Dedikeret til direkte måling af neutrinohastighed. Resultaterne lyder sensationelle: neutrinohastigheden var lidt - men statistisk signifikant! - hurtigere end lysets hastighed. Samarbejdspapiret indeholder en analyse af forskellige kilder til fejl og usikkerheder, men reaktionen fra langt de fleste fysikere er fortsat meget skeptisk, primært fordi dette resultat ikke stemmer overens med andre eksperimentelle data om neutrinoers egenskaber.

Ris. 1.

Eksperimentdetaljer

Idéen med eksperimentet (se OPERA-eksperiment) er meget enkel. En neutrinostråle fødes ved CERN, flyver gennem Jorden til det italienske Gran Sasso-laboratorium og passerer der gennem en speciel OPERA neutrinodetektor. Neutrinoer interagerer meget svagt med stof, men fordi deres flux fra CERN er så stor, kolliderer nogle neutrinoer stadig med atomer inde i detektoren. Der genererer de en kaskade af ladede partikler og efterlader derved deres signal i detektoren. Neutrinoer på CERN fødes ikke kontinuerligt, men i "udbrud", og hvis vi kender neutrinoens fødselstidspunkt og tidspunktet for dens absorption i detektoren, samt afstanden mellem de to laboratorier, kan vi beregne hastigheden af neutrinoen.

Afstanden mellem kilden og detektoren i en lige linje er cirka 730 km, og den måles med en nøjagtighed på 20 cm (den nøjagtige afstand mellem referencepunkterne er 730.534,61 ± 0,20 meter). Det er sandt, at processen, der fører til fødslen af ​​neutrinoer, ikke er lokaliseret med en sådan nøjagtighed. Ved CERN frigives en stråle af højenergiprotoner fra SPS-acceleratoren, falder ned på et grafitmål og genererer sekundære partikler, inklusive mesoner. De flyver stadig fremad med næsten lys hastighed og henfalder til myoner, mens de udsender neutrinoer. Myoner henfalder også og producerer yderligere neutrinoer. Derefter absorberes alle partikler, undtagen neutrinoer, i stoffets tykkelse, og de når frit til detektionsstedet. Det generelle diagram af denne del af eksperimentet er vist i fig. 1.

Hele kaskaden, der fører til udseendet af en neutrinostråle, kan strække sig i hundredvis af meter. Dog siden Alle partiklerne i denne flok flyver frem med næsten lys hastighed for detektionstiden er der praktisk talt ingen forskel, om neutrinoen blev født umiddelbart eller efter en kilometers rejse (det er dog af stor betydning, hvornår præcis den oprindelige proton, der førte til; fødslen af ​​denne neutrino fløj ud af acceleratoren). Som et resultat gentager de genererede neutrinoer i det store og hele blot profilen af ​​den oprindelige protonstråle. Derfor er nøgleparameteren her netop tidsprofilen af ​​protonstrålen udsendt fra acceleratoren, især den nøjagtige position af dens for- og bagkant, og denne profil måles med god tid s m opløsning (se fig. 2).

Hver session med at slippe en protonstråle ned på et mål (på engelsk kaldes en sådan session spilde, "burst") varer cirka 10 mikrosekunder og fører til fødslen af ​​et stort antal neutrinoer. Men næsten alle af dem flyver lige gennem Jorden (og detektoren) uden interaktion. I de sjældne tilfælde, hvor detektoren registrerer en neutrino, er det umuligt at sige, på hvilket nøjagtigt tidspunkt i intervallet på 10 mikrosekunder den blev udsendt. Analysen kan kun udføres statistisk, det vil sige akkumulere mange tilfælde af neutrino-detektion og konstruere deres fordeling over tid i forhold til udgangspunktet for hver session. I detektoren tages udgangspunktet i det tidspunkt, hvor det konventionelle signal, der bevæger sig med lysets hastighed og udsendes nøjagtigt i det øjeblik, hvor protonstrålens forkant når frem til detektoren. Nøjagtig måling af dette øjeblik blev muliggjort ved at synkronisere ure i to laboratorier med en nøjagtighed på nogle få nanosekunder.

I fig. Figur 3 viser et eksempel på en sådan fordeling. De sorte prikker er ægte neutrinodata, der registreres af detektoren og summeres over et stort antal sessioner. Den røde kurve viser et konventionelt "reference" signal, der ville bevæge sig med lysets hastighed. Det kan ses, at dataene starter ved cirka 1048,5 ns tidligere referencesignal. Dette betyder dog ikke, at neutrinoer faktisk er et mikrosekund foran lyset, men er kun en grund til nøje at måle alle kabellængder, udstyrs responshastigheder, elektroniske forsinkelsestider og så videre. Denne genkontrol blev udført, og det viste sig, at den udlignede "reference"-drejningsmomentet med 988 ns. Det viser sig således, at neutrinosignalet faktisk overhaler referencesignalet, men kun med omkring 60 nanosekunder. Med hensyn til neutrinohastighed svarer dette til at overskride lysets hastighed med cirka 0,0025 %.

Fejlen i denne måling blev af analysens forfattere estimeret til at være 10 nanosekunder, hvilket inkluderer både statistiske og systematiske fejl. Således hævder forfatterne, at de "ser" superluminal neutrinobevægelse ved et statistisk konfidensniveau på seks standardafvigelser.

Forskellen mellem resultater og forventninger med seks standardafvigelser er allerede ret stor og kaldes i partikelfysik det store ord "opdagelse". Dette tal skal dog forstås korrekt: det betyder kun, at sandsynligheden statistisk udsving i dataene er meget små, men det indikerer ikke, hvor pålidelig databehandlingsteknikken er, og hvor godt fysikerne tog højde for alle instrumentelle fejl. Der er trods alt mange eksempler i partikelfysikken, hvor usædvanlige signaler ikke blev bekræftet af andre eksperimenter med usædvanlig høj statistisk sikkerhed.

Hvad modsiger superluminale neutrinoer?

I modsætning til populær tro, forbyder den særlige relativitetsteori ikke i sig selv eksistensen af ​​partikler, der bevæger sig med superluminale hastigheder. Men for sådanne partikler (de kaldes generelt "tachyoner") er lysets hastighed også en grænse, men kun nedefra - de kan ikke bevæge sig langsommere end den. I dette tilfælde er partikelenergiens afhængighed af hastigheden omvendt: Jo højere energien er, jo tættere er tachyonernes hastighed på lysets hastighed.

Meget mere alvorlige problemer begynder i kvantefeltteorien. Denne teori erstatter kvantemekanikken, når det kommer til kvantepartikler med høj energi. I denne teori er partikler ikke punkter, men relativt set koagler af et materielt felt, og de kan ikke betragtes separat fra feltet. Det viser sig, at tachyoner sænker feltets energi, hvilket betyder, at de gør vakuumet ustabilt. Det er da mere fordelagtigt for tomrummet spontant at desintegreres i et stort antal af disse partikler, og derfor er det simpelthen meningsløst at overveje bevægelsen af ​​en tachyon i almindeligt tomt rum. Vi kan sige, at tachyonen ikke er en partikel, men en ustabilitet af vakuumet.

I tilfælde af tachyon-fermioner er situationen noget mere kompliceret, men også der opstår sammenlignelige vanskeligheder, der forhindrer skabelsen af ​​en selvkonsistent tachyon kvantefeltteori, herunder den almindelige relativitetsteori.

Dette er dog heller ikke det sidste ord i teorien. Ligesom eksperimentalister måler alt, hvad der kan måles, tester teoretikere også alle mulige hypotetiske modeller, der ikke modsiger de tilgængelige data. Der er især teorier, hvor en lille, endnu ikke bemærket, afvigelse fra relativitetsteoriens postulater er tilladt - for eksempel kan selve lysets hastighed være en variabel værdi. Sådanne teorier har endnu ikke direkte eksperimentel støtte, men de er endnu ikke lukkede.

Denne korte skitse af teoretiske muligheder kan opsummeres som følger: Selvom superluminal bevægelse er mulig i nogle teoretiske modeller, forbliver de rent hypotetiske konstruktioner. Alle eksperimentelle data, der er tilgængelige i dag, er beskrevet af standardteorier uden superluminal bevægelse. Derfor, hvis det blev pålideligt bekræftet for i det mindste nogle partikler, ville kvantefeltteorien skulle laves radikalt om.

Skal OPERA-resultatet betragtes som det "første tegn" i denne forstand? Ikke endnu. Den måske vigtigste grund til skepsis er fortsat det faktum, at OPERA-resultatet ikke stemmer overens med andre eksperimentelle data om neutrinoer.

For det første blev der under den berømte supernovaeksplosion SN1987A også registreret neutrinoer, der ankom flere timer før lysimpulsen. Dette betyder ikke, at neutrinoerne rejste hurtigere end lyset, men afspejler blot det faktum, at neutrinoer udsendes tidligere i supernovakernens kollaps end lyset. Men da neutrinoer og lys, efter at have rejst i 170 tusinde år, ikke divergerede med mere end et par timer, betyder det, at deres hastigheder er meget tæt på og ikke afviger med mere end milliardtedele. OPERA-eksperimentet viser tusindvis af gange større uoverensstemmelse.

