителни неутрино. След това всички частици, с изключение на неутрино, се абсорбират в дебелината на веществото и те свободно достигат до мястото на откриване. Общата диаграма на тази част от експеримента е показана на фиг. 1.

Цялата каскада, водеща до появата на неутринен лъч, може да се простира на стотици метри. Въпреки това, тъй като Всичкичастиците в този сноп летят напред със скорост, близка до светлинната; за времето на откриване практически няма разлика дали неутриното се е родило веднага или след километър път (обаче от голямо значение е кога точно е довел първоначалният протон раждането на това неутрино излетя от ускорителя). В резултат на това генерираните неутрино като цяло просто повтарят профила на оригиналния протонен лъч. Следователно ключовият параметър тук е именно времевият профил на протонния лъч, излъчен от ускорителя, по-специално точната позиция на предния и задния му ръб, като този профил се измерва с добро време s m резолюция (виж Фиг. 2).

Всяка сесия на пускане на протонен лъч върху мишена (на английски такава сесия се нарича разлив, „взрив“) продължава приблизително 10 микросекунди и води до раждането на огромен брой неутрино. Въпреки това, почти всички от тях летят направо през Земята (и детектора) без взаимодействие. В тези редки случаи, когато детекторът засече неутрино, не е възможно да се каже в кой точно момент по време на интервала от 10 микросекунди то е било излъчено. Анализът може да се извърши само статистически, тоест да се натрупат много случаи на откриване на неутрино и да се изгради тяхното разпределение във времето спрямо началната точка за всяка сесия. В детектора за начална точка се приема моментът във времето, когато конвенционалният сигнал, движещ се със скоростта на светлината и излъчен точно в момента на предния фронт на протонния лъч, достига до детектора. Точното измерване на този момент стана възможно чрез синхронизиране на часовници в две лаборатории с точност от няколко наносекунди.

На фиг. Фигура 3 показва пример за такова разпределение. Черните точки са реални данни за неутрино, записани от детектора и сумирани за голям брой сесии. Червената крива показва конвенционален "референтен" сигнал, който ще се движи със скоростта на светлината. Може да се види, че данните започват от приблизително 1048,5 ns по-ранореферентен сигнал. Това обаче не означава, че неутриното действително изпреварват светлината с микросекунда, а е само причина внимателно да се измерват всички дължини на кабели, скорости на реакция на оборудването, времена на електронно забавяне и т.н. Тази повторна проверка беше извършена и се оказа, че компенсира "референтния" въртящ момент с 988 ns. Така се оказва, че сигналът от неутрино действително изпреварва референтния сигнал, но само с около 60 наносекунди. По отношение на скоростта на неутрино, това съответства на превишаване на скоростта на светлината с приблизително 0,0025%.

Грешката на това измерване е оценена от авторите на анализа на 10 наносекунди, което включва както статистически, така и систематични грешки. По този начин авторите твърдят, че „виждат“ свръхсветлинно движение на неутрино при ниво на статистическа достоверност от шест стандартни отклонения.

Разликата между резултатите и очакванията с шест стандартни отклонения вече е доста голяма и във физиката на елементарните частици се нарича голямата дума „откритие“. Това число обаче трябва да се разбира правилно: то означава само, че вероятността статистическифлуктуациите в данните са много малки, но това не показва колко надеждна е техниката за обработка на данни и колко добре физиците са взели предвид всички инструментални грешки. В крайна сметка има много примери във физиката на елементарните частици, където необичайни сигнали не са потвърдени от други експерименти с изключително висока статистическа достоверност.

На какво противоречат свръхсветлинните неутрино?

Противно на общоприетото схващане, специалната теория на относителността сама по себе си не забранява съществуването на частици, движещи се със свръхсветлинни скорости. Но за такива частици (те обикновено се наричат ​​„тахиони“) скоростта на светлината също е граница, но само отдолу – те не могат да се движат по-бавно от нея. В този случай зависимостта на енергията на частиците от скоростта е обратна: колкото по-висока е енергията, толкова по-близо е скоростта на тахионите до скоростта на светлината.

Много по-сериозни проблеми започват в квантовата теория на полето. Тази теория заменя квантовата механика, когато става дума за квантови частици с висока енергия. В тази теория частиците не са точки, а относително казано съсиреци от материално поле и не могат да се разглеждат отделно от полето. Оказва се, че тахионите намаляват енергията на полето, което означава, че правят вакуума нестабилен. Тогава е по-изгодно за празнотата спонтанно да се разпадне на огромен брой от тези частици и следователно е просто безсмислено да се разглежда движението на един тахион в обикновено празно пространство. Можем да кажем, че тахионът не е частица, а нестабилност на вакуума.

В случая на тахион-фермиони ситуацията е малко по-сложна, но и там възникват сравними трудности, които пречат на създаването на самосъгласувана тахионна квантова теория на полето, включително обикновената теория на относителността.

