Вселенски летови блиску до брзината на светлината. Што ги спречува луѓето да летаат во вселената со брзина на светлината?

25 март 2017 година

Патувај до суперлуминална брзина- еден од темелите на просторот научна фантастика. Сепак, веројатно сите - дури и луѓето далеку од физиката - го знаат тоа максимум можна брзинаДвижењето на материјалните предмети или ширењето на какви било сигнали е брзината на светлината во вакуум. Тој е означен со буквата в и е скоро 300 илјади километри во секунда; точна вредност s = 299.792.458 m/s.

Брзината на светлината во вакуум е една од основните физички константи. Неможноста за постигнување брзини кои надминуваат c произлегува од посебна теоријарелативноста (SRT) на Ајнштајн. Кога би можело да се докаже дека преносот на сигнали со суперлуминални брзини е возможен, би паднала теоријата на релативност. Досега тоа не се случи, и покрај бројните обиди да се побие забраната за постоење на брзини поголеми од в. Меѓутоа, во експериментални студииНеодамна, откриени се некои многу интересни феномени, што укажува на тоа дека под специјално создадени услови е можно да се набљудуваат суперлуминални брзини и во исто време да не се нарушуваат принципите на теоријата на релативноста.

За почеток, да се потсетиме на главните аспекти поврзани со проблемот со брзината на светлината.

Прво: зошто е тоа невозможно (ако нормални услови) ја надминува границата на светлина? Затоа што тогаш се прекршува основниот закон на нашиот свет - законот за каузалност, според кој ефектот не може да ѝ претходи на причината. Никој никогаш не забележал дека, на пример, мечка прво паднала мртва, а потоа ловецот пукал. При брзини над c, секвенцата на настани се менува, временската лента се враќа назад. Ова е лесно да се потврди од следново едноставно расудување.

Да претпоставиме дека сме на некој вид вселенски чудо брод, кој се движи побрзо од светлината. Потоа постепено ќе ја достигнеме светлината што ја емитува изворот во претходните и претходните времиња. Прво, ќе ги достигнеме фотоните што се емитуваат, да речеме, вчера, потоа оние што се емитирани завчера, потоа една недела, еден месец, една година, итн. Ако изворот на светлина беше огледало што го рефлектира животот, тогаш прво ќе ги видиме настаните од вчера, потоа завчера итн. Можевме да видиме, да речеме, старец кој постепено се претвора во средовечен човек, па во млад човек, во младост, во дете... Односно, времето би се вратило назад, би се преселиле од сегашноста во минатото. Причините и последиците потоа би ги смениле местата.

Иако оваа дискусија целосно ги игнорира техничките детали за процесот на набљудување на светлината, од фундаментална гледна точка јасно покажува дека движењето со суперлуминални брзини води до ситуација која е невозможна во нашиот свет. Сепак, природата постави уште построги услови: движењето е недостижно не само со суперлуминална брзина, туку и со брзина еднаква брзинасветлина - можете само да му пријдете. Од теоријата на релативност произлегува дека кога брзината на движење се зголемува, се јавуваат три околности: се зголемува масата на предметот што се движи, неговата големина во насока на движење се намалува и текот на времето на овој објект се забавува (од точка поглед на надворешен набљудувач кој „одмара“). При обични брзини, овие промени се занемарливи, но како што се приближуваат до брзината на светлината, тие стануваат сè позабележителни, а во границата - со брзина еднаква на c - масата станува бескрајно голема, предметот целосно ја губи големината во насока на движење и времето застанува на него. Затоа, ниту едно материјално тело не може да ја достигне брзината на светлината. Само самата светлина има таква брзина! (И, исто така, „сеопфатна“ честичка - неутрино, кое, како фотон, не може да се движи со брзина помала од в.)

Сега за брзината на пренос на сигналот. Овде е соодветно да се користи претставата на светлината во форма на електромагнетни бранови. Што е сигнал? Ова се некои информации што треба да се пренесат. Совршено електромагнетен бран- ова е бесконечен синусоид со строго една фреквенција и не може да носи никаква информација, бидејќи секој период од таков синусоид точно ја повторува претходната. Брзината на движење на фазата на синусниот бран - таканаречената фазна брзина - може, под одредени услови, да ја надмине брзината на светлината во вакуум во медиум. Овде нема ограничувања, бидејќи фазната брзина не е брзината на сигналот - сè уште не постои. За да создадете сигнал, треба да направите некој вид „ознака“ на бранот. Таквата ознака може да биде, на пример, промена на кој било од параметрите на бранот - амплитуда, фреквенција или почетна фаза. Но, штом ќе се направи ознаката, бранот ја губи синусоидноста. Тој станува модулиран, кој се состои од збир на едноставни синусни бранови со различни амплитуди, фреквенции и почетни фази - група бранови. Брзината со која се движи ознаката во модулираниот бран е брзината на сигналот. Кога се шири во медиум, оваа брзина обично се совпаѓа со групната брзина, која го карактеризира ширењето на гореспоменатата група бранови како целина (види „Наука и живот“ бр. 2, 2000 година). Во нормални услови, брзината на групата, а со тоа и брзината на сигналот, е помала од брзината на светлината во вакуум. Не случајно овде се користи изразот „под нормални услови“, бидејќи во некои случаи брзината на групата може да надмине c или дури да го изгуби своето значење, но тогаш тоа не се однесува на ширење на сигналот. Сервисната станица утврдува дека е невозможно да се пренесе сигнал со брзина поголема од c.

Зошто е ова така? Бидејќи пречката за пренос на кој било сигнал со брзина поголема од c е истиот закон за каузалност. Ајде да замислиме таква ситуација. Во одреден момент А, светлосен блиц (настан 1) вклучува уред кој испраќа одреден радио сигнал, а во оддалечената точка Б, под влијание на овој радио сигнал, се случува експлозија (настан 2). Јасно е дека настанот 1 (плам) е причината, а настанот 2 (експлозија) е последицата што се случува подоцнежни причини. Но, ако радио сигналот се ширел со суперлуминална брзина, набљудувачот во близина на точката Б прво би видел експлозија, а дури потоа причината за експлозијата што стигнала до него со брзина на светлосен блесок. Со други зборови, за овој набљудувач, настанот 2 би се случил порано од настанот 1, односно ефектот би претходел на причината.

Соодветно е да се нагласи дека „суперлуминалната забрана“ на теоријата на релативност се наметнува само на движењето материјални телаи пренос на сигнал. Во многу ситуации, движењето со која било брзина е можно, но тоа нема да биде движење на материјални предмети или сигнали. На пример, замислете два прилично долги линијари кои лежат во иста рамнина, од кои едниот се наоѓа хоризонтално, а другиот го пресекува под мал агол. Ако првиот линијар се помести надолу (во насоката означена со стрелката) со голема брзина, точката на вкрстување на линијарите може да се направи да работи толку брзо колку што сакате, но оваа точка не е материјално тело. Друг пример: ако земете фенерче (или, да речеме, ласер што произведува тесен зрак) и брзо опишете лак во воздухот, тогаш линеарна брзинасветлосниот зрак ќе се зголемува со растојание и доволно големо растојаниеќе надмине в. Светлосната точка ќе се движи помеѓу точките А и Б со суперлуминална брзина, но тоа нема да биде пренос на сигнал од А до Б, бидејќи такво светлосно место не носи никакви информации за точката А.