Her kan vi selvfølgelig sige, at neutrinoer produceret under supernovaeksplosioner og neutrinoer fra CERN adskiller sig meget i energi (flere tiere MeV i supernovaer og 10–40 GeV i det beskrevne eksperiment), og neutrinoers hastighed varierer afhængigt af energien . Men denne ændring i dette tilfælde virker i den "forkerte" retning: jo højere energien af ​​tachyoner er, jo tættere skal deres hastighed være på lysets hastighed. Selvfølgelig kan vi også her komme med en modifikation af tachyon-teorien, hvor denne afhængighed ville være helt anderledes, men i dette tilfælde bliver vi nødt til at diskutere den "dobbelt-hypotetiske" model.

Ydermere, fra det væld af eksperimentelle data om neutrinoscillationer opnået i de senere år, følger det, at masserne af alle neutrinoer kun adskiller sig fra hinanden med brøkdele af en elektronvolt. Hvis resultatet af OPERA opfattes som en manifestation af neutrinoers superluminale bevægelse, så vil den kvadrerede værdi af massen af ​​mindst én neutrino være af størrelsesordenen –(100 MeV) 2 (negativ kvadratisk masse er en matematisk manifestation af det faktum, at partiklen betragtes som en tachyon). Så må vi indrømme det Alle typer af neutrinoer er tachyoner og har omtrent samme masse. På den anden side viser direkte måling af neutrinomassen i tritiumkerners beta-henfald, at neutrinomassen (i absolut værdi) ikke bør overstige 2 elektronvolt. Det vil med andre ord ikke være muligt at afstemme alle disse data med hinanden.

Konklusionen heraf kan drages som følger: Det erklærede resultat af OPERA-samarbejdet er svært at passe ind i nogen, selv de mest eksotiske teoretiske modeller.

Hvad er det næste?

I alle store samarbejder inden for partikelfysik er det normal praksis, at hver specifik analyse udføres af en lille gruppe deltagere, og først derefter præsenteres resultaterne til generel diskussion. I dette tilfælde var denne fase tilsyneladende for kort, hvilket resulterede i, at ikke alle deltagere i samarbejdet gik med til at underskrive artiklen (den fulde liste omfatter 216 deltagere i eksperimentet, men fortrykket har kun 174 forfattere). Derfor vil der i den nærmeste fremtid tilsyneladende blive udført mange yderligere kontroller inden for samarbejdet, og først herefter vil artiklen blive sendt til tryk.

Selvfølgelig kan vi nu forvente en strøm af teoretiske artikler med forskellige eksotiske forklaringer på dette resultat. Men indtil det angivne resultat er pålideligt dobbelttjekket, kan det ikke betragtes som en fuldgyldig opdagelse.

Doktor i tekniske videnskaber A. GOLUBEV.

I midten af ​​sidste år dukkede en opsigtsvækkende melding op i magasiner. En gruppe amerikanske forskere har opdaget, at en meget kort laserimpuls bevæger sig i et særligt udvalgt medium hundredvis af gange hurtigere end i et vakuum. Dette fænomen virkede fuldstændig utroligt (lysets hastighed i et medium er altid mindre end i et vakuum) og rejste endda tvivl om gyldigheden af ​​den særlige relativitetsteori. I mellemtiden blev et superluminalt fysisk objekt - en laserimpuls i et forstærkende medium - først opdaget ikke i 2000, men 35 år tidligere, i 1965, og muligheden for superluminal bevægelse blev bredt diskuteret indtil begyndelsen af ​​70'erne. I dag er diskussionen omkring dette mærkelige fænomen blusset op med fornyet kraft.

Eksempler på "superluminal" bevægelse.

I begyndelsen af ​​60'erne begyndte man at opnå korte højeffekts lysimpulser ved at sende en laserblitz gennem en kvanteforstærker (et medium med inverteret population).

I et forstærkermedium forårsager det indledende område af en lysimpuls stimuleret emission af atomer i forstærkermediet, og dets sidste område forårsager deres absorption af energi. Som et resultat vil det se ud for iagttageren, at pulsen bevæger sig hurtigere end lyset.

Lijun Wongs eksperiment.

En lysstråle, der passerer gennem et prisme lavet af et gennemsigtigt materiale (for eksempel glas), brydes, det vil sige, at den oplever spredning.

En lysimpuls er et sæt af svingninger med forskellige frekvenser.

Sandsynligvis ved alle - selv folk langt fra fysikken - at den maksimalt mulige hastighed for bevægelse af materielle genstande eller udbredelsen af ​​signaler er lysets hastighed i et vakuum. Det er angivet med bogstavet Med og er næsten 300 tusinde kilometer i sekundet; præcise værdi Med= 299.792.458 m/s. Lysets hastighed i et vakuum er en af ​​de grundlæggende fysiske konstanter. Manglende evne til at opnå hastigheder, der overstiger Med, følger af Einsteins særlige relativitetsteori (STR). Hvis det kunne bevises, at transmission af signaler ved superluminale hastigheder er mulig, ville relativitetsteorien falde. Det er indtil videre ikke sket, på trods af adskillige forsøg på at modbevise forbuddet mod eksistensen af ​​hastigheder på over Med. Nylige eksperimentelle undersøgelser har dog afsløret nogle meget interessante fænomener, der indikerer, at under specielt skabte forhold kan superluminale hastigheder observeres uden at krænke relativitetsteoriens principper.

Til at begynde med, lad os huske de vigtigste aspekter relateret til problemet med lysets hastighed. Først og fremmest: hvorfor er det umuligt (under normale forhold) at overskride lysgrænsen? For så er vores verdens grundlæggende lov overtrådt – kausalitetsloven, ifølge hvilken virkningen ikke kan gå forud for årsagen. Ingen har nogensinde observeret, at for eksempel en bjørn først faldt død om og derefter jægeren skudt. Ved hastigheder over Med, rækkefølgen af ​​begivenheder bliver omvendt, tidsbåndet spoles tilbage. Dette er let at verificere ud fra følgende enkle ræsonnement.

Lad os antage, at vi er på en slags mirakelskib, der bevæger os hurtigere end lyset. Så ville vi gradvist indhente det lys, som kilden udsendte på tidligere og tidligere tidspunkter. Først ville vi indhente fotoner udsendt, f.eks. i går, derefter dem, der blev udsendt i forgårs, så for en uge, en måned, et år siden og så videre. Hvis lyskilden var et spejl, der reflekterede livet, så ville vi først se begivenhederne i går, så i forgårs og så videre. Vi kunne for eksempel se en gammel mand, der gradvist bliver til en midaldrende mand, derefter til en ung mand, til en ung, til et barn... Det vil sige, at tiden ville vende tilbage, vi ville bevæge os fra nutiden til fortiden. Årsager og virkninger ville så skifte plads.

Selvom denne diskussion fuldstændig ignorerer de tekniske detaljer i processen med at observere lys, viser den fra et grundlæggende synspunkt klart, at bevægelse med superluminale hastigheder fører til en situation, der er umulig i vores verden. Naturen har dog sat endnu strengere betingelser: Bevægelse ikke kun med superluminal hastighed er uopnåelig, men også med en hastighed svarende til lysets hastighed - man kan kun nærme sig den. Af relativitetsteorien følger det, at når bevægelseshastigheden stiger, opstår der tre omstændigheder: massen af ​​et bevægeligt objekt øges, dets størrelse i bevægelsesretningen falder, og tidsstrømmen på dette objekt bremses (fra punktet af en ekstern "hvilende" observatør). Ved almindelige hastigheder er disse ændringer ubetydelige, men når de nærmer sig lysets hastighed bliver de mere og mere mærkbare, og i grænsen - med en hastighed svarende til Med, - massen bliver uendelig stor, objektet mister fuldstændig størrelse i bevægelsesretningen og tiden stopper på det. Derfor kan ingen materiel krop nå lysets hastighed. Kun lyset selv har en sådan hastighed! (Og også en "altgennemtrængende" partikel - en neutrino, der ligesom en foton ikke kan bevæge sig med en hastighed mindre end Med.)

Nu om signaltransmissionshastigheden. Her er det hensigtsmæssigt at bruge repræsentationen af ​​lys i form af elektromagnetiske bølger. Hvad er et signal? Dette er nogle oplysninger, der skal overføres. En ideel elektromagnetisk bølge er en uendelig sinusoid af strengt taget en frekvens, og den kan ikke bære nogen information, fordi hver periode af en sådan sinusoid nøjagtigt gentager den forrige. Bevægelseshastigheden af ​​fasen af ​​en sinusbølge - den såkaldte fasehastighed - kan i et medium under visse forhold overskride lysets hastighed i et vakuum. Der er ingen begrænsninger her, da fasehastigheden ikke er signalets hastighed - den eksisterer ikke endnu. For at skabe et signal skal du lave en form for "mærke" på bølgen. Et sådant mærke kan for eksempel være en ændring i en hvilken som helst af bølgeparametrene - amplitude, frekvens eller indledende fase. Men så snart mærket er lavet, mister bølgen sin sinusform. Det bliver moduleret, bestående af et sæt simple sinusbølger med forskellige amplituder, frekvenser og indledende faser - en gruppe bølger. Den hastighed, hvormed mærket bevæger sig i den modulerede bølge, er signalets hastighed. Ved udbredelse i et medium falder denne hastighed som regel sammen med gruppehastigheden, som karakteriserer udbredelsen af ​​ovennævnte gruppe af bølger som helhed (se "Videnskab og liv" nr. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheden og dermed signalhastigheden mindre end lysets hastighed i vakuum. Det er ikke tilfældigt, at udtrykket "under normale forhold" bruges her, for i nogle tilfælde kan gruppehastigheden overstige Med eller endda miste sin betydning, men så relaterer det sig ikke til signaludbredelse. Servicestationen konstaterer, at det er umuligt at sende et signal med en hastighed, der er større end Med.

