Doktor i tekniske vitenskaper A. GOLUBEV.
I midten av fjoråret dukket det opp en oppsiktsvekkende melding i magasiner. En gruppe amerikanske forskere har oppdaget at en veldig kort laserpuls beveger seg i et spesielt utvalgt medium hundrevis av ganger raskere enn i et vakuum. Dette fenomenet virket helt utrolig (lyshastigheten i et medium er alltid mindre enn i et vakuum) og reiste til og med tvil om gyldigheten av den spesielle relativitetsteorien. I mellomtiden ble et superluminal fysisk objekt - en laserpuls i et forsterkningsmedium - først oppdaget ikke i 2000, men 35 år tidligere, i 1965, og muligheten for superluminal bevegelse ble mye diskutert frem til tidlig på 70-tallet. I dag har diskusjonen rundt dette merkelige fenomenet blusset opp med fornyet kraft.
Eksempler på "superluminal" bevegelse.
På begynnelsen av 60-tallet begynte man å oppnå korte høyeffekts lyspulser ved å sende en laserblits gjennom en kvanteforsterker (et medium med invertert populasjon).
I et forsterkermedium forårsaker den innledende regionen til en lyspuls stimulert emisjon av atomer i forsterkermediet, og dens siste region forårsaker deres absorpsjon av energi. Som et resultat vil det se ut for observatøren at pulsen beveger seg raskere enn lyset.
Lijun Wongs eksperiment.
En lysstråle som passerer gjennom et prisme laget av et gjennomsiktig materiale (for eksempel glass) brytes, det vil si at den opplever spredning.
En lyspuls er et sett med oscillasjoner med forskjellige frekvenser.
Sannsynligvis vet alle - selv folk langt fra fysikk - at maksimal mulig hastighet for bevegelse av materielle objekter eller forplantning av signaler er lysets hastighet i et vakuum. Det er merket med bokstaven Med og er nesten 300 tusen kilometer per sekund; eksakt verdi Med= 299 792 458 m/s. Lysets hastighet i et vakuum er en av de grunnleggende fysiske konstantene. Manglende evne til å oppnå hastigheter som overskrider Med, følger av Einsteins spesielle relativitetsteori (STR). Hvis det kunne bevises at overføring av signaler med superluminale hastigheter er mulig, ville relativitetsteorien falle. Så langt har dette ikke skjedd, til tross for utallige forsøk på å tilbakevise forbudet mot eksistensen av hastigheter over Med. Nyere eksperimentelle studier har imidlertid avslørt noen veldig interessante fenomener, som indikerer at under spesielt skapte forhold kan superluminale hastigheter observeres uten å bryte prinsippene for relativitetsteori.
Til å begynne med, la oss huske hovedaspektene knyttet til problemet med lysets hastighet. Først av alt: hvorfor er det umulig (under normale forhold) å overskride lysgrensen? For da brytes vår verdens grunnleggende lov – kausalitetsloven, ifølge hvilken virkningen ikke kan gå foran årsaken. Ingen har noen gang observert at for eksempel en bjørn først falt død og så skjøt jegeren. Ved hastigheter over Med, hendelsesforløpet blir reversert, tidsbåndet spoles tilbake. Dette er lett å bekrefte fra følgende enkle resonnement.
La oss anta at vi er på et slags rommirakelskip, og beveger oss raskere enn lyset. Da ville vi gradvis ta igjen lyset som ble sendt ut av kilden på tidligere og tidligere tidspunkt. Først ville vi ta igjen fotoner som ble sendt ut, for eksempel i går, deretter de som ble sendt ut i forgårs, deretter en uke, en måned, et år siden, og så videre. Hvis lyskilden var et speil som reflekterte livet, ville vi først se hendelsene i går, så i forgårs, og så videre. Vi kunne for eksempel se en gammel mann som gradvis forvandles til en middelaldrende mann, så til en ung mann, til en ungdom, til et barn... Det vil si at tiden ville snudd tilbake, vi ville flytte fra nåtiden til fortiden. Årsaker og virkninger ville da bytte plass.
Selv om denne diskusjonen fullstendig ignorerer de tekniske detaljene i prosessen med å observere lys, viser den fra et grunnleggende synspunkt tydelig at bevegelse i superluminale hastigheter fører til en situasjon som er umulig i vår verden. Naturen har imidlertid satt enda strengere betingelser: Bevegelse ikke bare ved superluminal hastighet er uoppnåelig, men også med en hastighet lik lysets hastighet - man kan bare nærme seg den. Fra relativitetsteorien følger det at når bevegelseshastigheten øker, oppstår tre omstendigheter: massen til et objekt i bevegelse, dets størrelse i bevegelsesretningen avtar, og strømmen av tid på dette objektet bremses ned (fra punktet synet til en ekstern "hvilende" observatør). Ved vanlige hastigheter er disse endringene ubetydelige, men når de nærmer seg lysets hastighet blir de mer og mer merkbare, og i grensen - med en hastighet lik Med, - massen blir uendelig stor, objektet mister fullstendig størrelse i bevegelsesretningen og tiden stopper på det. Derfor kan ingen materiell kropp nå lysets hastighet. Bare lys i seg selv har en slik hastighet! (Og også en "alt-penetrerende" partikkel - en nøytrino, som, som et foton, ikke kan bevege seg med en hastighet mindre enn Med.)