Се чини дека прашањето за суперлуминалните брзини е решено. Но, во 60-тите години на дваесеттиот век, теоретските физичари ја изнесоа хипотезата за постоење на суперлуминални честички наречени тахиони. Ова се многу чудни честички: теоретски тие се можни, но за да се избегнат противречности со теоријата на релативноста, мораше да им се додели имагинарна маса на одмор. Физички, имагинарната маса не постои, таа е чисто математичка апстракција. Сепак, ова не предизвика многу аларм, бидејќи тахионите не можат да мируваат - тие постојат (ако постојат!) само со брзини што ја надминуваат брзината на светлината во вакуум, а во овој случај тахионската маса се покажува како реална. Има некоја аналогија овде со фотоните: фотонот има нулта маса на мирување, но тоа едноставно значи дека фотонот не може да биде во мирување - светлината не може да се запре.

Најтешкото нешто се покажа, како што се очекува, да се усогласи хипотезата за тахион со законот за каузалност. Обидите направени во оваа насока, иако доста генијални, не доведоа до очигледен успех. Никој не успеал експериментално да регистрира ниту тахиони. Како резултат на тоа, интересот за тахиони како суперлуминални елементарни честички постепено исчезна.

Сепак, во 60-тите, експериментално беше откриен феномен што првично ги збуни физичарите. Ова е детално опишано во написот на А. Н. Ораевски „Суперлуминални бранови во медиум за засилување“ (UFN бр. 12, 1998). Овде накратко ќе ја сумираме суштината на предметот, упатувајќи го читателот заинтересиран за детали до наведениот напис.

Набргу по откривањето на ласерите - во раните 60-ти - се појави проблемот со добивање на кратки (времетраење околу 1 ns = 10-9 s) светлосни импулси висока моќност. За да го направите ова, краток ласерски пулс беше пренесен преку оптички квантен засилувач. Пулсот беше поделен на два дела со огледало што го разделува зракот. Еден од нив, помоќен, беше испратен до засилувачот, а другиот се ширеше во воздухот и служеше како референтен пулс со кој може да се спореди пулсот што минува низ засилувачот. И двата импулси беа напојувани со фотодетектори, а нивните излезни сигнали можеа визуелно да се набљудуваат на екранот на осцилоскопот. Се очекуваше дека светлосниот пулс што минува низ засилувачот ќе доживее одредено доцнење во него во споредба со референтниот пулс, односно брзината на ширење на светлината во засилувачот ќе биде помала отколку во воздухот. Замислете го чудењето на истражувачите кога открија дека пулсот се шири низ засилувачот со брзина не само поголема од воздухот, туку и неколку пати поголема од брзината на светлината во вакуум!

Откако се опоравија од првиот шок, физичарите почнаа да ја бараат причината за таков неочекуван резултат. Никој немаше ни најмал сомнеж за принципите на специјалната теорија на релативноста, и тоа е она што помогна да се најде точното објаснување: ако принципите на SRT се зачувани, тогаш одговорот треба да се бара во својствата на медиумот за засилување.

Без да навлегуваме овде во детали, само ќе укажеме на тоа детална анализамеханизмот на дејство на медиумот за подобрување целосно ја разјасни ситуацијата. Поентата беше промена во концентрацијата на фотоните за време на ширењето на пулсот - промена предизвикана од промена на засилувањето на медиумот до негативна вредност за време на поминувањето на задниот дел од пулсот, кога медиумот веќе апсорбира енергија, бидејќи сопствената резерва е веќе потрошена поради нејзиното пренесување на светлосниот пулс. Апсорпцијата не предизвикува зголемување, туку слабеење на импулсот и на тој начин импулсот се зајакнува во предниот дел и ослабува во задниот дел. Да замислиме дека набљудуваме пулс користејќи уред кој се движи со брзина на светлината во медиумот на засилувачот. Кога медиумот би бил проѕирен, би го виделе импулсот замрзнат во неподвижноста. Во средината во која се случува горенаведениот процес, зајакнувањето на предниот раб и слабеењето на задниот раб на пулсот ќе му се појават на набљудувачот на таков начин што медиумот се чини дека го придвижил пулсот напред. Но, бидејќи уредот (набљудувачот) се движи со брзина на светлината, а импулсот го престигнува, тогаш брзината на импулсот ја надминува брзината на светлината! Токму овој ефект го забележаа експериментаторите. И овде навистина нема противречност со теоријата на релативност: процесот на засилување е едноставно таков што концентрацијата на фотоните што излегле порано се покажува дека е поголема од оние што излегле подоцна. Не се фотоните што се движат со суперлуминална брзина, туку обвивката на пулсот, особено нејзиниот максимум, што се забележува на осцилоскоп.

Така, додека во обичните медиуми секогаш има слабеење на светлината и намалување на нејзината брзина, определено со индексот на рефракција, во активните ласерски медиуми не постои само засилување на светлината, туку и ширење на пулсот со суперлуминална брзина.

Некои физичари се обидоа експериментално да докажат присуство на суперлуминално движење за време на ефектот на тунелот - еден од најневеројатните феномени во квантна механика. Овој ефект се состои во тоа што микрочестичката (поточно, микрообјектот кој под различни услови покажува и својства на честичка и својства на бран) е способна да навлезе низ таканаречената потенцијална бариера - феномен кој е целосно невозможно во класична механика(во која аналогијата би била следнава ситуација: топката фрлена на ѕид би завршила на другата страна од ѕидот, или движењето слично на бранови дадено на јаже врзано за ѕидот би се префрлило на јаже врзано за ѕидот од другата страна). Суштината на ефектот на тунелот во квантната механика е како што следува. Ако микро-објект со одредена енергија на својот пат наиде на област со потенцијална енергија што ја надминува енергијата на микро-објектот, оваа област е бариера за него, чија висина се одредува со енергетската разлика. Но, микро-објектот „протекува“ низ бариерата! Оваа можност му ја дава добро познатата Хајзенберг релација на несигурност, напишана за енергијата и времето на интеракција. Ако интеракцијата на микрообјектот со бариерата се случи во текот на прилично одредено време, тогаш енергијата на микрообјектот, напротив, ќе се карактеризира со несигурност, а ако оваа несигурност е од редот на висината на бариерата, тогаш вториот престанува да биде непремостлива пречка за микрообјектот. Тоа е брзината на пенетрација низ потенцијалната бариера што стана предмет на истражување на голем број физичари, кои веруваат дека може да надмине в.

Во јуни 1998 година, меѓународен симпозиум за проблемите на суперлуминални движења, каде што се разговараше за резултатите добиени во четири лаборатории - во Беркли, Виена, Келн и Фиренца.

И, конечно, во 2000 година, се појавија извештаи за два нови експерименти во кои се појавија ефектите од суперлуминалното ширење. Еден од нив беше изведен од Лиџун Вонг и неговите колеги од Истражувачкиот институт Принстон (САД). Неговиот резултат е дека светлосниот пулс кој влегува во комора исполнета со цезиумска пареа ја зголемува неговата брзина за 300 пати. Се испостави дека главниот дел од пулсот излезе од далечниот ѕид на комората уште порано отколку што пулсот влезе во комората преку предниот ѕид. Оваа ситуација е во спротивност не само Здрав разум, но, во суштина, теоријата на релативноста.

Пораката на Л. Вонг предизвика интензивна дискусија меѓу физичарите, од кои повеќето не беа склони да видат повреда на принципите на релативноста во добиените резултати. Предизвикот, сметаат тие, е правилно да се објасни овој експеримент.

