Dedikert til direkte måling av nøytrinohastighet. Resultatene høres oppsiktsvekkende ut: nøytrinohastigheten var litt - men statistisk signifikant! - raskere enn lysets hastighet. Samarbeidspapiret inneholder en analyse av ulike kilder til feil og usikkerheter, men reaksjonen til det store flertallet av fysikere er fortsatt svært skeptisk, først og fremst fordi dette resultatet ikke stemmer overens med andre eksperimentelle data om egenskapene til nøytrinoer.

Ris. 1.

Eksperimentdetaljer

Ideen med eksperimentet (se OPERA-eksperiment) er veldig enkel. En nøytrinostråle blir født ved CERN, flyr gjennom jorden til det italienske Gran Sasso-laboratoriet og passerer der gjennom en spesiell OPERA nøytrino-detektor. Nøytrinoer samhandler veldig svakt med materie, men fordi fluksen deres fra CERN er så stor, kolliderer noen nøytrinoer fortsatt med atomer inne i detektoren. Der genererer de en kaskade av ladede partikler og etterlater dermed signalet sitt i detektoren. Nøytrinoer ved CERN fødes ikke kontinuerlig, men i "bursts", og hvis vi kjenner fødselsøyeblikket til nøytrinoen og øyeblikket for dets absorpsjon i detektoren, samt avstanden mellom de to laboratoriene, kan vi beregne hastigheten av nøytrinoen.

Avstanden mellom kilden og detektoren i en rett linje er omtrent 730 km og den måles med en nøyaktighet på 20 cm (den nøyaktige avstanden mellom referansepunktene er 730 534,61 ± 0,20 meter). Riktignok er ikke prosessen som fører til fødselen av nøytrinoer lokalisert med en slik nøyaktighet. Ved CERN frigjøres en stråle med høyenergiprotoner fra SPS-akseleratoren, slippes ned på et grafittmål og genererer sekundære partikler, inkludert mesoner. De flyr fortsatt fremover med nesten lyshastighet og forfaller til myoner mens de sender ut nøytrinoer. Myoner forfaller også og produserer flere nøytrinoer. Da blir alle partikler, bortsett fra nøytrinoer, absorbert i stoffets tykkelse, og de når fritt deteksjonsstedet. Det generelle diagrammet for denne delen av eksperimentet er vist i fig. 1.

Hele kaskaden som fører til utseendet til en nøytrinostråle kan strekke seg i hundrevis av meter. Imidlertid siden Alle partiklene i denne haugen flyr fremover med nærlyshastighet; for deteksjonstiden er det praktisk talt ingen forskjell om nøytrinoen ble født umiddelbart eller etter en kilometers reise (det er imidlertid av stor betydning når nøyaktig det opprinnelige protonet som førte til fødselen til denne nøytrinoen fløy ut av akseleratoren). Som et resultat gjentar de genererte nøytrinoene, stort sett, ganske enkelt profilen til den opprinnelige protonstrålen. Derfor er nøkkelparameteren her nettopp tidsprofilen til protonstrålen som sendes ut fra akseleratoren, spesielt den nøyaktige posisjonen til dens for- og bakkant, og denne profilen måles med god tid s m oppløsning (se fig. 2).

Hver økt med å slippe en protonstråle på et mål (på engelsk kalles en slik økt søle, "burst") varer omtrent 10 mikrosekunder og fører til fødselen av et stort antall nøytrinoer. Imidlertid flyr nesten alle rett gjennom jorden (og detektoren) uten interaksjon. I de sjeldne tilfellene når detektoren oppdager en nøytrino, er det umulig å si i hvilket eksakt øyeblikk i løpet av 10 mikrosekundersintervallet den ble sendt ut. Analysen kan bare utføres statistisk, det vil si akkumulere mange tilfeller av nøytrino-deteksjon og konstruere deres fordeling over tid i forhold til utgangspunktet for hver økt. I detektoren tas utgangspunktet i det øyeblikket da det konvensjonelle signalet, som beveger seg med lysets hastighet og sendes ut nøyaktig i øyeblikket for protonstrålens forkant, når detektoren. Nøyaktig måling av dette øyeblikket ble muliggjort ved å synkronisere klokker i to laboratorier med en nøyaktighet på noen få nanosekunder.

I fig. Figur 3 viser et eksempel på en slik fordeling. De svarte prikkene er ekte nøytrinodata registrert av detektoren og summert over et stort antall økter. Den røde kurven viser et konvensjonelt "referanse"-signal som vil bevege seg med lysets hastighet. Det kan sees at dataene starter på omtrent 1048,5 ns Tidligere referansesignal. Dette betyr imidlertid ikke at nøytrinoer faktisk ligger foran lyset med et mikrosekund, men er bare en grunn til å nøye måle alle kabellengder, utstyrsresponshastigheter, elektroniske forsinkelsestider og så videre. Denne rekontrollen ble utført og det viste seg at den utlignet "referanse" dreiemomentet med 988 ns. Dermed viser det seg at nøytrinosignalet faktisk overtar referansesignalet, men bare med rundt 60 nanosekunder. Når det gjelder nøytrinohastighet, tilsvarer dette å overskride lyshastigheten med omtrent 0,0025 %.

Feilen i denne målingen ble estimert av forfatterne av analysen til å være 10 nanosekunder, som inkluderer både statistiske og systematiske feil. Dermed hevder forfatterne at de "ser" superluminal nøytrinobevegelse ved et statistisk konfidensnivå på seks standardavvik.