Nå om signaloverføringshastigheten. Her er det hensiktsmessig å bruke representasjonen av lys i form av elektromagnetiske bølger. Hva er et signal? Dette er noe informasjon som må overføres. En ideell elektromagnetisk bølge er en uendelig sinusoid av strengt tatt en frekvens, og den kan ikke bære noen informasjon, fordi hver periode av en slik sinusoid nøyaktig gjentar den forrige. Bevegelseshastigheten til fasen til en sinusbølge - den såkalte fasehastigheten - kan i et medium under visse forhold overskride lysets hastighet i et vakuum. Det er ingen begrensninger her, siden fasehastigheten ikke er hastigheten til signalet - den eksisterer ikke ennå. For å lage et signal må du lage et slags "merke" på bølgen. Et slikt merke kan for eksempel være en endring i hvilken som helst av bølgeparametrene - amplitude, frekvens eller startfase. Men så snart merket er laget, mister bølgen sin sinusform. Den blir modulert, bestående av et sett med enkle sinusbølger med forskjellige amplituder, frekvenser og startfaser - en gruppe bølger. Hastigheten som merket beveger seg med i den modulerte bølgen er hastigheten til signalet. Ved forplantning i et medium faller denne hastigheten vanligvis sammen med gruppehastigheten, som karakteriserer forplantningen av den ovenfor nevnte gruppen av bølger som helhet (se "Vitenskap og liv" nr. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheten, og dermed signalhastigheten, mindre enn lysets hastighet i vakuum. Det er ingen tilfeldighet at uttrykket "under normale forhold" ble brukt her, fordi i noen tilfeller kan gruppehastigheten overstige Med eller til og med mister sin mening, men da forholder det seg ikke til signalutbredelse. Bensinstasjonen fastslår at det er umulig å sende et signal med en hastighet høyere enn Med.
Hvorfor er det slik? Fordi det er en hindring for å overføre signaler med en hastighet større enn Med Den samme kausalitetsloven tjener. La oss forestille oss en slik situasjon. På et tidspunkt A slår et lysblink (hendelse 1) på en enhet som sender et bestemt radiosignal, og på et eksternt punkt B, under påvirkning av dette radiosignalet, oppstår en eksplosjon (hendelse 2). Det er klart at hendelse 1 (bluss) er årsaken, og hendelse 2 (eksplosjon) er konsekvensen, som inntreffer senere enn årsaken. Men hvis radiosignalet forplantet seg i superluminal hastighet, ville en observatør nær punkt B først se en eksplosjon, og først da ville det nå ham med hastigheten Med et lysglimt, årsaken til eksplosjonen. Med andre ord, for denne observatøren ville hendelse 2 ha skjedd tidligere enn hendelse 1, det vil si at effekten ville ha gått foran årsaken.
Det er på sin plass å understreke at det "superluminale forbudet" av relativitetsteorien bare er pålagt bevegelse av materielle kropper og overføring av signaler. I mange situasjoner er bevegelse i enhver hastighet mulig, men dette vil ikke være bevegelse av materielle objekter eller signaler. Tenk deg for eksempel to ganske lange linjaler som ligger i samme plan, hvorav den ene er plassert horisontalt, og den andre skjærer den i en liten vinkel. Hvis den første linjalen flyttes nedover (i retningen angitt av pilen) i høy hastighet, kan skjæringspunktet mellom linjalene fås til å løpe så fort som ønskelig, men dette punktet er ikke en materiell kropp. Et annet eksempel: hvis du tar en lommelykt (eller for eksempel en laser som gir en smal stråle) og raskt beskriver en bue i luften med den, vil den lineære hastigheten til lyspunktet øke med avstanden og i tilstrekkelig stor avstand vil overskride Med. Lysflekken vil bevege seg mellom punktene A og B med superluminal hastighet, men dette vil ikke være en signaloverføring fra A til B, siden en slik lysflekk ikke bærer noen informasjon om punkt A.
Det ser ut til at problemet med superluminale hastigheter er løst. Men på 60-tallet av det tjuende århundre fremmet teoretiske fysikere hypotesen om eksistensen av superluminale partikler kalt tachyoner. Dette er veldig merkelige partikler: teoretisk er de mulige, men for å unngå motsetninger med relativitetsteorien, måtte de tildeles en tenkt hvilemasse. Fysisk sett eksisterer ikke imaginær masse, det er en rent matematisk abstraksjon. Dette forårsaket imidlertid ikke mye alarm, siden tachyoner ikke kan være i ro - de eksisterer (hvis de eksisterer!) bare ved hastigheter som overstiger lysets hastighet i et vakuum, og i dette tilfellet viser tachyonmassen seg å være ekte. Det er en viss analogi her med fotoner: et foton har null hvilemasse, men dette betyr ganske enkelt at fotonet ikke kan være i ro - lys kan ikke stoppes.
