25 Mac 2017
Perjalanan ke kelajuan superluminal- salah satu asas fiksyen sains angkasa. Walau bagaimanapun, mungkin semua orang - walaupun orang yang jauh dari fizik - tahu bahawa maksimum kelajuan yang mungkin Pergerakan objek material atau perambatan sebarang isyarat ialah kelajuan cahaya dalam vakum. Ia ditetapkan oleh huruf c dan hampir 300 ribu kilometer sesaat; nilai yang tepat s = 299,792,458 m/s.
Kelajuan cahaya dalam vakum adalah salah satu pemalar fizikal asas. Kemustahilan untuk mencapai kelajuan melebihi c berikutan daripada teori khas relativiti (SRT) Einstein. Jika dapat dibuktikan bahawa penghantaran isyarat pada kelajuan superluminal adalah mungkin, teori relativiti akan jatuh. Setakat ini ini tidak berlaku, walaupun banyak percubaan untuk menyangkal larangan kewujudan kelajuan lebih besar daripada c. Walau bagaimanapun, dalam kajian eksperimen Baru-baru ini, beberapa sangat fenomena yang menarik, menunjukkan bahawa di bawah keadaan yang dicipta khas adalah mungkin untuk memerhatikan kelajuan superluminal dan pada masa yang sama prinsip teori relativiti tidak dilanggar.
Sebagai permulaan, mari kita ingat aspek utama yang berkaitan dengan masalah kelajuan cahaya.
Pertama sekali: mengapa mustahil (jika keadaan biasa) melebihi had cahaya? Kerana kemudian undang-undang asas dunia kita dilanggar - undang-undang sebab akibat, yang mana kesannya tidak boleh mendahului sebab. Tiada siapa yang pernah memerhatikan bahawa, sebagai contoh, seekor beruang mula-mula mati dan kemudian ditembak oleh pemburu. Pada kelajuan melebihi c, urutan peristiwa menjadi terbalik, pita masa digulung semula. Ini mudah untuk disahkan daripada alasan mudah berikut.
Mari kita anggap bahawa kita berada di atas sejenis kapal keajaiban angkasa lepas, bergerak lebih pantas daripada cahaya. Kemudian kami akan secara beransur-ansur mengejar cahaya yang dipancarkan oleh sumber pada masa yang lebih awal dan lebih awal. Pertama, kita akan mengejar foton yang dipancarkan, katakan, semalam, kemudian yang dipancarkan sehari sebelum semalam, kemudian seminggu, sebulan, setahun yang lalu, dan seterusnya. Jika sumber cahaya adalah cermin yang memantulkan kehidupan, maka kita akan melihat kejadian semalam, kemudian hari sebelum semalam, dan seterusnya. Kita boleh lihat, katakanlah, seorang lelaki tua yang beransur-ansur berubah menjadi seorang lelaki pertengahan umur, kemudian menjadi seorang lelaki muda, menjadi seorang pemuda, menjadi seorang kanak-kanak... Iaitu, masa akan berputar kembali, kita akan beralih dari masa kini ke masa lalu. Punca dan kesan kemudian akan bertukar tempat.
Walaupun perbincangan ini benar-benar mengabaikan butiran teknikal proses memerhati cahaya, dari sudut pandangan asas ia jelas menunjukkan bahawa pergerakan pada kelajuan superluminal membawa kepada situasi yang mustahil di dunia kita. Walau bagaimanapun, alam semula jadi telah menetapkan syarat yang lebih ketat: pergerakan bukan sahaja pada kelajuan superluminal tidak dapat dicapai, tetapi juga pada kelajuan kelajuan yang sama cahaya - anda hanya boleh mendekatinya. Dari teori kerelatifan ia mengikuti bahawa apabila kelajuan pergerakan meningkat, tiga keadaan timbul: jisim objek bergerak meningkat, saiznya ke arah pergerakan berkurangan, dan aliran masa pada objek ini perlahan (dari titik pandangan pemerhati "berehat" luaran). Pada kelajuan biasa, perubahan ini boleh diabaikan, tetapi apabila kita menghampiri kelajuan cahaya ia menjadi semakin ketara, dan dalam had - pada kelajuan yang sama dengan c - jisim menjadi tidak terhingga besar, objek kehilangan saiz sepenuhnya ke arah pergerakan dan masa terhenti di atasnya. Oleh itu, tiada badan material boleh mencapai kelajuan cahaya. Hanya cahaya itu sendiri yang mempunyai kelajuan sedemikian! (Dan juga zarah "semua-menembus" - neutrino, yang, seperti foton, tidak boleh bergerak pada kelajuan kurang daripada c.)
Sekarang mengenai kelajuan penghantaran isyarat. Di sini adalah sesuai untuk menggunakan perwakilan cahaya dalam bentuk gelombang elektromagnet. Apakah isyarat? Ini adalah beberapa maklumat yang perlu dihantar. Sempurna gelombang elektromagnet- ini adalah sinusoid tak terhingga dengan satu frekuensi, dan ia tidak boleh membawa sebarang maklumat, kerana setiap tempoh sinusoid sedemikian betul-betul mengulangi yang sebelumnya. Kelajuan pergerakan fasa gelombang sinus - yang dipanggil kelajuan fasa - boleh, dalam keadaan tertentu, melebihi kelajuan cahaya dalam vakum dalam medium. Tiada sekatan di sini, kerana kelajuan fasa bukanlah kelajuan isyarat - ia belum wujud lagi. Untuk membuat isyarat, anda perlu membuat beberapa jenis "tanda" pada gelombang. Tanda sedemikian boleh, sebagai contoh, perubahan dalam mana-mana parameter gelombang - amplitud, frekuensi atau fasa awal. Tetapi sebaik sahaja tanda dibuat, gelombang kehilangan sinusoidalnya. Ia menjadi termodulat, terdiri daripada satu set gelombang sinus mudah dengan amplitud, frekuensi dan frekuensi yang berbeza fasa awal- kumpulan gelombang. Kelajuan di mana tanda bergerak dalam gelombang termodulat ialah kelajuan isyarat. Apabila merambat dalam medium, kelajuan ini biasanya bertepatan dengan kelajuan kumpulan, yang mencirikan perambatan kumpulan gelombang yang disebutkan di atas secara keseluruhan (lihat "Sains dan Kehidupan" No. 2, 2000). Di bawah keadaan biasa, halaju kumpulan, dan oleh itu kelajuan isyarat, adalah kurang daripada kelajuan cahaya dalam vakum. Ia bukan secara kebetulan bahawa ungkapan "dalam keadaan biasa" digunakan di sini, kerana dalam beberapa kes halaju kumpulan mungkin melebihi c atau bahkan kehilangan maknanya, tetapi kemudian ia tidak merujuk kepada perambatan isyarat. Stesen servis menetapkan bahawa adalah mustahil untuk menghantar isyarat pada kelajuan lebih daripada c.
Kenapa jadi begini? Kerana halangan kepada penghantaran mana-mana isyarat pada kelajuan yang lebih besar daripada c adalah hukum kausaliti yang sama. Cuba kita bayangkan keadaan sedemikian. Pada satu titik A, denyar cahaya (peristiwa 1) menghidupkan peranti yang menghantar isyarat radio tertentu, dan pada titik jauh B, di bawah pengaruh isyarat radio ini, letupan berlaku (peristiwa 2). Jelas bahawa peristiwa 1 (suar) adalah punca, dan peristiwa 2 (letupan) adalah akibat yang berlaku. alasan kemudian. Tetapi jika isyarat radio disebarkan pada kelajuan superluminal, pemerhati berhampiran titik B mula-mula akan melihat letupan, dan hanya selepas itu punca letupan yang sampai kepadanya pada kelajuan kilat cahaya. Dalam erti kata lain, bagi pemerhati ini, peristiwa 2 akan berlaku lebih awal daripada peristiwa 1, iaitu, kesannya akan mendahului punca.