Това обаче не е и последната дума на теория. Точно както експериментаторите измерват всичко, което може да бъде измерено, теоретиците също тестват всички възможни хипотетични модели, които не противоречат на наличните данни. По-специално, има теории, в които се допуска малко, все още незабелязано, отклонение от постулатите на теорията на относителността - например самата скорост на светлината може да бъде променлива стойност. Такива теории все още нямат пряка експериментална подкрепа, но все още не са затворени.

Тази кратка скица на теоретичните възможности може да бъде обобщена по следния начин: въпреки че свръхсветлинното движение е възможно в някои теоретични модели, те остават чисто хипотетични конструкции. Всички налични експериментални данни днес са описани от стандартни теории без свръхсветлинно движение. Следователно, ако бъде надеждно потвърдено поне за някои частици, квантовата теория на полето ще трябва да бъде радикално преработена.

Трябва ли резултатът от OPERA да се счита за „първи признак“ в този смисъл? още не Може би най-важната причина за скептицизъм остава фактът, че резултатът от OPERA не е в съответствие с други експериментални данни за неутрино.

Първо, по време на прочутата експлозия на супернова SN1987A бяха записани и неутрино, които пристигнаха няколко часа преди светлинния импулс. Това не означава, че неутриното се движат по-бързо от светлината, а просто отразява факта, че неутриното се излъчва по-рано при колапса на ядрото на свръхновата, отколкото светлината. Въпреки това, тъй като неутриното и светлината, след пътуване в продължение на 170 хиляди години, не се разминават с повече от няколко часа, това означава, че техните скорости са много близки и се различават с не повече от части от един милиард. Експериментът OPERA показва хиляди пъти по-голямо несъответствие.

Тук, разбира се, можем да кажем, че неутриното, получено по време на експлозия на свръхнова, и неутриното от CERN се различават значително по енергия (няколко десетки MeV в свръхнови и 10–40 GeV в описания експеримент), а скоростта на неутриното варира в зависимост от енергията . Но тази промяна в този случай работи в „грешната“ посока: в края на краищата, колкото по-висока е енергията на тахионите, толкова по-близка трябва да е тяхната скорост до скоростта на светлината. Разбира се, и тук можем да излезем с някаква модификация на тахионната теория, при която тази зависимост да е съвсем различна, но в този случай ще трябва да обсъдим „двойно-хипотетичния” модел.

Освен това, от изобилието от експериментални данни за осцилациите на неутрино, получени през последните години, следва, че масите на всички неутрино се различават една от друга само с части от електронволт. Ако резултатът от OPERA се възприема като проявление на свръхсветлинното движение на неутрино, тогава стойността на квадрат на масата на поне едно неутрино ще бъде от порядъка на –(100 MeV) 2 (отрицателната квадратна маса е математическо проявление на фактът, че частицата се счита за тахион). Тогава трябва да го признаем Всичкивидовете неутрино са тахиони и имат приблизително еднаква маса. От друга страна, директното измерване на масата на неутриното при бета разпада на тритиевите ядра показва, че масата на неутриното (по абсолютна стойност) не трябва да надвишава 2 електронволта. С други думи, няма да е възможно да съгласувате всички тези данни помежду си.

Изводът от това може да се направи, както следва: декларираният резултат от сътрудничеството на OPERA е трудно да се впише в каквито и да е, дори и в най-екзотичните теоретични модели.

какво следва

Във всички големи колаборации във физиката на елементарните частици е нормална практика всеки конкретен анализ да се извършва от малка група участници и едва след това резултатите се представят за общо обсъждане. В този случай, очевидно, този етап е бил твърде кратък, в резултат на което не всички участници в сътрудничеството са се съгласили да подпишат статията (пълният списък включва 216 участници в експеримента, но предпечатът има само 174 автори). Следователно в близко бъдеще, очевидно, ще бъдат извършени много допълнителни проверки в рамките на сътрудничеството и едва след това статията ще бъде изпратена за печат.

Разбира се, сега можем да очакваме поток от теоретични статии с различни екзотични обяснения за този резултат. Въпреки това, докато посоченият резултат не бъде надеждно повторно проверен, той не може да се счита за пълноценно откритие.

Доктор на техническите науки А. ГОЛУБЕВ.

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

Примери за "свръхсветлинно" движение.

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

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

Експериментът на Lijun Wong.

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

Светлинният импулс е набор от трептения с различни честоти.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

„Информацията тук вече се съдържа в предния ръб на импулса“, казва П. Милони, физик от Националната лаборатория в Лос Аламос в Съединените щати, „и може да създаде впечатлението, че изпраща информация по-бързо от светлината, дори когато вие не го изпращат."

Повечето физици смятат, че новата работа не нанася опустошителен удар на фундаменталните принципи. Но не всички физици смятат, че проблемът е решен. Професор А. Ранфани от италианската изследователска група, която проведе друг интересен експеримент през 2000 г., смята, че въпросът все още е открит. Този експеримент, проведен от Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni и Rocco Ruggeri, открива, че радиовълните от сантиметрови вълни при нормално пътуване по въздуха при скорости надвишават сс 25%.