Det vanskeligste viste seg å være, som man kunne forvente, å forene tachyon-hypotesen med kausalitetsloven. Forsøkene som ble gjort i denne retningen, selv om de var ganske geniale, førte ikke til åpenbar suksess. Ingen har vært i stand til å eksperimentelt registrere tachyoner heller. Som et resultat avtok interessen for tachyoner som superluminale elementærpartikler gradvis.
På 60-tallet ble det imidlertid eksperimentelt oppdaget et fenomen som i utgangspunktet forvirret fysikere. Dette er beskrevet i detalj i artikkelen av A. N. Oraevsky "Superluminal waves in amplifying media" (UFN nr. 12, 1998). Her vil vi kort oppsummere essensen av saken, og henvise leseren som er interessert i detaljer til den spesifiserte artikkelen.
Rett etter oppdagelsen av lasere - på begynnelsen av 60-tallet - oppsto problemet med å oppnå korte (varighet ca. 1 ns = 10 -9 s) høyeffekts lyspulser. For å gjøre dette ble en kort laserpuls ført gjennom en optisk kvanteforsterker. Pulsen ble delt i to deler av et stråledelingsspeil. En av dem, kraftigere, ble sendt til forsterkeren, og den andre forplantet seg i luften og fungerte som en referansepuls som pulsen som passerte gjennom forsterkeren kunne sammenlignes med. Begge pulsene ble matet til fotodetektorer, og utgangssignalene deres kunne observeres visuelt på oscilloskopskjermen. Det var forventet at lyspulsen som passerte gjennom forsterkeren ville oppleve en viss forsinkelse i den sammenlignet med referansepulsen, det vil si at hastigheten på lysutbredelsen i forsterkeren ville være mindre enn i luft. Se for deg forskernes forundring da de oppdaget at pulsen forplantet seg gjennom forsterkeren med en hastighet som ikke bare var større enn i luft, men også flere ganger høyere enn lysets hastighet i vakuum!
Etter å ha kommet seg etter det første sjokket, begynte fysikere å lete etter årsaken til et så uventet resultat. Ingen hadde selv den minste tvil om prinsippene for den spesielle relativitetsteorien, og det var dette som hjalp til med å finne den riktige forklaringen: Hvis prinsippene for SRT er bevart, bør svaret søkes i egenskapene til forsterkermediet.
Uten å gå inn på detaljer her, vil vi bare påpeke at en detaljert analyse av virkningsmekanismen til forsterkermediet fullstendig avklarte situasjonen. Poenget var en endring i konsentrasjonen av fotoner under forplantningen av pulsen - en endring forårsaket av en endring i forsterkningen til mediet opp til en negativ verdi under passasjen av den bakre delen av pulsen, når mediet allerede absorberer energi, fordi dens egen reserve allerede er brukt opp på grunn av dens overføring til lyspulsen. Absorpsjon forårsaker ikke en økning, men en svekkelse av impulsen, og dermed blir impulsen forsterket i fremre del og svekket i bakre del. La oss forestille oss at vi observerer en puls ved hjelp av en enhet som beveger seg med lysets hastighet i forsterkermediet. Hvis mediet var gjennomsiktig, ville vi sett impulsen stivnet i ubevegelighet. I miljøet hvor den ovennevnte prosessen skjer, vil forsterkningen av forkanten og svekkelsen av bakkanten av pulsen fremstå for observatøren på en slik måte at mediet ser ut til å ha flyttet pulsen fremover. Men siden enheten (observatøren) beveger seg med lysets hastighet, og impulsen innhenter den, så overskrider impulsens hastighet lysets hastighet! Det er denne effekten som ble registrert av eksperimenter. Og her er det egentlig ingen motsetning til relativitetsteorien: amplifikasjonsprosessen er ganske enkelt slik at konsentrasjonen av fotoner som kom ut tidligere viser seg å være større enn de som kom ut senere. Det er ikke fotoner som beveger seg med superluminale hastigheter, men pulsomhyllingen, spesielt dens maksimum, som observeres på et oscilloskop.
Således, mens det i vanlige medier alltid er en svekkelse av lys og en reduksjon i hastigheten, bestemt av brytningsindeksen, er det i aktive lasermedier ikke bare en forsterkning av lys, men også forplantning av en puls ved superluminal hastighet.