Forskjellen mellom resultatene og forventningene med seks standardavvik er allerede ganske stor og kalles i partikkelfysikk det store ordet "oppdagelse". Imidlertid må dette tallet forstås riktig: det betyr bare at sannsynligheten statistisk svingningene i dataene er svært små, men det indikerer ikke hvor pålitelig databehandlingsteknikken er og hvor godt fysikerne tok hensyn til alle instrumentelle feil. Tross alt er det mange eksempler innen partikkelfysikk hvor uvanlige signaler ikke ble bekreftet av andre eksperimenter med eksepsjonelt høy statistisk sikkerhet.

Hva motsier superluminale nøytrinoer?

I motsetning til populær tro, forbyr ikke spesiell relativitetsteori i seg selv eksistensen av partikler som beveger seg med superluminale hastigheter. Men for slike partikler (de kalles vanligvis "tachyoner") er lyshastigheten også en grense, men bare nedenfra - de kan ikke bevege seg saktere enn den. I dette tilfellet er partikkelenergiens avhengighet av hastighet invers: jo høyere energi, desto nærmere er hastigheten til tachyonene lysets hastighet.

Mye mer alvorlige problemer begynner i kvantefeltteori. Denne teorien erstatter kvantemekanikk når det kommer til kvantepartikler med høy energi. I denne teorien er ikke partikler punkter, men relativt sett koagler av et materiell felt, og de kan ikke betraktes separat fra feltet. Det viser seg at tachyoner senker energien i feltet, noe som betyr at de gjør vakuumet ustabilt. Det er da mer fordelaktig for tomrommet å spontant desintegreres i et stort antall av disse partiklene, og derfor er det rett og slett meningsløst å vurdere bevegelsen til en tachyon i vanlig tomrom. Vi kan si at tachyonen ikke er en partikkel, men en ustabilitet i vakuumet.

Når det gjelder tachyon-fermioner er situasjonen noe mer komplisert, men også der oppstår sammenlignbare vanskeligheter som hindrer dannelsen av en selvkonsistent tachyon kvantefeltteori, inkludert den ordinære relativitetsteorien.

Dette er imidlertid heller ikke det siste ordet i teorien. Akkurat som eksperimentører måler alt som kan måles, tester teoretikere også alle mulige hypotetiske modeller som ikke motsier tilgjengelige data. Spesielt er det teorier der et lite, ennå ikke lagt merke, avvik fra postulatene til relativitetsteorien er tillatt - for eksempel kan selve lysets hastighet være en variabel verdi. Slike teorier har ennå ikke direkte eksperimentell støtte, men de er ennå ikke lukket.

Denne korte skissen av teoretiske muligheter kan oppsummeres som følger: selv om superluminal bevegelse er mulig i noen teoretiske modeller, forblir de rent hypotetiske konstruksjoner. Alle eksperimentelle data tilgjengelig i dag er beskrevet av standardteorier uten superluminal bevegelse. Derfor, hvis det var pålitelig bekreftet for i det minste noen partikler, ville kvantefeltteorien måtte gjøres om radikalt.

Bør OPERA-resultatet betraktes som det "første tegn" i denne forstand? Ikke ennå. Den kanskje viktigste grunnen til skepsis er fortsatt det faktum at OPERA-resultatet ikke stemmer overens med andre eksperimentelle data om nøytrinoer.

For det første, under den berømte supernovaeksplosjonen SN1987A, ble det også registrert nøytrinoer som ankom flere timer før lyspulsen. Dette betyr ikke at nøytrinoene reiste raskere enn lys, men reflekterer bare det faktum at nøytrinoer sendes ut tidligere i supernovakjernens kollaps enn lys. Imidlertid, siden nøytrinoer og lys, etter å ha reist i 170 tusen år, ikke divergerte med mer enn noen få timer, betyr det at hastighetene deres er veldig nære og avviker med ikke mer enn milliarddeler. OPERA-eksperimentet viser tusenvis av ganger større avvik.

Her kan vi selvfølgelig si at nøytrinoer produsert under supernovaeksplosjoner og nøytrinoer fra CERN er svært forskjellige i energi (flere titalls MeV i supernovaer og 10–40 GeV i det beskrevne eksperimentet), og hastigheten til nøytrinoer varierer avhengig av energien . Men denne endringen i dette tilfellet fungerer i "feil" retning: jo høyere energien til tachyoner er, desto nærmere bør hastigheten være lysets hastighet. Selvfølgelig kan vi også her komme opp med en modifikasjon av tachyon-teorien der denne avhengigheten ville være helt annerledes, men i dette tilfellet må vi diskutere den "dobbelhypotetiske" modellen.

Videre, fra mengden av eksperimentelle data om nøytrinoscillasjoner oppnådd de siste årene, følger det at massene til alle nøytrinoer skiller seg fra hverandre bare med brøkdeler av en elektronvolt. Hvis resultatet av OPERA blir oppfattet som en manifestasjon av den superluminale bevegelsen til nøytrinoer, vil kvadratverdien av massen til minst én nøytrino være i størrelsesorden –(100 MeV) 2 (negativ kvadratisk masse er en matematisk manifestasjon av det faktum at partikkelen regnes som en tachyon). Da må vi innrømme det Alle typer nøytrinoer er tachyoner og har omtrent samme masse. På den annen side viser direkte måling av nøytrinomassen i tritiumkjerners beta-forfall at nøytrinomassen (i absolutt verdi) ikke bør overstige 2 elektronvolt. Det vil med andre ord ikke være mulig å avstemme alle disse dataene med hverandre.