Hvorfor er det sådan? Fordi der er en hindring for at sende ethvert signal med en hastighed større end Med Den samme lov om kausalitet tjener. Lad os forestille os en sådan situation. På et tidspunkt A tænder et lysglimt (hændelse 1) en enhed, der sender et bestemt radiosignal, og på et fjerntliggende punkt B, under påvirkning af dette radiosignal, sker der en eksplosion (hændelse 2). Det er klart, at hændelse 1 (opblussen) er årsagen, og hændelse 2 (eksplosion) er konsekvensen, der indtræffer senere end årsagen. Men hvis radiosignalet forplantede sig med superluminal hastighed, ville en observatør nær punkt B først se en eksplosion, og først derefter ville det nå ham med hastigheden Med et lysglimt, årsagen til eksplosionen. Med andre ord, for denne observatør ville hændelse 2 have fundet sted tidligere end hændelse 1, det vil sige, at virkningen ville være gået forud for årsagen.

Det er passende at understrege, at det "superluminale forbud" af relativitetsteorien kun er pålagt bevægelse af materielle legemer og transmission af signaler. I mange situationer er bevægelse med enhver hastighed mulig, men dette vil ikke være bevægelse af materielle genstande eller signaler. Forestil dig for eksempel to ret lange linealer, der ligger i samme plan, hvoraf den ene er placeret vandret, og den anden skærer den i en lille vinkel. Hvis den første lineal flyttes nedad (i pilens retning) med høj hastighed, kan linealernes skæringspunkt fås til at løbe så hurtigt som ønsket, men dette punkt er ikke en materiel krop. Et andet eksempel: hvis du tager en lommelygte (eller f.eks. en laser, der giver en smal stråle) og hurtigt beskriver en bue i luften med den, så vil den lineære hastighed af lyspletten stige med afstanden og på en tilstrækkelig stor afstand vil overstige Med. Lyspletten vil bevæge sig mellem punkt A og B med superluminal hastighed, men dette vil ikke være en signaltransmission fra A til B, da en sådan lysplet ikke bærer nogen information om punkt A.

Det ser ud til, at spørgsmålet om superluminale hastigheder er blevet løst. Men i 60'erne af det tyvende århundrede fremsatte teoretiske fysikere hypotesen om eksistensen af ​​superluminale partikler kaldet tachyoner. Det er meget mærkelige partikler: teoretisk set er de mulige, men for at undgå modsætninger med relativitetsteorien måtte de tildeles en imaginær hvilemasse. Fysisk eksisterer imaginær masse ikke, det er en rent matematisk abstraktion. Dette vakte dog ikke meget alarm, da tachyoner ikke kan være i ro - de eksisterer (hvis de findes!) kun ved hastigheder, der overstiger lysets hastighed i et vakuum, og i dette tilfælde viser tachyonmassen sig at være reel. Der er en vis analogi her med fotoner: en foton har nul hvilemasse, men det betyder ganske enkelt, at fotonen ikke kan være i hvile - lys kan ikke stoppes.

Det sværeste viste sig at være, som man kunne forvente, at forene tachyon-hypotesen med kausalitetsloven. De forsøg, der blev gjort i denne retning, førte, skønt ret geniale, ikke til åbenbar succes. Ingen har heller eksperimentelt været i stand til at registrere tachyoner. Som et resultat forsvandt interessen for tachyoner som superluminale elementarpartikler gradvist.

Men i 60'erne blev der eksperimentelt opdaget et fænomen, som oprindeligt forvirrede fysikerne. Dette er beskrevet detaljeret i artiklen af ​​A. N. Oraevsky "Superluminal waves in amplifying media" (UFN nr. 12, 1998). Her vil vi kort opsummere essensen af ​​sagen og henvise læseren interesseret i detaljer til den specificerede artikel.

Kort efter opdagelsen af ​​lasere - i begyndelsen af ​​60'erne - opstod problemet med at opnå korte (varighed ca. 1 ns = 10 -9 s) højeffekt lysimpulser. For at gøre dette blev en kort laserimpuls sendt gennem en optisk kvanteforstærker. Pulsen blev delt i to dele af et stråleopdelingsspejl. En af dem, kraftigere, blev sendt til forstærkeren, og den anden forplantede sig i luften og fungerede som en referenceimpuls, som den impuls, der passerede gennem forstærkeren, kunne sammenlignes med. Begge impulser blev ført til fotodetektorer, og deres udgangssignaler kunne observeres visuelt på oscilloskopskærmen. Det var forventet, at lysimpulsen, der passerede gennem forstærkeren, ville opleve en vis forsinkelse i den sammenlignet med referenceimpulsen, det vil sige, at lysudbredelseshastigheden i forstærkeren ville være mindre end i luft. Forestil dig forskernes forbløffelse, da de opdagede, at pulsen forplantede sig gennem forstærkeren med en hastighed, der ikke kun var større end i luft, men også flere gange højere end lysets hastighed i vakuum!

Efter at være kommet sig over det første chok, begyndte fysikere at lede efter årsagen til et så uventet resultat. Ingen var selv den mindste i tvivl om principperne i den specielle relativitetsteori, og det var det, der hjalp med at finde den rigtige forklaring: hvis principperne for SRT er bevaret, så skal svaret søges i det forstærkende mediums egenskaber.

Uden at gå i detaljer her, vil vi kun påpege, at en detaljeret analyse af virkningsmekanismen for det forstærkende medium fuldstændig afklarede situationen. Pointen var en ændring i koncentrationen af ​​fotoner under udbredelsen af ​​pulsen - en ændring forårsaget af en ændring i mediets forstærkning op til en negativ værdi under passagen af ​​den bagerste del af pulsen, når mediet allerede absorberer energi, fordi dens egen reserve allerede er brugt op på grund af dens overførsel til lysimpulsen. Absorption forårsager ikke en stigning, men en svækkelse af impulsen, og dermed forstærkes impulsen i den forreste del og svækkes i den bagerste del. Lad os forestille os, at vi observerer en puls ved hjælp af en enhed, der bevæger sig med lysets hastighed i forstærkermediet. Hvis mediet var gennemsigtigt, ville vi se impulsen fastfrosset i ubevægelighed. I det miljø, hvori den ovennævnte proces finder sted, vil forstærkningen af ​​forkanten og svækkelsen af ​​pulsens bagkant fremstå for iagttageren på en sådan måde, at mediet synes at have flyttet pulsen fremad. Men da enheden (observatøren) bevæger sig med lysets hastighed, og impulsen overhaler den, så overstiger impulsens hastighed lysets hastighed! Det er denne effekt, der blev registreret af forsøgsledere. Og her er der virkelig ingen modsætning til relativitetsteorien: forstærkningsprocessen er simpelthen sådan, at koncentrationen af ​​fotoner, der kom ud tidligere, viser sig at være større end dem, der kom ud senere. Det er ikke fotoner, der bevæger sig med superluminale hastigheder, men pulshylsteret, især dets maksimum, som observeres på et oscilloskop.

Mens der i almindelige medier altid er en svækkelse af lys og et fald i dets hastighed, bestemt af brydningsindekset, er der i aktive lasermedier ikke kun en forstærkning af lys, men også udbredelse af en puls ved superluminal hastighed.

Nogle fysikere har forsøgt eksperimentelt at bevise tilstedeværelsen af ​​superluminal bevægelse under tunneleffekten - et af de mest fantastiske fænomener i kvantemekanikken. Denne effekt består i, at en mikropartikel (mere præcist et mikroobjekt, der under forskellige forhold udviser både en partikels egenskaber og en bølges egenskaber) er i stand til at trænge igennem den såkaldte potentialbarriere - et fænomen, der er fuldstændig umuligt i klassisk mekanik (hvor en sådan situation ville være en analog: en bold kastet mod en væg ville ende på den anden side af væggen, eller den bølgelignende bevægelse tilført et reb bundet til væggen ville blive overført til et reb bundet til væggen på den anden side). Essensen af ​​tunneleffekten i kvantemekanik er som følger. Hvis et mikroobjekt med en bestemt energi på sin vej møder et område med potentiel energi, der overstiger mikroobjektets energi, er dette område en barriere for det, hvis højde bestemmes af energiforskellen. Men mikroobjektet "lækker" gennem barrieren! Denne mulighed er givet ham af den velkendte Heisenberg-usikkerhedsrelation, skrevet til interaktionens energi og tid. Hvis et mikroobjekts interaktion med en barriere sker over en ret bestemt tid, så vil mikroobjektets energi tværtimod være karakteriseret ved usikkerhed, og hvis denne usikkerhed er af størrelsesordenen af ​​barrierens højde, så vil sidstnævnte ophører med at være en uoverstigelig hindring for mikroobjektet. Penetrationshastigheden gennem en potentiel barriere er blevet genstand for forskning af en række fysikere, som mener, at den kan overskride Med.