Во експериментот на L. Wong, светлосниот пулс кој влегува во комората со цезиумска пареа имал времетраење од околу 3 μs. Атомите на цезиум можат да постојат во шеснаесет можни квантни механички состојби, наречени „хиперфини магнетни поднивоа на основната состојба“. Со користење на оптичко ласерско пумпање, речиси сите атоми беа доведени во само една од овие шеснаесет состојби, што одговара на речиси апсолутна нулатемпература на Келвинова скала (-273,15°C). Должината на цезиумската комора беше 6 сантиметри. Во вакуум, светлината патува 6 сантиметри за 0,2 ns. Како што покажаа мерењата, светлосниот пулс помина низ комората со цезиум во време кое беше 62 ns помалку отколку во вакуум. Со други зборови, времето потребно за пулсот да помине низ цезиумска средина има знак минус! Навистина, ако одземеме 62 ns од 0,2 ns, ќе добиеме „негативно“ време. Ова „негативно доцнење“ во медиумот - неразбирлив временски скок - е еднаков на времето во кое пулсот би направил 310 поминувања низ комората во вакуум. Последица на овој „временски пресврт“ беше тоа што пулсот што ја напушта комората успеа да се оддалечи 19 метри од неа пред влезниот пулс да стигне до блискиот ѕид на комората. Како може да се објасни таквата неверојатна ситуација (освен, се разбира, ако не се сомневаме во чистотата на експериментот)?

Судејќи според тековната дискусија, сè уште не е пронајдено точно објаснување, но нема сомнеж дека необичните дисперзивни својства на медиумот играат улога тука: пареата на цезиумот, која се состои од атоми возбудени од ласерската светлина, е медиум со аномална дисперзија. . Накратко да се потсетиме што е тоа.

Дисперзијата на супстанцијата е зависност на фазата (обичен) индекс на рефракција n од светлосната бранова должина l. Со нормална дисперзија, индексот на прекршување се зголемува со намалување на брановата должина, а тоа е случај кај стаклото, водата, воздухот и сите други супстанции проѕирни на светлина. Кај супстанциите кои силно ја апсорбираат светлината, текот на индексот на рефракција со промена на брановата должина е обратен и станува многу поостар: со намалување l (зголемена фреквенција w), индексот на рефракција нагло се намалува и во одреден регион на бранова должина станува помал од единството ( фазна брзина Vf > s ). Ова е аномална дисперзија, во која шемата на ширење на светлината во супстанцијата радикално се менува. Групната брзина Vgr станува поголема од фазната брзина на брановите и може да ја надмине брзината на светлината во вакуум (а исто така да стане негативна). Л. Вонг укажува на оваа околност како причина за можноста за објаснување на резултатите од неговиот експеримент. Сепак, треба да се забележи дека условот Vgr > c е чисто формален, бидејќи концептот на групна брзина беше воведен за случај на мала (нормална) дисперзија, за проѕирни медиуми, кога група бранови речиси не ја менува својата форма. за време на размножување. Во регионите на аномална дисперзија, светлосниот пулс брзо се деформира и концептот на групна брзина го губи своето значење; во овој случај, се воведуваат концептите на брзина на сигналот и брзина на ширење на енергијата, кои во проѕирните медиуми се совпаѓаат со брзината на групата, а во медиумот со апсорпција остануваат помали од брзината на светлината во вакуум. Но, еве што е интересно за експериментот на Вонг: светлосниот пулс, кој минува низ медиум со аномална дисперзија, не се деформира - тој точно ја задржува својата форма! И ова одговара на претпоставката дека импулсот се шири со групна брзина. Но, ако е така, тогаш излегува дека нема апсорпција во медиумот, иако аномалната дисперзија на медиумот се должи токму на апсорпцијата! Самиот Вонг, иако признава дека многу останува нејасно, верува дека она што се случува во неговата експериментална поставеност може, до прво приближување, јасно да се објасни на следниот начин.

Светлосниот пулс се состои од многу компоненти со различни бранови должини (фреквенции). Сликата покажува три од овие компоненти (бранови 1-3). Во одреден момент, сите три бранови се во фаза (нивните максимални се совпаѓаат); овде тие, собирајќи се, меѓусебно се зајакнуваат и формираат импулс. Како што понатаму се шират во вселената, брановите стануваат дефазни и на тој начин се „поништуваат“ еден со друг.

Во регионот на аномална дисперзија (во внатрешноста на цезиумската клетка), бранот што бил пократок (бран 1) станува подолг. Спротивно на тоа, бранот кој беше најдолг од трите (бран 3) станува најкраток.

Следствено, фазите на брановите соодветно се менуваат. Откако брановите ќе поминат низ цезиумската клетка, нивните бранови фронтови се обновуваат. Преку невообичаена фазна модулација во супстанција со аномална дисперзија, трите бранови за кои станува збор повторно се наоѓаат во фаза во одреден момент. Овде тие повторно се собираат и формираат пулс со иста форма како оној што влегува во цезиумската средина.

Вообичаено во воздухот, а всушност во која било проѕирна средина со нормална дисперзија, светлосниот пулс не може точно да ја одржи својата форма кога се шири на далечина, односно, сите негови компоненти не можат да се истурат во која било далечна точка долж патеката на ширење. И во нормални услови, светлосниот пулс се појавува во толку далечна точка по некое време. Сепак, поради аномалните својства на медиумот користен во експериментот, се покажа дека пулсот на оддалечена точка е фазен на ист начин како и при влегувањето во овој медиум. Така, светлосниот пулс се однесува како да има негативно временско задоцнување на пат до далечна точка, односно до него ќе стигне не подоцна, туку порано отколку што поминал низ медиумот!

Повеќето физичари се склони да го поврзат овој резултат со појавата на прекурсор со низок интензитет во дисперзивниот медиум на комората. Факт е дека за време на спектралното распаѓање на пулсот, спектарот содржи компоненти на произволно високи фреквенции со занемарливо мала амплитуда, таканаречениот претходник, кој оди пред „главниот дел“ на пулсот. Природата на воспоставување и обликот на претходникот зависат од законот за дисперзија во медиумот. Имајќи го ова на ум, секвенцата на настани во експериментот на Вонг се предлага да се толкува на следниов начин. Дојдовниот бран, „истегнувајќи го“ предвесникот пред себе, се приближува до камерата. Пред врвот на влезниот бран да го погоди блискиот ѕид на комората, претходникот иницира појава на пулс во комората, кој допира до далечниот ѕид и се рефлектира од него, формирајќи „обратен бран“. Овој бран, кој се шири 300 пати побрзо од c, допира до блискиот ѕид и се среќава со дојдовниот бран. Врвовите на еден бран се среќаваат со коритата на друг, така што меѓусебно се уништуваат и како резултат не останува ништо. Излегува дека дојдовниот бран „го враќа долгот“ на атомите на цезиум, кои му „позајмиле“ енергија на другиот крај на комората. Секој што го гледал само почетокот и крајот на експериментот би видел само пулс на светлина што „скокнал“ напред во времето, движејќи се побрзо од в.

Л. Вонг верува дека неговиот експеримент не е во согласност со теоријата на релативноста. Изјавата за недостижноста на суперлуминалната брзина, смета тој, се однесува само на предмети со маса на мирување. Светлината може да се претстави или во форма на бранови, на кои концептот на маса е генерално неприменлив, или во форма на фотони со маса на мирување, како што е познато, еднаква на нула. Затоа, брзината на светлината во вакуум, според Вонг, не е граница. Сепак, Вонг признава дека ефектот што го открил не овозможува пренос на информации со брзина поголема од в.

„Информациите овде веќе се содржани во предниот раб на пулсот“, вели П. Милони, физичар во Националната лабораторија во Лос Аламос во Соединетите Држави „И може да остави впечаток дека испраќа информации побрзо од светлината, дури и кога вие не го испраќаат“.

Повеќето физичари веруваат во тоа нова работане им задава кршен удар на основните принципи. Но, не сите физичари веруваат дека проблемот е решен. Професорот А. Ранфањи од Италијанецот истражувачка група, кој изврши уште еден интересен експеримент во 2000 година, верува дека прашањето сè уште останува отворено. Овој експеримент, спроведен од Даниел Мугнаи, Анедио Ранфањи и Роко Руџери, откри дека радио брановите од сантиметар при нормално воздушно патување со брзина за 25% поголема од в.