Konklusjonen fra dette kan trekkes som følger: det erklærte resultatet av OPERA-samarbeidet er vanskelig å passe inn i noen, selv de mest eksotiske teoretiske modellene.

Hva blir det neste?

I alle store samarbeid innen partikkelfysikk er det vanlig praksis at hver spesifikk analyse utføres av en liten gruppe deltakere, og først da presenteres resultatene for generell diskusjon. I dette tilfellet var tilsynelatende dette stadiet for kort, som et resultat av at ikke alle deltakerne i samarbeidet gikk med på å signere artikkelen (den fullstendige listen inkluderer 216 deltakere i eksperimentet, men forhåndstrykket har bare 174 forfattere). Derfor, i nær fremtid, vil det tilsynelatende bli utført mange tilleggskontroller i samarbeidet, og først etter dette vil artikkelen bli sendt til utskrift.

Selvfølgelig kan vi nå forvente en strøm av teoretiske artikler med ulike eksotiske forklaringer på dette resultatet. Men før det oppgitte resultatet er pålitelig dobbeltsjekket, kan det ikke betraktes som et fullverdig funn.

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 den maksimalt mulige hastigheten for bevegelse av materielle objekter eller forplantningen 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 svært 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, deretter 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 ikke tilfeldig at uttrykket "under normale forhold" brukes her, for 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 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 dets hastighet, 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 mediets uvanlige spredningsegenskaper 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, 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 mulig en 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 umuligheten av 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. Kardashev. 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

I september 2011 sjokkerte fysikeren Antonio Ereditato verden. Hans uttalelse kan revolusjonere vår forståelse av universet. Hvis dataene samlet inn av de 160 forskerne i OPERA-prosjektet var riktige, ble det utrolige observert. Partiklene – i dette tilfellet nøytrinoer – beveget seg raskere enn lyset. I følge Einsteins relativitetsteori er dette umulig. Og konsekvensene av en slik observasjon ville være utrolige. Selve grunnlaget for fysikk må kanskje revurderes.

Selv om Ereditato sa at han og teamet hans var "ekstremt sikre" på resultatene sine, sa de ikke at dataene var helt nøyaktige. I stedet ba de andre forskere om å hjelpe dem med å finne ut hva som foregikk.

Til slutt viste det seg at OPERAs resultater var feil. På grunn av en dårlig tilkoblet kabel var det et synkroniseringsproblem og signalene fra GPS-satellitter var unøyaktige. Det var en uventet forsinkelse i signalet. Som et resultat viste målinger av tiden det tok nøytrinoer å reise en viss avstand, 73 nanosekunder ekstra: det så ut til at nøytrinoene reiste raskere enn lyset.

Til tross for måneder med nøye testing før eksperimentet begynte og dobbeltsjekking av dataene etterpå, tok forskerne alvorlig feil. Ereditato trakk seg til tross for kommentarer fra mange om at slike feil alltid skjedde på grunn av den ekstreme kompleksiteten til partikkelakseleratorer.

Hvorfor forårsaket forslaget - bare forslaget - om at noe kunne reise fortere enn lyset? Hvor sikre er vi på at ingenting kan overvinne denne barrieren?

La oss først se på det andre av disse spørsmålene. Lyshastigheten i et vakuum er 299 792,458 kilometer per sekund - for enkelhets skyld er dette tallet avrundet til 300 000 kilometer per sekund. Det er ganske raskt. Solen er 150 millioner kilometer fra jorden, og lyset når jorden på bare åtte minutter og tjue sekunder.

Kan noen av våre kreasjoner konkurrere i kappløpet mot lyset? En av de raskeste menneskeskapte gjenstandene som noen gang er bygget, New Horizons-romsonden suste forbi Pluto og Charon i juli 2015. Den nådde en hastighet i forhold til jorden på 16 km/s. Mye mindre enn 300 000 km/s.

Imidlertid hadde vi bittesmå partikler som beveget seg ganske raskt. På begynnelsen av 1960-tallet eksperimenterte William Bertozzi ved MIT med å akselerere elektroner til enda høyere hastigheter.

Fordi elektroner har en negativ ladning, kan de akselereres - mer nøyaktig, frastøtes - ved å bruke den samme negative ladningen på et materiale. Jo mer energi som brukes, jo raskere akselererer elektronene.

Man skulle tro at man rett og slett måtte øke den påførte energien for å nå en hastighet på 300 000 km/s. Men det viser seg at elektroner rett og slett ikke kan bevege seg så fort. Bertozzis eksperimenter viste at bruk av mer energi ikke fører til en direkte proporsjonal økning i elektronhastighet.

I stedet måtte enorme mengder ekstra energi tilføres for å endre hastigheten til elektronene i liten grad. Hun kom nærmere og nærmere lysets hastighet, men nådde den aldri.

Se for deg å bevege deg mot døren i små skritt, hvert trinn dekker halve avstanden fra din nåværende posisjon til døren. Strengt tatt kommer du aldri til døren, for etter hvert steg du tar har du fortsatt en distanse å tilbakelegge. Bertozzi møtte omtrent det samme problemet mens han jobbet med elektronene sine.

Men lys er bygd opp av partikler som kalles fotoner. Hvorfor kan disse partiklene reise med lysets hastighet, men ikke elektronene?

«Når objekter beveger seg raskere og raskere, blir de tyngre – jo tyngre de blir, jo vanskeligere er det for dem å akselerere, så du når aldri lysets hastighet,» sier Roger Rassoul, fysiker ved University of Melbourne i Australia. "Et foton har ingen masse. Hvis den hadde masse, kunne den ikke bevege seg med lysets hastighet."