I juni 1998 blev der afholdt et internationalt symposium om problemerne med superluminal bevægelse i Köln, hvor resultaterne opnået i fire laboratorier blev diskuteret - i Berkeley, Wien, Köln og Firenze.

Og endelig, i 2000, dukkede rapporter op om to nye eksperimenter, hvor virkningerne af superluminal udbredelse viste sig. En af dem blev udført af Lijun Wong og hans kolleger ved Princeton Research Institute (USA). Resultatet er, at en lysimpuls, der kommer ind i et kammer fyldt med cæsiumdamp, øger dens hastighed med 300 gange. Det viste sig, at hoveddelen af ​​pulsen forlod den fjerneste væg af kammeret endnu tidligere, end pulsen kom ind i kammeret gennem forvæggen. Denne situation modsiger ikke kun sund fornuft, men i bund og grund relativitetsteorien.

L. Wongs budskab skabte intens diskussion blandt fysikere, hvoraf de fleste ikke var tilbøjelige til at se en krænkelse af relativitetsprincipperne i de opnåede resultater. Udfordringen, mener de, er at forklare dette eksperiment korrekt.

I L. Wongs eksperiment havde lysimpulsen, der kom ind i kammeret med cæsiumdamp, en varighed på omkring 3 μs. Cæsiumatomer kan eksistere i seksten mulige kvantemekaniske tilstande, kaldet "hyperfine magnetiske underniveauer af grundtilstanden." Ved hjælp af optisk laserpumpning blev næsten alle atomer kun bragt i én af disse seksten tilstande, svarende til næsten absolut nultemperatur på Kelvin-skalaen (-273,15 o C). Længden af ​​cæsiumkammeret var 6 centimeter. I et vakuum bevæger lyset sig 6 centimeter på 0,2 ns. Som målingerne viste, passerede lysimpulsen gennem kammeret med cæsium i en tid, der var 62 ns mindre end i vakuum. Med andre ord har den tid det tager for en puls at passere gennem et cæsiummedium et minustegn! Faktisk, hvis vi trækker 62 ns fra 0,2 ns, får vi "negativ" tid. Denne "negative forsinkelse" i mediet - et uforståeligt tidsspring - er lig med den tid, hvor pulsen ville lave 310 passager gennem kammeret i et vakuum. Konsekvensen af ​​denne "temporale vending" var, at pulsen, der forlod kammeret, nåede at bevæge sig 19 meter væk fra den, før den indkommende puls nåede den nære væg af kammeret. Hvordan kan sådan en utrolig situation forklares (medmindre vi selvfølgelig tvivler på forsøgets renhed)?

At dømme efter den igangværende diskussion er der endnu ikke fundet en nøjagtig forklaring, men der er ingen tvivl om, at mediets usædvanlige spredningsegenskaber spiller en rolle her: cæsiumdamp, bestående af atomer exciteret af laserlys, er et medium med unormal spredning . Lad os kort huske, hvad det er.

Spredningen af ​​et stof er afhængigheden af ​​fase (almindeligt) brydningsindeks n på lysets bølgelængde l. Ved normal spredning stiger brydningsindekset med aftagende bølgelængde, og det er tilfældet i glas, vand, luft og alle andre lysgennemsigtige stoffer. I stoffer, der absorberer lys kraftigt, vendes forløbet af brydningsindekset med en ændring i bølgelængde og bliver meget stejlere: med faldende l (stigende frekvens w), falder brydningsindekset kraftigt, og i et bestemt bølgelængdeområde bliver det mindre end enhed (fasehastighed V f > Med). Dette er unormal spredning, hvor mønsteret af lysudbredelse i et stof ændres radikalt. Gruppehastighed V gr bliver større end bølgernes fasehastighed og kan overstige lysets hastighed i et vakuum (og også blive negativ). L. Wong peger på denne omstændighed som årsagen til muligheden for at forklare resultaterne af sit eksperiment. Det skal dog bemærkes, at betingelsen V gr > Med er rent formelt, eftersom begrebet gruppehastighed blev introduceret i tilfælde af lille (normal) spredning, for transparente medier, når en gruppe af bølger næsten ikke ændrer sin form under udbredelsen. I områder med unormal spredning deformeres lysimpulsen hurtigt, og begrebet gruppehastighed mister sin betydning; i dette tilfælde introduceres begreberne signalhastighed og energiudbredelseshastighed, som i transparente medier falder sammen med gruppehastigheden, og i medier med absorption forbliver mindre end lysets hastighed i vakuum. Men her er det interessante ved Wongs eksperiment: en lysimpuls, der passerer gennem et medium med unormal spredning, deformeres ikke - den bevarer nøjagtigt sin form! Og dette svarer til antagelsen om, at impulsen forplanter sig med gruppehastighed. Men hvis det er tilfældet, så viser det sig, at der ikke er nogen absorption i mediet, selvom den unormale spredning af mediet netop skyldes absorption! Wong selv, selv om han erkender, at meget stadig er uklart, mener, at det, der sker i hans eksperimentelle opsætning, til en første tilnærmelse klart kan forklares som følger.

En lysimpuls består af mange komponenter med forskellige bølgelængder (frekvenser). Figuren viser tre af disse komponenter (bølge 1-3). På et tidspunkt er alle tre bølger i fase (deres maksima falder sammen); her forstærker de hinanden og danner en impuls. Efterhånden som de forplanter sig yderligere i rummet, bliver bølgerne defasede og "ophæver" derved hinanden.

I området med unormal spredning (inde i cæsiumcellen) bliver den bølge, der var kortere (bølge 1), længere. Omvendt bliver den bølge, der var den længste af de tre (bølge 3), den korteste.

Følgelig ændres bølgernes faser tilsvarende. Når bølgerne er gået gennem cæsiumcellen, genoprettes deres bølgefronter. Efter at have gennemgået en usædvanlig fasemodulation i et stof med unormal spredning, befinder de tre pågældende bølger sig igen på et tidspunkt i fase. Her summer de igen og danner en puls af nøjagtig samme form som den, der kommer ind i cæsiummediet.

Typisk i luft, og faktisk i et hvilket som helst transparent medium med normal spredning, kan en lysimpuls ikke nøjagtigt opretholde sin form, når den udbreder sig over en fjern afstand, det vil sige, at alle dens komponenter ikke kan fases på noget fjernt punkt langs udbredelsesvejen. Og under normale forhold vises en lyspuls på et så fjernt punkt efter nogen tid. Men på grund af de unormale egenskaber af mediet, der blev brugt i forsøget, viste pulsen sig på et fjerntliggende sted at være faset på samme måde, som når man gik ind i dette medium. Således opfører lysimpulsen sig, som om den havde en negativ tidsforsinkelse på vej til et fjernt punkt, det vil sige, at den ville nå frem til den ikke senere, men tidligere end den havde passeret gennem mediet!

De fleste fysikere er tilbøjelige til at forbinde dette resultat med udseendet af en lav-intensitets-precursor i kammerets dispersive medium. Faktum er, at under den spektrale nedbrydning af en puls indeholder spektret komponenter af vilkårligt høje frekvenser med ubetydelig lille amplitude, den såkaldte forløber, der går foran "hoveddelen" af pulsen. Etableringens art og formen af ​​forstadiet afhænger af loven om spredning i miljøet. Med dette i tankerne foreslås hændelsesforløbet i Wongs eksperiment at blive fortolket som følger. Den indkommende bølge, der "strækker" forbudsmanden foran sig selv, nærmer sig kameraet. Før toppen af ​​den indkommende bølge rammer den nære væg af kammeret, initierer prækursoren fremkomsten af ​​en puls i kammeret, som når den fjerneste væg og reflekteres fra den og danner en "omvendt bølge". Denne bølge spredes 300 gange hurtigere Med, når nærvæggen og møder den indkommende bølge. Toppene af en bølge møder en andens lavpunkter, så de ødelægger hinanden, og som følge heraf er der intet tilbage. Det viser sig, at den indkommende bølge "tilbagebetaler gælden" til cæsiumatomerne, som "lånte" energi til den i den anden ende af kammeret. Enhver, der kun så begyndelsen og slutningen af ​​eksperimentet, ville kun se en lysimpuls, der "sprang" frem i tiden og bevægede sig hurtigere Med.