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

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

Вижте изданието по същата тема

През септември 2011 г. физикът Антонио Ередитато шокира света. Изявлението му може да революционизира нашето разбиране за Вселената. Ако данните, събрани от 160 учени от проекта OPERA, бяха верни, невероятното беше наблюдавано. Частиците - в този случай неутрино - се движеха по-бързо от светлината. Според теорията на относителността на Айнщайн това е невъзможно. И последствията от подобно наблюдение биха били невероятни. Може би трябва да се преразгледат самите основи на физиката.

Въпреки че Ередитато каза, че той и екипът му са „изключително уверени“ в своите резултати, те не казаха, че данните са напълно точни. Вместо това те помолили други учени да им помогнат да разберат какво се случва.

В крайна сметка се оказа, че резултатите на OPERA са грешни. Поради лошо свързан кабел имаше проблем със синхронизацията и сигналите от GPS сателитите бяха неточни. Имаше неочаквано забавяне на сигнала. В резултат на това измерванията на времето, необходимо на неутриното да изминат определено разстояние, показаха допълнителни 73 наносекунди: изглеждаше, че неутриното се движат по-бързо от светлината.

Въпреки месеците на внимателно тестване преди експеримента и повторната проверка на данните след това, учените сериозно грешат. Ередитато подаде оставка въпреки коментарите на мнозина, че подобни грешки винаги се случват поради изключителната сложност на ускорителите на частици.

Защо предположението – само предположението – че нещо може да се движи по-бързо от светлината предизвика такъв шум? Колко сигурни сме, че нищо не може да преодолее тази бариера?

Нека първо разгледаме втория от тези въпроси. Скоростта на светлината във вакуум е 299 792,458 километра в секунда - за удобство това число е закръглено на 300 000 километра в секунда. Става доста бързо. Слънцето е на 150 милиона километра от Земята, а светлината му достига до Земята само за осем минути и двадесет секунди.

Може ли някое от нашите творения да се състезава в надпреварата със светлината? Един от най-бързите изкуствени обекти, създавани някога, космическата сонда New Horizons профуча покрай Плутон и Харон през юли 2015 г. Той достигна скорост спрямо Земята от 16 km/s. Много по-малко от 300 000 км/с.

Имахме обаче малки частици, които се движеха доста бързо. В началото на 60-те години Уилям Бертоци от MIT експериментира с ускоряване на електрони до още по-високи скорости.

Тъй като електроните имат отрицателен заряд, те могат да бъдат ускорени - по-точно, отблъснати - чрез прилагане на същия отрицателен заряд към материал. Колкото повече енергия се прилага, толкова по-бързо се ускоряват електроните.

Човек би си помислил, че просто ще трябва да увеличи приложената енергия, за да достигне скорост от 300 000 km/s. Но се оказва, че електроните просто не могат да се движат толкова бързо. Експериментите на Бертоци показаха, че използването на повече енергия не води до правопропорционално увеличение на скоростта на електроните.

Вместо това трябваше да се приложат огромни количества допълнителна енергия, за да се промени дори леко скоростта на електроните. Тя се приближаваше все по-близо до скоростта на светлината, но така и не я достигна.

Представете си, че се придвижвате към вратата на малки стъпки, като всяка стъпка покрива половината разстояние от текущата ви позиция до вратата. Строго погледнато, никога няма да стигнете до вратата, защото след всяка стъпка, която направите, все още ще имате разстояние за преминаване. Бертоци се натъкна на приблизително същия проблем, докато се занимаваше с електроните си.

Но светлината се състои от частици, наречени фотони. Защо тези частици могат да се движат със скоростта на светлината, но електроните не могат?

„Тъй като обектите се движат все по-бързо и по-бързо, те стават по-тежки – колкото по-тежки стават, толкова по-трудно е да се ускорят, така че никога да не достигнете скоростта на светлината“, казва Роджър Расул, физик от университета в Мелбърн в Австралия. „Фотонът няма маса. Ако имаше маса, не можеше да се движи със скоростта на светлината."

Фотоните са специални. Те не само нямат маса, която им осигурява пълна свобода на движение във вакуума на космоса, но и не се нуждаят от ускорение. Естествената енергия, която имат, се движи на вълни точно като тях, така че когато са създадени, те вече имат максимална скорост. В някои отношения е по-лесно да мислим за светлината като енергия, отколкото като поток от частици, въпреки че всъщност светлината е и двете.

Светлината обаче пътува много по-бавно, отколкото бихме могли да очакваме. Въпреки че интернет технолозите обичат да говорят за комуникации, работещи със „скоростта на светлината“ във влакнеста оптика, светлината се движи с 40% по-бавно в стъклена оптика, отколкото във вакуум.

