25 Mart 2017
Seyahat etmek ışık üstü hız- uzayın temellerinden biri bilimkurgu. Ancak muhtemelen herkes - fizikten uzak insanlar bile - maksimumun bunu biliyor olası hız Maddi nesnelerin hareketi veya herhangi bir sinyalin yayılması, ışığın boşluktaki hızıdır. C harfiyle gösterilir ve saniyede neredeyse 300 bin kilometredir; kesin değer s = 299.792.458 m/sn.
Işığın boşluktaki hızı temel fiziksel sabitlerden biridir. c'yi aşan hızlara ulaşmanın imkansızlığı şu şekildedir: özel teori Einstein'ın göreliliği (SRT). Eğer sinyallerin süper ışık hızlarında iletilmesinin mümkün olduğu kanıtlanabilseydi, görelilik teorisi çökerdi. C'den daha büyük hızların varlığına ilişkin yasağı çürütmek için yapılan sayısız girişime rağmen, şu ana kadar bu gerçekleşmedi. Ancak, deneysel çalışmalar Son zamanlarda, özel olarak yaratılmış koşullar altında süper ışık hızlarını gözlemlemenin mümkün olduğunu ve aynı zamanda görelilik teorisinin ilkelerinin ihlal edilmediğini gösteren bazı çok ilginç olaylar keşfedildi.
Başlangıç olarak ışık hızı problemiyle ilgili ana hususları hatırlayalım.
Her şeyden önce: neden imkansız (eğer normal koşullar) ışık sınırını aşıyor mu? Çünkü o zaman dünyamızın temel yasası ihlal edilir - sonucun nedenden önce gelemeyeceğine göre nedensellik yasası. Mesela bir ayının önce öldüğünü, sonra avcının vurduğunu hiç kimse gözlemlemedi. C'yi aşan hızlarda olayların sırası tersine döner, zaman bandı geri sarılır. Bunu aşağıdaki basit mantıkla doğrulamak kolaydır.
Işıktan hızlı hareket eden bir tür uzay mucizesi gemisinde olduğumuzu varsayalım. Daha sonra yavaş yavaş kaynağın daha erken ve daha erken bir zamanda yaydığı ışığa yetişirdik. İlk olarak, örneğin dün yayılan fotonları yakalardık, sonra dünden önceki gün yayılanları, sonra bir hafta, bir ay, bir yıl önce vb. yayılanları yakalardık. Işık kaynağı yaşamı yansıtan bir ayna olsaydı, önce dünün olaylarını, sonra dünden önceki günü vb. görürdük. Mesela yaşlı bir adamın yavaş yavaş orta yaşlı bir adama, sonra genç bir adama, bir delikanlıya, bir çocuğa dönüştüğünü görebiliyorduk... Yani zaman geri dönecek, şimdiki zamandan şimdiki zamana geçecektik. geçmiş. O zaman nedenler ve sonuçlar yer değiştirecektir.
Her ne kadar bu tartışma, ışığı gözlemleme sürecinin teknik ayrıntılarını tamamen göz ardı etse de, temel bir bakış açısıyla, süper ışık hızlarındaki hareketin dünyamızda mümkün olmayan bir duruma yol açtığını açıkça göstermektedir. Bununla birlikte, doğa daha da katı koşullar belirlemiştir: yalnızca süper ışık hızında hareket etmek değil, aynı zamanda yüksek bir hızda hareket etmek de imkansızdır. eşit hızışık - ona yalnızca yaklaşabilirsin. Görelilik teorisine göre, hareket hızı arttığında üç durum ortaya çıkar: Hareket eden bir nesnenin kütlesi artar, hareket yönündeki boyutu azalır ve bu nesne üzerindeki zamanın akışı yavaşlar (noktadan itibaren). harici bir "dinlenme" gözlemcisinin görüşü). Sıradan hızlarda, bu değişiklikler ihmal edilebilir düzeydedir, ancak ışık hızına yaklaştıkça giderek daha fazla fark edilir hale gelirler ve sınırda - c'ye eşit bir hızda - kütle sonsuz büyüklükte olur, nesne yöndeki boyutunu tamamen kaybeder. hareket eder ve zaman onun üzerinde durur. Bu nedenle hiçbir maddi cisim ışık hızına ulaşamaz. Yalnızca ışığın kendisi böyle bir hıza sahiptir! (Ayrıca "herşeye nüfuz eden" bir parçacık - foton gibi c'den daha düşük bir hızda hareket edemeyen bir nötrino.)