Да резимираме, можеме да го кажеме следново.

Работи последниве годинипокажуваат дека под одредени услови навистина може да се појави суперлуминална брзина. Но, што точно се движи со суперлуминални брзини? Теоријата на релативноста, како што веќе беше споменато, забранува таква брзина за материјалните тела и за сигналите што носат информации. Сепак, некои истражувачи многу упорно се обидуваат да покажат надминување на светлосната бариера специјално за сигнали. Причината за ова лежи во фактот што специјалната теорија на релативност нема строго математичко оправдување (засновано, да речеме, на Максвеловите равенки за електромагнетно поле) неможност за пренос на сигнали со брзини поголеми од в. Таквата неможност во STR е утврдена, може да се каже, чисто аритметички, врз основа на формулата на Ајнштајн за собирање брзини, но тоа е фундаментално потврдено со принципот на каузалност. Самиот Ајнштајн, со оглед на прашањето за пренос на суперлуминален сигнал, напишал дека во овој случај „...ние сме принудени да разгледаме можен механизам за пренос на сигнал, во кој постигнатото дејство и претходи на причината, но, иако ова е резултат од чисто логична точка гледиштето не се содржи, според мое мислење, нема противречности, сепак толку е во спротивност со природата на целокупното наше искуство што неможноста на претпоставката V > c се чини дека е доволно докажана. Принципот на каузалност е камен-темелникот што лежи во основата на неможноста за пренос на суперлуминален сигнал. И, очигледно, сите пребарувања за суперлуминални сигнали без исклучок ќе се сопнуваат над овој камен, без разлика колку експериментаторите би сакале да детектираат такви сигнали, бидејќи таква е природата на нашиот свет.

Но, сепак, да замислиме дека математиката на релативноста сепак ќе работи со суперлуминални брзини. Ова значи дека теоретски сè уште можеме да дознаеме што би се случило ако некое тело ја надмине брзината на светлината.

Ајде да замислиме два вселенски брода како се движат од Земјата кон ѕвезда која е оддалечена 100 светлосни години од нашата планета. Првиот брод ја напушта Земјата со 50% од брзината на светлината, така што ќе бидат потребни 200 години за да се заврши патувањето. Вториот брод, опремен со хипотетички ворп погон, ќе патува со 200% брзина на светлината, но 100 години по првата. Што ќе се случи?

Според теоријата на релативноста, точниот одговор во голема мера зависи од перспективата на набљудувачот. Од Земјата, ќе изгледа дека првиот брод веќе поминал значително растојание пред да биде престигнат од вториот брод, кој се движи четири пати побрзо. Но, од гледна точка на луѓето на првиот брод, сè е малку поинаку.

Бродот бр. 2 се движи побрзо од светлината, што значи дека може дури и да ја надмине светлината што самиот ја емитува. Ова резултира со еден вид „светлосен бран“ (сличен на звучниот бран, но наместо воздушни вибрации има светлосни бранови кои вибрираат) што доведува до неколку интересни ефекти. Потсетете се дека светлината од бродот #2 се движи побавно од самиот брод. Резултатот ќе биде визуелно удвојување. Со други зборови, прво екипажот на бродот бр.1 ќе види дека до нив се појавил вториот брод како од никаде. Потоа, светлината од вториот брод ќе стигне до првиот со мало задоцнување, а резултатот ќе биде видлива копија која ќе се движи во иста насока со мало заостанување.

Нешто слично може да се види во Компјутерски игрикога, како резултат на дефект на системот, моторот го вчитува моделот и неговите алгоритми крајна точкадвижења побрзо отколку што завршува самата анимација, така што се случуваат повеќекратни преземања. Веројатно затоа нашата свест не го согледува тој хипотетички аспект на Универзумот во кој телата се движат со суперлуминални брзини - можеби ова е најдобро.

П.С. ... но во последен примерНе разбирам нешто, зошто вистинската положба на бродот е поврзана со „светлината што ја емитува“? Па, дури и да го видат на погрешно место, во реалноста ќе го престигне првиот брод!

извори

Горната граница на брзина им е позната дури и на учениците: имајќи ја поврзаноста на масата и енергијата со познатата формула E = mc 2, уште на почетокот на дваесеттиот век тој укажа на основната неможност нешто со маса да се движи во вселената побрзо од брзината. светлина во вакуум. Сепак, оваа формулација веќе содржи дупки што некои физички феномени и честички можат да ги заобиколат. Барем на феномени кои постојат во теорија.

Првата дупка се однесува на зборот „маса“: ограничувањата на Ајнштајн не се однесуваат на честичките без маса. Тие, исто така, не се однесуваат на некои прилично густи медиуми, во кои брзината на светлината може да биде значително помала отколку во вакуум. Конечно, со примена на доволна енергија, самиот простор може локално да се деформира, овозможувајќи движење на таков начин што, за надворешниот набљудувач, надвор од оваа деформација, движењето изгледа дека е побрзо од брзината на светлината.

Некои од овие „брзински“ феномени и честички на физиката редовно се снимаат и репродуцираат во лаборатории, па дури и се користат во пракса, во високотехнолошки инструменти и уреди. Научниците сè уште се обидуваат да откријат други теоретски предвидени во реалноста, а за други имаат големи планови: можеби еден ден овие феномени ќе ни овозможат слободно да се движиме низ Универзумот, дури и не ограничени со брзината на светлината.

Квантна телепортација

Статус: активно се развива

Живо суштество е добар пример за технологија која е теоретски дозволена, но практично, очигледно, никогаш не е изводлива. Но ако ние зборуваме зателепортацијата, односно моменталното движење на малите предмети, а особено на честичките, од едно до друго место е сосема можно. За да ја поедноставиме задачата, да почнеме со нешто едноставно - честички.

Се чини дека ќе ни требаат уреди кои (1) целосно ќе ја набљудуваат состојбата на честичката, (2) ја пренесуваат оваа состојба побрзо од брзината на светлината, (3) го враќаат оригиналот.

Меѓутоа, во таква шема, дури и првиот чекор не може целосно да се спроведе. Принципот на несигурност на Хајзенберг наметнува непремостливи ограничувања на точноста со која може да се измерат „спарените“ параметри на честичката. На пример, колку подобро го знаеме неговиот моментум, толку полошо ги знаеме неговите координати и обратно. Сепак важна карактеристикаквантната телепортација е дека, всушност, нема потреба од мерење на честички, исто како што нема потреба да се врати ништо - доволно е да се добијат пар заплеткани честички.

На пример, за да подготвиме такви заплеткани фотони, ќе треба да осветлиме нелинеарен кристал со ласерско зрачење со одредена бранова должина. Тогаш некои од дојдовните фотони ќе се распаднат на два заплеткани - необјасниво поврзани, така што секоја промена во состојбата на едниот моментално влијае на состојбата на другиот. Оваа врска е навистина необјаснива: механизмите на квантното заплеткување остануваат непознати, иако самиот феномен бил и се демонстрира постојано. Но, ова е феномен во кој навистина е лесно да се збуни - доволно е да се додаде дека пред мерењето ниту една од овие честички ја нема потребната карактеристика и без разлика каков резултат ќе добиеме со мерење на првата, состојбата на втората ќе чудно корелираат со нашиот резултат.

Механизмот на квантна телепортација, предложен во 1993 година од Чарлс Бенет и Жил Брасард, бара додавање на само еден дополнителен учесник на пар заплеткани честички - всушност, онаа што ќе ја телепортираме. Испраќачите и примачите обично се нарекуваат Алиса и Боб, а ние ќе ја следиме оваа традиција давајќи на секој од нив по еден од заплетканите фотони. Штом ги раздели пристојно растојание и Алиса реши да започне со телепортирање, таа го зема саканиот фотон и ја мери неговата состојба заедно со состојбата на првиот од заплетканите фотони. Неизвесно бранова функцијаод овој фотон колабира и веднаш се повторува во вториот заплетен фотон на Боб.