Adalah wajar untuk menekankan bahawa "larangan superluminal" teori relativiti hanya dikenakan pada pergerakan badan material dan penghantaran isyarat. Dalam banyak situasi, pergerakan pada sebarang kelajuan adalah mungkin, tetapi ini bukan pergerakan objek atau isyarat material. Sebagai contoh, bayangkan dua pembaris yang agak panjang terletak dalam satah yang sama, satu daripadanya terletak secara mendatar, dan satu lagi bersilang pada sudut yang kecil. Jika pembaris pertama digerakkan ke bawah (dalam arah yang ditunjukkan oleh anak panah) pada kelajuan tinggi, titik persilangan pembaris boleh dibuat berjalan sepantas yang dikehendaki, tetapi titik ini bukan badan material. Contoh lain: jika anda mengambil lampu suluh (atau, katakan, laser yang menghasilkan pancaran sempit) dan dengan cepat menggambarkan arka di udara, maka kelajuan linear pancaran cahaya akan bertambah dengan jarak dan dengan cukup jarak yang jauh akan melebihi c. Titik cahaya akan bergerak antara titik A dan B pada kelajuan superluminal, tetapi ini bukan penghantaran isyarat dari A ke B, kerana titik cahaya sedemikian tidak membawa sebarang maklumat tentang titik A.
Nampaknya isu kelajuan superluminal telah diselesaikan. Tetapi pada tahun 60-an abad kedua puluh, ahli fizik teori mengemukakan hipotesis tentang kewujudan zarah superluminal yang dipanggil tachyon. Ini adalah zarah yang sangat pelik: secara teorinya ia adalah mungkin, tetapi untuk mengelakkan percanggahan dengan teori relativiti, mereka perlu diberikan jisim rehat khayalan. Secara fizikal, jisim khayalan tidak wujud; ia adalah abstraksi matematik semata-mata. Walau bagaimanapun, ini tidak menyebabkan banyak penggera, kerana tachyon tidak boleh diam - ia wujud (jika wujud!) hanya pada kelajuan melebihi kelajuan cahaya dalam vakum, dan dalam kes ini jisim tachyon ternyata nyata. Terdapat beberapa analogi di sini dengan foton: foton mempunyai jisim rehat sifar, tetapi ini bermakna foton tidak boleh diam - cahaya tidak boleh dihentikan.
Perkara yang paling sukar, seperti yang dijangkakan, ternyata adalah untuk mendamaikan hipotesis tachyon dengan hukum kausalitas. Percubaan yang dilakukan ke arah ini, walaupun agak bijak, tidak membawa kepada kejayaan yang jelas. Tiada siapa yang dapat mendaftarkan tachyon secara eksperimen sama ada. Akibatnya, minat dalam tachyon sebagai superluminal zarah asas beransur pudar.
Walau bagaimanapun, pada tahun 60-an, satu fenomena telah ditemui secara eksperimen yang pada mulanya mengelirukan ahli fizik. Ini diterangkan secara terperinci dalam artikel oleh A. N. Oraevsky "Super gelombang cahaya dalam media penguat" (UFN No. 12, 1998). Di sini kami akan meringkaskan secara ringkas intipati perkara itu, merujuk pembaca yang berminat dengan butiran kepada artikel yang ditunjukkan.
Tidak lama selepas penemuan laser - pada awal 60-an - masalah timbul untuk mendapatkan denyutan cahaya berkuasa tinggi yang pendek (bertahan kira-kira 1 ns = 10-9 s). Untuk melakukan ini, nadi laser pendek disalurkan melalui optik penguat kuantum. Nadi dipecahkan kepada dua bahagian oleh cermin membelah rasuk. Salah satu daripadanya, lebih berkuasa, dihantar ke penguat, dan yang lain disebarkan di udara dan berfungsi sebagai nadi rujukan yang boleh dibandingkan dengan nadi yang melalui penguat. Kedua-dua denyutan disalurkan kepada pengesan foto, dan isyarat keluarannya boleh dilihat secara visual pada skrin osiloskop. Dijangkakan bahawa nadi cahaya yang melalui penguat akan mengalami sedikit kelewatan berbanding dengan nadi rujukan, iaitu, kelajuan perambatan cahaya dalam penguat akan kurang daripada di udara. Bayangkan kehairanan para penyelidik apabila mereka mendapati bahawa nadi merambat melalui penguat pada kelajuan bukan sahaja lebih besar daripada di udara, tetapi juga beberapa kali lebih tinggi daripada kelajuan cahaya dalam vakum!
Setelah pulih dari kejutan pertama, ahli fizik mula mencari sebab untuk keputusan yang tidak dijangka itu. Tiada siapa yang mempunyai keraguan sedikit pun tentang prinsip teori relativiti khas, dan inilah yang membantu untuk mencari penjelasan yang betul: jika prinsip SRT dipelihara, maka jawapannya harus dicari dalam sifat-sifat medium penguat.
Tanpa pergi ke butiran di sini, kami hanya akan menunjukkan bahawa analisis terperinci mengenai mekanisme tindakan medium penguat menjelaskan sepenuhnya keadaan. Intinya ialah perubahan dalam kepekatan foton semasa perambatan nadi - perubahan yang disebabkan oleh perubahan dalam keuntungan medium sehingga nilai negatif semasa laluan bahagian belakang nadi, apabila medium sudah menyerap tenaga, kerana rizabnya sendiri telah digunakan kerana pemindahannya nadi ringan. Penyerapan tidak menyebabkan peningkatan, tetapi kelemahan impuls, dan dengan itu impuls diperkuat di bahagian depan dan lemah di bahagian belakang. Bayangkan kita sedang memerhati denyutan menggunakan peranti yang bergerak pada kelajuan cahaya dalam medium penguat. Sekiranya medium itu telus, kita akan melihat impuls beku dalam keadaan tidak bergerak. Dalam persekitaran di mana proses yang disebutkan di atas berlaku, pengukuhan tepi hadapan dan kelemahan pinggir pengerukan nadi akan kelihatan kepada pemerhati sedemikian rupa sehingga medium seolah-olah telah menggerakkan nadi ke hadapan. Tetapi oleh kerana peranti (pemerhati) bergerak pada kelajuan cahaya, dan impuls mengatasinya, maka kelajuan impuls melebihi kelajuan cahaya! Kesan inilah yang direkodkan oleh penguji. Dan di sini benar-benar tidak ada percanggahan dengan teori relativiti: proses penguatan adalah sedemikian rupa sehingga kepekatan foton yang keluar lebih awal ternyata lebih besar daripada yang keluar kemudian. Ia bukan foton yang bergerak pada kelajuan superluminal, tetapi sampul nadi, khususnya maksimumnya, yang diperhatikan pada osiloskop.
Oleh itu, walaupun dalam media biasa sentiasa terdapat kelemahan cahaya dan penurunan kelajuannya, ditentukan oleh indeks biasan, dalam media laser aktif bukan sahaja terdapat penguatan cahaya, tetapi juga perambatan nadi pada kelajuan superluminal.
Sesetengah ahli fizik cuba membuktikan secara eksperimen kehadiran gerakan superluminal semasa kesan terowong - salah satu fenomena yang paling menakjubkan dalam mekanik kuantum. Kesan ini terdiri daripada fakta bahawa mikrozarah (lebih tepat, objek mikro, dalam keadaan yang berbeza mempamerkan kedua-dua sifat zarah dan gelombang) mampu menembusi melalui apa yang dipanggil halangan berpotensi- fenomena yang sama sekali mustahil dalam mekanik klasik(di mana analoginya adalah situasi berikut: bola yang dibaling ke dinding akan berakhir di sisi lain dinding, atau gerakan seperti gelombang yang diberikan pada tali yang diikat pada dinding akan dipindahkan ke tali yang diikat dinding di sebelah sana). Intipati kesan terowong dalam mekanik kuantum adalah seperti berikut. Jika objek mikro dengan tenaga tertentu bertemu dengan kawasan dengan tenaga berpotensi, melebihi tenaga mikroobjek, rantau ini adalah penghalang untuknya, ketinggiannya ditentukan oleh perbezaan tenaga. Tetapi objek mikro "bocor" melalui penghalang! Kemungkinan ini diberikan kepadanya oleh hubungan ketidakpastian Heisenberg yang terkenal, yang ditulis untuk tenaga dan masa interaksi. Jika interaksi objek mikro dengan penghalang berlaku dalam masa yang agak tertentu, maka tenaga objek mikro akan, sebaliknya, dicirikan oleh ketidakpastian, dan jika ketidakpastian ini adalah mengikut susunan ketinggian halangan, maka yang terakhir tidak lagi menjadi halangan yang tidak dapat diatasi untuk mikroobjek. Ia adalah kelajuan penembusan melalui halangan berpotensi yang telah menjadi subjek penyelidikan oleh beberapa ahli fizik, yang percaya bahawa ia boleh melebihi c.