L. Wong mener, at hans eksperiment ikke stemmer overens med relativitetsteorien. Udsagnet om uopnåeligheden af ​​superluminal hastighed, mener han, kun gælder for genstande med hvilemasse. Lys kan repræsenteres enten i form af bølger, hvor begrebet masse generelt er uanvendeligt, eller i form af fotoner med en hvilemasse, som det er kendt, lig med nul. Derfor er lysets hastighed i et vakuum ifølge Wong ikke grænsen. Wong indrømmer dog, at den effekt, han opdagede, ikke gør det muligt at transmittere information med en hurtigere hastighed end Med.

"Informationen her er allerede indeholdt i forkanten af ​​pulsen," siger P. Milonni, en fysiker ved Los Alamos National Laboratory i USA "Og det kan give indtryk af at sende information hurtigere end lyset, selv når du sender det ikke."

De fleste fysikere mener, at det nye værk ikke giver et knusende slag mod grundlæggende principper. Men ikke alle fysikere mener, at problemet er løst. Professor A. Ranfagni, fra den italienske forskergruppe, der udførte endnu et interessant eksperiment i 2000, mener, at spørgsmålet stadig er åbent. Dette eksperiment, udført af Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni og Rocco Ruggeri, opdagede, at centimeterbølge radiobølger i normal flyrejse med hastigheder overstiger Med med 25 %.

For at opsummere kan vi sige følgende. Arbejdet i de senere år viser, at der under visse forhold faktisk kan forekomme superluminal hastighed. Men hvad er det egentlig, der bevæger sig med superluminal hastighed? Relativitetsteorien forbyder, som allerede nævnt, en sådan hastighed for materielle legemer og for signaler, der bærer information. Ikke desto mindre forsøger nogle forskere meget vedvarende at demonstrere at overvinde lysbarrieren specifikt for signaler. Årsagen til dette ligger i, at der i den særlige relativitetsteori ikke er nogen streng matematisk begrundelse (baseret f.eks. på Maxwells ligninger for det elektromagnetiske felt) for umuligheden af ​​at transmittere signaler med hastigheder større end Med. En sådan umulighed i STR etableres, kan man sige, rent aritmetisk, baseret på Einsteins formel for at tilføje hastigheder, men dette bekræftes grundlæggende af kausalitetsprincippet. Einstein selv, i betragtning af spørgsmålet om superluminal signaltransmission, skrev, at i dette tilfælde er vi tvunget til at overveje en mulig signaltransmissionsmekanisme, hvor den opnåede handling går forud for årsagen, men selv om dette er et resultat af et rent logisk punkt synet rummer ikke sig selv, efter min mening er der ingen modsætninger, det modsiger ikke desto mindre naturen af ​​al vores erfaring, at det er umuligt at antage V > s ser ud til at være tilstrækkeligt bevist." Kausalitetsprincippet er hjørnestenen, der ligger til grund for umuligheden af ​​superluminal signaltransmission. Og tilsyneladende vil alle søgninger efter superluminale signaler uden undtagelse snuble over denne sten, uanset hvor meget eksperimenter gerne vil opdage sådanne. signaler, for sådan er vores verdens natur.

Afslutningsvis skal det understreges, at alt ovenstående gælder specifikt for vores verden, for vores univers. Dette forbehold blev taget, fordi der for nylig er dukket nye hypoteser op i astrofysik og kosmologi, hvilket muliggør eksistensen af ​​mange universer skjult for os, forbundet med topologiske tunneler - jumpere. Dette synspunkt deles for eksempel af den berømte astrofysiker N.S. For en ekstern observatør er indgangene til disse tunneler angivet af unormale gravitationsfelter, som sorte huller. Bevægelser i sådanne tunneler, som forfatterne af hypoteserne antyder, vil gøre det muligt at omgå den hastighedsgrænse, der pålægges i det almindelige rum af lysets hastighed, og derfor at realisere ideen om at skabe en tidsmaskine. .. Det er muligt, at ting, der er usædvanlige for os, faktisk kan ske ting i sådanne universer. Og selvom sådanne hypoteser indtil videre minder for meget om historier fra science fiction, bør man næppe kategorisk afvise den grundlæggende mulighed for en multielementmodel af den materielle verdens struktur. En anden ting er, at alle disse andre universer højst sandsynligt vil forblive rent matematiske konstruktioner af teoretiske fysikere, der lever i vores univers og, med kraften i deres tanker, forsøger at finde verdener lukket for os...

Se udgaven om samme emne

I september 2011 chokerede fysikeren Antonio Ereditato verden. Hans udtalelse kunne revolutionere vores forståelse af universet. Hvis dataene indsamlet af de 160 OPERA-projektets forskere var korrekte, blev det utrolige observeret. Partiklerne - i dette tilfælde neutrinoer - bevægede sig hurtigere end lyset. Ifølge Einsteins relativitetsteori er dette umuligt. Og konsekvenserne af en sådan observation ville være utrolige. Selve fysikkens grundlag skal måske genovervejes.

Selvom Ereditato sagde, at han og hans team var "ekstremt sikre" i deres resultater, sagde de ikke, at dataene var fuldstændig nøjagtige. I stedet bad de andre videnskabsmænd om at hjælpe dem med at forstå, hvad der foregik.

Til sidst viste det sig, at OPERAs resultater var forkerte. På grund af et dårligt tilsluttet kabel var der et synkroniseringsproblem, og signalerne fra GPS-satellitter var unøjagtige. Der var en uventet forsinkelse i signalet. Som et resultat viste målinger af den tid, det tog neutrinoer at rejse en vis afstand, yderligere 73 nanosekunder: det så ud til, at neutrinoerne rejste hurtigere end lyset.

På trods af måneders omhyggelig test før eksperimentet begyndte og dobbelttjek af dataene bagefter, tog forskerne alvorligt fejl. Ereditato trådte tilbage på trods af manges kommentarer om, at sådanne fejl altid opstod på grund af partikelacceleratorernes ekstreme kompleksitet.

Hvorfor skabte forslaget - blot forslaget - om, at noget kunne rejse hurtigere end lyset, sådan et postyr? Hvor sikre er vi på, at intet kan overvinde denne barriere?

Lad os først se på det andet af disse spørgsmål. Lysets hastighed i et vakuum er 299.792.458 kilometer i sekundet - for nemheds skyld er dette tal afrundet til 300.000 kilometer i sekundet. Det er ret hurtigt. Solen er 150 millioner kilometer fra Jorden, og dens lys når Jorden på kun otte minutter og tyve sekunder.

Kan nogen af ​​vores kreationer konkurrere i kapløbet mod lyset? En af de hurtigste menneskeskabte objekter, der nogensinde er bygget, New Horizons-rumsonden susede forbi Pluto og Charon i juli 2015. Den nåede en hastighed i forhold til Jorden på 16 km/s. Meget mindre end 300.000 km/s.

Vi havde dog små partikler, der bevægede sig ret hurtigt. I begyndelsen af ​​1960'erne eksperimenterede William Bertozzi ved MIT med at accelerere elektroner til endnu højere hastigheder.

Fordi elektroner har en negativ ladning, kan de accelereres - mere præcist, frastødes - ved at påføre den samme negative ladning på et materiale. Jo mere energi der tilføres, jo hurtigere accelererer elektronerne.

Man skulle tro, at man simpelthen skulle øge den anvendte energi for at nå en hastighed på 300.000 km/s. Men det viser sig, at elektroner simpelthen ikke kan bevæge sig så hurtigt. Bertozzis eksperimenter viste, at brug af mere energi ikke fører til en direkte proportional stigning i elektronhastigheden.

I stedet skulle der tilføres enorme mængder ekstra energi for selv en lille smule at ændre elektronernes hastighed. Hun kom tættere og tættere på lysets hastighed, men nåede den aldrig.

Forestil dig at bevæge dig mod døren i små trin, hvor hvert trin dækker halvdelen af ​​afstanden fra din nuværende position til døren. Strengt taget når du aldrig døren, for efter hvert skridt du tager, har du stadig en afstand at tilbagelægge. Bertozzi stødte på omtrent det samme problem, mens han beskæftigede sig med sine elektroner.

Men lys består af partikler kaldet fotoner. Hvorfor kan disse partikler rejse med lysets hastighed, men det kan elektroner ikke?

"Når objekter bevæger sig hurtigere og hurtigere, bliver de tungere - jo tungere de bliver, jo sværere er det for dem at accelerere, så du når aldrig lysets hastighed," siger Roger Rassoul, fysiker ved University of Melbourne i Australien. "En foton har ingen masse. Hvis den havde masse, kunne den ikke bevæge sig med lysets hastighed."

Fotoner er specielle. Ikke alene har de ingen masse, hvilket giver dem fuldstændig bevægelsesfrihed i rummets vakuum, men de behøver heller ikke at accelerere. Den naturlige energi, de har, bevæger sig i bølger ligesom dem, så når de er skabt, har de allerede maksimal hastighed. På nogle måder er det lettere at tænke på lys som energi snarere end som en strøm af partikler, selvom lys i virkeligheden er begge dele.

Men lys rejser meget langsommere, end vi kunne forvente. Selvom internetteknologer kan lide at tale om kommunikation, der kører med "lysets hastighed" i fiberoptik, rejser lyset 40 % langsommere i glasfiberoptik end i et vakuum.