Fotoner er spesielle. Ikke bare har de ingen masse, noe som gir dem full bevegelsesfrihet i rommets vakuum, men de trenger heller ikke å akselerere. Den naturlige energien de har beveger seg i bølger akkurat som dem, så når de er skapt har de allerede maksimal hastighet. På noen måter er det lettere å tenke på lys som energi i stedet for som en strøm av partikler, selv om lys i sannhet er begge deler.

Imidlertid beveger lyset seg mye saktere enn vi kanskje forventer. Selv om internetteknologer liker å snakke om kommunikasjon som kjører med "lysets hastighet" i fiberoptikk, beveger lys seg 40 % saktere i glassfiberoptikk enn i et vakuum.

I virkeligheten reiser fotoner med hastigheter på 300 000 km/s, men møter en viss mengde interferens forårsaket av andre fotoner som sendes ut av glassatomer når hovedlysbølgen passerer gjennom. Dette er kanskje ikke lett å forstå, men vi prøvde i det minste.

På samme måte, innenfor rammen av spesielle eksperimenter med individuelle fotoner, var det mulig å bremse dem ganske imponerende. Men i de fleste tilfeller vil 300 000 være riktig.Vi har ikke sett eller bygget noe som kan bevege seg så fort, eller enda raskere. Det er spesielle punkter, men før vi berører dem, la oss berøre det andre spørsmålet vårt. Hvorfor er det så viktig at lyshastighetsregelen følges strengt?

Svaret er knyttet til en person som heter , som ofte er tilfellet i fysikk. Hans spesielle relativitetsteori utforsker de mange implikasjonene av hans universelle fartsgrenser. Et av de viktigste elementene i teorien er ideen om at lysets hastighet er konstant. Uansett hvor du er eller hvor fort du beveger deg, beveger lyset seg alltid med samme hastighet.

Men dette reiser flere konseptuelle problemer.

Se for deg lyset som faller fra en lommelykt på et speil i taket på et stasjonært romfartøy. Lyset går opp, reflekteres fra speilet og faller på gulvet i romfartøyet. La oss si at han dekker en avstand på 10 meter.

Tenk deg nå at dette romfartøyet begynner å bevege seg med en kolossal hastighet på mange tusen kilometer i sekundet. Når du slår på lommelykten, oppfører lyset seg som før: det skinner oppover, treffer speilet og reflekteres på gulvet. Men for å gjøre dette, må lyset reise en diagonal avstand, ikke en vertikal. Tross alt beveger speilet seg nå raskt sammen med romfartøyet.

Følgelig øker avstanden som lyset reiser. La oss si 5 meter. Det viser seg å være 15 meter totalt, ikke 10.

Og til tross for dette, selv om avstanden har økt, hevder Einsteins teorier at lys fortsatt vil reise med samme hastighet. Siden hastighet er avstand delt på tid, siden hastigheten forblir den samme og avstanden øker, må tiden også øke. Ja, tiden må strekke seg. Og selv om dette høres merkelig ut, har det blitt bekreftet eksperimentelt.

Dette fenomenet kalles tidsutvidelse. Tiden går langsommere for folk som reiser i raske kjøretøy sammenlignet med de som står stille.

For eksempel går tiden 0,007 sekunder langsommere for astronauter på den internasjonale romstasjonen, som beveger seg med 7,66 km/s i forhold til jorden, sammenlignet med mennesker på planeten. Enda mer interessant er situasjonen med partikler som de nevnte elektronene, som kan bevege seg nær lysets hastighet. Når det gjelder disse partiklene, vil graden av retardasjon være enorm.

Stephen Kolthammer, en eksperimentell fysiker ved University of Oxford i Storbritannia, peker på eksemplet med partikler kalt myoner.

Myoner er ustabile: de forfaller raskt til enklere partikler. Så raskt at de fleste myoner som forlater solen burde forfalle når de når jorden. Men i virkeligheten kommer myoner til jorden fra solen i kolossale volumer. Fysikere har lenge prøvd å forstå hvorfor.

"Svaret på dette mysteriet er at myoner genereres med slik energi at de beveger seg nær lysets hastighet," sier Kolthammer. "Deres følelse av tid, så å si, deres interne klokke er treg."

Muoner "blir i live" lenger enn forventet i forhold til oss, takket være en ekte, naturlig tidssprang. Når objekter beveger seg raskt i forhold til andre objekter, reduseres også lengden og trekker seg sammen. Disse konsekvensene, tidsutvidelse og lengdereduksjon, er eksempler på hvordan rom-tid endres avhengig av bevegelsen til ting - meg, deg eller et romfartøy - som har masse.

Det som er viktig, som Einstein sa, er at lyset ikke påvirkes fordi det ikke har noen masse. Det er derfor disse prinsippene går hånd i hånd. Hvis ting kunne reise raskere enn lyset, ville de adlyde de grunnleggende lovene som beskriver hvordan universet fungerer. Dette er nøkkelprinsippene. Nå kan vi snakke om noen få unntak og unntak.

På den ene siden, selv om vi ikke har sett noe som går raskere enn lys, betyr ikke det at denne fartsgrensen teoretisk ikke kan slås under veldig spesifikke forhold. Ta for eksempel utvidelsen av selve universet. Galakser i universet beveger seg bort fra hverandre med hastigheter som betydelig overstiger lyshastigheten.