Pada bulan Jun 1998, satu simposium antarabangsa mengenai masalah gerakan superluminal telah diadakan di Cologne, di mana keputusan yang diperolehi di empat makmal telah dibincangkan - di Berkeley, Vienna, Cologne dan Florence.
Dan akhirnya, pada tahun 2000, laporan muncul mengenai dua eksperimen baru di mana kesan penyebaran superluminal muncul. Salah satunya dilakukan oleh Lijun Wong dan rakan-rakannya di Princeton Research Institute (AS). Hasilnya ialah denyutan cahaya yang memasuki ruang yang diisi dengan wap cesium meningkatkan kelajuannya sebanyak 300 kali ganda. Ternyata begitu bahagian utama Nadi meninggalkan dinding jauh ruang walaupun sebelum nadi memasuki ruang melalui dinding hadapan. Keadaan ini bercanggah bukan sahaja akal fikiran, tetapi, pada dasarnya, teori relativiti.
Mesej L. Wong menyebabkan perbincangan sengit di kalangan ahli fizik, yang kebanyakannya tidak cenderung untuk melihat pelanggaran prinsip relativiti dalam keputusan yang diperolehi. Cabarannya, mereka percaya, adalah untuk menerangkan eksperimen ini dengan betul.
Dalam eksperimen L. Wong, nadi cahaya yang memasuki ruang dengan wap cesium mempunyai tempoh kira-kira 3 μs. Atom sesium boleh wujud dalam enam belas keadaan mekanikal kuantum yang mungkin, dipanggil "subparas magnet hiperfine keadaan tanah." Menggunakan pengepaman laser optik, hampir semua atom dibawa ke dalam hanya satu daripada enam belas keadaan ini, sepadan dengan hampir sifar mutlak suhu pada skala Kelvin (-273.15°C). Panjang ruang cesium ialah 6 sentimeter. Dalam vakum, cahaya bergerak 6 sentimeter dalam 0.2 ns. Seperti yang ditunjukkan oleh ukuran, nadi cahaya melalui ruang dengan cesium dalam masa yang 62 ns kurang daripada dalam vakum. Dalam erti kata lain, masa yang diambil untuk nadi melalui medium cesium mempunyai tanda tolak! Sesungguhnya, jika kita menolak 62 ns daripada 0.2 ns, kita mendapat masa "negatif". "kelewatan negatif" dalam medium ini - lompatan masa yang tidak dapat difahami - adalah sama dengan masa di mana nadi akan membuat 310 melalui ruang dalam vakum. Akibat daripada "pembalikan temporal" ini ialah nadi yang keluar dari bilik berjaya bergerak sejauh 19 meter darinya sebelum nadi yang masuk mencapai dinding berhampiran ruang. Bagaimanakah keadaan yang luar biasa itu dapat dijelaskan (melainkan, sudah tentu, kita meragui kesucian eksperimen)?
Berdasarkan perbincangan yang berterusan, penjelasan yang tepat masih belum ditemui, tetapi tidak ada keraguan bahawa sifat penyebaran luar biasa medium memainkan peranan di sini: wap sesium, yang terdiri daripada atom yang teruja oleh cahaya laser, adalah medium dengan penyebaran anomali . Mari kita ingat secara ringkas apa itu.
Penyerakan bahan ialah pergantungan indeks biasan fasa (biasa) n pada panjang gelombang cahaya l. Dengan penyebaran biasa, indeks biasan meningkat dengan pengurangan panjang gelombang, dan ini berlaku dalam kaca, air, udara dan semua bahan lain yang telus kepada cahaya. Dalam bahan yang menyerap cahaya dengan kuat, perjalanan indeks biasan dengan perubahan dalam panjang gelombang diterbalikkan dan menjadi lebih curam: dengan penurunan l (meningkatkan frekuensi w), indeks biasan berkurangan secara mendadak dan dalam kawasan panjang gelombang tertentu menjadi kurang daripada kesatuan ( halaju fasa Vf > s ). Ini adalah penyebaran anomali, di mana corak perambatan cahaya dalam bahan berubah secara radikal. Halaju kumpulan Vgr menjadi lebih besar daripada halaju fasa gelombang dan boleh melebihi kelajuan cahaya dalam vakum (dan juga menjadi negatif). L. Wong menunjukkan keadaan ini sebagai sebab yang mendasari kemungkinan menjelaskan keputusan eksperimennya. Walau bagaimanapun, perlu diperhatikan bahawa keadaan Vgr > c adalah formal semata-mata, kerana konsep halaju kumpulan diperkenalkan untuk kes penyebaran kecil (normal), untuk media lutsinar, apabila sekumpulan gelombang hampir tidak berubah bentuknya. semasa pembiakan. Di kawasan penyebaran anomali, nadi cahaya berubah bentuk dengan cepat dan konsep halaju kumpulan kehilangan maknanya; dalam kes ini, konsep kelajuan isyarat dan kelajuan perambatan tenaga diperkenalkan, yang dalam media telus bertepatan dengan kelajuan kumpulan, dan dalam media dengan penyerapan kekal kurang daripada kelajuan cahaya dalam vakum. Tetapi inilah yang menarik tentang eksperimen Wong: nadi ringan, melalui medium dengan penyebaran anomali, tidak cacat - ia betul-betul mengekalkan bentuknya! Dan ini sepadan dengan andaian bahawa impuls merambat dengan halaju kumpulan. Tetapi jika ya, maka ternyata tidak ada penyerapan dalam medium, walaupun penyebaran anomali medium adalah disebabkan oleh penyerapan! Wong sendiri, sambil mengakui bahawa masih banyak yang tidak jelas, percaya bahawa apa yang berlaku dalam dirinya persediaan eksperimen boleh dijelaskan secara visual kepada anggaran pertama seperti berikut.
Nadi cahaya terdiri daripada banyak komponen dengan panjang gelombang (frekuensi) yang berbeza. Rajah menunjukkan tiga daripada komponen ini (gelombang 1-3). Pada satu ketika, ketiga-tiga gelombang berada dalam fasa (maksimumnya bertepatan); di sini mereka, menambah, menguatkan satu sama lain dan membentuk dorongan. Sebagai penyebaran selanjutnya Di ruang angkasa, ombak dimusnahkan dan dengan itu "memadamkan" satu sama lain.
Di kawasan penyebaran anomali (di dalam sel cesium), gelombang yang lebih pendek (gelombang 1) menjadi lebih panjang. Sebaliknya, gelombang yang paling panjang daripada ketiga-tiga (gelombang 3) menjadi yang terpendek.
Akibatnya, fasa gelombang berubah dengan sewajarnya. Apabila gelombang telah melalui sel cesium, muka gelombangnya dipulihkan. Setelah menjalani modulasi fasa yang luar biasa dalam bahan dengan serakan anomali, ketiga-tiga gelombang yang dimaksudkan sekali lagi mendapati diri mereka berada dalam fasa pada satu ketika. Di sini mereka menjumlahkan semula dan membentuk nadi dengan bentuk yang sama seperti yang memasuki medium cesium.
Biasanya dalam udara, dan sebenarnya dalam mana-mana medium lutsinar dengan penyebaran biasa, nadi cahaya tidak dapat mengekalkan bentuknya dengan tepat apabila merambat pada jarak jauh, iaitu, semua komponennya tidak boleh berperingkat pada mana-mana titik jauh di sepanjang laluan perambatan. Dan dalam keadaan biasa, denyutan cahaya muncul pada titik yang begitu jauh selepas beberapa ketika. Walau bagaimanapun, disebabkan oleh sifat anomali medium yang digunakan dalam eksperimen, nadi pada titik terpencil ternyata berperingkat dengan cara yang sama seperti semasa memasuki medium ini. Oleh itu, nadi cahaya berkelakuan seolah-olah ia mempunyai kelewatan masa negatif dalam perjalanan ke titik yang jauh, iaitu, ia akan tiba di sana tidak lewat, tetapi lebih awal daripada ia melalui medium!