Noen fysikere har forsøkt å eksperimentelt bevise tilstedeværelsen av superluminal bevegelse under tunneleffekten - et av de mest fantastiske fenomenene innen kvantemekanikk. Denne effekten består i at en mikropartikkel (nærmere bestemt et mikroobjekt som under forskjellige forhold viser både egenskapene til en partikkel og egenskapene til en bølge) er i stand til å trenge gjennom den såkalte potensielle barrieren - et fenomen som er fullstendig umulig i klassisk mekanikk (hvor en slik situasjon ville være en analog: en ball kastet mot en vegg ville ende opp på den andre siden av veggen, eller den bølgelignende bevegelsen gitt til et tau bundet til veggen ville bli overført til et tau bundet til veggen på den andre siden). Essensen av tunneleffekten i kvantemekanikk er som følger. Hvis et mikroobjekt med en viss energi på sin vei møter et område med potensiell energi som overstiger energien til mikroobjektet, er dette området en barriere for det, hvis høyde bestemmes av energiforskjellen. Men mikroobjektet "lekker" gjennom barrieren! Denne muligheten er gitt ham av den velkjente Heisenberg-usikkerhetsrelasjonen, skrevet for energien og tiden for interaksjon. Hvis interaksjonen mellom et mikroobjekt og en barriere skjer over en ganske viss tid, vil energien til mikroobjektet tvert imot være preget av usikkerhet, og hvis denne usikkerheten er i størrelsesorden barrierens høyde, vil sistnevnte slutter å være en uoverstigelig hindring for mikroobjektet. Penetrasjonshastigheten gjennom en potensiell barriere har blitt gjenstand for forskning av en rekke fysikere, som mener at den kan overskride Med.
I juni 1998 ble det holdt et internasjonalt symposium om problemene med superluminal bevegelse i Köln, hvor resultatene oppnådd i fire laboratorier ble diskutert - i Berkeley, Wien, Köln og Firenze.
Og til slutt, i 2000, dukket det opp rapporter om to nye eksperimenter der effektene av superluminal forplantning dukket opp. En av dem ble utført av Lijun Wong og hans kolleger ved Princeton Research Institute (USA). Resultatet er at en lyspuls som kommer inn i et kammer fylt med cesiumdamp øker hastigheten med 300 ganger. Det viste seg at hoveddelen av pulsen forlot den fjerneste veggen av kammeret enda tidligere enn pulsen kom inn i kammeret gjennom frontveggen. Denne situasjonen motsier ikke bare sunn fornuft, men i hovedsak relativitetsteorien.
L. Wongs budskap forårsaket intens diskusjon blant fysikere, hvorav de fleste ikke var tilbøyelige til å se et brudd på relativitetsprinsippene i de oppnådde resultatene. Utfordringen mener de er å forklare dette eksperimentet riktig.
I L. Wongs eksperiment hadde lyspulsen som kom inn i kammeret med cesiumdamp en varighet på ca. 3 μs. Cesiumatomer kan eksistere i seksten mulige kvantemekaniske tilstander, kalt "hyperfine magnetiske undernivåer av grunntilstanden." Ved hjelp av optisk laserpumping ble nesten alle atomer brakt inn i bare én av disse seksten tilstandene, tilsvarende nesten absolutt nulltemperatur på Kelvin-skalaen (-273,15 o C). Lengden på cesiumkammeret var 6 centimeter. I et vakuum beveger lyset seg 6 centimeter på 0,2 ns. Som målingene viste gikk lyspulsen gjennom kammeret med cesium i en tid som var 62 ns mindre enn i vakuum. Med andre ord har tiden det tar før en puls passerer gjennom et cesiummedium et minustegn! Faktisk, hvis vi trekker 62 ns fra 0,2 ns, får vi "negativ" tid. Denne "negative forsinkelsen" i mediet - et uforståelig tidshopp - er lik tiden som pulsen ville gjort 310 passeringer gjennom kammeret i et vakuum. Konsekvensen av denne "tidsmessige reverseringen" var at pulsen som forlot kammeret klarte å bevege seg 19 meter unna den før den innkommende pulsen nådde nærveggen av kammeret. Hvordan kan en så utrolig situasjon forklares (med mindre vi selvfølgelig tviler på renheten til eksperimentet)?
Ut fra den pågående diskusjonen er det ennå ikke funnet en eksakt forklaring, men det er ingen tvil om at de uvanlige spredningsegenskapene til mediet spiller en rolle her: cesiumdamp, bestående av atomer eksitert av laserlys, er et medium med unormal spredning . La oss kort huske hva det er.