Şimdi sinyal iletim hızı hakkında. Burada ışığın elektromanyetik dalgalar biçimindeki temsilinin kullanılması uygundur. Sinyal nedir? Bu iletilmesi gereken bazı bilgilerdir. Mükemmel elektromanyetik dalga- bu kesinlikle tek bir frekansa sahip sonsuz bir sinüzoiddir ve herhangi bir bilgi taşıyamaz çünkü böyle bir sinüzoidin her periyodu bir öncekini tam olarak tekrarlar. Sinüs dalgası fazının hareket hızı (faz hızı olarak da adlandırılır), belirli koşullar altında ışığın ortamdaki boşluktaki hızını aşabilir. Faz hızı sinyalin hızı olmadığından burada herhangi bir kısıtlama yoktur - henüz mevcut değildir. Bir sinyal oluşturmak için dalganın üzerinde bir tür "işaret" yapmanız gerekir. Böyle bir işaret, örneğin dalga parametrelerinden herhangi birinde (genlik, frekans veya başlangıç fazı) bir değişiklik olabilir. Ancak işaret konulduğu anda dalga sinüzoidalliğini kaybeder. Farklı genliklere, frekanslara ve başlangıç aşamalarına sahip bir dizi basit sinüs dalgasından (bir grup dalga) oluşan modüle edilmiş hale gelir. İşaretin modüle edilmiş dalgada hareket ettiği hız, sinyalin hızıdır. Bir ortamda yayılırken, bu hız genellikle yukarıda bahsedilen dalga grubunun bir bütün olarak yayılmasını karakterize eden grup hızıyla çakışır (bkz. "Bilim ve Yaşam" No. 2, 2000). Normal koşullar altında grup hızı ve dolayısıyla sinyal hızı, ışığın boşluktaki hızından daha düşüktür. Burada "normal koşullar altında" ifadesinin kullanılması tesadüf değildir, çünkü bazı durumlarda grup hızı c'yi aşabilir, hatta anlamını kaybedebilir, ancak bu durumda sinyal yayılımını ifade etmez. Servis istasyonu, c'den daha yüksek bir hızda sinyal iletmenin imkansız olduğunu tespit eder.
Bu neden böyle? Çünkü herhangi bir sinyalin c'den daha büyük bir hızda iletilmesinin önündeki engel aynı nedensellik yasasıdır. Böyle bir durumu hayal edelim. A noktasında, bir ışık parlaması (olay 1), belirli bir radyo sinyali gönderen cihazı açar ve uzak bir B noktasında, bu radyo sinyalinin etkisi altında bir patlama meydana gelir (olay 2). Olay 1'in (parlama) neden olduğu ve olay 2'nin (patlama) meydana gelen sonuç olduğu açıktır. daha sonraki nedenler. Ancak radyo sinyali süper ışık hızında yayılırsa, B noktasına yakın bir gözlemci önce bir patlamayı, sonra da kendisine bir ışık parlaması hızıyla ulaşan patlamanın nedenini görecektir. Yani bu gözlemci için 2. olay, 1. olaydan daha önce meydana gelmiş, yani sonuç nedenden önce gelmiş olacaktır.