За жал, Боб не знае точно како неговиот фотон реагира на однесувањето на фотонот на Алиса: за да го разбере ова, тој мора да почека додека таа не ги испрати резултатите од нејзините мерења по редовна пошта, не поголема од брзината на светлината. Затоа, нема да може да се пренесе каква било информација преку таков канал, но фактот останува факт. Ја телепортиравме состојбата на еден фотон. За да продолжиме кон луѓето, останува само да ја зголемиме технологијата за да ја покрие секоја честичка од само 7000 трилиони трилиони атоми на нашето тело - се чини дека не сме само цела вечност далеку од овој пробив.

Сепак, квантната телепортација и заплеткувањето остануваат една од најжешките теми во модерната физика. Пред сè, затоа што употребата на такви канали за комуникација ветува нехакирана заштита на пренесените податоци: за да добијат пристап до нив, напаѓачите ќе треба да го поседуваат не само писмото од Алиса до Боб, туку и пристап до заплетканата честичка на Боб. , па дури и да успеат да стигнат до него и мерења, ова засекогаш ќе ја промени состојбата на фотонот и веднаш ќе се открие.

Ефектот Вавилов-Черенков

Статус: долго користен

Овој аспект на патување побрзо од брзината на светлината е пријатна причина да се потсетиме на достигнувањата на руските научници. Феноменот бил откриен во 1934 година од Павел Черенков, работејќи под водство на Сергеј Вавилов, три години подоцна добил теоретско оправдување во делата на Игор Там и Илја Франк, а во 1958 година сите учесници во овие дела, освен сега починатиот Вавилов. , беа наградени со Нобеловата награда за физика.

Всушност, тоа зборува само за брзината на светлината во вакуум. Во другите проѕирни медиуми, светлината значително се забавува, како резултат на што може да се забележи прекршување на нивната граница со воздухот. Индексот на прекршување на стаклото е 1,49, што значи дека фазната брзина на светлината во него е 1,49 пати помала, а, на пример, дијамантот има индекс на прекршување 2,42, а брзината на светлината во него е намалена за повеќе од половина. Ништо не ги спречува другите честички да летаат побрзо од светлосните фотони.

Токму тоа се случи со електроните, кои во експериментите на Черенков беа исфрлени од нивните места во молекулите на луминисцентната течност со високоенергетско гама зрачење. Овој механизам често се споредува со формирање на шок звучен бранкога лета во атмосферата со суперсонична брзина. Но, можете да го замислите и како трчање во толпа: движејќи се побрзо од светлината, електроните брзаат покрај другите честички, како да ги четкаат со рамо - и за секој сантиметар од нивниот пат, предизвикувајќи ги луто да испуштаат од неколку до неколку стотици фотони .

Наскоро истото однесување беше откриено во сите други прилично чисти и проѕирни течности, а последователно зрачењето на Черенков беше забележано дури и длабоко во океаните. Се разбира, фотоните на светлината од површината навистина не стигнуваат овде. Но, ултра-брзите честички, кои излетуваат од мали количества радиоактивни честички во распаѓање, одвреме-навреме создаваат сјај, можеби, во најмала рака, дозволувајќи им на локалните жители да видат.

Радијацијата Черенков-Вавилов најде примена во науката, нуклеарна енергијаи сродни области. Реакторите на нуклеарните централи светат силно, преполни со брзи честички. Со прецизно мерење на карактеристиките на ова зрачење и познавање на брзината на фазата во нашата работна средина, можеме да разбереме какви честички го предизвикале. Астрономите исто така користат детектори Черенков за откривање на светлина и енергија космички честички: тешките се неверојатно тешко да се забрзаат до саканата брзина и не создаваат зрачење.

Меурчиња и дупки

Еве една мравка што лази на лист хартија. Неговата брзина е мала, а на кутриот му требаат 10 секунди за да стигне од левиот раб на авионот надесно, но штом ќе се смилуваме и ќе ја свиткаме хартијата, поврзувајќи ги нејзините рабови, тој веднаш „телепортира“ на. саканата точка. Нешто слично може да се направи и со нашето родно простор-време, со единствена разлика што свиткувањето бара учество на други димензии кои не се перципирани од нас, формирајќи тунели на време-просторот - познатите црвливи дупки, или црвја дупки.

Патем, според новите теории, ваквите црвени дупки се еден вид простор-временски еквивалент на веќе познатиот квантен феномен на заплеткување. Во принцип, нивното постоење не е во спротивност со ниту еден важен концепт на модерната физика, вклучително и. Но, за да се одржи таков тунел во ткаенината на Универзумот, нешто малку слично на вистинска наука, е хипотетичка „егзотична материја“ која има негативна густина на енергија. Со други зборови, тоа мора да биде вид на материја што предизвикува гравитациона... одбивност. Тешко е да се замисли дека овој егзотичен вид некогаш ќе се најде, а уште помалку скротен.

Уникатна алтернатива на црвичките дупки може да биде уште поегзотична деформација на време-просторот - движење во меурот на закривената структура на овој континуум. Идејата беше изразена во 1993 година од физичарот Мигел Алкубиер, иако беше звучна во делата на писателите на научна фантастика многу порано. Тоа е како вселенски брод што се движи, стискајќи и гмечејќи го простор-времето пред својот нос и повторно измазнувајќи го одзади. Самиот брод и неговиот екипаж остануваат во локален регион каде простор-време ја задржува нормалната геометрија и не доживуваат никакви непријатности. Ова јасно се гледа во серијалот „Ѕвездени патеки“, популарен меѓу сонувачите, каде што таков „мотор за искривување“ ви овозможува да патувате, без да бидете скромни, низ Универзумот.

Статус: од фантастичен до теоретски

Фотоните се честички без маса, како и некои други: нивната маса во мирување е нула, и за да не исчезнат целосно, тие се принудени секогаш да се движат и секогаш со брзина на светлината. Сепак, некои теории сугерираат постоење на многу поегзотични честички - тахиони. Нивната маса, која се појавува во нашата омилена формула E = mc 2, не е дадена со прост број, туку со имагинарен број, вклучувајќи и посебна математичка компонента, чиј квадрат дава негативен број. Ова е многу корисно својство, а писателите на нашата омилена ТВ серија „Ѕвездени патеки“ ја објаснија работата на нивниот фантастичен мотор токму со „искористување на енергијата на тахионите“.

Всушност, имагинарната маса го прави неверојатното: тахионите мора да губат енергија додека се забрзуваат, така што за нив сè во животот е сосема различно од она што порано го мислевме. Кога ќе се судрат со атомите, тие губат енергија и се забрзуваат, така што следниот судир ќе биде уште посилен, што ќе одземе уште повеќе енергија и ќе ги забрза тахионите повторно до бесконечност. Јасно е дека таквото самовклучување едноставно ги нарушува основните причинско-последични односи. Можеби затоа досега само теоретичарите ги проучуваат тахионите: сè уште никој не видел ниту еден пример за распаѓање на причинско-последичните односи во природата, и ако го видите, побарајте тахион и Нобелова наградаобезбедени за вас.

Сепак, теоретичарите сепак покажаа дека тахионите можеби не постојат, но во далечното минато тие можеле да постојат и, според некои идеи, токму нивните бескрајни можности имале улога во важна улогаво Биг Бенг. Присуството на тахиони ја објаснува екстремно нестабилната состојба на лажниот вакуум во кој Универзумот можел да биде пред неговото раѓање. Во таква слика на светот, тахионите кои се движат побрзо од светлината се вистинската основа на нашето постоење, а појавата на Универзумот се опишува како транзиција на тахионското поле на лажен вакуум во инфлаторното поле на вистинското. Вреди да се додаде дека сите овие се целосно почитувани теории, и покрај фактот што главните прекршители на законите на Ајнштајн, па дури и на причинско-последичната врска, се покажаа како основачи на сите причини и последици во него.