В действителност фотоните се движат със скорости от 300 000 km/s, но срещат известно количество смущения, причинени от други фотони, излъчени от стъклени атоми, докато основната светлинна вълна преминава през тях. Това може да не е лесно за разбиране, но поне опитахме.

По същия начин, в рамките на специални експерименти с отделни фотони, беше възможно да се забавят доста впечатляващо. Но за повечето случаи 300 000 биха били правилните. Не сме виждали или построили нещо, което може да се движи толкова бързо или дори по-бързо. Има специални точки, но преди да ги засегнем, нека се спрем на другия ни въпрос. Защо е толкова важно правилото за скоростта на светлината да се спазва стриктно?

Отговорът е свързан с човек на име , както често се случва във физиката. Неговата специална теория на относителността изследва многото последици от неговите универсални ограничения на скоростта. Един от най-важните елементи на теорията е идеята, че скоростта на светлината е постоянна. Без значение къде се намирате или колко бързо се движите, светлината винаги се движи с една и съща скорост.

Но това повдига няколко концептуални проблема.

Представете си светлината, която пада от фенерче върху огледало на тавана на неподвижен космически кораб. Светлината се издига, отразява се от огледалото и пада върху пода на космическия кораб. Да кажем, че изминава разстояние от 10 метра.

Сега си представете, че този космически кораб започва да се движи с колосална скорост от много хиляди километри в секунда. Когато включите фенерчето, светлината се държи както преди: свети нагоре, удря огледалото и се отразява на пода. Но за да направи това, светлината ще трябва да измине диагонално разстояние, а не вертикално. В крайна сметка огледалото сега се движи бързо заедно с космическия кораб.

Съответно разстоянието, което светлината изминава, се увеличава. Да кажем 5 метра. Оказва се общо 15 метра, а не 10.

И въпреки това, въпреки че разстоянието се е увеличило, теориите на Айнщайн твърдят, че светлината все още ще пътува със същата скорост. Тъй като скоростта е разстоянието, разделено на времето, тъй като скоростта остава същата и разстоянието се увеличава, времето също трябва да се увеличи. Да, самото време трябва да се простира. И макар това да звучи странно, е потвърдено експериментално.

Това явление се нарича забавяне на времето. Времето тече по-бавно за хората, които пътуват в бързо движещи се превозни средства в сравнение с тези, които са неподвижни.

Например времето се движи с 0,007 секунди по-бавно за астронавтите на Международната космическа станция, която се движи със 7,66 km/s спрямо Земята, в сравнение с хората на планетата. Още по-интересна е ситуацията с частици като гореспоменатите електрони, които могат да се движат близо до скоростта на светлината. В случая на тези частици степента на забавяне ще бъде огромна.

Стивън Колтамер, експериментален физик от Оксфордския университет в Обединеното кралство, посочва примера на частици, наречени мюони.

Мюоните са нестабилни: те бързо се разпадат на по-прости частици. Толкова бързо, че повечето мюони, напускащи Слънцето, трябва да се разпаднат, докато достигнат Земята. Но в действителност мюоните пристигат на Земята от Слънцето в колосални обеми. Физиците отдавна се опитват да разберат защо.

„Отговорът на тази мистерия е, че мюоните се генерират с такава енергия, че пътуват със скорост, близка до скоростта на светлината“, казва Колтамер. „Усещането им за време, така да се каже, вътрешният им часовник е бавен.“

Мюоните "остават живи" по-дълго от очакваното спрямо нас, благодарение на истинско, естествено изкривяване на времето. Когато обектите се движат бързо спрямо други обекти, тяхната дължина също намалява и се свива. Тези последствия, забавяне на времето и намаляване на дължината, са примери за това как пространство-времето се променя в зависимост от движението на неща - аз, вие или космически кораб - които имат маса.

Това, което е важно, както каза Айнщайн, е, че светлината не се влияе, защото няма маса. Ето защо тези принципи вървят ръка за ръка. Ако нещата можеха да пътуват по-бързо от светлината, те щяха да се подчиняват на основните закони, които описват как работи Вселената. Това са основните принципи. Сега можем да говорим за няколко изключения и изключения.

От една страна, въпреки че не сме виждали нищо, което да се движи по-бързо от светлината, това не означава, че това ограничение на скоростта теоретично не може да бъде победено при много специфични условия. Вземете например разширяването на самата Вселена. Галактиките във Вселената се отдалечават една от друга със скорости, значително надвишаващи скоростта на светлината.

Друга интересна ситуация се отнася до частици, които споделят едни и същи свойства по едно и също време, без значение колко далеч са една от друга. Това е така нареченото „квантово заплитане“. Фотонът ще се върти нагоре и надолу, произволно избирайки между две възможни състояния, но изборът на посока на въртене ще бъде точно отразен в друг фотон другаде, ако са заплетени.