Dispersjonen av et stoff er avhengigheten av fase (vanlig) brytningsindeks n på lysets bølgelengde l. Ved normal spredning øker brytningsindeksen med avtagende bølgelengde, og dette er tilfellet i glass, vann, luft og alle andre lysgjennomsiktige stoffer. I stoffer som sterkt absorberer lys, reverseres forløpet av brytningsindeksen med endring i bølgelengde og blir mye brattere: med synkende l (økende frekvens w), synker brytningsindeksen kraftig og i et bestemt bølgelengdeområde blir den mindre enn enhet (fasehastighet V f > Med). Dette er unormal spredning, der mønsteret for lysutbredelse i et stoff endres radikalt. Gruppehastighet V gr blir større enn fasehastigheten til bølgene og kan overstige lysets hastighet i vakuum (og også bli negativ). L. Wong peker på denne omstendigheten som årsaken til muligheten for å forklare resultatene av eksperimentet hans. Det skal imidlertid bemerkes at betingelsen V gr > Med er rent formell, siden konseptet med gruppehastighet ble introdusert for tilfellet med liten (normal) spredning, for transparente medier, når en gruppe bølger nesten ikke endrer form under forplantning. I områder med unormal spredning blir lyspulsen raskt deformert og begrepet gruppehastighet mister sin betydning; i dette tilfellet introduseres begrepene signalhastighet og energiutbredelseshastighet, som i transparente medier sammenfaller med gruppehastigheten, og i medier med absorpsjon forblir mindre enn lyshastigheten i vakuum. Men her er det som er interessant med Wongs eksperiment: en lyspuls, som passerer gjennom et medium med unormal spredning, blir ikke deformert - den beholder nøyaktig sin form! Og dette tilsvarer antakelsen om at impulsen forplanter seg med gruppehastighet. Men i så fall, så viser det seg at det ikke er noen absorpsjon i mediet, selv om den unormale spredningen av mediet skyldes nettopp absorpsjon! Wong selv, selv om han erkjenner at mye fortsatt er uklart, mener at det som skjer i hans eksperimentelle oppsett kan, til en første tilnærming, tydelig forklares som følger.
En lyspuls består av mange komponenter med forskjellige bølgelengder (frekvenser). Figuren viser tre av disse komponentene (bølge 1-3). På et tidspunkt er alle tre bølgene i fase (deres maksima faller sammen); her forsterker de hverandre og danner en impuls. Etter hvert som de forplanter seg videre i rommet, blir bølgene utfaset og "kansellerer" hverandre.
I området med unormal spredning (inne i cesiumcellen) blir bølgen som var kortere (bølge 1) lengre. Motsatt blir bølgen som var den lengste av de tre (bølge 3) den korteste.
Følgelig endres fasene til bølgene tilsvarende. Når bølgene har passert gjennom cesiumcellen, gjenopprettes bølgefrontene deres. Etter å ha gjennomgått en uvanlig fasemodulering i et stoff med unormal spredning, befinner de tre aktuelle bølgene seg igjen i fase på et tidspunkt. Her legger de seg opp igjen og danner en puls av nøyaktig samme form som den som kommer inn i cesiummediet.
Typisk i luft, og faktisk i et hvilket som helst gjennomsiktig medium med normal spredning, kan ikke en lyspuls nøyaktig opprettholde sin form når den forplanter seg over en fjern avstand, det vil si at alle dens komponenter ikke kan fases på noe fjernt punkt langs forplantningsbanen. Og under normale forhold vises en lyspuls på et så fjernt punkt etter en stund. På grunn av de unormale egenskapene til mediet som ble brukt i eksperimentet, viste det seg imidlertid at pulsen på et avsidesliggende punkt ble faset på samme måte som når den gikk inn i dette mediet. Dermed oppfører lyspulsen seg som om den hadde en negativ tidsforsinkelse på vei til et fjernt punkt, det vil si at den ville ankomme den ikke senere, men tidligere enn den hadde passert gjennom mediet!
De fleste fysikere er tilbøyelige til å assosiere dette resultatet med utseendet til en lavintensitetsforløper i det dispersive mediet i kammeret. Faktum er at under den spektrale dekomponeringen av en puls, inneholder spekteret komponenter med vilkårlig høye frekvenser med ubetydelig liten amplitude, den såkalte forløperen, som går foran "hoveddelen" av pulsen. Etableringens natur og formen til forløperen avhenger av loven om spredning i mediet. Med dette i bakhodet foreslås hendelsesforløpet i Wongs eksperiment tolket som følger. Den innkommende bølgen, som "strekker" forvarselen foran seg, nærmer seg kameraet. Før toppen av den innkommende bølgen treffer den nære veggen av kammeret, initierer forløperen utseendet til en puls i kammeret, som når den fjerne veggen og reflekteres fra den, og danner en "omvendt bølge." Denne bølgen sprer seg 300 ganger raskere Med, når nærveggen og møter den innkommende bølgen. Toppene av en bølge møter dalene til en annen, slik at de ødelegger hverandre og som et resultat er det ingenting igjen. Det viser seg at den innkommende bølgen "tilbakebetaler gjelden" til cesiumatomene, som "lånte" energi til den i den andre enden av kammeret. Alle som bare så begynnelsen og slutten av eksperimentet, ville bare se en lyspuls som "hoppet" fremover i tid og beveget seg raskere Med.
L. Wong mener at eksperimentet hans ikke stemmer overens med relativitetsteorien. Utsagnet om uoppnåelighet av superluminal hastighet, mener han, gjelder kun objekter med hvilemasse. Lys kan representeres enten i form av bølger, hvor begrepet masse generelt ikke er anvendelig, eller i form av fotoner med en hvilemasse, som kjent, lik null. Derfor er ikke lysets hastighet i et vakuum, ifølge Wong, grensen. Wong innrømmer imidlertid at effekten han oppdaget ikke gjør det mulig å overføre informasjon med en hastighet raskere enn Med.