En annen interessant situasjon gjelder partikler som deler de samme egenskapene på samme tid, uansett hvor langt fra hverandre de er. Dette er den såkalte "kvanteforviklingen". Fotonet vil spinne opp og ned, tilfeldig velge mellom to mulige tilstander, men valget av spinnretning vil bli nøyaktig reflektert i et annet foton andre steder hvis de er sammenfiltret.

To forskere, som studerte hvert sitt foton, ville få samme resultat samtidig, raskere enn lysets hastighet kunne tillate.

I begge disse eksemplene er det imidlertid viktig å merke seg at ingen informasjon beveger seg raskere enn lysets hastighet mellom to objekter. Vi kan beregne utvidelsen av universet, men vi kan ikke observere objekter raskere enn lyset i det: de har forsvunnet fra synet.

Når det gjelder to forskere med fotonene sine, selv om de kunne få ett resultat samtidig, kunne de ikke la hverandre få vite det raskere enn lyset beveger seg mellom dem.

– Dette skaper ingen problemer for oss, for hvis du kan sende signaler raskere enn lyset, får du rare paradokser der informasjon på en eller annen måte kan gå tilbake i tid, sier Kolthammer.

Det er en annen mulig måte å gjøre raskere enn lys-reise teknisk mulig: rifter i romtid som vil tillate den reisende å unnslippe reglene for normal reise.

Gerald Cleaver fra Baylor University i Texas tror at vi en dag vil være i stand til å bygge et romfartøy som reiser raskere enn lyset. Som beveger seg gjennom et ormehull. Ormehull er løkker i rom-tid som passer perfekt inn i Einsheins teorier. De kunne tillate en astronaut å hoppe fra den ene enden av universet til den andre via en anomali i romtid, en form for kosmisk snarvei.

En gjenstand som beveger seg gjennom et ormehull vil ikke overskride lysets hastighet, men kan teoretisk nå målet raskere enn lys som tar en "normal" vei. Men ormehull kan være helt utilgjengelige for romfart. Kan det være en annen måte å aktivt deformere romtiden for å bevege seg raskere enn 300 000 km/s i forhold til noen andre?

Cleaver utforsket også ideen om en "Alcubierre-motor" i 1994. Den beskriver en situasjon der romtiden trekker seg sammen foran romfartøyet, skyver det fremover og utvider seg bak det, og skyver det også fremover. "Men så," sier Cleaver, "oppsto problemene: hvordan gjøre det og hvor mye energi som ville være nødvendig."

I 2008 regnet han og hans hovedfagsstudent Richard Obouzi ut hvor mye energi som ville være nødvendig.

"Vi forestilte oss et skip på 10m x 10m x 10m - 1000 kubikkmeter - og regnet ut at mengden energi som kreves for å starte prosessen, ville tilsvare massen til hele Jupiter."

Etter dette må energi hele tiden "tilføres" slik at prosessen ikke tar slutt. Ingen vet om dette noen gang vil være mulig, eller hvordan den nødvendige teknologien vil se ut. "Jeg ønsker ikke å bli sitert i århundrer som om jeg forutså noe som aldri ville skje," sier Cleaver, "men jeg ser ingen løsninger ennå."

Så å reise raskere enn lysets hastighet forblir science fiction for øyeblikket. Foreløpig er den eneste måten å kaste seg ut i dyp suspendert animasjon. Og likevel er ikke alt ille. Mesteparten av tiden snakket vi om synlig lys. Men i virkeligheten er lys mye mer enn det. Fra radiobølger og mikrobølger til synlig lys, ultrafiolett stråling, røntgenstråler og gammastråler som sendes ut av atomer når de forfaller, disse vakre strålene er alle laget av det samme: fotoner.

Forskjellen er i energi, og derfor i bølgelengde. Sammen utgjør disse strålene det elektromagnetiske spekteret. Det at radiobølger for eksempel beveger seg med lysets hastighet er utrolig nyttig for kommunikasjon.

I sin forskning lager Kolthammer en krets som bruker fotoner til å overføre signaler fra en del av kretsen til en annen, så han er godt kvalifisert til å kommentere nytten av den utrolige lyshastigheten.

"Selve det faktum at vi bygde infrastrukturen til Internett, for eksempel, og radio før den, basert på lys, har å gjøre med hvor enkelt vi kan overføre det," bemerker han. Og han legger til at lys fungerer som universets kommunikasjonskraft. Når elektronene i en mobiltelefon begynner å riste, frigjøres fotoner og gjør at elektronene i en annen mobiltelefon også rister. Slik blir en telefonsamtale født. Skjelvingen av elektroner i solen sender også ut fotoner - i enorme mengder - som selvfølgelig danner lys, og gir livet på jorden varme og, ahem, lys.

Lys er universets universelle språk. Hastigheten - 299 792,458 km/s - forblir konstant. I mellomtiden er rom og tid formbare. Kanskje vi ikke bør tenke på hvordan vi kan bevege oss raskere enn lyset, men hvordan vi kan bevege oss raskere gjennom dette rommet og denne gangen? Gå til roten, for å si det sånn?

Et team av forskere fra OPERA-eksperimentet, i samarbeid med European Organization for Nuclear Research (CERN), har publisert oppsiktsvekkende resultater fra et eksperiment for å overvinne lysets hastighet. Resultatene av eksperimentet tilbakeviser Albert Einsteins spesielle relativitetsteori, som all moderne fysikk er basert på. Teorien sier at lysets hastighet er 299 792 458 m/s, og elementærpartikler kan ikke reise raskere enn lysets hastighet.