Двама учени, всеки от които изучава своя собствен фотон, биха получили един и същ резултат едновременно, по-бързо, отколкото позволява скоростта на светлината.

И в двата примера обаче е важно да се отбележи, че никоя информация не се движи по-бързо от скоростта на светлината между два обекта. Можем да изчислим разширяването на Вселената, но не можем да наблюдаваме обекти, по-бързи от светлината в нея: те са изчезнали от полезрението.

Що се отнася до двама учени с техните фотони, въпреки че можеха да получат един резултат едновременно, те не можеха да си позволят да го разберат по-бързо, отколкото светлината пътува между тях.

„Това не ни създава никакви проблеми, защото ако можете да изпращате сигнали по-бързи от светлината, получавате странни парадокси, при които информацията по някакъв начин може да се върне назад във времето“, казва Колтамер.

Има друг възможен начин да направим пътуването по-бързо от светлината технически възможно: пукнатини в пространство-времето, които биха позволили на пътника да избяга от правилата на нормалното пътуване.

Джералд Кливър от университета Бейлър в Тексас вярва, че един ден ще можем да построим космически кораб, който пътува по-бързо от светлината. Който се движи през червеева дупка. Червеевите дупки са примки в пространство-времето, които идеално се вписват в теориите на Айншейн. Те биха могли да позволят на астронавт да скочи от единия край на Вселената до другия чрез аномалия в пространство-времето, някаква форма на космически пряк път.

Обект, пътуващ през червеева дупка, няма да надвиши скоростта на светлината, но теоретично може да достигне местоназначението си по-бързо от светлината, която поема по „нормален“ път. Но червеевите дупки може да са напълно недостъпни за космически пътувания. Може ли да има друг начин за активно изкривяване на пространство-времето, за да се движи по-бързо от 300 000 km/s спрямо някой друг?

Кливър също изследва идеята за "двигател на Алкубиер" през 1994 г. Той описва ситуация, при която пространство-времето се свива пред космическия кораб, изтласквайки го напред, и се разширява зад него, като също го избутва напред. „Но тогава“, казва Кливър, „възникнаха проблемите: как да го направим и колко енергия ще е необходима.“

През 2008 г. той и неговият студент Ричард Обузи изчисляват колко енергия ще е необходима.

„Представихме си кораб с размери 10m x 10m x 10m – 1000 кубически метра – и изчислихме, че количеството енергия, необходимо за стартиране на процеса, ще бъде еквивалентно на масата на целия Юпитер.“

След това енергията трябва постоянно да се „добавя“, за да не свърши процесът. Никой не знае дали това някога ще бъде възможно или как ще изглежда необходимата технология. „Не искам да бъда цитиран векове наред, сякаш съм предсказал нещо, което никога няма да се случи“, казва Кливър, „но все още не виждам никакви решения.“

Така че пътуването по-бързо от скоростта на светлината остава научна фантастика в момента. Засега единственият начин е да се потопите в дълбока спряна анимация. И все пак не всичко е лошо. През повечето време говорихме за видимата светлина. Но в действителност светлината е много повече от това. От радиовълни и микровълни до видима светлина, ултравиолетова радиация, рентгенови лъчи и гама лъчи, излъчвани от атомите при разпадането им, всички тези красиви лъчи са направени от едно и също нещо: фотони.

Разликата е в енергията и следователно в дължината на вълната. Заедно тези лъчи образуват електромагнитния спектър. Фактът, че радиовълните например се разпространяват със скоростта на светлината, е невероятно полезен за комуникацията.

В своите изследвания Kolthammer създава верига, която използва фотони за предаване на сигнали от една част на веригата към друга, така че той е добре квалифициран да коментира полезността на невероятната скорост на светлината.

„Самият факт, че изградихме инфраструктурата на интернет например и радиото преди него, базирана на светлина, е свързан с лекотата, с която можем да я предаваме“, отбелязва той. И добавя, че светлината действа като комуникационна сила на Вселената. Когато електроните в мобилния телефон започнат да се разклащат, фотоните се освобождават и карат електроните в друг мобилен телефон също да се разклащат. Така се ражда едно телефонно обаждане. Треперенето на електроните в Слънцето също излъчва фотони - в огромни количества - които, разбира се, образуват светлина, давайки на живота на Земята топлина и, хм, светлина.

Светлината е универсалният език на Вселената. Неговата скорост – 299 792,458 км/с – остава постоянна. Междувременно пространството и времето са ковки. Може би трябва да мислим не как да се движим по-бързо от светлината, а как да се движим по-бързо през това пространство и това време? Отидете до корена, така да се каже?

Екип от учени от експеримента OPERA, в сътрудничество с Европейската организация за ядрени изследвания (CERN), публикува сензационни резултати от експеримент за преодоляване на скоростта на светлината. Резултатите от експеримента опровергават специалната теория на относителността на Алберт Айнщайн, на която се основава цялата съвременна физика. Теорията гласи, че скоростта на светлината е 299 792 458 m/s и елементарните частици не могат да се движат по-бързо от скоростта на светлината.