Görelilik teorisinin “süper ışık yasağının” yalnızca harekete dayatıldığını vurgulamak yerinde olacaktır. maddi organlar ve sinyal iletimi. Çoğu durumda herhangi bir hızda hareket etmek mümkündür ancak bu, maddi nesnelerin veya sinyallerin hareketi olmayacaktır. Örneğin, biri yatay olarak yerleştirilmiş, diğeri küçük bir açıyla kesişen, aynı düzlemde uzanan oldukça uzun iki cetveli hayal edin. Birinci cetvel yüksek hızla aşağı doğru (okla gösterilen yönde) hareket ettirilirse cetvellerin kesişme noktasının istenildiği kadar hızlı koşması sağlanabilir ancak bu nokta maddi bir cisim değildir. Başka bir örnek: Bir el feneri (veya dar bir ışın üreten bir lazer) alırsanız ve hızlı bir şekilde havada bir yay çizerseniz, o zaman doğrusal hızışık huzmesi mesafe arttıkça artacaktır ve yeterince büyük mesafe c'yi aşacaktır. Işık noktası A ve B noktaları arasında ışık üstü hızda hareket edecektir, ancak bu A'dan B'ye bir sinyal iletimi olmayacaktır çünkü böyle bir ışık noktası A noktası hakkında herhangi bir bilgi taşımamaktadır.
Görünüşe göre süper ışık hızları sorunu çözülmüş. Ancak yirminci yüzyılın 60'lı yıllarında teorik fizikçiler, takyon adı verilen süperluminal parçacıkların varlığına dair hipotezi öne sürdüler. Bunlar çok tuhaf parçacıklar: Teorik olarak mümkünler, ancak görelilik teorisiyle çelişkileri önlemek için onlara hayali bir hareketsiz kütle atanması gerekiyordu. Fiziksel olarak hayali kütle mevcut değildir; bu tamamen matematiksel bir soyutlamadır. Bununla birlikte, takyonlar hareketsiz olamayacağı için bu pek fazla alarma neden olmadı - sadece boşlukta ışık hızını aşan hızlarda var olurlar (eğer varsa!) ve bu durumda takyon kütlesinin gerçek olduğu ortaya çıkar. Burada fotonlarla bazı benzerlikler var: Bir fotonun sıfır durgun kütlesi vardır, ancak bu basitçe fotonun hareketsiz olamayacağı anlamına gelir; ışık durdurulamaz.
Beklenebileceği gibi en zor şeyin, takiyon hipotezini nedensellik yasasıyla uzlaştırmak olduğu ortaya çıktı. Bu yönde yapılan girişimler oldukça ustaca olmasına rağmen bariz bir başarıya yol açmadı. Takyonları deneysel olarak da hiç kimse kaydetmeyi başaramadı. Sonuç olarak, süperluminal temel parçacıklar olarak takyonlara olan ilgi yavaş yavaş azaldı.
Ancak 60'lı yıllarda, başlangıçta fizikçilerin kafasını karıştıran bir fenomen deneysel olarak keşfedildi. Bu, A. N. Oraevsky'nin “Güçlendirici medyada süper ışık dalgaları” (UFN No. 12, 1998) makalesinde ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Burada konunun özünü kısaca özetleyerek ayrıntıları merak eden okuyucuyu belirtilen yazıya yönlendireceğiz.
Lazerlerin keşfinden kısa bir süre sonra - 60'ların başında - kısa (yaklaşık 1 ns = 10-9 s süreli) ışık darbeleri elde etme sorunu ortaya çıktı. yüksek güç. Bunu yapmak için, bir optik kuantum amplifikatöründen kısa bir lazer darbesi geçirildi. Darbe, ışın bölücü bir ayna tarafından iki parçaya bölündü. Bunlardan daha güçlü olan biri amplifikatöre gönderildi ve diğeri havada yayıldı ve amplifikatörden geçen darbenin karşılaştırılabileceği bir referans darbesi olarak görev yaptı. Her iki darbe de fotodetektörlere beslendi ve bunların çıkış sinyalleri osiloskop ekranında görsel olarak gözlemlendi. Amplifikatörden geçen ışık darbesinin referans darbeye kıyasla bir miktar gecikme yaşaması, yani amplifikatördeki ışığın yayılma hızının havadakinden daha az olması bekleniyordu. Darbenin amplifikatörde yalnızca havadakinden daha yüksek bir hızda değil, aynı zamanda vakumdaki ışığın hızından birkaç kat daha yüksek bir hızda yayıldığını keşfettiklerinde araştırmacıların şaşkınlığını bir düşünün!