Likevel registrerte forskere at nøytrinostrålen overskred den med 60 nanosekunder når de dekket 732 km. Dette skjedde 22. september under et eksperiment utført av en internasjonal gruppe kjernefysikere fra Italia, Frankrike, Russland, Korea, Japan og andre land.

Eksperimentet foregikk som følger: en protonstråle ble akselerert i en spesiell akselerator og traff midten av et spesielt mål. Slik ble mesoner født - partikler bestående av kvarker.

Når mesoner forfaller, blir nøytrinoer født,» forklarte RAS-akademiker Valery Rubakov, sjefforsker ved Institute of Nuclear Research ved det russiske vitenskapsakademiet, til Izvestia. – Strålen er plassert slik at nøytrinoen reiser 732 km og når det italienske underjordiske laboratoriet i Gran Sasso. Den inneholder en spesiell detektor som registrerer hastigheten til nøytrinostrålen.

Resultatene av studien splittet den vitenskapelige verden. Noen forskere nekter å tro på resultatene.

Det de gjorde ved CERN er umulig fra et moderne fysikksynspunkt, sa RAS-akademiker Spartak Belyaev, vitenskapelig direktør ved Institute of General and Nuclear Physics, til Izvestia. - Det er nødvendig å sjekke dette eksperimentet og dets resultater - kanskje de rett og slett tok feil. Alle eksperimenter utført før dette passer inn i den eksisterende teorien, og det er ingen grunn til panikk på grunn av ett eksperiment utført én gang.

Samtidig innrømmer akademiker Belyaev: hvis det er mulig å bevise at en nøytrino kan bevege seg raskere enn lysets hastighet, vil dette være en revolusjon.

Da må vi bryte all fysikk, sa han.

Hvis resultatene bekreftes, vil dette være en revolusjon, sier akademiker Rubakov. – Det er vanskelig å si hvordan dette vil slå ut for vanlige folk. Generelt er det selvsagt mulig å endre den spesielle relativitetsteorien, men det er ekstremt vanskelig å gjøre det, og hvilken teori som vil utkrystallisere seg som et resultat er ikke helt klart.

Rubakov bemerket at rapporten sier at i løpet av de tre årene av eksperimentet ble 15 tusen hendelser registrert og målt.

Statistikken er veldig bra, og en internasjonal gruppe anerkjente forskere deltok i eksperimentet, oppsummerer Rubakov.

Akademikere understreket at det jevnlig gjøres forsøk rundt om i verden på eksperimentelt å tilbakevise den spesielle relativitetsteorien. Imidlertid har ingen av dem ennå gitt positive resultater.

Skygger kan reise raskere enn lys, men kan ikke transportere materie eller informasjon

Er superluminal flukt mulig?

Deler av denne artikkelen er undertekster, og hver del kan refereres til separat.

Enkle eksempler på superluminal reise

1. Cherenkov effekt

Når vi snakker om å bevege seg i superluminale hastigheter, mener vi lysets hastighet i et vakuum c(299.792.458 m/s). Derfor kan Cherenkov-effekten ikke betraktes som et eksempel på bevegelse i superluminal hastighet.

2. Tredje observatør

Hvis raketten EN flyr fra meg i fart 0,6c mot vest, og raketten B flyr fra meg i fart 0,6c mot øst, så ser jeg at avstanden mellom EN Og Bøker med hastigheten 1,2c. Ser på rakettflukten EN Og B fra utsiden ser den tredje observatøren at den totale hastigheten på missilfjerning er større enn c .

derimot relativ hastighet er ikke lik summen av hastighetene. Raketthastighet EN i forhold til raketten B er hastigheten avstanden til raketten øker med EN, som blir sett av en observatør som flyr på en rakett B. Den relative hastigheten må beregnes ved å bruke den relativistiske formelen for å legge til hastigheter. (Se Hvordan legger du til hastigheter i spesiell relativitet?) I dette eksemplet er den relative hastigheten omtrent lik 0,88c. Så i dette eksemplet fikk vi ikke superluminal hastighet.

3. Lys og skygge

Tenk på hvor raskt en skygge kan bevege seg. Hvis lampen er nær, beveger skyggen av fingeren på den fjerne veggen seg mye raskere enn fingeren. Når du beveger fingeren parallelt med veggen, er hastigheten på skyggen D/d ganger raskere enn hastigheten til fingeren. Her d- avstand fra lampen til fingeren, og D- fra lampe til vegg. Hastigheten blir enda større dersom veggen er plassert på skrå. Hvis veggen er veldig langt unna, vil bevegelsen til skyggen ligge bak fingerens bevegelse, siden lyset tar tid å nå veggen, men hastigheten til skyggen som beveger seg langs veggen vil øke enda mer. Hastigheten til en skygge er ikke begrenset av lysets hastighet.

Et annet objekt som kan reise raskere enn lyset er lysflekken fra en laser rettet mot Månen. Avstanden til månen er 385 000 km. Du kan selv beregne hastigheten som lysflekken beveger seg over Månens overflate med små vibrasjoner av laserpekeren i hånden. Du kan også like eksemplet med en bølge som treffer en rett linje av stranden i en liten vinkel. Med hvilken hastighet kan skjæringspunktet mellom bølgen og kysten bevege seg langs stranden?

Alle disse tingene kan skje i naturen. For eksempel kan en lysstråle fra en pulsar reise langs en støvsky. En kraftig eksplosjon kan skape sfæriske bølger av lys eller stråling. Når disse bølgene krysser en overflate, vises lyssirkler på den overflaten og utvider seg raskere enn lys. Dette fenomenet oppstår for eksempel når en elektromagnetisk puls fra et lyn passerer gjennom den øvre atmosfæren.