Въпреки това учените записаха, че лъчът неутрино го надвишава с 60 наносекунди при покриване на 732 км. Това се случи на 22 септември по време на експеримент, проведен от международна група ядрени физици от Италия, Франция, Русия, Корея, Япония и други страни.

Експериментът протича по следния начин: протонен лъч се ускорява в специален ускорител и се удря в центъра на специална цел. Така се раждат мезоните – частици, състоящи се от кварки.

Когато мезоните се разпадат, се раждат неутрино“, обясни за Известия академикът на РАН Валери Рубаков, главен научен сътрудник в Института за ядрени изследвания на Руската академия на науките. - Лъчът е позициониран така, че неутриното изминава 732 км и достига италианската подземна лаборатория в Гран Сасо. Той съдържа специален детектор, който регистрира скоростта на лъча неутрино.

Резултатите от изследването разделят научния свят. Някои учени отказват да повярват на резултатите.

Това, което направиха в ЦЕРН, е невъзможно от съвременна гледна точка на физиката“, каза за „Известия“ академикът на РАН Спартак Беляев, научен директор на Института по обща и ядрена физика. - Трябва да се провери този експеримент и резултатите от него - може би просто са сбъркани. Всички експерименти, проведени преди това, се вписват в съществуващата теория и няма нужда да се паникьосвате поради един експеримент, проведен веднъж.

В същото време академик Беляев признава: ако е възможно да се докаже, че едно неутрино може да се движи по-бързо от скоростта на светлината, това ще бъде революция.

Тогава ще трябва да нарушим цялата физика“, каза той.

Ако резултатите се потвърдят, това ще бъде революция“, съгласен е акад. Рубаков. - Трудно е да се каже как ще се окаже това за обикновените хора. Като цяло, разбира се, е възможно да се промени специалната теория на относителността, но е изключително трудно да се направи това и каква теория ще изкристализира в резултат на това не е напълно ясно.

Рубаков отбеляза, че в доклада се посочва, че за трите години на експеримента са записани и измерени 15 хиляди събития.

Статистиката е много добра, а в експеримента участва международна група от авторитетни учени“, обобщава Рубаков.

Академиците подчертаха, че по света редовно се правят опити за експериментално опровергаване на специалната теория на относителността. Все още обаче нито един от тях не е дал положителен резултат.

Сенките могат да се движат по-бързо от светлината, но не могат да транспортират материя или информация

Възможен ли е свръхсветлинен полет?

Разделите на тази статия са със субтитри и всеки раздел може да бъде цитиран отделно.

Прости примери за свръхсветлинно пътуване

1. Ефект на Черенков

Когато говорим за движение със свръхсветлинни скорости, имаме предвид скоростта на светлината във вакуум c(299 792 458 m/s). Следователно ефектът на Черенков не може да се разглежда като пример за движение със свръхсветлинна скорост.

2. Трети наблюдател

Ако ракетата Аотлита от мен със скорост 0,6cна запад и ракетата ботлита от мен със скорост 0,6cна изток, тогава виждам, че разстоянието между АИ бнараства със скоростта 1.2c. Гледане на полета на ракетите АИ ботвън третият наблюдател вижда, че общата скорост на извеждане на ракетата е по-голяма от c .

Въпреки това относителна скоростне е равна на сумата от скоростите. АСкорост на ракетата бспрямо ракетата Ае скоростта, с която се увеличава разстоянието до ракетата б, което се вижда от наблюдател, летящ на ракета . Относителната скорост трябва да се изчисли с помощта на релативистичната формула за събиране на скорости. (Вижте Как добавяте скорости в специалната теория на относителността?) В този пример относителната скорост е приблизително равна на 0,88c

. Така че в този пример не получихме свръхсветлинна скорост.

3. Светлина и сянка Помислете колко бързо може да се движи една сянка. Ако лампата е близо, тогава сянката на пръста ви върху далечната стена се движи много по-бързо, отколкото пръстът ви се движи. Когато движите пръста си успоредно на стената, скоростта на сянката е D/d пъти по-бързо от скоростта на вашия пръст.тук d- от лампата до стената. Скоростта ще бъде още по-голяма, ако стената е разположена под ъгъл. Ако стената е много далеч, тогава движението на сянката ще изостане от движението на пръста, тъй като светлината отнема време, за да достигне стената, но скоростта на сянката, движеща се по стената, ще се увеличи още повече. Скоростта на сянката не се ограничава от скоростта на светлината.

Друг обект, който може да пътува по-бързо от светлината, е светлинното петно ​​от лазер, насочен към Луната. Разстоянието до Луната е 385 000 км. Можете сами да изчислите скоростта, с която светлинното петно ​​се движи по повърхността на Луната с леки вибрации на лазерната показалка в ръката ви. Може също да ви хареса примерът на вълна, която удря права линия на плажа под лек ъгъл. С каква скорост може да се движи точката на пресичане на вълната и брега по плажа?