Kebanyakan ahli fizik cenderung untuk mengaitkan keputusan ini dengan penampilan prekursor intensiti rendah dalam medium penyebaran ruang. Hakikatnya ialah semasa penguraian spektrum nadi, spektrum mengandungi komponen frekuensi tinggi yang sewenang-wenangnya dengan amplitud yang sangat kecil, yang dipanggil prekursor, mendahului "bahagian utama" nadi. Sifat penubuhan dan bentuk prekursor bergantung pada hukum penyebaran dalam medium. Dengan ini, urutan peristiwa dalam eksperimen Wong dicadangkan untuk ditafsirkan seperti berikut. Gelombang masuk, "meregangkan" pertanda di hadapan dirinya, menghampiri kamera. Sebelum puncak gelombang masuk mencecah dinding berhampiran ruang, prekursor memulakan penampilan nadi dalam ruang, yang mencapai dinding jauh dan dipantulkan daripadanya, membentuk "gelombang terbalik." Gelombang ini, merambat 300 kali lebih cepat daripada c, mencapai dinding berhampiran dan bertemu dengan gelombang masuk. Puncak satu gelombang bertemu palung gelombang yang lain, sehingga mereka membinasakan antara satu sama lain dan akibatnya tiada apa-apa lagi. Ternyata gelombang masuk "membayar balik hutang" kepada atom cesium, yang "meminjamkan" tenaga kepadanya di hujung ruang yang lain. Sesiapa yang menonton hanya permulaan dan akhir percubaan akan melihat hanya denyutan cahaya yang "melompat" ke hadapan dalam masa, bergerak lebih laju daripada c.
L. Wong percaya bahawa eksperimennya tidak konsisten dengan teori relativiti. Pernyataan tentang ketidakupayaan kelajuan superluminal, dia percaya, hanya terpakai kepada objek dengan jisim rehat. Cahaya boleh diwakili sama ada dalam bentuk gelombang, yang konsep jisim umumnya tidak boleh digunakan, atau dalam bentuk foton dengan jisim rehat, seperti yang diketahui. sama dengan sifar. Oleh itu, kelajuan cahaya dalam vakum, menurut Wong, bukanlah hadnya. Bagaimanapun, Wong mengakui bahawa kesan yang ditemuinya tidak memungkinkan untuk menghantar maklumat pada kelajuan lebih daripada c.
"Maklumat di sini sudah terkandung dalam bahagian utama nadi," kata P. Milonni, seorang ahli fizik di Los Alamos National Laboratory di Amerika Syarikat "Dan ia boleh memberikan gambaran menghantar maklumat lebih cepat daripada cahaya, walaupun anda tidak menghantarnya.”
Kebanyakan ahli fizik percaya itu kerja baru tidak memberikan tamparan hebat kepada prinsip asas. Tetapi tidak semua ahli fizik percaya masalah itu telah diselesaikan. Profesor A. Ranfagni, dari kumpulan penyelidik Itali yang menjalankan satu lagi eksperimen menarik pada tahun 2000, percaya bahawa soalan itu masih terbuka. Eksperimen ini, yang dijalankan oleh Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni dan Rocco Ruggeri, mendapati bahawa gelombang radio gelombang sentimeter dalam perjalanan udara biasa pada kelajuan 25% lebih cepat daripada c.
Untuk meringkaskan, kita boleh mengatakan perkara berikut.
Berfungsi tahun kebelakangan ini menunjukkan bahawa dalam keadaan tertentu kelajuan superluminal sebenarnya boleh berlaku. Tetapi apakah sebenarnya yang bergerak pada kelajuan superluminal? Teori relativiti, seperti yang telah disebutkan, melarang kelajuan sedemikian untuk badan material dan untuk isyarat yang membawa maklumat. Walau bagaimanapun, sesetengah penyelidik sangat gigih cuba untuk menunjukkan mengatasi halangan cahaya khusus untuk isyarat. Sebabnya terletak pada fakta bahawa teori relativiti khas tidak mempunyai justifikasi matematik yang ketat (berdasarkan, katakan, pada persamaan Maxwell untuk medan elektromagnet) kemustahilan menghantar isyarat pada kelajuan lebih daripada c. Kemustahilan seperti itu dalam STR ditubuhkan, boleh dikatakan, secara aritmetik semata-mata, berdasarkan formula Einstein untuk menambah halaju, tetapi ini secara asasnya disahkan oleh prinsip kausalitas. Einstein sendiri, mempertimbangkan isu penghantaran isyarat superluminal, menulis bahawa dalam kes ini "... kita terpaksa mempertimbangkan kemungkinan mekanisme penghantaran isyarat, di mana tindakan yang dicapai mendahului punca Tetapi, walaupun hasil ini dari titik logik semata-mata pandangan tidak mengandungi dirinya, pada pendapat saya, tidak ada percanggahan; namun ia sangat bercanggah dengan sifat keseluruhan pengalaman kita sehingga kemustahilan andaian V > c nampaknya cukup terbukti." Prinsip kausalitas adalah asas yang mendasari kemustahilan penghantaran isyarat superluminal. Dan, nampaknya, semua carian untuk isyarat superluminal tanpa pengecualian akan tersandung pada batu ini, tidak kira berapa banyak penguji ingin mengesan isyarat sedemikian, kerana itulah sifat dunia kita.
Namun begitu, mari kita bayangkan bahawa matematik relativiti masih akan berfungsi pada kelajuan superluminal. Ini bermakna secara teorinya kita masih boleh mengetahui apa yang akan berlaku jika sesuatu badan melebihi kelajuan cahaya.
Mari bayangkan dua kapal angkasa menuju dari Bumi ke arah bintang yang berjarak 100 tahun cahaya dari planet kita. Kapal pertama meninggalkan Bumi pada 50% kelajuan cahaya, jadi ia akan mengambil masa 200 tahun untuk menyelesaikan perjalanan. Kapal kedua, dilengkapi dengan pemacu meledingkan hipotesis, akan bergerak pada 200% kelajuan cahaya, tetapi 100 tahun selepas yang pertama. Apa yang akan berlaku?
Menurut teori relativiti, jawapan yang betul bergantung pada perspektif pemerhati. Dari Bumi, nampaknya kapal pertama telah menempuh jarak yang agak jauh sebelum dipintas oleh kapal kedua, yang bergerak empat kali lebih laju. Tetapi dari sudut pandangan orang di kapal pertama, semuanya berbeza sedikit.
Kapal No. 2 bergerak lebih pantas daripada cahaya, yang bermaksud ia boleh mengatasi cahaya yang dipancarkannya sendiri. Ini membawa kepada sejenis "gelombang cahaya" (bersamaan dengan gelombang bunyi, hanya sebagai ganti getaran udara, gelombang cahaya bergetar di sini), yang menjana beberapa kesan yang menarik. Ingat bahawa cahaya dari kapal #2 bergerak lebih perlahan daripada kapal itu sendiri. Hasilnya akan menjadi penggandaan visual. Dalam erti kata lain, pertama anak kapal No 1 akan melihat bahawa kapal kedua telah muncul di sebelah mereka seolah-olah entah dari mana. Kemudian, cahaya dari kapal kedua akan mencapai yang pertama dengan sedikit kelewatan, dan hasilnya akan menjadi salinan yang boleh dilihat yang akan bergerak ke arah yang sama dengan sedikit ketinggalan.
Sesuatu yang serupa boleh dilihat dalam permainan komputer apabila, akibat kegagalan sistem, enjin memuatkan model dan algoritmanya ke dalam titik akhir pergerakan lebih pantas daripada animasi itu sendiri tamat, jadi berbilang pengambilan berlaku. Ini mungkin sebab kesedaran kita tidak melihat aspek hipotesis Alam Semesta di mana badan bergerak pada kelajuan superluminal - mungkin ini adalah yang terbaik.