Брзина на темнината

Статус: филозофски

Филозофски гледано, темнината е едноставно отсуство на светлина, а нивните брзини треба да бидат исти. Но, размислете повнимателно: темнината може да добие форма што се движи многу побрзо. Името на оваа форма е сенка. Замислете дека ги користите прстите за да ја покажете силуетата на куче на спротивниот ѕид. Зракот од фенерчето се разминува, а сенката на вашата рака станува многу поголема од самата рака. Доволно е и најмало движење на прстот за неговата сенка на ѕидот да се движи на забележливо растојание. Што ако фрлиме сенка на Месечината? Или на имагинарен екран уште подалеку?..

Едвај забележлив бран - и таа ќе трча со секаква брзина, која ја поставува само геометријата, па ниеден Ајнштајн не може да и каже. Сепак, подобро е да не флертуваме со сенки, бидејќи тие лесно нè мамат. Вреди да се вратиме на почетокот и да запомниме дека темнината е едноставно отсуство на светлина, така што ниту еден физички објект не се пренесува со такво движење. Нема честички, нема информации, нема деформации на простор-времето, постои само нашата илузија дека ова е посебна појава. Во реалниот свет, ниту една темнина не може да се совпадне со брзината на светлината.

Дури и кога би можеле да изградиме прототипови на бродовите замислени од научниците на НАСА кои би можеле да се движат на релативистичка брзина, а исто така би се прогласиле за непристојни одлична пролетенергијата потребна за нивно лансирање на небото, нашето патување нема да биде толку пријатно како што може да изгледа од бродот на Милениумскиот сокол. Не е технологијата што нè дели од можноста да летаме до соседните ѕвезди - се работи само за неколку векови. Проблемот е колку просторот е опасен кога станува живеалиште и колку всушност може да биде кревко човечкото тело.

Ако почнеме да се движиме со брзина на светлината (300.000 km/s) во меѓуѕвездениот простор, би умреле за неколку секунди. И покрај фактот дека густината на материјата во вселената е многу мала, со оваа брзина дури и неколку атоми на водород на кубен сантиметар ќе се срушат во лакот на бродот со забрзување кое на Земјата е остварливо само со Големиот хадронски судирач. Поради ова, ќе добиеме доза на зрачење еднаква на десет илјади сиверти во секунда. Со оглед на тоа смртоносна дозаза човек е шест сиверти, како радиоактивен зракќе го оштети бродот и ќе го уништи целиот живот на бродот.

„Ако почнеме да се движиме со брзина на светлината во вселената, ќе умреме за неколку секунди“.

Според истражувањето на научниците од Универзитетот Џон Хопкинс, ниту еден оклоп не може да не заштити од ова јонизирачко зрачење. Алуминиумска преграда дебела десет сантиметри во овој случај ќе апсорбира помалку од 1% од енергијата - но големината на преградите не може да се зголемува на неодредено време без да се ризикува можноста за полетување. Меѓутоа, покрај радиоактивниот водород, нашето вселенско летало со брзина на светлината ќе биде загрозено од ерозија што ќе произлезе од ударот меѓуѕвездена прашина. ВО најдоброто сценариоќе треба да се согласиме на 10% од брзината на светлината, што ќе го отежне достигнувањето само до најблиската ѕвезда - Проксима Кентаури. Земајќи го предвид растојанието од 4.22 светлосни годиниеден таков лет би траел 40 години - односно еден нецелосен човечки живот.

Космичкото зрачење останува непремостлива пречка за нас, но ако во далечна иднина можеме да го надминеме, патувањето со брзина на светлината ќе биде најневеројатното можно искуство за човекот. Со оваа брзина, времето ќе се забави, а стареењето ќе стане многу попродолжен процес (на крајот на краиштата, дури и астронаутите на ISS за шест месеци успеваат да стареат 0,007 секунди помалку од луѓето на Земјата). За време на таков лет, нашето видно поле ќе се свитка, претворајќи се во тунел. Ќе летаме по овој тунел напред, кон снежно-бел сјај, без да видиме траги од ѕвездите и да не ја оставиме зад нас најцрната, најапсолутна темнина што можете да ја замислите.

Во Големиот хадронски судирач, фотоните се забрзуваат до брзина од 299.792.455 m/s. Ова е само три метри во секунда помалку од брзината на светлината. Само три метри во секунда, навистина, не можеме ли малку да го притиснеме и да ги забрзаме фотоните над брзината на светлината?

Одговор: не. Дури и теоретски, ниту еден предмет не може да се движи побрзо. И за ова има објаснување. Накратко, апсолутно сè во универзумот се движи со оваа брзина и не може да ја надмине.

За почеток, вреди да се напомене дека според теоријата на релативноста, како што се зголемува брзината, масата исто така се зголемува. При мали брзини тоа не се забележува, но како што се приближува до брзината на светлината почнува брзо да расте. Ќе биде сè потешко да се забрза, а енергијата на целиот универзум нема да биде доволна за дополнително да ја зголеми брзината.

Но, зголемувањето на масата не објаснува сè. На пример, зошто фотоните - честичките без маса - исто така не можат да ја достигнат брзината на светлината? Поентата е во самата структура на просторот и времето, кои често погрешно ги замислуваме. Вреди да се тргне од фактот дека живееме во четиридимензионален свет. Покрај три просторни димензии, имаме и време.

За почеток, да земеме дводимензионален свет, каде што оската x е просторна координата, а t е временска координата. Да речеме дека некој објект се движи по оската x. Можеме да ја посочиме нејзината позиција во секој момент во времето. Сите овие точки ја формираат таканаречената светска линија.

Ако нешто е во мирување, неговата светска линија е вертикална права линија, ако предметот се движи, тогаш тој е наклонет. Колку е поголема брзината, толку повеќе наклон, бидејќи за помалку време се надминува подолго растојание. Можете дури и да одредите наклон што одговара на брзината на светлината.

Излегува дека во нашата реалност не постојат неподвижни предмети. И статичните и динамичните објекти се движат по временската оска.

Сега започнува забавата, продолжуваме кон четиридимензионалниот свет и одговорот на прашањето зошто е невозможно да се надмине брзината на светлината. Ако просторот е четиридимензионален, тогаш брзината исто така мора да биде четиридимензионална. Се вика 4-брзински.

На нашиот график, ова ќе биде тангента на светската линија.

Но, подобро е да се направи друг график каде што неговите компоненти ќе бидат видливи.

Ако седите и не правите ништо, само се движите во времето. Со брзина од една секунда во секунда. Ако почнете да се движите, ќе се појави друга компонента (брзина во просторот) и векторот со 4 брзини ќе биде наклонет. И излегува дека големината на 4-брзината е секогаш иста - таа е еднаква на брзината на светлината. Односно, сите ние апсолутно секогаш брзаме низ просторот и времето со исти 4 брзини. И не можеме ниту да го зголемиме ниту да го намалиме. Единствената можност е да се промени нејзиниот правец. Ако почнеме да се движиме, не додаваме ништо на 4-степенот, само го менуваме неговиот наклон.

Колку побрзо се движиме, толку е поголем наклонот.

Забележи го тоа колку е поголема брзината на движење во просторот, толку е помала брзината на движење во времето- ова е ефектот на временско проширување по кој е позната теоријата на релативност.

Кога 4-брзината ќе ја достигне хоризонталната линија на графиконот, таа станува еднаква на брзината на светлината. И како и да вртите со 4 брзини, никогаш нема да стане поголемо. Ова е граница. Тоа директно произлегува од својствата на нашиот свет.