"Informasjonen her er allerede inneholdt i forkanten av pulsen," sier P. Milonni, en fysiker ved Los Alamos National Laboratory i USA. "Og det kan gi inntrykk av å sende informasjon raskere enn lyset, selv når du sender den ikke."
De fleste fysikere mener at det nye verket ikke gir et knusende slag for grunnleggende prinsipper. Men ikke alle fysikere tror at problemet er løst. Professor A. Ranfagni, fra den italienske forskningsgruppen som gjennomførte nok et interessant eksperiment i 2000, mener at spørsmålet fortsatt er åpent. Dette eksperimentet, utført av Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni og Rocco Ruggeri, oppdaget at radiobølger med centimeterbølge i normal flyreise med hastigheter overstiger Med med 25 %.
For å oppsummere kan vi si følgende. Arbeid de siste årene viser at under visse forhold faktisk kan oppstå superluminal hastighet. Men hva er det egentlig som beveger seg i superluminal hastighet? Relativitetsteorien, som allerede nevnt, forbyr slik hastighet for materielle kropper og for signaler som bærer informasjon. Likevel prøver noen forskere veldig vedvarende å demonstrere å overvinne lysbarrieren spesifikt for signaler. Årsaken til dette ligger i det faktum at det i den spesielle relativitetsteorien ikke er noen streng matematisk begrunnelse (basert for eksempel på Maxwells ligninger for det elektromagnetiske feltet) for umuligheten av å sende signaler med hastigheter større enn Med. En slik umulighet i STR er etablert, kan man si, rent aritmetisk, basert på Einsteins formel for å legge til hastigheter, men dette er fundamentalt bekreftet av kausalitetsprinsippet. Einstein selv, med tanke på spørsmålet om superluminal signaloverføring, skrev at i dette tilfellet "... vi er tvunget til å vurdere en mulig signaloverføringsmekanisme, der den oppnådde handlingen går foran årsaken, men selv om dette er et resultat av et rent logisk punkt synet inneholder ikke seg selv, etter min mening er det ingen motsetninger, det motsier likevel naturen av all vår erfaring at det er umulig å anta V > s ser ut til å være tilstrekkelig bevist." Kausalitetsprinsippet er hjørnesteinen som ligger til grunn for umuligheten av superluminal signaloverføring. Og tilsynelatende vil alle søk etter superluminale signaler uten unntak snuble over denne steinen, uansett hvor mye eksperimenter ønsker å oppdage slike. signaler, for slik er vår verdens natur.
Avslutningsvis bør det understrekes at alt det ovennevnte gjelder spesifikt for vår verden, for vårt univers. Denne reservasjonen ble tatt fordi nye hypoteser nylig har dukket opp i astrofysikk og kosmologi, noe som muliggjør eksistensen av mange universer skjult for oss, forbundet med topologiske tunneler - hoppere. Dette synspunktet deles for eksempel av den berømte astrofysikeren N.S. For en ekstern observatør er inngangene til disse tunnelene indikert av unormale gravitasjonsfelt, som sorte hull. Bevegelser i slike tunneler, som forfatterne av hypotesene antyder, vil gjøre det mulig å omgå begrensningen av bevegelseshastigheten pålagt i det vanlige rom av lysets hastighet, og derfor å realisere ideen om å skape en tidsmaskin... Det er mulig at i slike universer kan noe uvanlig for oss faktisk skje ting. Og selv om slike hypoteser foreløpig minner for mye om historier fra science fiction, bør man neppe kategorisk avvise den grunnleggende muligheten for en multielementmodell av strukturen i den materielle verden. En annen ting er at alle disse andre universene, mest sannsynlig, vil forbli rent matematiske konstruksjoner av teoretiske fysikere som lever i universet vårt og, med kraften i tankene deres, prøver å finne verdener lukket for oss ...
Se saken om samme tema
Som du vet, beveger fotoner, lyspartiklene som utgjør lyset, med lysets hastighet. Den spesielle relativitetsteorien vil hjelpe oss i denne saken.
I science fiction-filmer flyr interstellare romskip nesten alltid med lysets hastighet. Dette er vanligvis hva science fiction-forfattere kaller hyperspeed. Både forfattere og filmregissører beskriver og viser det til oss ved å bruke nesten samme kunstneriske teknikk. Oftest, for at skipet skal gjøre et raskt rykk, trekker eller trykker heltene på en knapp på kontrollelementet, og kjøretøyet akselererer øyeblikkelig, og akselererer nesten til lysets hastighet med et øredøvende smell. Stjernene som betrakteren ser over bord i skipet flimrer først, og strekker seg deretter helt ut i linjer. Men er det slik stjernene virkelig ser ut gjennom vinduene til et romskip med høy hastighet? Forskere sier nei. I virkeligheten ville skipets passasjerer bare se en lys skive i stedet for stjerner strukket ut i en linje.