P.S. ... tetapi dalam contoh terakhir Saya tidak faham sesuatu, mengapa kedudukan sebenar kapal itu dikaitkan dengan "cahaya yang dipancarkan olehnya"? Nah, walaupun mereka melihatnya di tempat yang salah, sebenarnya dia akan memintas kapal pertama!
sumber
Hak cipta ilustrasi Thinkstock
Rekod kelajuan semasa di angkasa telah bertahan selama 46 tahun. Wartawan itu tertanya-tanya bila dia akan dipukul.
Kita manusia taksub dengan kelajuan. Jadi, hanya dalam beberapa bulan kebelakangan ini diketahui bahawa pelajar di Jerman menetapkan rekod kelajuan untuk kereta elektrik, dan Tentera Udara AS merancang untuk meningkatkan pesawat hipersonik supaya mereka mencapai kelajuan lima kali ganda kelajuan bunyi, i.e. melebihi 6100 km/j.
Pesawat sedemikian tidak akan mempunyai anak kapal, tetapi bukan kerana orang tidak boleh bergerak pada kelajuan yang tinggi. Malah, orang ramai telah pun bergerak pada kelajuan yang beberapa kali lebih pantas daripada kelajuan bunyi.
Walau bagaimanapun, adakah terdapat had di mana badan kita yang pantas bergegas tidak lagi dapat menahan beban yang berlebihan?
Rekod kelajuan semasa dikongsi sama oleh tiga angkasawan yang mengambil bahagian dalam misi angkasa lepas Apollo 10 - Tom Stafford, John Young dan Eugene Cernan.
Pada tahun 1969, apabila angkasawan mengelilingi Bulan dan kembali semula, kapsul yang mereka naiki mencapai kelajuan yang di Bumi ialah 39.897 km/j.
"Saya fikir seratus tahun yang lalu kita sukar membayangkan bahawa seseorang boleh bergerak di angkasa dengan kelajuan hampir 40 ribu kilometer sejam," kata Jim Bray dari kebimbangan aeroangkasa Lockheed Martin.
Bray ialah pengarah projek modul boleh huni untuk kapal angkasa Orion, yang sedang dibangunkan oleh Agensi Angkasa AS NASA.
Menurut pemaju, kapal angkasa Orion, pelbagai guna dan sebahagiannya boleh diguna semula, sepatutnya membawa angkasawan ke orbit Bumi rendah. Adalah sangat mungkin bahawa dengan bantuannya adalah mungkin untuk memecahkan rekod kelajuan yang ditetapkan untuk seseorang 46 tahun yang lalu.
Roket super berat baharu itu, sebahagian daripada Sistem Pelancaran Angkasa, dijadualkan membuat penerbangan pertamanya dengan pemandu pada 2021. Ini akan menjadi lintasan asteroid yang terletak di orbit bulan.
Orang biasa boleh menahan kira-kira lima Gs daya sebelum pengsan.
Kemudian ekspedisi selama berbulan-bulan ke Marikh akan menyusul. Sekarang, menurut pereka, biasa kelajuan maksimum Orion sepatutnya lebih kurang 32 ribu km/j. Walau bagaimanapun, kelajuan yang dicapai oleh Apollo 10 boleh diatasi walaupun konfigurasi asas kapal angkasa Orion dikekalkan.
"Orion direka untuk terbang ke untuk pelbagai tujuan sepanjang hayatnya,” kata Bray. "Kelajuannya mungkin jauh lebih tinggi daripada apa yang kami rancangkan sekarang."
Tetapi Orion tidak akan mewakili puncak potensi kelajuan manusia. "Pada asasnya tiada had untuk kelajuan di mana kita boleh mengembara selain daripada kelajuan cahaya," kata Bray.
Kelajuan cahaya adalah satu bilion km/jam. Adakah terdapat harapan bahawa kita akan dapat merapatkan jurang antara 40 ribu km/j dan nilai-nilai ini?
Hebatnya, kelajuannya kuantiti vektor, menunjukkan kelajuan pergerakan dan arah pergerakan, bukanlah masalah bagi orang dari segi fizikal, selagi ia agak malar dan terarah ke satu arah.
Akibatnya, orang - secara teori - boleh bergerak di angkasa hanya sedikit lebih perlahan daripada "had kelajuan alam semesta", i.e. kelajuan cahaya.
Hak cipta ilustrasi NASA Kapsyen imej Apakah perasaan seseorang di dalam kapal yang terbang pada kelajuan hampir cahaya?Tetapi walaupun kita mengatasi halangan teknologi penting yang berkaitan dengan kapal angkasa berkelajuan tinggi, badan air kita yang rapuh, kebanyakannya akan menghadapi bahaya baru yang berkaitan dengan kesan kelajuan tinggi.
Hanya bahaya khayalan mungkin timbul jika orang dapat bergerak kelajuan lebih pantas cahaya melalui eksploitasi kelemahan dalam fizik moden atau melalui penemuan yang memecahkan acuan.
Bagaimana untuk menahan beban berlebihan
Walau bagaimanapun, jika kita berhasrat untuk melakukan perjalanan pada kelajuan melebihi 40 ribu km/j, kita perlu mencapainya dan kemudian perlahan, perlahan-lahan dan dengan kesabaran.
Pecutan pantas dan nyahpecutan yang sama pantas dipenuhi dengan bahaya maut untuk tubuh manusia. Ini terbukti dengan keterukan kecederaan akibat kemalangan kereta, di mana kelajuannya menurun dari beberapa puluh kilometer sejam kepada sifar.
Apakah sebab untuk ini? Dalam sifat Alam Semesta itu, yang dipanggil inersia atau keupayaan badan fizikal, mempunyai jisim, menentang perubahan dalam keadaan rehat atau gerakannya tanpa kehadiran atau pampasan pengaruh luar.
Idea ini dirumuskan dalam undang-undang pertama Newton, yang menyatakan: "Setiap badan terus dikekalkan dalam keadaan rehat atau seragam dan pergerakan rectilinear, sehingga dan setakat mana ia tidak dipaksa oleh kuasa yang dikenakan untuk mengubah keadaan ini."
Kita manusia mampu menanggung beban yang sangat besar tanpa kecederaan serius, walaupun hanya untuk beberapa saat.
“Keadaan rehat dan pergerakan dengan kelajuan tetap"Ini adalah perkara biasa untuk tubuh manusia," jelas Bray. "Kita sepatutnya mengambil berat tentang keadaan orang itu pada saat pecutan."
Kira-kira seabad yang lalu, pembangunan kapal terbang lasak yang boleh bergerak laju menyebabkan juruterbang melaporkan simptom aneh yang disebabkan oleh perubahan dalam kelajuan dan arah penerbangan. Gejala-gejala ini termasuk kehilangan penglihatan sementara dan perasaan sama ada berat atau tidak berat.
Sebabnya ialah daya-g yang diukur dalam unit G, iaitu nisbah pecutan linear untuk mempercepatkan jatuh bebas di permukaan Bumi di bawah pengaruh tarikan atau graviti. Unit ini mencerminkan kesan pecutan graviti pada jisim, sebagai contoh, badan manusia.
Beban lebihan 1 G adalah sama dengan berat badan yang berada dalam medan graviti Bumi dan tertarik ke pusat planet pada kelajuan 9.8 m/s (di aras laut).
G-forces yang dialami secara menegak dari kepala ke kaki atau sebaliknya adalah berita buruk bagi juruterbang dan penumpang.
Pada lebihan negatif, i.e. perlahan, darah menyerbu dari jari kaki ke kepala, timbul rasa tepu, seperti ketika melakukan dirian tangan.
Hak cipta ilustrasi SPL Kapsyen imej Untuk memahami berapa ramai angkasawan Gs boleh bertahan, mereka dilatih dalam emparan"Tudung merah" (perasaan yang dialami seseorang apabila darah mengalir ke kepala) berlaku apabila kelopak mata bawah yang bengkak dan lut sinar naik dan menutupi anak mata.