I virkeligheden rejser fotoner med hastigheder på 300.000 km/s, men støder på en vis mængde interferens forårsaget af andre fotoner, der udsendes af glasatomer, når hovedlysbølgen passerer igennem. Det er måske ikke let at forstå, men vi prøvede i det mindste.

På samme måde var det inden for rammerne af særlige eksperimenter med individuelle fotoner muligt at bremse dem ganske imponerende. Men i de fleste tilfælde ville 300.000 være det rigtige. Vi har ikke set eller bygget noget, der kan bevæge sig så hurtigt eller endnu hurtigere. Der er særlige punkter, men før vi berører dem, lad os komme ind på vores andet spørgsmål. Hvorfor er det så vigtigt, at reglen om lyshastighed følges nøje?

Svaret er forbundet med en person ved navn , som det ofte er tilfældet i fysik. Hans specielle relativitetsteori udforsker de mange implikationer af hans universelle hastighedsgrænser. Et af de vigtigste elementer i teorien er ideen om, at lysets hastighed er konstant. Uanset hvor du er, eller hvor hurtigt du bevæger dig, bevæger lyset sig altid med samme hastighed.

Men dette rejser flere konceptuelle problemer.

Forestil dig lyset, der falder fra en lommelygte på et spejl på loftet af et stationært rumfartøj. Lyset går op, reflekteres fra spejlet og falder på gulvet i rumfartøjet. Lad os sige, at han tilbagelægger en afstand på 10 meter.

Forestil dig nu, at dette rumfartøj begynder at bevæge sig med en kolossal hastighed på mange tusinde kilometer i sekundet. Når du tænder lommelygten, opfører lyset sig som før: det skinner opad, rammer spejlet og reflekteres på gulvet. Men for at gøre dette skal lyset rejse en diagonal afstand, ikke en lodret. Når alt kommer til alt, bevæger spejlet sig nu hurtigt sammen med rumfartøjet.

Derfor øges den afstand, som lyset rejser. Lad os sige 5 meter. Det bliver 15 meter i alt, ikke 10.

Og på trods af dette, selvom afstanden er steget, hævder Einsteins teorier, at lyset stadig vil rejse med samme hastighed. Da hastighed er distance divideret med tid, da hastighed forbliver den samme og afstand øges, skal tiden også stige. Ja, tiden må selv strække sig. Og selvom dette lyder mærkeligt, er det blevet bekræftet eksperimentelt.

Dette fænomen kaldes tidsudvidelse. Tiden går langsommere for folk, der rejser i hurtigtgående køretøjer, sammenlignet med dem, der holder stille.

For eksempel går tiden 0,007 sekunder langsommere for astronauter på den internationale rumstation, som bevæger sig med 7,66 km/s i forhold til Jorden sammenlignet med mennesker på planeten. Endnu mere interessant er situationen med partikler som de førnævnte elektroner, der kan bevæge sig tæt på lysets hastighed. I tilfælde af disse partikler vil graden af ​​deceleration være enorm.

Stephen Kolthammer, en eksperimentel fysiker ved University of Oxford i Storbritannien, peger på eksemplet med partikler kaldet muoner.

Myoner er ustabile: de henfalder hurtigt til enklere partikler. Så hurtigt, at de fleste myoner, der forlader Solen, burde henfalde, når de når Jorden. Men i virkeligheden ankommer myoner til Jorden fra Solen i kolossale mængder. Fysikere har længe forsøgt at forstå hvorfor.

"Svaret på dette mysterium er, at myoner genereres med en sådan energi, at de rejser tæt på lysets hastighed," siger Kolthammer. "Deres følelse af tid, så at sige, deres indre ur er langsomt."

Muoner "bliver i live" længere end forventet i forhold til os, takket være en ægte, naturlig tidslomme. Når objekter bevæger sig hurtigt i forhold til andre objekter, falder deres længde også og trækker sig sammen. Disse konsekvenser, tidsudvidelse og længdereduktion, er eksempler på, hvordan rumtiden ændrer sig afhængigt af bevægelsen af ​​ting - mig, dig eller et rumfartøj - der har masse.

Det, der er vigtigt, som Einstein sagde, er, at lyset ikke påvirkes, fordi det ikke har nogen masse. Det er derfor, disse principper går hånd i hånd. Hvis ting kunne rejse hurtigere end lyset, ville de adlyde de grundlæggende love, der beskriver, hvordan universet fungerer. Disse er nøgleprincipperne. Nu kan vi tale om nogle få undtagelser og undtagelser.

På den ene side, selvom vi ikke har set noget, der går hurtigere end lyset, betyder det ikke, at denne hastighedsgrænse teoretisk ikke kan slås under meget specifikke forhold. Tag for eksempel udvidelsen af ​​selve universet. Galakser i universet bevæger sig væk fra hinanden med hastigheder, der væsentligt overstiger lysets hastighed.

En anden interessant situation vedrører partikler, der deler de samme egenskaber på samme tid, uanset hvor langt fra hinanden de er. Dette er den såkaldte "kvanteforvikling". Fotonen vil spinde op og ned og tilfældigt vælge mellem to mulige tilstande, men valget af spin-retning vil blive nøjagtigt afspejlet i en anden foton et andet sted, hvis de er viklet ind.

To videnskabsmænd, der studerede hver deres foton, ville få det samme resultat på samme tid, hurtigere end lysets hastighed kunne tillade.

I begge disse eksempler er det dog vigtigt at bemærke, at ingen information bevæger sig hurtigere end lysets hastighed mellem to objekter. Vi kan beregne udvidelsen af ​​universet, men vi kan ikke observere objekter hurtigere end lyset i det: de er forsvundet ud af syne.

Med hensyn til to videnskabsmænd med deres fotoner, selvom de kunne få ét resultat på samme tid, kunne de ikke lade hinanden vide det hurtigere, end lyset rejser mellem dem.

"Det her skaber ingen problemer for os, for hvis man kan sende signaler hurtigere end lyset, får man mærkelige paradokser, hvor information på en eller anden måde kan gå tilbage i tiden," siger Kolthammer.

Der er en anden mulig måde at gøre hurtigere end lyset rejse teknisk muligt: ​​sprækker i rumtiden, der ville gøre det muligt for den rejsende at undslippe reglerne for normal rejse.

Gerald Cleaver fra Baylor University i Texas tror på, at vi en dag vil være i stand til at bygge et rumfartøj, der rejser hurtigere end lyset. Som bevæger sig gennem et ormehul. Ormehuller er sløjfer i rum-tid, der passer perfekt ind i Einsheins teorier. De kunne tillade en astronaut at hoppe fra den ene ende af universet til den anden via en anomali i rumtiden, en form for kosmisk genvej.

En genstand, der rejser gennem et ormehul, vil ikke overskride lysets hastighed, men kunne teoretisk nå sin destination hurtigere end lys, der tager en "normal" vej. Men ormehuller kan være helt utilgængelige for rumrejser. Kunne der være en anden måde at aktivt fordreje rumtiden til at bevæge sig hurtigere end 300.000 km/s i forhold til en anden?

Cleaver udforskede også ideen om en "Alcubierre-motor" i 1994. Den beskriver en situation, hvor rumtiden trækker sig sammen foran rumfartøjet, skubber det fremad og udvider sig bagved det og skubber det også fremad. "Men så," siger Cleaver, "opstod problemerne: hvordan man gør det, og hvor meget energi ville der være brug for."

I 2008 beregnede han og hans kandidatstuderende Richard Obouzi, hvor meget energi der ville være brug for.

"Vi forestillede os et skib på 10m x 10m x 10m - 1000 kubikmeter - og beregnede, at den mængde energi, der kræves for at starte processen, ville svare til massen af ​​hele Jupiter."

Herefter skal der hele tiden "tilføres" energi, så processen ikke slutter. Ingen ved, om dette nogensinde bliver muligt, eller hvordan den nødvendige teknologi vil se ud. "Jeg ønsker ikke at blive citeret i århundreder, som om jeg forudsagde noget, der aldrig ville ske," siger Cleaver, "men jeg kan ikke se nogen løsninger endnu."

Så at rejse hurtigere end lysets hastighed forbliver science fiction i øjeblikket. For nu er den eneste måde at kaste sig ud i dyb suspenderet animation. Og alligevel er det ikke helt dårligt. Det meste af tiden talte vi om synligt lys. Men i virkeligheden er lys meget mere end det. Fra radiobølger og mikrobølger til synligt lys, ultraviolet stråling, røntgenstråler og gammastråler, der udsendes af atomer, når de henfalder, er disse smukke stråler alle lavet af det samme: fotoner.

Forskellen er i energi, og derfor i bølgelængde. Tilsammen udgør disse stråler det elektromagnetiske spektrum. Det faktum, at radiobølger for eksempel bevæger sig med lysets hastighed, er utrolig nyttigt til kommunikation.

I sin forskning skaber Kolthammer et kredsløb, der bruger fotoner til at transmittere signaler fra en del af kredsløbet til en anden, så han er velkvalificeret til at udtale sig om nytten af ​​lysets utrolige hastighed.