İlk şoku atlatan fizikçiler, böylesine beklenmedik bir sonucun nedenini aramaya başladı. Özel görelilik teorisinin ilkeleri hakkında hiç kimsenin en ufak bir şüphesi bile yoktu ve doğru açıklamanın bulunmasına yardımcı olan da buydu: SRT'nin ilkeleri korunursa, o zaman cevap, yükseltici ortamın özelliklerinde aranmalıdır.
Burada ayrıntılara girmeden sadece şunu belirtmekle yetineceğiz: detaylı analiz Güçlendirici ortamın etki mekanizması durumu tamamen açıklığa kavuşturdu. Önemli olan, darbenin yayılması sırasında foton konsantrasyonundaki bir değişiklikti; ortam zaten soğurduğunda, darbenin arka kısmının geçişi sırasında ortamın kazancındaki negatif bir değere kadar olan değişimin neden olduğu bir değişiklikti. enerji, çünkü ışık darbesine aktarılması nedeniyle kendi rezervi zaten tükenmiştir. Emilim, dürtünün artmasına değil, zayıflamasına neden olur ve böylece dürtü ön kısımda güçlenir, arka kısımda zayıflar. Amplifikatör ortamında ışık hızında hareket eden bir cihaz kullanarak bir darbe gözlemlediğimizi hayal edelim. Ortam şeffaf olsaydı, dürtünün hareketsizlik içinde donduğunu görürdük. Yukarıda bahsedilen sürecin gerçekleştiği ortamda, darbenin ön kenarının güçlenmesi ve arka kenarının zayıflaması, gözlemciye ortamın darbeyi ileriye doğru hareket ettirdiği gibi görünecektir. Ancak cihaz (gözlemci) ışık hızında hareket ettiğinden ve dürtü onu geçtiğinden, dürtü hızı ışık hızını aşıyor! Deneyciler tarafından kaydedilen bu etkidir. Ve burada aslında görelilik teorisiyle hiçbir çelişki yok: Amplifikasyon süreci basitçe öyle ki, daha önce ortaya çıkan fotonların konsantrasyonu, daha sonra ortaya çıkanlardan daha büyük çıkıyor. Süperluminal hızlarda hareket eden fotonlar değil, bir osiloskopta gözlemlenen darbe zarfı, özellikle de maksimumudur.
Bu nedenle, sıradan ortamlarda her zaman ışığın zayıflaması ve kırılma indisi tarafından belirlenen hızında bir azalma olurken, aktif lazer ortamda yalnızca ışığın artması değil, aynı zamanda ışık üstü hızda bir darbenin yayılması da vardır.
Bazı fizikçiler tünel etkisi sırasında süperlüminal hareketin varlığını deneysel olarak kanıtlamaya çalıştılar; bu, dünyadaki en şaşırtıcı olaylardan biri. kuantum mekaniği. Bu etki, bir mikroparçacığın (daha kesin olarak, farklı koşullar altında hem bir parçacığın özelliklerini hem de bir dalganın özelliklerini sergileyen bir mikro nesnenin) sözde potansiyel bariyerden geçebilmesinden oluşur - bu fenomen tamamen imkansızdır klasik mekanik(burada analoji şu şekilde olacaktır: duvara atılan bir top duvarın diğer tarafına düşecektir veya duvara bağlı bir ipe verilen dalga benzeri hareket, duvara bağlı bir ipe aktarılacaktır) diğer taraftaki duvar). Kuantum mekaniğinde tünel etkisinin özü aşağıdaki gibidir. Belirli bir enerjiye sahip bir mikro nesne, yolu üzerinde, mikro nesnenin enerjisini aşan potansiyel enerjiye sahip bir alanla karşılaşırsa, bu alan onun için bir bariyer görevi görür ve yüksekliği enerji farkına göre belirlenir. Ancak mikro nesne bariyerden "sızıyor"! Bu olasılık ona, etkileşimin enerjisi ve zamanı için yazılmış, iyi bilinen Heisenberg belirsizlik ilişkisi tarafından verilmiştir. Bir mikro nesnenin bir bariyerle etkileşimi oldukça belirli bir süre boyunca meydana gelirse, o zaman mikro nesnenin enerjisi tam tersine belirsizlikle karakterize edilecektir ve eğer bu belirsizlik bariyerin yüksekliği düzeyindeyse o zaman mikro nesnenin enerjisi belirsizlikle karakterize edilecektir. ikincisi, mikro nesne için aşılmaz bir engel olmaktan çıkar. C'yi aşabileceğine inanan bazı fizikçiler tarafından araştırmaya konu olan, potansiyel bariyerden geçme hızıdır.