4. Solid

Hvis du har en lang stiv stang og du treffer den ene enden av stangen, vil ikke den andre enden bevege seg umiddelbart? Er ikke dette en måte for superluminal overføring av informasjon?

Det ville være sant hvis Det var helt stive kropper. I praksis overføres støtet langs stangen med lydhastigheten, som avhenger av elastisiteten og tettheten til stangens materiale. I tillegg begrenser relativitetsteorien de mulige lydhastighetene i et materiale med verdien c .

Det samme prinsippet gjelder hvis du holder en streng eller stang vertikalt, slipper den, og den begynner å falle under påvirkning av tyngdekraften. Den øverste enden som du slipper, begynner å falle umiddelbart, men den nederste enden vil først begynne å bevege seg etter en stund, da forsvinningen av holdekraften overføres nedover stangen med lydhastigheten i materialet.

Formuleringen av den relativistiske teorien om elastisitet er ganske kompleks, men den generelle ideen kan illustreres ved hjelp av newtonsk mekanikk. Ligningen for den langsgående bevegelsen til et ideelt elastisk legeme kan utledes fra Hookes lov. La oss betegne den lineære tettheten til stangen ρ , Youngs elastisitetsmodul Y. Langsgående forskyvning X tilfredsstiller bølgeligningen

ρ d 2 X/dt 2 - Y d 2 X/dx 2 = 0

Planbølgeløsningen beveger seg med lydens hastighet s, som bestemmes fra formelen s2 = Y/ρ. Bølgeligningen tillater ikke at forstyrrelser i mediet beveger seg raskere enn hastigheten s. I tillegg gir relativitetsteorien en grense for størrelsen på elastisitet: Y< ρc 2 . I praksis kommer ikke noe kjent materiale i nærheten av denne grensen. Vær også oppmerksom på at selv om lydhastigheten er nær c, så beveger ikke saken seg nødvendigvis i en relativistisk hastighet.

Selv om det ikke er noen faste kropper i naturen, er det det bevegelse av stive kropper, som kan brukes til å overvinne lysets hastighet. Dette emnet er relatert til den allerede beskrevne delen av skygger og høylys. (Se The Superluminal Scissors, The Rigid Rotating Disk in Relativity).

5. Fasehastighet

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

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

Dette er sinusbølger som forplanter seg med hastighet v
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Men det er mer enn c. Kanskje dette er ligningen for tachyoner? (se videre avsnitt). Nei, dette er en vanlig relativistisk ligning for en partikkel med masse.

For å eliminere paradokset, må du skille mellom "fasehastighet" v ph, og "gruppehastighet" v gr, og
v ph ·v gr = c 2

Bølgeløsningen kan ha frekvensspredning. I dette tilfellet beveger bølgepakken seg med en gruppehastighet, som er mindre enn c. Ved å bruke en bølgepakke kan informasjon bare overføres med gruppehastighet. Bølgene i en bølgepakke beveger seg med fasehastighet. Fasehastighet er et annet eksempel på superluminal bevegelse som ikke kan brukes til å overføre meldinger.

6. Superluminale galakser

7. Relativistisk rakett

La en observatør på jorden se et romskip bevege seg bort i en fart 0,8c I følge relativitetsteorien vil han se at klokken på romskipet går 5/3 ganger langsommere. Hvis vi deler avstanden til skipet på flytiden i henhold til klokken ombord, får vi hastigheten 4/3c. Observatøren konkluderer med at ved hjelp av klokken ombord vil skipets pilot også fastslå at han flyr i superluminal hastighet. Fra pilotens synspunkt går klokken normalt, men det interstellare rommet har krympet med 5/3 ganger. Derfor flyr den kjente avstander mellom stjerner raskere, med en hastighet 4/3c .

Tidsutvidelse er en reell effekt som i prinsippet kan brukes i romfart for å reise lange avstander på kort tid fra astronautens synspunkt. Ved en konstant akselerasjon på 1g vil ikke bare astronauter ha komforten av kunstig tyngdekraft, men de vil også kunne krysse galaksen på bare 12 år på sin egen tid. Under reisen blir de 12 år.

Men dette er fortsatt ikke superluminal flytur. Du kan ikke beregne hastighet ved å bruke avstand og tid definert i forskjellige referansesystemer.

8. Tyngdehastighet

Noen insisterer på at tyngdekraften er mye høyere c eller til og med uendelig. Sjekk ut Reiser tyngdekraften med lysets hastighet? og hva er gravitasjonsstråling? Gravitasjonsforstyrrelser og gravitasjonsbølger forplanter seg i hastighet c .

9. EPJ-paradoks

10. Virtuelle fotoner

11. Kvantetunneleffekt

I kvantemekanikk lar tunneleffekten en partikkel overvinne en barriere, selv om den ikke har nok energi til å gjøre det. Det er mulig å beregne tunneleringstiden gjennom en slik barriere. Og det kan vise seg å være mindre enn det som skal til for at lys skal tilbakelegge samme avstand i fart c. Kan dette brukes til å overføre meldinger raskere enn lyset?