"Selve det faktum, at vi byggede infrastrukturen af ​​for eksempel internettet og radio før det, baseret på lys, har at gøre med den lethed, hvormed vi kan transmittere det," bemærker han. Og han tilføjer, at lys fungerer som universets kommunikationskraft. Når elektronerne i en mobiltelefon begynder at ryste, frigives fotoner og får elektronerne i en anden mobiltelefon til også at ryste. Sådan fødes et telefonopkald. Rysten af ​​elektroner i Solen udsender også fotoner - i enorme mængder - som selvfølgelig danner lys, der giver livet på Jorden varme og, ahem, lys.

Lys er universets universelle sprog. Dens hastighed - 299.792.458 km/s - forbliver konstant. I mellemtiden er rum og tid formbare. Måske skal vi ikke tænke på, hvordan man bevæger sig hurtigere end lyset, men hvordan man bevæger sig hurtigere gennem dette rum og denne gang? Gå til roden, så at sige?

Et team af forskere fra OPERA-eksperimentet har i samarbejde med European Organisation for Nuclear Research (CERN) offentliggjort opsigtsvækkende resultater fra et eksperiment for at overvinde lysets hastighed. Resultaterne af eksperimentet tilbageviser Albert Einsteins særlige relativitetsteori, som al moderne fysik er baseret på. Teorien siger, at lysets hastighed er 299.792.458 m/s, og elementarpartikler kan ikke rejse hurtigere end lysets hastighed.

Ikke desto mindre registrerede forskere, at neutrinostrålen overskred den med 60 nanosekunder, når den dækkede 732 km. Dette skete den 22. september under et eksperiment udført af en international gruppe af atomfysikere fra Italien, Frankrig, Rusland, Korea, Japan og andre lande.

Eksperimentet forløb som følger: en protonstråle blev accelereret i en speciel accelerator og ramt i midten af ​​et specielt mål. Sådan blev mesoner født - partikler bestående af kvarker.

Når mesoner henfalder, fødes neutrinoer,” forklarede RAS-akademiker Valery Rubakov, chefforsker ved Institut for Nuklear Forskning ved Det Russiske Videnskabsakademi, til Izvestia. - Strålen er placeret således, at neutrinoen rejser 732 km og når det italienske underjordiske laboratorium i Gran Sasso. Den indeholder en speciel detektor, der registrerer neutrinostrålens hastighed.

Resultaterne af undersøgelsen splittede den videnskabelige verden. Nogle videnskabsmænd nægter at tro på resultaterne.

Det, de gjorde på CERN, er umuligt ud fra et moderne fysiksynspunkt,” fortalte RAS-akademiker Spartak Belyaev, videnskabelig direktør for Institut for Generel og Nuklear Fysik, til Izvestia. - Det er nødvendigt at tjekke dette eksperiment og dets resultater - måske tog de simpelthen fejl. Alle eksperimenter udført før dette passer ind i den eksisterende teori, og der er ingen grund til panik på grund af ét eksperiment udført én gang.

Samtidig indrømmer akademiker Belyaev: Hvis det er muligt at bevise, at en neutrino kan bevæge sig hurtigere end lysets hastighed, vil dette være en revolution.

Så bliver vi nødt til at bryde al fysik,” sagde han.

Hvis resultaterne bekræftes, vil dette være en revolution,” siger akademiker Rubakov. - Det er svært at sige, hvordan det bliver for almindelige mennesker. Generelt er det selvfølgelig muligt at ændre på den særlige relativitetsteori, men det er ekstremt svært at gøre det, og hvilken teori der vil udkrystallisere sig som følge heraf er ikke helt klart.

Rubakov bemærkede, at rapporten siger, at i løbet af de tre år af eksperimentet blev 15 tusinde hændelser registreret og målt.

Statistikken er meget god, og en international gruppe af anerkendte forskere deltog i eksperimentet,” opsummerer Rubakov.

Akademikere understregede, at der jævnligt gøres forsøg rundt om i verden på eksperimentelt at tilbagevise den særlige relativitetsteori. Ingen af ​​dem har dog endnu givet positive resultater.

Skygger kan rejse hurtigere end lys, men kan ikke transportere stof eller information

Er superluminal flyvning mulig?

Sektioner af denne artikel er undertekster, og hver sektion kan henvises til separat.

Simple eksempler på superluminal rejser

1. Cherenkov effekt

Når vi taler om at bevæge sig med superluminale hastigheder, mener vi lysets hastighed i et vakuum c(299.792.458 m/s). Derfor kan Cherenkov-effekten ikke betragtes som et eksempel på bevægelse ved superluminal hastighed.

2. Tredje observatør

Hvis raketten EN flyver væk fra mig i fart 0,6c mod vest, og raketten B flyver væk fra mig i fart 0,6c mod øst, så ser jeg, at afstanden mellem EN Og B stiger med hastigheden 1,2c. Ser raketternes flyvning EN Og B udefra ser den tredje observatør, at den samlede hastighed af missilfjernelse er større end c .

Imidlertid relativ hastighed er ikke lig med summen af ​​hastighederne. Rakethastighed EN i forhold til raketten B er den hastighed, hvormed afstanden til raketten øges EN, som ses af en observatør, der flyver på en raket B. Den relative hastighed skal beregnes ved hjælp af den relativistiske formel for at addere hastigheder. (Se Hvordan tilføjer du hastigheder i speciel relativitet?) I dette eksempel er den relative hastighed omtrent lig med 0,88c. Så i dette eksempel fik vi ikke superluminal hastighed.

3. Lys og skygge

Tænk på, hvor hurtigt en skygge kan bevæge sig. Hvis lampen er tæt på, så bevæger din fingers skygge på den fjerneste væg sig meget hurtigere, end din finger bevæger sig. Når du bevæger fingeren parallelt med væggen, er skyggens hastighed D/d gange hurtigere end din fingers hastighed. Her d- afstand fra lampen til fingeren, og D- fra lampe til væg. Hastigheden bliver endnu større, hvis væggen er placeret i en vinkel. Hvis væggen er meget langt væk, vil skyggens bevægelse halte bagefter fingerens bevægelse, da lyset tager tid at nå væggen, men hastigheden af ​​skyggen, der bevæger sig langs væggen, vil stige endnu mere. Hastigheden af ​​en skygge er ikke begrænset af lysets hastighed.

Et andet objekt, der kan rejse hurtigere end lyset, er lyspletten fra en laser rettet mod Månen. Afstanden til Månen er 385.000 km. Du kan selv beregne hastigheden, hvormed lyspletten bevæger sig hen over Månens overflade med lette vibrationer af lasermarkøren i din hånd. Du kan måske også lide eksemplet med en bølge, der rammer en lige strandlinje i en lille vinkel. Med hvilken hastighed kan skæringspunktet mellem bølgen og kysten bevæge sig langs stranden?

Alle disse ting kan ske i naturen. For eksempel kan en lysstråle fra en pulsar bevæge sig langs en støvsky. En kraftig eksplosion kan skabe sfæriske bølger af lys eller stråling. Når disse bølger krydser en hvilken som helst overflade, vises lyscirkler på overfladen og udvider sig hurtigere end lyset. Dette fænomen opstår for eksempel, når en elektromagnetisk puls fra et lyn passerer gennem den øvre atmosfære.

4. Solid

Hvis du har en lang stiv stang, og du rammer den ene ende af stangen, vil den anden ende så ikke flytte sig med det samme? Er dette ikke en måde til superluminal transmission af information?

Det ville være sandt hvis Der var helt stive kroppe. I praksis overføres stødet langs stangen med lydens hastighed, hvilket afhænger af elasticiteten og tætheden af ​​stangens materiale. Derudover begrænser relativitetsteorien de mulige lydhastigheder i et materiale med værdien c .

Det samme princip gælder, hvis du holder en snor eller stang lodret, slipper den, og den begynder at falde under påvirkning af tyngdekraften. Den øverste ende, som du slipper, begynder at falde med det samme, men den nederste ende vil først begynde at bevæge sig efter nogen tid, da holdekraftens forsvinden overføres ned ad stangen med lydens hastighed i materialet.

Formuleringen af ​​den relativistiske elasticitetsteori er ret kompleks, men den generelle idé kan illustreres ved hjælp af newtonsk mekanik. Ligningen for den langsgående bevægelse af et ideelt elastisk legeme kan udledes af Hookes lov. Lad os betegne den lineære tæthed af stangen ρ , Youngs elasticitetsmodul Y. Langsgående forskydning x opfylder bølgeligningen

ρ d 2 X/dt 2 - Y d 2 X/dx 2 = 0

Den plane bølgeløsning bevæger sig med lydens hastighed s, som bestemmes ud fra formlen s2 = Y/p. Bølgeligningen tillader ikke, at forstyrrelser i mediet bevæger sig hurtigere end hastigheden s. Derudover giver relativitetsteorien en grænse for størrelsen af ​​elasticitet: Y< ρc 2 . I praksis kommer intet kendt materiale i nærheden af ​​denne grænse. Bemærk også, at selvom lydens hastighed er tæt på c, så bevæger sagen sig ikke nødvendigvis med en relativistisk hastighed.