Dan, sebaliknya, semasa pecutan atau daya g positif, darah mengalir dari kepala ke kaki, mata dan otak mula kekurangan oksigen kerana darah terkumpul di bahagian bawah kaki.
Pada mulanya, penglihatan menjadi berkabus, i.e. kehilangan penglihatan warna berlaku dan apa yang dipanggil "tudung kelabu" berguling, kemudian kehilangan penglihatan sepenuhnya atau "tudung hitam" berlaku, tetapi orang itu tetap sedar.
Beban berlebihan membawa kepada kehilangan kesedaran sepenuhnya. Keadaan ini dipanggil pengsan beban berlebihan. Ramai juruterbang mati kerana "tudung hitam" jatuh menutupi mata mereka dan mereka terhempas.
Orang biasa boleh menahan kira-kira lima Gs daya sebelum kehilangan kesedaran.
Juruterbang, memakai sut anti-g khas dan dilatih untuk menegangkan dan mengendurkan otot badan mereka dengan cara yang istimewa untuk memastikan darah mengalir dari kepala, dapat mengawal pesawat pada kira-kira sembilan Gs.
Apabila mencapai kelajuan pelayaran yang stabil 26,000 km/j di orbit, angkasawan mengalami kelajuan tidak lebih daripada penumpang dalam penerbangan komersial
"Untuk jangka masa yang singkat badan manusia boleh menahan daya g yang lebih besar daripada sembilan G, kata Jeff Swiatek, pengarah eksekutif Persatuan Perubatan Aeroangkasa, yang berpangkalan di Alexandria, Virginia. - Tetapi menahan beban yang tinggi sepanjang keseluruhannya tempoh yang lama Sangat sedikit orang yang mampu masa."
Kita manusia mampu menanggung beban yang sangat besar tanpa kecederaan serius, walaupun hanya untuk beberapa saat.
Rekod ketahanan jangka pendek telah ditetapkan oleh Kapten Tentera Udara AS Eli Beeding Jr. di Pangkalan Tentera Udara Holloman di New Mexico. Pada tahun 1958, apabila membrek pada kereta luncur khas dengan enjin roket, selepas memecut hingga 55 km/j dalam 0.1 saat, dia mengalami beban berlebihan sebanyak 82.3 G.
Keputusan ini direkodkan oleh pecutan yang dipasang pada dadanya. Beeding juga mengalami "awan hitam" di atas matanya, tetapi melarikan diri dengan hanya lebam semasa menunjukkan ketahanan manusia yang luar biasa ini. Benar, selepas perlumbaan dia menghabiskan tiga hari di hospital.
Dan kini ke angkasa lepas
Angkasawan, bergantung kepada cara pengangkutan, juga mengalami beban yang agak tinggi - dari tiga hingga lima G - semasa berlepas dan apabila kembali ke lapisan atmosfera yang padat, masing-masing.
Beban berlebihan ini boleh diterima dengan mudah, terima kasih kepada idea bijak untuk meletakkan pengembara angkasa ke tempat duduk dalam kedudukan meniarap menghadap arah penerbangan.
Sebaik sahaja mereka mencapai kelajuan pelayaran yang stabil 26,000 km/j di orbit, angkasawan merasakan tidak lebih kelajuan daripada penumpang dalam penerbangan komersial.
Sekiranya beban berlebihan tidak menimbulkan masalah untuk ekspedisi panjang di kapal Orion, maka dengan yang kecil batu angkasa– mikrometeorit – semuanya lebih rumit.
Hak cipta ilustrasi NASA Kapsyen imej Untuk melindungi daripada mikrometeorit, Orion memerlukan sejenis perisai angkasa lepasZarah-zarah ini, sebesar sebutir beras, boleh mencapai kelajuan yang mengagumkan tetapi merosakkan sehingga 300 ribu km/j. Untuk memastikan integriti kapal dan keselamatan anak kapalnya, Orion dilengkapi dengan lapisan pelindung luar, ketebalannya berbeza dari 18 hingga 30 cm.
Di samping itu, perisai pelindung tambahan disediakan, dan penempatan peralatan yang bijak di dalam kapal juga digunakan.
"Untuk mengelakkan kehilangan sistem penerbangan yang penting kepada keseluruhan kapal angkasa, kita mesti mengira dengan tepat sudut pendekatan mikrometeorit," kata Jim Bray.
Yakinlah: mikrometeorit bukan satu-satunya penghalang kepada misi angkasa lepas, di mana kelajuan tinggi penerbangan manusia dalam vakum akan memainkan peranan yang semakin penting.
Semasa ekspedisi ke Marikh, masalah praktikal lain perlu diselesaikan, contohnya, membekalkan kru makanan dan mengatasi peningkatan bahaya kanser akibat pendedahan kepada badan manusia sinaran kosmik.
Mengurangkan masa perjalanan akan mengurangkan keterukan masalah sedemikian, jadi kelajuan perjalanan akan menjadi semakin diingini.
Penerbangan angkasa lepas generasi akan datang
Keperluan untuk kelajuan ini akan menimbulkan halangan baru dalam perjalanan pengembara angkasa lepas.
Kapal angkasa baru NASA, yang mengancam untuk memecahkan rekod kelajuan Apollo 10, masih akan bergantung kepada diuji masa sistem kimia enjin roket yang digunakan sejak pertama penerbangan angkasa lepas. Tetapi sistem ini mempunyai had kelajuan yang teruk kerana pembebasan sejumlah kecil tenaga bagi setiap unit bahan api.
Sumber tenaga yang paling disukai, walaupun sukar difahami, untuk kapal angkasa pantas ialah antijirim, rakan sejawat dan antipod bagi jirim biasa.
Oleh itu, untuk meningkatkan kelajuan penerbangan dengan ketara bagi orang yang pergi ke Marikh dan seterusnya, saintis menyedari bahawa pendekatan yang sama sekali baru diperlukan.
"Sistem yang kami ada hari ini cukup mampu membawa kami ke sana," kata Bray, "tetapi kami semua ingin menyaksikan revolusi dalam enjin."
Eric Davis, ahli fizik penyelidikan kanan di Institut Kajian Lanjutan di Austin, Texas, dan peserta enam tahun dalam Program Fizik Pendorong Terobosan NASA projek penyelidikan, yang disiapkan pada tahun 2002, mengenal pasti tiga cara yang paling menjanjikan, dari sudut pandangan fizik tradisional, yang boleh membantu manusia mencapai kelajuan yang cukup munasabah untuk perjalanan antara planet.
Ringkasnya, kita bercakap tentang fenomena pembebasan tenaga semasa pembelahan jirim, gabungan termonuklear dan penghapusan antijirim.
Kaedah pertama melibatkan pembelahan atom dan digunakan dalam reaktor nuklear komersial.
Yang kedua, gabungan termonuklear, melibatkan penciptaan atom yang lebih berat daripada atom ringkas– tindak balas jenis ini memberi tenaga kepada Matahari. Ini adalah teknologi yang menarik, tetapi sukar untuk difahami; ia "sentiasa lagi 50 tahun lagi" - dan begitulah selalunya, seperti moto lama industri ini.
"Ini cukup teknologi canggih, kata Davis, "tetapi ia berasaskan fizik tradisional dan telah ditubuhkan dengan kukuh sejak awal Zaman Atom Menurut anggaran optimistik, sistem pendorongan berdasarkan konsep pembelahan atom dan pelakuran nuklear, secara teori, boleh mempercepatkan sesuatu." menghantar kepada 10% daripada kelajuan cahaya, iaitu sehingga 100 juta km/j yang sangat dihormati.
Hak cipta ilustrasi Tentera Udara AS Kapsyen imej Terbang pada kelajuan supersonik tidak lagi menjadi masalah bagi manusia. Perkara lain ialah kelajuan cahaya, atau sekurang-kurangnya dekat dengannya...Sumber tenaga yang paling digemari, walaupun sukar dicapai, untuk kapal angkasa yang pantas ialah antijirim, rakan sejawat dan antipod bagi jirim biasa.
Apabila dua jenis jirim bersentuhan, mereka memusnahkan satu sama lain, mengakibatkan pembebasan tenaga tulen.