Но, се покажа дека тоа е можно; сега веруваат дека никогаш нема да можеме да патуваме побрзо од светлината...“ Но, всушност не е точно дека некој некогаш верувал дека движењето побрзо од звукотневозможно. Долго пред да се појави суперсоничен авион, веќе беше познато дека куршумите летаат побрзо од звукот. Во реалноста, зборувавме за фактот дека тоа е невозможно контролиранисуперсоничен лет, и тоа беше грешката. Движењето СС е сосема друга работа. Од самиот почеток беше јасно дека суперсоничниот лет е отежнат технички проблеми, што само требаше да се реши. Но, сосема е нејасно дали некогаш може да се решат проблемите што го попречуваат движењето на СС. Теоријата на релативноста има многу да каже за ова. Ако е можно патување СС или дури и пренос на сигнал, тогаш ќе се наруши каузалноста и од ова ќе следат сосема неверојатни заклучоци.

Прво ќе разговараме едноставни случаиСС движење. Ги спомнуваме не затоа што се интересни, туку затоа што се појавуваат повторно и повторно во дискусиите за движењето СС и затоа треба да се занимаваат со нив. Потоа ќе разговараме за кои сметаме тешки случаи на движење или комуникација на СТС и ќе разгледаме некои од аргументите против нив. Конечно, ќе ги разгледаме најсериозните претпоставки за вистинското движење на СС.

Едноставно движење СС

1. Феноменот на радијација на Черенков

Еден начин да се движите побрзо од светлината е прво да ја забавите самата светлина! :-) Во вакуум, светлината патува со брзина в, и оваа количина е универзална константа (видете го прашањето Дали брзината на светлината е константна), а во погуста средина како вода или стакло се намалува до брзината c/n, Каде nе индексот на прекршување на медиумот (1.0003 за воздух; 1.4 за вода). Затоа, честичките можат да се движат побрзо во вода или воздух отколку што светлината патува таму. Како резултат на тоа, се јавува радијација Вавилов-Черенков (види прашање).

Но, кога зборуваме за SS движење, се разбира, мислиме на надминување на брзината на светлината во вакуум в(299.792.458 m/s). Затоа, феноменот Черенков не може да се смета за пример на движењето СС.

2. Од трето лице

Ако ракетата Аодлета од мене со брзина 0,6cна запад, а другиот Б- од мене со брзина 0,6cна исток, потоа вкупното растојание помеѓу АИ Бво мојата референтна рамка се зголемува со брзина 1.2c. Така, привидна релативна брзина поголема од c може да се забележи „од третата страна“.

Меѓутоа, таквата брзина не е она што обично го разбираме со релативна брзина. Вистинска брзина на ракетата Аво однос на ракетата Б- ова е стапката на зголемување на растојанието помеѓу ракетите што ја забележува набљудувачот во ракетата Б. Мора да се додадат две брзини со помош на релативистичката формула за собирање брзини (видете го прашањето Како да се додадат брзини во делумна релативност). ВО во овој случајрелативната брзина е приближно 0,88c, односно не е суперлуминален.

3. Сенки и зајачиња

Размислете колку брзо може да се движи сенката? Ако создадете сенка на далечен ѕид со прстот од блиската светилка, а потоа мрдате со прстот, сенката се движи многу побрзо од прстот. Ако прстот се движи паралелно со ѕидот, тогаш брзината на сенката ќе биде D/dпати поголема од брзината на прстот, каде г- растојание од прст до светилка, и Д- растојание од светилката до ѕидот. И можете да добиете уште поголема брзина ако ѕидот се наоѓа под агол. Ако ѕидот се наоѓа многу подалеку, тогаш движењето на сенката ќе заостанува зад движењето на прстот, бидејќи светлината сепак ќе треба да достигне од прстот до ѕидот, но сепак брзината на сенката ќе биде иста број пати поголем. Тоа е, брзината на сенката не е ограничена со брзината на светлината.

Покрај сенките, зајачињата можат да се движат и побрзо од светлината, на пример, дамка од ласерскиот зрак насочен кон Месечината. Знаејќи дека растојанието до Месечината е 385.000 km, обидете се да ја пресметате брзината на зајачето со благо поместување на ласерот. Можете исто така да размислите за морски бран, удирајќи косо на брегот. Колку брзо може да се движи точката во која бранот се распаѓа?

Слични работи можат да се случат и во природата. На пример, светлосен зрак од пулсар може да прочешла низ облак од прашина. Светлиот блиц создава проширена обвивка од светлина или друго зрачење. Кога ја преминува површината, создава светлосен прстен кој расте побрзо од брзината на светлината. Во природата, ова се случува кога електромагнетниот пулс од молња ќе достигне до горните слоеви на атмосферата.

Сите овие беа примери на работи кои се движат побрзо од светлината, но кои не беа физички тела. Користењето на сенка или зајаче не може да пренесе СС порака, така што комуникацијата побрза од светлината не функционира. И повторно, ова очигледно не е она што сакаме да го разбереме со движењето на СС, иако станува јасно колку е тешко да се одреди што точно ни треба (видете го прашањето FTL ножици).

4. Цврсти материи

Ако земете долг тврд стап и туркате едниот крај, дали другиот крај се поместува веднаш или не? Дали е можно да се изврши CC пренос на порака на овој начин?

Да тоа беше биможе да се направи доколку постоеле такви цврсти материи. Во реалноста, влијанието на ударот до крајот на стапот се шири по него со брзината на звукот внатре оваа супстанца, а брзината на звукот зависи од еластичноста и густината на материјалот. Релативитетот наметнува апсолутна граница на можната цврстина на кое било тело, така што брзината на звукот во нив не може да надмине в.

Истото се случува ако сте во поле на привлечност и прво држете конец или столб вертикално до горниот крај, а потоа отпуштете го. Точката што ја ослободивте ќе почне да се движи веднаш, а долниот крај нема да може да почне да паѓа додека влијанието на ослободувањето не ја достигне со брзината на звукот.

Тешко е да се формулира општа теорија за еластични материјали во рамките на релативноста, но основната идеја може да се демонстрира користејќи го примерот на Њутновата механика. Равенката за надолжното движење на идеално еластично тело може да се добие од Хуковиот закон. Во масивни променливи по единица должина стри Јанг-овиот модул на еластичност Y, надолжно поместување Xја задоволува брановата равенка.

Решението за рамни бранови се движи со брзина на звукот с, и с 2 = Y/p. Оваа равенка не имплицира можност причинското влијание да се шири побрзо с. Така, релативноста наметнува теоретска граница на големината на еластичноста: Y < PC 2. Во пракса, нема материјали ни блиску до него. Патем, дури и ако брзината на звукот во материјалот е блиску до в, самата материја воопшто не е обврзана да се движи со релативистичка брзина. Но, како да знаеме дека, во принцип, не може да постои супстанца што ја надминува оваа граница? Одговорот е дека целата материја се состои од честички, интеракцијата меѓу која се покорува на стандардниот модел на елементарни честички, и во овој модел ниту една интеракција не може да се шири побрзо од светлината (види подолу за теоријата на квантното поле).

5. Фазна брзина

Погледнете ја оваа бранова равенка:

Има решенија од формата:

Овие решенија се синусоидни бранови кои се движат со брзина

Но, ова е побрзо од светлината, што значи дека ја имаме равенката на полето на тахион во нашите раце? Не, ова е само обична релативистичка равенка на масивна скаларна честичка!