Haziran 1998'de uluslararası sorunlara ilişkin bir sempozyum düzenlendi. süperluminal hareketler Berkeley, Viyana, Köln ve Floransa'daki dört laboratuvarda elde edilen sonuçların tartışıldığı yer.
Ve son olarak, 2000 yılında süperluminal yayılmanın etkilerinin ortaya çıktığı iki yeni deney hakkında raporlar ortaya çıktı. Bunlardan biri, Princeton Araştırma Enstitüsü'ndeki (ABD) Lijun Wong ve meslektaşları tarafından gerçekleştirildi. Bunun sonucu, sezyum buharıyla dolu bir odaya giren ışık darbesinin hızını 300 kat arttırmasıdır. Nabzın ana kısmının, nabız ön duvardan odaya girdiğinden bile önce odanın uzak duvarından çıktığı ortaya çıktı. Bu durum sadece çelişkili değil sağduyu ama özünde görelilik teorisi.
L. Wong'un mesajı, çoğu elde edilen sonuçlarda görelilik ilkelerinin ihlal edildiğini görmeye meyilli olmayan fizikçiler arasında yoğun tartışmalara neden oldu. Onlara göre asıl zorluk bu deneyi doğru bir şekilde açıklamaktır.
L. Wong'un deneyinde, sezyum buharının bulunduğu odaya giren ışık atımının süresi yaklaşık 3 μs idi. Sezyum atomları, "temel durumun aşırı ince manyetik alt seviyeleri" olarak adlandırılan on altı olası kuantum mekaniksel durumda mevcut olabilir. Optik lazer pompalama kullanılarak neredeyse tüm atomlar bu on altı durumdan yalnızca birine getirildi; mutlak sıfır Kelvin ölçeğinde sıcaklık (-273,15°C). Sezyum odasının uzunluğu 6 santimetreydi. Boşlukta ışık 0,2 ns'de 6 santimetre yol alır. Ölçümlerin gösterdiği gibi, ışık atımı sezyumlu odadan vakumdakinden 62 ns daha kısa bir sürede geçti. Başka bir deyişle, bir darbenin sezyum ortamından geçmesi için geçen süre eksi işaretine sahiptir! Aslında 0,2 ns'den 62 ns'yi çıkarırsak “negatif” zaman elde ederiz. Ortamdaki bu "negatif gecikme" - anlaşılmaz bir zaman sıçraması - darbenin boşlukta odacıktan 310 geçiş yaptığı süreye eşittir. Bu "geçici tersine dönme"nin sonucu, odadan çıkan darbenin, gelen darbe odanın yakın duvarına ulaşmadan önce oradan 19 metre uzaklaşmayı başarmasıydı. Böylesine inanılmaz bir durum nasıl açıklanabilir (tabii ki deneyin saflığından şüphe etmiyorsak)?
Devam eden tartışmaya bakılırsa, henüz kesin bir açıklama bulunamamıştır, ancak ortamın alışılmadık dağılım özelliklerinin burada bir rol oynadığına şüphe yoktur: Lazer ışığıyla uyarılan atomlardan oluşan sezyum buharı, anormal dağılıma sahip bir ortamdır . Ne olduğunu kısaca hatırlayalım.