Teknologi yang memungkinkan untuk menghasilkan dan menyimpan - setakat ini sangat tidak penting - jumlah antijirim wujud hari ini.
Pada masa yang sama, pengeluaran antijirim dalam kuantiti yang berguna akan memerlukan keupayaan khas baru generasi akan datang, dan kejuruteraan perlu memasuki perlumbaan yang kompetitif untuk mencipta kapal angkasa yang sesuai.
Tetapi, seperti yang dikatakan Davis, banyak idea yang hebat sedang diusahakan pada papan lukisan.
Kapal angkasa yang dikuasakan oleh tenaga antijirim akan dapat memecut selama berbulan-bulan atau bahkan bertahun-tahun dan mencapai peratusan kelajuan cahaya yang lebih besar.
Pada masa yang sama, lebihan muatan di atas kapal akan kekal diterima oleh penduduk kapal.
Pada masa yang sama, kelajuan baru yang hebat itu akan dipenuhi dengan bahaya lain untuk tubuh manusia.
Bandar tenaga
Pada kelajuan beberapa ratus juta kilometer sejam, sebarang setitik debu di angkasa, daripada atom hidrogen yang tersebar kepada mikrometeorit, tidak dapat tidak akan menjadi peluru dengan tenaga yang tinggi dan mampu menembusi badan kapal terus.
"Apabila anda bergerak pada kelajuan yang sangat tinggi, ini bermakna zarah yang datang ke arah anda bergerak pada kelajuan yang sama," kata Arthur Edelstein.
Bersama dengan arwah bapanya, William Edelstein, seorang profesor radiologi di Sekolah perubatan Johns Hopkins University, dia bekerja kerja saintifik, yang melihat kesan pendedahan (kepada manusia dan teknologi) kepada atom hidrogen kosmik semasa perjalanan angkasa lepas ultra pantas di angkasa.
Hidrogen akan mula terurai menjadi zarah subatomik, yang akan menembusi di dalam kapal dan mendedahkan kedua-dua anak kapal dan peralatan kepada radiasi.
Enjin Alcubierre akan mendorong anda seperti seorang pelayar menunggang ombak Eric Davis, Pakar Fizik Penyelidikan
Pada 95% daripada kelajuan cahaya, pendedahan kepada sinaran sedemikian bermakna kematian hampir serta-merta.
Kapal angkasa akan memanaskan sehingga suhu lebur yang tidak dapat dibayangkan oleh bahan yang boleh dibayangkan, dan air yang terkandung dalam badan anak kapal akan serta-merta mendidih.
"Ini semua adalah masalah yang sangat menjengkelkan," kata Edelstein dengan jenaka yang suram.
Dia dan bapanya mengira itu secara kasar untuk mencipta beberapa sistem hipotesis Perlindungan magnet yang mampu melindungi kapal dan orang di dalamnya daripada hujan hidrogen yang mematikan, kapal luar angkasa boleh bergerak pada kelajuan tidak melebihi separuh kelajuan cahaya. Kemudian orang di atas kapal berpeluang untuk terus hidup.
Mark Millis, ahli fizik masalah gerakan ke hadapan, Dan bekas pengurus Program fizik gerakan terobosan NASA memberi amaran bahawa had laju yang berpotensi untuk perjalanan angkasa lepas ini kekal sebagai masalah untuk masa depan yang jauh.
“Berdasarkan pengetahuan fizikal terkumpul setakat ini, kita boleh mengatakan bahawa ia akan menjadi sangat sukar untuk mencapai kelajuan melebihi 10% daripada kelajuan cahaya, kata Millis. "Kami tidak berada dalam bahaya lagi." Analogi mudah: mengapa perlu risau tentang lemas jika kita belum memasuki air lagi."
Lebih cepat daripada cahaya?
Jika kita mengandaikan bahawa kita telah, boleh dikatakan, belajar berenang, adakah kita akan dapat menguasai meluncur melalui masa kosmik - untuk mengembangkan analogi ini dengan lebih lanjut - dan terbang pada kelajuan superluminal?
Hipotesis tentang keupayaan semula jadi untuk terus hidup dalam persekitaran superluminal, walaupun meragukan, bukan tanpa gambaran tertentu tentang pencerahan terpelajar dalam kegelapan.
Salah satu cara perjalanan yang menarik adalah berdasarkan teknologi yang serupa dengan yang digunakan dalam "pemacu meledingkan" atau "pemacu meledingkan" daripada siri Star Trek.
Prinsip operasi loji kuasa ini, juga dikenali sebagai "enjin Alcubierre" * (dinamakan sempena ahli fizik teori Mexico Miguel Alcubierre), adalah bahawa ia membenarkan kapal untuk memampatkan ruang-masa biasa di hadapannya, seperti yang diterangkan oleh Albert Einstein, dan mengembangkannya di belakang saya.
Hak cipta ilustrasi NASA Kapsyen imej Rekod kelajuan semasa dipegang oleh tiga angkasawan Apollo 10 - Tom Stafford, John Young dan Eugene Cernan.Pada asasnya, kapal bergerak dalam jumlah ruang-masa tertentu, sejenis "gelembung kelengkungan" yang bergerak lebih pantas daripada kelajuan cahaya.
Oleh itu, kapal kekal tidak bergerak dalam ruang-masa biasa dalam "gelembung" ini, tanpa tertakluk kepada ubah bentuk dan mengelakkan pelanggaran had universal kelajuan cahaya.
"Daripada terapung melalui air ruang-masa biasa," kata Davis, "pemandu Alcubierre akan membawa anda seperti peluncur yang menunggang papan luncur di sepanjang puncak ombak."
Terdapat juga tangkapan tertentu di sini. Untuk melaksanakan idea ini, satu bentuk jirim eksotik diperlukan yang mempunyai jisim negatif untuk memampatkan dan mengembangkan ruang-masa.
"Fizik tidak mengatakan apa-apa terhadap jisim negatif," kata Davis, "tetapi tidak ada contoh mengenainya, dan kami tidak pernah melihatnya secara semula jadi."
Ada lagi tangkapan. Dalam makalah yang diterbitkan pada tahun 2012, penyelidik dari University of Sydney mencadangkan bahawa "gelembung meledingkan" akan terkumpul bercas tinggi. zarah kosmik, kerana ia pasti akan mula berinteraksi dengan kandungan Alam Semesta.
Sesetengah zarah akan menembusi di dalam gelembung itu sendiri dan mengepam kapal dengan sinaran.
Terperangkap pada kelajuan sub-cahaya?
Adakah kita benar-benar ditakdirkan untuk terperangkap pada kelajuan sub-cahaya kerana biologi kita yang halus?!
Ini bukan tentang menetapkan rekod kelajuan dunia baharu (galaksi?) untuk manusia, tetapi mengenai prospek mengubah manusia menjadi masyarakat antara bintang.
Pada separuh kelajuan cahaya - dan ini adalah had yang, menurut penyelidikan Edelstein, badan kita boleh tahan - perjalanan ke bintang terdekat perjalanan pergi dan balik akan mengambil masa lebih 16 tahun.
(Kesan pelebaran masa, yang akan menyebabkan kru kapal luar angkasa mengalami lebih sedikit masa dalam sistem koordinat mereka berbanding orang yang tinggal di Bumi dalam sistem koordinat mereka, tidak akan mempunyai akibat dramatik pada separuh kelajuan cahaya.)
Mark Millis berharap. Memandangkan manusia telah mencipta sut-G dan perlindungan mikrometeor yang membolehkan manusia melakukan perjalanan dengan selamat dalam jarak biru yang besar dan angkasa yang hitam bertabur bintang, dia yakin bahawa kita boleh mencari jalan untuk bertahan dalam apa jua had laju yang kita capai pada masa hadapan.
"Teknologi yang sama yang boleh membantu kami mencapai kelajuan perjalanan baharu yang luar biasa," Millis mencerminkan, "akan memberikan kami keupayaan baharu yang belum diketahui untuk melindungi krew."