Всички тези неща могат да се случат в природата. Например, лъч светлина от пулсар може да се движи покрай облак прах. Една мощна експлозия може да създаде сферични вълни от светлина или радиация. Когато тези вълни се пресичат с която и да е повърхност, върху тази повърхност се появяват светлинни кръгове и се разширяват по-бързо от светлината. Това явление възниква, например, когато електромагнитен импулс от светкавица преминава през горните слоеве на атмосферата.

4. Твърди

Ако имате дълга твърда пръчка и ударите единия край на пръчката, другият край няма ли да се премести веднага? Това не е ли начин за свръхсветлинно предаване на информация?

Би било истина акоИмаше съвършено твърди тела. На практика ударът се предава по пръта със скоростта на звука, която зависи от еластичността и плътността на материала на пръта. c .

В допълнение, теорията на относителността ограничава възможните скорости на звука в даден материал със стойността

Същият принцип важи, ако държите кордаж или прът вертикално, пуснете го и той започва да пада под въздействието на гравитацията. Горният край, който сте пуснали, започва да пада веднага, но долният край ще започне да се движи едва след известно време, тъй като изчезването на задържащата сила се предава надолу по пръта със скоростта на звука в материала. ρ Формулировката на релативистката теория на еластичността е доста сложна, но общата идея може да бъде илюстрирана с помощта на Нютоновата механика. Уравнението за надлъжното движение на идеално еластично тяло може да се изведе от закона на Хук. Нека обозначим линейната плътност на пръта , модул на еластичност на Юнг Y . Надлъжно преместване X

удовлетворява вълновото уравнение

Разтворът с плоска вълна се движи със скоростта на звука s, което се определя от формулата s 2 = Y/ρ. Вълновото уравнение не позволява на смущенията в средата да се движат по-бързо от скоростта s. В допълнение, теорията на относителността дава граница на големината на еластичността: Y< ρc 2 . На практика никой известен материал не се доближава до тази граница. Моля, имайте предвид също, че дори скоростта на звука да е близка до c, тогава самата материя не се движи непременно с релативистка скорост.

Въпреки че в природата няма твърди тела, има движение на твърди тела, който може да се използва за преодоляване на скоростта на светлината. Тази тема е свързана с вече описания раздел за сенки и светли точки. (Вижте Свръхсветлинните ножици, Твърдият въртящ се диск в теорията на относителността).

5. Фазова скорост

Вълново уравнение
d 2 u/dt 2 - c 2 d 2 u/dx 2 + w 2 u = 0

има решение във формата
u = A cos(ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 = 0

Това са синусоиди, разпространяващи се със скорост v
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Но това е повече от c. Може би това е уравнението за тахионите? (вижте допълнителен раздел). Не, това е обикновено релативистично уравнение за частица с маса.

За да премахнете парадокса, трябва да правите разлика между „фазова скорост“ v ph и "групова скорост" v gr и
v ph · v gr = c 2

Вълновото решение може да има честотна дисперсия. В този случай вълновият пакет се движи с групова скорост, която е по-малка от c. С помощта на вълнов пакет информацията може да се предава само с групова скорост. Вълните във вълновия пакет се движат с фазова скорост. Фазовата скорост е друг пример за свръхсветлинно движение, което не може да се използва за предаване на съобщения.

6. Свръхсветлинни галактики

7. Релативистка ракета

Нека наблюдател на Земята види космически кораб, който се отдалечава със скорост 0,8cСпоред теорията на относителността той ще види, че часовникът на космическия кораб работи 5/3 пъти по-бавно. Ако разделим разстоянието до кораба на времето на полета според бордовия часовник, получаваме скоростта 4/3c. Наблюдателят заключава, че използвайки бордовия си часовник, пилотът на кораба също ще определи, че той лети със свръхсветлинна скорост. От гледна точка на пилота часовникът му върви нормално, но междузвездното пространство се е свило 5/3 пъти. Следователно той прелита известни разстояния между звездите по-бързо, със скорост 4/3c .

Разширяването на времето е реален ефект, който по принцип може да се използва при пътуване в космоса за изминаване на дълги разстояния за кратко време от гледна точка на астронавта. При постоянно ускорение от 1 g астронавтите не само ще имат комфорта на изкуствената гравитация, но и ще могат да прекосят галактиката само за 12 години по свое време. По време на пътуването те ще остареят на 12 години.

Но това все още не е свръхсветлинен полет. Не можете да изчислите скоростта, като използвате разстоянието и времето, определени в различни референтни системи.

8. Скорост на гравитацията

Някои настояват, че скоростта на гравитацията е много по-голяма cили дори безкрайно. Вижте Дали гравитацията пътува със скоростта на светлината? и какво е гравитационно лъчение? Гравитационните смущения и гравитационните вълни се разпространяват със скорост c .