Kvanteelektrodynamikk sier "Nei!" Imidlertid ble det utført et eksperiment som demonstrerte superluminal overføring av informasjon ved bruk av tunneleffekten. Gjennom en barriere 11,4 cm bred med en hastighet på 4,7 c Mozarts førtiende symfoni ble overført. Forklaringen på dette eksperimentet er svært kontroversiell. De fleste fysikere mener at tunneleffekten ikke kan brukes til å overføre informasjon raskere enn lyset. Hvis dette var mulig, hvorfor ikke overføre signalet til fortiden ved å plassere utstyret i en raskt bevegelig referanseramme.

17. Kvantefeltteori

Med unntak av tyngdekraften tilsvarer alle observerte fysiske fenomener Standardmodellen. Standardmodellen er en relativistisk kvantefeltteori som forklarer elektromagnetiske og kjernefysiske interaksjoner, samt alle kjente partikler. I denne teorien "pendler" et hvilket som helst par av operatorer som tilsvarer fysiske observerbare atskilt med et romlignende intervall av hendelser (det vil si at rekkefølgen til disse operatorene kan endres). I prinsippet tilsier dette at i standardmodellen kan en nedslag ikke bevege seg raskere enn lys, og dette kan betraktes som kvantefeltekvivalenten til argumentet for uendelig energi.

Imidlertid er det ingen upåklagelig strenge bevis for kvantefeltteorien til standardmodellen. Ingen har ennå bevist at denne teorien er internt konsistent. Mest sannsynlig er dette ikke tilfelle. Det er i alle fall ingen garanti for at det ennå ikke finnes uoppdagede partikler eller krefter som ikke overholder forbudet mot superluminal reise. Det er heller ingen generalisering av denne teorien som inkluderer gravitasjon og generell relativitet. Mange fysikere som arbeider innen kvantetyngdekraften tviler på at enkle ideer om kausalitet og lokalitet vil generalisere. Det er ingen garanti for at i en fremtidig mer fullstendig teori vil lyshastigheten beholde betydningen av den ultimate hastigheten.

18. Bestefar-paradokset

I spesiell relativitetsteori reiser en partikkel som reiser raskere enn lys i en referanseramme bakover i tid i en annen referanseramme. FTL-reiser eller informasjonsoverføring vil gjøre det mulig å reise eller sende en melding inn i fortiden. Hvis slike tidsreiser var mulig, kunne du gå tilbake i tid og endre historiens gang ved å drepe din bestefar.

Dette er et svært alvorlig argument mot muligheten for superluminal reise. Riktignok er det fortsatt en nesten usannsynlig mulighet for at noen begrenset superluminal reise er mulig, og forhindrer en retur til fortiden. Eller kanskje tidsreiser er mulig, men årsakssammenheng brytes på en konsistent måte. Alt dette er veldig langsøkt, men hvis vi diskuterer superluminal reise, er det bedre å være forberedt på nye ideer.

Det motsatte er også sant. Hvis vi kunne reise tilbake i tid, kunne vi overvunnet lysets hastighet. Du kan gå tilbake i tid, fly et sted med lav hastighet, og komme dit før lyset som sendes på vanlig måte kommer. Se Tidsreise for detaljer om dette emnet.

Åpne spørsmål om reiser raskere enn lett

I denne siste delen vil jeg beskrive noen seriøse ideer om mulig raskere enn lys reise. Disse emnene er ikke ofte inkludert i FAQ fordi de virker mindre som svar og mer som mange nye spørsmål. De er tatt med her for å vise at det forskes seriøst i denne retningen. Det gis kun en kort introduksjon til temaet. Du kan finne detaljer på Internett. Som med alt på Internett, vær kritisk til dem.

19. Tachyons

Takyoner er hypotetiske partikler som lokalt reiser raskere enn lys. For å gjøre dette må de ha en tenkt masse. Dessuten er energien og farten til tachyonen reelle mengder. Det er ingen grunn til å tro at superluminale partikler ikke kan påvises. Skygger og høylys kan reise raskere enn lys og kan oppdages.

Så langt har ikke tachyoner blitt funnet, og fysikere tviler på deres eksistens. Det har vært påstander om at i eksperimenter for å måle massen av nøytrinoer produsert av beta-forfall av tritium, var nøytrinoene tachyoner. Dette er tvilsomt, men er ennå ikke definitivt tilbakevist.

Det er problemer med tachyon-teori. I tillegg til å muligens forstyrre kausalitet, gjør tachyoner også vakuumet ustabilt. Det kan være mulig å omgå disse vanskelighetene, men selv da vil vi ikke kunne bruke tachyoner for superluminal meldingsoverføring.

De fleste fysikere mener at utseendet til tachyoner i teorien er et tegn på noen problemer i denne teorien. Ideen om tachyoner er så populær blant publikum ganske enkelt fordi de ofte er nevnt i science fiction-litteratur. Se Tachyons.

20. Ormehull

Den mest kjente metoden for global superluminal reise er bruken av ormehull. Et ormehull er et kutt i rom-tid fra ett punkt i universet til et annet, som lar deg reise fra den ene enden av hullet til den andre raskere enn den vanlige banen. Ormehull er beskrevet av den generelle relativitetsteorien. For å lage dem må du endre topologien til rom-tid. Kanskje vil dette bli mulig innenfor rammen av kvanteteorien om gravitasjon.

For å holde et ormehull åpent trenger du områder med negativ energi. C.W.Misner og K.S.Thorne foreslo å bruke Casimir-effekten i stor skala for å skape negativ energi. Visser foreslått å bruke kosmiske strenger for dette. Dette er veldig spekulative ideer og er kanskje ikke mulige. Kanskje den nødvendige formen for eksotisk materie med negativ energi ikke eksisterer.