Hvis et objekt beveger seg nesten med lysets hastighet, kan det se Doppler-effekten i aksjon. I fysikk er dette navnet på endringen i frekvens og bølgelengde på grunn av mottakerens raske bevegelse. Frekvensen av lyset fra stjerner som blinker foran betrakteren fra skipet vil øke så mye at det vil skifte fra det synlige området til røntgendelen av spekteret. Stjernene ser ut til å forsvinne! Samtidig vil lengden på den relikte elektromagnetiske strålingen som er igjen etter Big Bang reduseres. Bakgrunnsstrålingen vil bli synlig og vises som en lys skive som falmer i kantene.
Men hvordan ser verden ut fra siden av et objekt som vil nå lysets hastighet? Som kjent beveger fotoner, lyspartiklene det består av, med slike hastigheter. Den spesielle relativitetsteorien vil hjelpe oss i denne saken. Ifølge den, når et objekt beveger seg med lysets hastighet over lengre tid, blir tiden brukt på bevegelsen til dette objektet lik null. Enkelt sagt, hvis du beveger deg med lysets hastighet, er det umulig å utføre noen handling, som å observere, se, se, og så videre. Et objekt som reiser med lysets hastighet vil faktisk ikke se noe.
Fotoner reiser alltid med lysets hastighet. De kaster ikke bort tid på å akselerere og bremse, så hele livet varer null tid for dem. Hvis vi var fotoner, ville våre øyeblikk av fødsel og død falle sammen, det vil si at vi rett og slett ikke ville innse at verden eksisterer i det hele tatt. Det er verdt å merke seg at hvis et objekt akselererer til lysets hastighet, blir hastigheten i alle referansesystemer lik lysets hastighet. Dette er fotofysikk. Ved å bruke den spesielle relativitetsteorien kan vi konkludere med at for et objekt som beveger seg med lysets hastighet, vil hele verden rundt se uendelig flatt ut, og alle hendelser som skjer i den vil finne sted på et tidspunkt.
Lysets forplantningshastighet er 299 792 458 meter per sekund, men det har lenge ikke vært en grenseverdi lenger. "Futurist" har samlet 4 teorier der lyset ikke lenger er Michael Schumacher.
En amerikansk vitenskapsmann av japansk opprinnelse, en ekspert innen teoretisk fysikk, Michio Kaku, er sikker på at lysets hastighet lett kan overvinnes.
Det store smellet
Michio Kaku kaller det mest kjente eksemplet da lysbarrieren ble overvunnet Big Bang - en ultrarask "bang" som ble begynnelsen på utvidelsen av universet, før den var i en singular tilstand.
«Ingen materiell gjenstand kan overvinne lysbarrieren. Men tomt rom kan sikkert reise raskere enn lys. Ingenting kan være mer tomt enn et vakuum, noe som betyr at det kan utvide seg raskere enn lysets hastighet, er forskeren sikker.
Lommelykt på nattehimmelen
Hvis du lyser med en lommelykt på nattehimmelen, kan i prinsippet en stråle som går fra en del av universet til en annen, plassert i en avstand på mange lysår, reise raskere enn lysets hastighet. Problemet er at i dette tilfellet vil det ikke være noe materiell objekt som faktisk beveger seg raskere enn lys. Se for deg å være omgitt av en gigantisk kule med ett lysår i diameter. Bildet av en lysstråle vil skynde seg over denne sfæren i løpet av sekunder, til tross for størrelsen. Men bare bildet av strålen kan bevege seg over nattehimmelen raskere enn lys, ikke informasjon eller en materiell gjenstand.
Kvanteforviklinger
Raskere enn lysets hastighet er kanskje ikke et objekt, men et helt fenomen, eller snarere et forhold som kalles kvanteforviklinger. Dette er et kvantemekanisk fenomen der kvantetilstandene til to eller flere objekter er gjensidig avhengige av hverandre. For å produsere et par kvantesammenfiltrede fotoner, kan du skinne en laser med en bestemt frekvens og intensitet på en ikke-lineær krystall. Som et resultat av spredningen av en laserstråle vil fotoner dukke opp i to forskjellige polarisasjonskjegler, forbindelsen mellom disse vil bli kalt kvantesammenfiltring. Så kvantesammenfiltring er en måte subatomære partikler samhandler på, og prosessen med denne kommunikasjonen kan skje raskere enn lys.
"Hvis to elektroner bringes sammen, vil de vibrere unisont, ifølge kvanteteorien. Men hvis du da skiller disse elektronene med mange lysår, vil de fortsatt kommunisere med hverandre. Hvis du rister ett elektron, vil det andre føle denne vibrasjonen, og dette vil skje raskere enn lysets hastighet. Albert Einstein trodde at dette fenomenet ville motbevise kvanteteorien fordi ingenting kan reise raskere enn lys, men faktisk tok han feil, sier Michio Kaku.
ormehull
Temaet om å bryte lysets hastighet spilles ut i mange science fiction-filmer. Nå har selv de som er langt fra astrofysikk hørt uttrykket "ormehull", takket være filmen "Interstellar". Dette er en spesiell krumning i rom-tid-systemet, en tunnel i rommet som lar deg overvinne enorme avstander på ubetydelig kort tid.