Парадоксот ќе се реши ако ја разбереме разликата помеѓу оваа брзина, наречена и фазна брзина vphод друга брзина наречена групна брзина v гршто е дадено со формулата,

Ако брановото решение има фреквентно ширење, тогаш тоа ќе има форма на бран пакет што се движи со групна брзина што не надминува в. Само брановите врвови се движат со фазна брзина. Можно е да се пренесуваат информации користејќи таков бран само со групна брзина, така што фазната брзина ни дава уште еден пример за суперлуминална брзина, која не може да носи информации.

7. Релативистичка ракета

Контролор на Земјата го следи вселенското летало кое лета со брзина од 0,8 в. Според теоријата на релативноста, дури и откако ќе го земе предвид доплеровото поместување на сигналите од бродот, тој ќе види дека времето на бродот е забавено и дека часовникот таму работи побавно за фактор 0,6. Ако го пресмета количникот на растојанието што го поминал бродот според времето поминато, мерено со часовникот на бродот, ќе добие 4/3 в. Ова значи дека патниците на бродот патуваат низ меѓуѕвездениот простор со ефективна брзина поголема од брзината на светлината што би ја доживеале доколку се измери. Од гледна точка на патниците на бродот, меѓуѕвездените растојанија се предмет на контракција на Лоренц за истиот фактор од 0,6 и затоа и тие мора да препознаат дека ги покриваат познатите меѓуѕвездени растојанија со брзина од 4/3 в.

Ова реален феномени може, во принцип, да се користи од патниците во вселената за да поминат огромни растојанија во текот на нивниот живот. Доколку забрзаат со постојано забрзување еднакво на забрзувањето на слободниот пад на Земјата, тогаш не само што ќе имаат идеална вештачка гравитација на нивниот брод, туку ќе имаат и време да ја преминат Галаксијата за само 12 години! (видете го прашањето Кои се равенките на релативистичка ракета?)

Сепак, ова не е вистинско СС движење. Ефективната брзина се пресметува од растојанието во една референтна рамка и времето во друга. Ова не е вистинска брзина. Само патниците на бродот имаат корист од оваа брзина. Диспечерот, на пример, нема да има време во својот живот да види како тие летаат на огромна далечина.

Сложени случаи на движење на СС

9. Ајнштајн, Подолски, Розен парадокс (ИПР)

10. Виртуелни фотони

11. Квантно тунелирање

Вистински кандидати за СС патници

ВО овој делсе даваат шпекулативни, но сериозни претпоставки за можноста Патување FTL. Овие нема да бидат видови на работи што вообичаено би биле ставени во ЧПП, бидејќи тие поставуваат повеќе прашања отколку што одговараат. Тие се претставени овде главно за да покажат дека се вршат сериозни истражувања во оваа насока. Даден е само краток вовед за секоја насока. Подетални информации може да се најдат на Интернет.

19. Тахиони

Тахионите се хипотетички честички, кои локално се движат побрзо од светлината. За да го направат ова, тие мора да имаат имагинарна маса, но нивната енергија и моментум мора да бидат позитивни. Понекогаш се смета дека таквите SS честички би требало да биде невозможно да се детектираат, но всушност, нема причина да се мисли така. Сенките и зајачињата ни кажуваат дека движењето на СС сè уште не подразбира невидливост.

Тахионите никогаш не биле забележани и повеќето физичари се сомневаат во нивното постоење. Некогаш беше наведено дека биле извршени експерименти за мерење на масата на неутрина испуштени за време на распаѓањето на тритиум, и дека овие неутрина биле тахион. Ова е многу сомнително, но сепак не е исклучено. Има проблеми во теориите на тахион, бидејќи од гледна точка можни прекршувањакаузалноста, тие го дестабилизираат вакуумот. Можеби е можно да се заобиколат овие проблеми, но тогаш ќе биде невозможно да се користат тахиони во пораката СС што ни треба.

Вистината е дека повеќето физичари сметаат дека тахионите се знак за грешка во нивните теории на полето, а интересот за нив кај пошироката јавност е поттикнат главно од научната фантастика (види ја статијата Тахиони).

20. Црвични дупки

Најпознатата предложена можност за патување со СТС е употребата на црвливи дупки. Црвјаните се тунели во време-просторот кои поврзуваат едно место во Универзумот со друго. Можете да ги користите за да се движите помеѓу овие точки побрзо отколку што светлината би го следела својот нормален пат. Wormholes се феномен на класиката општата релативност, но за да ги создадете, треба да ја смените топологијата на простор-времето. Можноста за ова може да биде содржана во теоријата на квантната гравитација.

За да се одржат отворени црвичките дупки, потребни се огромни количини негативна енергија. МиснерИ Торнпредложи дека ефектот Казимир од големи размери може да се користи за генерирање негативна енергија, и Висерпредложи решение користејќи космички жици. Сите овие идеи се многу шпекулативни и можеби едноставно се нереални. Невообичаена супстанција со негативна енергија можеби не постои во формата потребна за феноменот.

Торн открил дека доколку би можеле да се создадат црв дупки, тие би можеле да се искористат за создавање затворени временски јамки кои ќе го овозможат патувањето низ времето. Исто така, беше предложено дека мултиваријатното толкување на квантната механика покажува дека патувањето низ времето нема да предизвика никакви парадокси и дека настаните едноставно ќе се одвиваат поинаку кога ќе се вратите назад во времето. Хокинг вели дека црвоточините едноставно се нестабилни и затоа не се практични. Но, самата тема останува плодна област за мисловни експерименти, овозможувајќи ни да разбереме што е можно, а што не е можно врз основа на познатите и претпоставените закони на физиката.
судии:
В. Г. Морис и К. С. Торн, Американско списание за физика 56 , 395-412 (1988)
W. G. Morris, K. S. Thorne и U. Yurtsever, Phys. Св. Писма 61 , 1446-9 (1988)
Мет Висер, Физички преглед D39, 3182-4 (1989)
видете исто така „Црни дупки и временски искривувања“ Кип Торн, Нортон и ко. (1994)
За објаснување на мултиверзумот, видете „Ткаенина на реалноста“ Дејвид Дојч, Penguin Press.

21. Мотори со деформирање

[Немам идеја како да го преведам ова! Во оригиналниот warp погон. - прибл. преведувач;
преведено по аналогија со статијата за Мембрана]

Искривувањето може да биде механизам за извртување на време-просторот, така што објектот може да патува побрзо од светлината. Мигел Алкабиерстана познат по развивањето на геометријата што опишува таков деформатор. Искривувањето на време-просторот овозможува објектот да патува побрзо од светлината додека останува на крива слична на времето. Пречките се исти како и кога се создаваат црвливи дупки. За да создадете деформатор, потребна ви е супстанца со негативна густина на енергија и. Дури и ако е можна таква супстанца, сè уште не е јасно како може да се добие и како да се користи за да се направи деформатор да работи.
уп M. Alcubierre, класична и квантна гравитација, 11 , L73-L77, (1994)

Заклучок

Прво, се покажа дека е тешко генерално да се дефинира што значат СС патувањето и СС пораката. Многу работи, како сенките, вршат CC движење, но на таков начин што не може да се користи, на пример, за пренос на информации. Но, постојат и сериозни можности за вистинско СС движење, кои се предложени во научна литература, но нивната имплементација сè уште не е технички возможна. Принципот на несигурност на Хајзенберг го оневозможува користењето на привидното SS движење во квантната механика. Постојат потенцијални средства за SS погон во општата релативност, но тие можеби нема да бидат возможни да се користат. Се чини крајно неверојатно дека во догледна иднина, или воопшто, технологијата ќе биде способна да создаде вселенски летала со SS погон, но чудно е што теоретската физика, како што сега ја знаеме, не ја затвора вратата за SS погонот. Движењето на СС во стилот на научно-фантастичните романи очигледно е сосема невозможно. Интересно прашање за физичарите е: „Зошто, всушност, е ова невозможно и што може да се научи од ова?