Selvom der ikke er nogen faste kroppe i naturen, er der bevægelse af stive kroppe, som kan bruges til at overvinde lysets hastighed. Dette emne vedrører det allerede beskrevne afsnit af skygger og højlys. (Se den superluminale saks, den stive roterende skive i relativitetsteorien).

5. Fasehastighed

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

har en løsning i form
u = A cos(ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 = 0

Disse er sinusbølger, der forplanter sig med hastighed v
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Men det er mere end c. Måske er dette ligningen for tachyoner? (se yderligere afsnit). Nej, dette er en almindelig relativistisk ligning for en partikel med masse.

For at eliminere paradokset skal du skelne mellem "fasehastighed" v ph og "gruppehastighed" v Grand
v ph ·v gr = c 2

Bølgeopløsningen kan have frekvensspredning. I dette tilfælde bevæger bølgepakken sig med en gruppehastighed, som er mindre end c. Ved hjælp af en bølgepakke kan information kun transmitteres ved gruppehastighed. Bølgerne i en bølgepakke bevæger sig med fasehastighed. Fasehastighed er et andet eksempel på superluminal bevægelse, der ikke kan bruges til at sende beskeder.

6. Superluminale galakser

7. Relativistisk raket

Lad en observatør på Jorden se et rumskib bevæge sig væk med en hastighed 0,8c Ifølge relativitetsteorien vil han se, at uret på rumskibet kører 5/3 gange langsommere. Hvis vi dividerer afstanden til skibet med flyvetiden i henhold til uret ombord, får vi farten 4/3c. Observatøren konkluderer, at ved hjælp af sit ur om bord vil skibets lods også fastslå, at han flyver med superluminal hastighed. Fra pilotens synspunkt kører hans ur normalt, men det interstellare rum er skrumpet med 5/3 gange. Derfor flyver den kendte afstande mellem stjerner hurtigere, med en hastighed 4/3c .

Tidsudvidelse er en reel effekt, der i princippet kunne bruges i rumrejser til at rejse lange afstande på kort tid set fra astronautens synspunkt. Ved en konstant acceleration på 1g vil astronauter ikke kun have komforten af ​​kunstig tyngdekraft, men de vil også være i stand til at krydse galaksen på kun 12 år på deres egen tid. Under rejsen bliver de 12 år.

Men dette er stadig ikke superluminal flyvning. Du kan ikke beregne hastighed ved hjælp af afstand og tid defineret i forskellige referencesystemer.

8. Tyngdehastighed

Nogle insisterer på, at tyngdekraften er meget større c eller endda uendelig. Tjek Rejser tyngdekraften med lysets hastighed? og hvad er gravitationsstråling? Gravitationsforstyrrelser og gravitationsbølger forplanter sig med hastighed c .

9. EPJ paradoks

10. Virtuelle fotoner

11. Kvantetunneleffekt

I kvantemekanikken tillader tunneleffekten en partikel at overvinde en barriere, selvom den ikke har nok energi til at gøre det. Det er muligt at beregne tunneleringstiden gennem en sådan barriere. Og det kan vise sig at være mindre, end hvad der kræves for, at lys kan tilbagelægge den samme afstand med fart c. Kan dette bruges til at sende beskeder hurtigere end lyset?

Kvanteelektrodynamik siger "Nej!" Der blev dog udført et eksperiment, der demonstrerede superluminal transmission af information ved hjælp af tunneleffekten. Gennem en barriere 11,4 cm bred med en hastighed på 4,7 c Mozarts 40. symfoni blev overført. Forklaringen på dette eksperiment er meget kontroversiel. De fleste fysikere mener, at tunneleffekten ikke kan bruges til at transmittere Information hurtigere end lyset. Hvis dette var muligt, hvorfor så ikke sende signalet ind i fortiden ved at placere udstyret i en hurtigt bevægende referenceramme.

17. Kvantefeltteori

Med undtagelse af tyngdekraften svarer alle observerede fysiske fænomener til Standardmodellen. Standardmodellen er en relativistisk kvantefeltteori, der forklarer elektromagnetiske og nukleare interaktioner samt alle kendte partikler. I denne teori "pendler" ethvert par af operatorer, der svarer til fysiske observerbare, adskilt af et rumlignende interval af begivenheder (det vil sige, rækkefølgen af ​​disse operatorer kan ændres). I princippet indebærer dette, at i standardmodellen kan et nedslag ikke rejse hurtigere end lyset, og dette kan betragtes som kvantefeltækvivalenten til argumentet for uendelig energi.

Der er dog ingen upåklageligt strenge beviser for standardmodellens kvantefeltteori. Ingen har endnu bevist, at denne teori er internt konsistent. Dette er højst sandsynligt ikke tilfældet. Under alle omstændigheder er der ingen garanti for, at der ikke er nogle endnu uopdagede partikler eller kræfter, som ikke overholder forbuddet mod superluminal rejser. Der er heller ingen generalisering af denne teori, der inkluderer tyngdekraft og generel relativitet. Mange fysikere, der arbejder inden for kvantetyngdekraften, tvivler på, at simple ideer om kausalitet og lokalitet vil generalisere. Der er ingen garanti for, at i en fremtidig mere komplet teori vil lysets hastighed bevare betydningen af ​​den ultimative hastighed.

18. Bedstefar-paradokset

I den specielle relativitetsteori rejser en partikel, der rejser hurtigere end lyset i en referenceramme, tilbage i tiden i en anden referenceramme. FTL-rejser eller informationsoverførsel ville gøre det muligt at rejse eller sende en besked ind i fortiden. Hvis en sådan tidsrejse var mulig, kunne du gå tilbage i tiden og ændre historiens gang ved at dræbe din bedstefar.

Dette er et meget alvorligt argument imod muligheden for superluminal rejse. Sandt nok er der stadig en næsten usandsynlig mulighed for, at nogle begrænsede superluminale rejser er mulige, hvilket forhindrer en tilbagevenden til fortiden. Eller måske er tidsrejser mulige, men kausaliteten krænkes på en konsekvent måde. Det er alt sammen meget langt ude, men hvis vi diskuterer superluminal rejser, er det bedre at være forberedt på nye ideer.

Det modsatte er også sandt. Hvis vi kunne rejse tilbage i tiden, kunne vi overvinde lysets hastighed. Du kan gå tilbage i tiden, flyve et sted hen med lav hastighed, og ankomme der, før lyset, der sendes på den sædvanlige måde, ankommer. Se Tidsrejse for detaljer om dette emne.

Åbne spørgsmål om rejser hurtigere end lyset

I dette sidste afsnit vil jeg beskrive nogle seriøse ideer om mulig rejse hurtigere end lyset. Disse emner er ikke ofte inkluderet i ofte stillede spørgsmål, fordi de virker mindre som svar og mere som en masse nye spørgsmål. De er medtaget her for at vise, at der udføres seriøs forskning i denne retning. Der gives kun en kort introduktion til emnet. Du kan finde detaljer på internettet. Som med alt på internettet, vær kritisk over for dem.

19. Tachyoner

Tachyoner er hypotetiske partikler, der lokalt rejser hurtigere end lys. For at gøre dette skal de have en imaginær masse. Desuden er energien og momentum af tachyon reelle størrelser. Der er ingen grund til at tro, at superluminale partikler ikke kan påvises. Skygger og højlys kan rejse hurtigere end lys og kan registreres.

Indtil videre er tachyoner ikke blevet fundet, og fysikere tvivler på deres eksistens. Der har været påstande om, at i eksperimenter til at måle massen af ​​neutrinoer produceret af beta-henfald af tritium, var neutrinoerne tachyoner. Dette er tvivlsomt, men er endnu ikke blevet endeligt tilbagevist.

Der er problemer med tachyon-teori. Udover muligvis at forstyrre kausaliteten, gør tachyoner også vakuumet ustabilt. Det kan være muligt at omgå disse vanskeligheder, men selv da vil vi ikke være i stand til at bruge tachyoner til superluminal beskedtransmission.

De fleste fysikere mener, at udseendet af tachyoner i teorien er et tegn på nogle problemer i denne teori. Ideen om tachyoner er så populær blandt offentligheden, simpelthen fordi de ofte er nævnt i science fiction-litteratur. Se Tachyons.

20. Ormehuller

Den mest berømte metode til global superluminal rejse er brugen af ​​ormehuller. Et ormehul er et snit i rum-tid fra et punkt i universet til et andet, som giver dig mulighed for at rejse fra den ene ende af hullet til den anden hurtigere end den sædvanlige vej. Ormehuller er beskrevet af den generelle relativitetsteori. For at skabe dem skal du ændre rum-tidens topologi. Måske bliver dette muligt inden for rammerne af kvanteteorien om tyngdekraften.

For at holde et ormehul åbent har du brug for områder med negativ energi. C.W.Misner og K.S.Thorne foreslog at bruge Casimir-effekten i stor skala til at skabe negativ energi. Visser foreslået at bruge kosmiske strenge til dette. Disse er meget spekulative ideer og er måske ikke mulige. Måske eksisterer den nødvendige form for eksotisk stof med negativ energi ikke.