Ikke bare filmmanusforfattere, men også forskere snakker om slike forvrengninger. Michio Kaku mener at et ormehull, eller, som det også kalles, et ormehull, er en av de to mest realistiske måtene å overføre informasjon raskere enn lysets hastighet.
Den andre metoden, også assosiert med endringer i materie, er komprimering av rommet foran deg og ekspansjon bak deg. I dette deformerte rommet oppstår det en bølge som beveger seg raskere enn lysets hastighet hvis den kontrolleres av mørk materie.
Dermed kan den eneste reelle sjansen for en person til å lære å overvinne lysbarrieren ligge i den generelle relativitetsteorien og krumningen av rom og tid. Men alt avhenger av den mørke materien: ingen vet om den eksisterer med sikkerhet, og om ormehull er stabile.
Astrofysikere fra Baylor University (USA) har utviklet en matematisk modell av en hyperspace-stasjon som lar en reise gjennom verdensrommet med en hastighet som er 10³² ganger raskere enn lysets hastighet, slik at en kan fly til en nabogalakse og returnere innen et par timer. timer.
Når de flyr, vil folk ikke føle overbelastningen som føles i moderne fly, men en slik motor kan vises i metall bare om noen hundre år.
Drivmekanismen er basert på prinsippet om en romdeformasjonsmotor (Warp Drive), som ble foreslått i 1994 av den meksikanske fysikeren Miguel Alcubierre. Amerikanerne må bare finpusse modellen og gjøre mer detaljerte beregninger.
"Hvis du komprimerer rommet foran skipet, og tvert imot utvider det bak det, så dukker det opp en rom-tidsboble rundt skipet," sier en av forfatterne av studien, Richard Obousi skipet og trekker det ut av den vanlige verden inn i sitt koordinatsystem. På grunn av forskjellen i rom-tidstrykk, er denne boblen i stand til å bevege seg i alle retninger, og overvinne lysterskelen med tusenvis av størrelsesordener.
Antagelig vil rommet rundt skipet kunne deformeres på grunn av den fortsatt lite studerte mørke energien. "Mørk energi er et veldig dårlig studert stoff, oppdaget relativt nylig og forklarer hvorfor galakser ser ut til å fly bort fra hverandre," sa Sergei Popov, seniorforsker ved avdelingen for relativistisk astrofysikk ved Sternberg State Astronomical Institute ved Moskva statsuniversitet. Det finnes flere modeller av det, men som «Det er ingen allment akseptert ennå en modell basert på tilleggsdimensjoner, og de sier at det er mulig å lokalt endre egenskapene til disse dimensjonene ut at det kan være forskjellige kosmologiske konstanter i forskjellige retninger, og da vil skipet i boblen begynne å bevege seg.»
Denne "atferden" til universet kan forklares med "strengteori", ifølge hvilken hele rommet vårt er gjennomsyret av mange andre dimensjoner. Deres interaksjon med hverandre genererer en frastøtende kraft, som er i stand til å utvide ikke bare materie, for eksempel galakser, men også selve verdensrommet. Denne effekten kalles "inflasjon av universet."
"Fra de første sekundene av dets eksistens strekker universet seg," forklarer Ruslan Metsaev, doktor i fysiske og matematiske vitenskaper, ansatt ved Astro-Space Center ved Lebedev Physical Institute "Og denne prosessen fortsetter til i dag." Når du vet alt dette, kan du prøve å utvide eller begrense plassen kunstig. For å gjøre dette, er det ment å påvirke andre dimensjoner, og dermed vil et stykke rom i vår verden begynne å bevege seg i riktig retning under påvirkning av kreftene til mørk energi.
I dette tilfellet brytes ikke relativitetsteoriens lover. Inne i boblen vil de samme lovene i den fysiske verden forbli, og lysets hastighet vil være maksimal. Denne situasjonen gjelder ikke for den såkalte tvillingeffekten, som forteller oss at under romreiser med lysets hastighet, bremses tiden inne i skipet betydelig og astronauten, som vender tilbake til jorden, vil møte tvillingbroren sin som en veldig gammel Mann. Warp Drive-motoren eliminerer dette problemet, fordi det presser plass, ikke skipet.
Amerikanerne har allerede funnet et mål for den fremtidige flyturen. Dette er planeten Gliese 581 (Gliese 581), der klimatiske forhold og tyngdekraft nærmer seg jordens. Avstanden til den er 20 lysår, og selv om Warp Drive opererer billioner av ganger svakere enn dens maksimale effekt, vil reisetiden til den bare være noen få sekunder.