Bir maddenin dağılımı, faz (sıradan) kırılma indisinin n ışık dalga boyu l'ye bağımlılığıdır. Normal dağılımda, dalga boyu azaldıkça kırılma indisi artar ve bu durum cam, su, hava ve ışığa karşı şeffaf olan diğer tüm maddeler için de geçerlidir. Işığı güçlü bir şekilde emen maddelerde, kırılma indisinin dalga boyundaki değişiklikle seyri tersine çevrilir ve çok daha dik hale gelir: azalan l ile (artan frekans w), kırılma indisi keskin bir şekilde azalır ve belirli bir dalga boyu bölgesinde birlikten daha az olur ( faz hızı Vf > s). Bu, bir maddedeki ışığın yayılma düzeninin kökten değiştiği anormal bir dağılımdır. Grup hızı Vgr, dalgaların faz hızından daha büyük hale gelir ve ışığın boşluktaki hızını aşabilir (ve ayrıca negatif olabilir). L. Wong, deneyinin sonuçlarının açıklanabilme ihtimalinin altında yatan neden olarak bu duruma işaret ediyor. Bununla birlikte, Vgr > c koşulunun tamamen biçimsel olduğuna dikkat edilmelidir, çünkü grup hızı kavramı, bir dalga grubunun neredeyse şeklini değiştirmediği şeffaf ortam için küçük (normal) dağılım durumu için ortaya atılmıştır. yayılma sırasında. Anormal dağılım bölgelerinde ışık darbesi hızla deforme olur ve grup hızı kavramı anlamını kaybeder; bu durumda, şeffaf ortamda grup hızıyla çakışan ve soğurmalı ortamlarda ışığın boşluktaki hızından daha düşük kalan sinyal hızı ve enerji yayılma hızı kavramları tanıtılır. Ancak Wong'un deneyinde ilginç olan şey şu: Anormal dağılıma sahip bir ortamdan geçen ışık darbesi deforme olmaz; şeklini tam olarak korur! Bu da dürtünün grup hızıyla yayıldığı varsayımına karşılık gelir. Ancak eğer öyleyse, o zaman ortamda herhangi bir absorpsiyon olmadığı ortaya çıkar, ancak ortamın anormal dağılımı tam olarak absorpsiyondan kaynaklanmaktadır! Pek çok şeyin belirsiz kaldığını kabul eden Wong, deney düzeneğinde olup bitenlerin ilk tahminde açıkça açıklanabileceğine inanıyor. aşağıdaki gibi.
Bir ışık darbesi farklı dalga boylarına (frekanslara) sahip birçok bileşenden oluşur. Şekilde bu bileşenlerden üçü gösterilmektedir (dalga 1-3). Bir noktada, üç dalganın tümü aynı fazdadır (maksimumları çakışır); burada toplanıyorlar, birbirlerini güçlendiriyorlar ve bir dürtü oluşturuyorlar. Uzayda daha fazla yayıldıkça, dalgalar fazları bozulur ve böylece birbirlerini “iptal ederler”.
Anormal dağılım bölgesinde (sezyum hücresinin içinde), daha kısa olan dalga (dalga 1) daha uzun hale gelir. Tersine, üçünün en uzunu olan dalga (3. dalga) en kısası olur.
Dolayısıyla dalgaların evreleri de buna göre değişir. Dalgalar sezyum hücresinden geçtikten sonra dalga cepheleri eski haline döner. Anormal dağılıma sahip bir maddede alışılmadık bir faz modülasyonuna uğrayan söz konusu üç dalga, bir noktada kendilerini yine aynı fazda buluyor. Burada tekrar toplanırlar ve sezyum ortamına giren darbeyle tamamen aynı şekle sahip bir darbe oluştururlar.
Tipik olarak havada ve aslında normal dağılıma sahip herhangi bir şeffaf ortamda, bir ışık atımı uzak bir mesafeye yayılırken şeklini doğru bir şekilde koruyamaz, yani tüm bileşenleri yayılma yolu boyunca herhangi bir uzak noktada aşamalandırılamaz. Ve normal şartlarda bir süre sonra bu kadar uzak bir noktada bir ışık darbesi belirir. Ancak deneyde kullanılan ortamın anormal özellikleri nedeniyle, uzak noktadaki darbenin bu ortama girerken olduğu gibi aşamalı olduğu ortaya çıktı. Böylece ışık atımı uzak bir noktaya giderken sanki negatif bir zaman gecikmesi varmış gibi davranır, yani ona daha geç değil, ortamdan geçtiğinden daha erken varır!