Nota Penterjemah:
*Miguel Alcubierre datang dengan idea untuk gelembungnya pada tahun 1994. Dan pada tahun 1995, ahli fizik teori Rusia Sergei Krasnikov mencadangkan konsep peranti untuk perjalanan angkasa lebih cepat daripada kelajuan cahaya. Idea itu dipanggil "paip Krasnikov".
Ini adalah kelengkungan buatan ruang-masa mengikut prinsip yang dipanggil lubang cacing. Secara hipotesis, kapal itu akan bergerak dalam garis lurus dari Bumi ke bintang tertentu melalui ruang-masa melengkung, melalui dimensi lain.
Menurut teori Krasnikov, pengembara angkasa lepas akan kembali semula pada masa yang sama apabila dia berangkat.
Abad ke-20 ditandai dengan penemuan terbesar dalam bidang fizik dan kosmologi. Asas untuk penemuan ini adalah teori yang dibangunkan oleh galaksi ahli fizik yang cemerlang. Yang paling terkenal daripada mereka ialah Albert Einstein, yang kebanyakannya berasaskan kerja fizik moden. Daripada teori saintis, ia mengikuti bahawa kelajuan cahaya dalam vakum adalah kelajuan maksimum pergerakan zarah dan interaksi. Dan paradoks masa yang timbul daripada teori-teori ini benar-benar menakjubkan: untuk objek yang bergerak, masa mengalir lebih perlahan berbanding dengan yang diam, dan semakin dekat dengan kelajuan cahaya, semakin banyak masa menjadi perlahan. Ternyata untuk objek yang terbang pada kelajuan cahaya, masa akan berhenti sepenuhnya.
| Kami mengesyorkan |
Ini memberi kita harapan bahawa dengan tahap teknologi yang betul, secara teorinya, seseorang itu mampu mencapai yang paling sudut terpencil alam semesta. Pada masa yang sama, masa penerbangan masuk sistem bumi undur akan menjadi berjuta-juta tahun, manakala di atas kapal yang terbang pada kelajuan hampir cahaya, hanya beberapa hari akan berlalu... Kemungkinan sedemikian mengagumkan, dan pada masa yang sama timbul persoalan: jika ahli fizik dan jurutera masa depan entah bagaimana mempercepatkan kapal angkasa ke nilai yang sangat besar, malah secara teorinya kepada kelajuan cahaya (walaupun fizik kita menafikan kemungkinan ini), adakah kita akan dapat mencapai bukan sahaja galaksi dan bintang yang paling jauh, tetapi juga pinggir Alam Semesta kita, melihat di luar sempadan yang tidak diketahui, tentang saintis yang tidak tahu?
Kita tahu bahawa Alam Semesta telah terbentuk kira-kira 13.79 bilion tahun yang lalu dan telah berkembang secara berterusan sejak itu. Seseorang mungkin menganggap bahawa jejarinya ialah pada masa ini sepatutnya 13.79 bilion tahun cahaya, dan diameter, masing-masing, 27.58 bilion tahun cahaya. Dan ini akan menjadi benar jika Alam Semesta berkembang secara seragam pada kelajuan cahaya - kelajuan maksimum yang mungkin. Tetapi data yang diperoleh memberitahu kita bahawa Alam Semesta berkembang pada kadar yang semakin pantas.
Kami memerhatikan bahawa galaksi yang paling jauh dari kita bergerak menjauhi kita lebih cepat daripada yang berdekatan - ruang dunia kita terus berkembang. Pada masa yang sama, terdapat bahagian Alam Semesta yang bergerak menjauhi kita lebih cepat daripada kelajuan cahaya. Dalam kes ini, tiada postulat dan kesimpulan teori relativiti dilanggar - objek di dalam Alam Semesta kekal pada kelajuan sub-cahaya. Bahagian Alam Semesta ini tidak dapat dilihat - kelajuan foton yang dipancarkan oleh sumber sinaran tidak cukup untuk mengatasi kelajuan pengembangan ruang.
Pengiraan menunjukkan bahawa bahagian dunia kita yang kelihatan kepada kita mempunyai diameter kira-kira 93 bilion tahun cahaya dan dipanggil Metagalaxy. Kita hanya boleh meneka tentang apa yang ada di luar sempadan ini dan sejauh mana Alam Semesta meluas. Adalah logik untuk mengandaikan bahawa pinggir Alam Semesta sedang bergerak menjauhi kita paling pantas dan jauh melebihi kelajuan cahaya. Dan kelajuan ini sentiasa meningkat. Ia menjadi jelas bahawa walaupun beberapa objek terbang pada kelajuan cahaya, ia tidak akan sampai ke pinggir Alam Semesta, kerana pinggir Alam Semesta akan bergerak menjauhinya dengan lebih cepat.
Jika anda mendapati ralat, sila serlahkan sekeping teks dan klik Ctrl+Enter.
Walaupun kita boleh membina prototaip kapal yang dibayangkan oleh saintis NASA yang boleh bergerak kelajuan relativistik, dan juga telah menjumpai sumber tenaga yang sangat besar yang diperlukan untuk melancarkannya ke langit, perjalanan kami tidak akan menyenangkan seperti yang kelihatan dari atas Millennium Falcon. Bukan teknologi yang memisahkan kita daripada peluang untuk terbang ke bintang jiran - ia hanya beberapa abad. Masalahnya ialah betapa bahayanya ruang apabila ia menjadi habitat, dan betapa rapuhnya tubuh manusia sebenarnya.
Jika kita mula bergerak pada kelajuan cahaya (300,000 km/s) masuk ruang antara bintang, mereka akan mati dalam beberapa saat. Walaupun fakta bahawa ketumpatan jirim di angkasa adalah sangat rendah, pada kelajuan ini walaupun beberapa atom hidrogen setiap sentimeter padu akan terhempas ke haluan kapal dengan pecutan yang di Bumi hanya boleh dicapai pada Large Hadron Collider. Disebabkan ini, kami akan menerima dos sinaran bersamaan dengan sepuluh ribu sieverts sesaat. Memandangkan dos maut untuk manusia ialah enam sieverts, seperti pancaran radioaktif akan merosakkan kapal dan memusnahkan semua kehidupan di atas kapal.
"Jika kita mula bergerak pada kelajuan cahaya di angkasa, kita akan mati dalam beberapa saat."
Menurut penyelidikan oleh saintis dari Universiti Johns Hopkins, tidak ada perisai yang dapat melindungi kita daripada ini sinaran mengion. Sekat aluminium setebal sepuluh sentimeter dalam kes ini akan menyerap kurang daripada 1% tenaga - tetapi saiz sekat tidak boleh ditingkatkan selama-lamanya tanpa mengambil risiko kemungkinan berlepas. Walau bagaimanapun, sebagai tambahan kepada hidrogen radioaktif, kapal angkasa kita pada kelajuan cahaya akan diancam oleh hakisan yang timbul daripada kesan debu antara bintang. Paling baik, kita perlu berpuas hati dengan 10% daripada kelajuan cahaya, yang hanya akan membolehkan kita mencapai bintang terdekat, Proxima Centauri, dengan susah payah. Mengambil kira jarak 4.22 tahun cahaya penerbangan sedemikian akan mengambil masa 40 tahun - iaitu, satu kehidupan manusia yang tidak lengkap.
Sinaran kosmik kekal sebagai halangan yang tidak dapat diatasi untuk kita, tetapi jika pada masa hadapan yang jauh kita dapat mengatasinya, perjalanan dengan kelajuan cahaya akan menjadi pengalaman yang paling luar biasa untuk manusia. Pada kelajuan ini, masa akan menjadi perlahan, dan penuaan akan menjadi proses yang lebih panjang (lagipun, walaupun angkasawan di ISS dalam tempoh enam bulan berjaya mencapai umur 0.007 saat kurang daripada orang di Bumi). Semasa penerbangan sedemikian, medan visual kita akan bengkok, bertukar menjadi terowong. Kami akan terbang di sepanjang terowong ini ke hadapan, ke arah kilat seputih salji yang bersinar, tanpa melihat jejak bintang dan meninggalkan di belakang kami kegelapan paling gelap, kegelapan paling mutlak yang boleh anda bayangkan.