9. EPR парадокс

10. Виртуални фотони

11. Квантов тунелен ефект

В квантовата механика ефектът на тунелиране позволява на частица да преодолее бариера, дори ако няма достатъчно енергия за това. Възможно е да се изчисли времето за тунелиране през такава бариера. И може да се окаже по-малко от това, което е необходимо на светлината да измине същото разстояние със скорост c. Може ли това да се използва за предаване на съобщения по-бързо от светлината?

Квантовата електродинамика казва "Не!" Въпреки това беше проведен експеримент, който демонстрира свръхсветлинен трансфер на информация с помощта на тунелния ефект. През бариера с ширина 11,4 см със скорост 4,7 cЧетиридесетата симфония на Моцарт беше прехвърлена. Обяснението за този експеримент е много противоречиво. Повечето физици смятат, че тунелният ефект не може да предаваинформация

по-бързо от светлината. Ако това беше възможно, тогава защо да не предадем сигнала в миналото, като поставим оборудването в бързо движеща се референтна рамка.

17. Квантова теория на полето

Въпреки това, няма безупречно строги доказателства за квантовата теория на полето на Стандартния модел. Все още никой не е доказал, че тази теория е вътрешно последователна. Най-вероятно това не е така. Във всеки случай няма гаранция, че все още няма неоткрити частици или сили, които не се подчиняват на забраната за свръхсветлинно пътуване. Също така няма обобщение на тази теория, което да включва гравитацията и общата теория на относителността. Много физици, работещи в областта на квантовата гравитация, се съмняват, че простите идеи за причинно-следствената връзка и локалността ще се обобщят. Няма гаранция, че в бъдеща по-пълна теория скоростта на светлината ще запази значението на крайната скорост.

18. Парадоксът на дядото

В специалната теория на относителността частица, движеща се по-бързо от светлината в една отправна система, се движи назад във времето в друга отправна система. FTL пътуването или трансферът на информация биха направили възможно пътуването или изпращането на съобщение в миналото.

Ако такова пътуване във времето беше възможно, бихте могли да се върнете назад във времето и да промените хода на историята, като убиете дядо си.

Това е много сериозен аргумент срещу възможността за свръхсветлинно пътуване. Вярно е, че остава почти неправдоподобна възможност някакво ограничено свръхсветлинно пътуване да е възможно, предотвратявайки връщане в миналото. Или може би пътуването във времето е възможно, но причинно-следствената връзка е нарушена по някакъв последователен начин. Всичко това е много пресилено, но ако обсъждаме FTL пътуване, най-добре е да сте отворени за нови идеи.

Обратното също е вярно. Ако можехме да пътуваме назад във времето, бихме могли да преодолеем скоростта на светлината. Можете да се върнете назад във времето, да летите някъде с ниска скорост и да пристигнете там, преди да пристигне светлината, изпратена по обичайния начин. Вижте Пътуване във времето за подробности по тази тема.

Отворени въпроси относно пътуването, по-бързо от светлината

В този последен раздел ще опиша някои сериозни идеи за възможно пътуване по-бързо от светлината. Тези теми не се включват често в ЧЗВ, защото изглеждат по-малко като отговори, а повече като много нови въпроси. Те са включени тук, за да покажат, че се правят сериозни изследвания в тази посока. Дава се само кратко въведение в темата. Можете да намерите подробности в интернет. Както към всичко в Интернет, бъдете критични към тях.

Тахионите са хипотетични частици, които локално пътуват по-бързо от светлината. За да направят това, те трябва да имат въображаема маса.

Освен това енергията и импулсът на тахиона са реални величини. Няма причина да се смята, че свръхсветлинните частици не могат да бъдат открити. Сенките и светлините могат да се движат по-бързо от светлината и могат да бъдат открити.

Досега тахиони не са открити и физиците се съмняват в тяхното съществуване.

Има твърдения, че в експерименти за измерване на масата на неутриното, получено от бета-разпада на тритий, неутриното са били тахиони.

Това е съмнително, но все още не е категорично опровергано.

Има проблеми с тахионната теория. В допълнение към възможното нарушаване на причинно-следствената връзка, тахионите също правят вакуума нестабилен. Може да е възможно да се заобиколят тези трудности, но дори и тогава няма да можем да използваме тахиони за свръхсветлинно предаване на съобщения.

Повечето физици смятат, че появата на тахиони в теорията е знак за някои проблеми в тази теория. Идеята за тахионите е толкова популярна сред обществеността просто защото те често се споменават в научно-фантастичната литература. Вижте Тахиони. 20. Червееви дупкиНай-известният метод за глобално свръхсветлинно пътуване е използването на червееви дупки. Червеевата дупка е разрез в пространство-времето от една точка на Вселената до друга, което ви позволява да пътувате от единия край на дупката до другия по-бързо от обичайния път. Червеевите дупки се описват от общата теория на относителността.