Çoğu fizikçi bu sonucu odanın dağıtıcı ortamında düşük yoğunluklu bir öncül maddenin ortaya çıkışıyla ilişkilendirme eğilimindedir. Gerçek şu ki, bir darbenin spektral ayrışması sırasında, spektrum, darbenin "ana kısmının" önüne geçen, öncü olarak adlandırılan, göz ardı edilebilecek kadar küçük genliğe sahip, keyfi olarak yüksek frekansların bileşenlerini içerir. Kuruluşun niteliği ve öncülün şekli, ortamdaki dağılma yasasına bağlıdır. Bunu akılda tutarak, Wong'un deneyindeki olaylar dizisinin aşağıdaki şekilde yorumlanması önerildi. Haberciyi kendi önüne "uzatan" gelen dalga kameraya yaklaşıyor. Gelen dalganın zirvesi odanın yakın duvarına çarpmadan önce, öncü, odada uzak duvara ulaşan ve ondan yansıyan bir "ters dalga" oluşturan bir darbenin görünümünü başlatır. c'den 300 kat daha hızlı yayılan bu dalga, yakındaki duvara ulaşıyor ve gelen dalgayla karşılaşıyor. Bir dalganın zirveleri diğerinin çukurlarıyla buluşuyor, böylece birbirlerini yok ediyorlar ve sonuç olarak geriye hiçbir şey kalmıyor. Gelen dalganın, odanın diğer ucunda kendisine enerji "ödünç veren" sezyum atomlarına "borcunu ödediği" ortaya çıktı. Deneyin yalnızca başlangıcını ve sonunu izleyen herkes, yalnızca zamanda ileri "sıçrayan" ve c'den daha hızlı hareket eden bir ışık darbesi görecektir.
L. Wong, deneyinin görelilik teorisiyle tutarlı olmadığına inanıyor. Süper ışık hızının erişilemezliği hakkındaki ifadenin yalnızca hareketsiz kütleye sahip nesneler için geçerli olduğuna inanıyor. Işık, kütle kavramının genellikle uygulanamadığı dalgalar biçiminde ya da bilindiği gibi durgun kütlesi sıfıra eşit olan fotonlar biçiminde temsil edilebilir. Bu nedenle Wong'a göre ışığın boşluktaki hızı sınır değildir. Ancak Wong, keşfettiği etkinin bilginin c'den daha yüksek hızlarda iletilmesini mümkün kılmadığını itiraf ediyor.
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'nda fizikçi olan P. Milonni, "Buradaki bilgi zaten nabzın öncüsünde yer alıyor" diyor ve "Ve ışıktan daha hızlı bilgi gönderiyormuşsunuz izlenimini verebilir" diyor. göndermiyoruz.”
Çoğu fizikçi buna inanıyor yeni iş temel ilkelere ezici bir darbe indirmiyor. Ancak fizikçilerin tümü sorunun çözüldüğüne inanmıyor. İtalyan Profesör A. Ranfagni araştırma grubu 2000 yılında ilginç bir deney daha gerçekleştiren bilim adamı, bu sorunun hala cevapsız kaldığına inanıyor. Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni ve Rocco Ruggeri tarafından gerçekleştirilen bu deney, santimetre dalga radyo dalgalarının normal havada c'den %25 daha hızlı hareket ettiğini keşfetti.
Özetlemek gerekirse şunu söyleyebiliriz.
Eserler son yıllar belirli koşullar altında süper ışık hızının gerçekten meydana gelebileceğini gösteriyor. Peki süper ışık hızlarında tam olarak hareket eden şey nedir? Daha önce de belirtildiği gibi görelilik teorisi, maddi cisimler ve bilgi taşıyan sinyaller için bu tür hızları yasaklamaktadır. Bununla birlikte, bazı araştırmacılar ısrarla ışık bariyerinin özellikle sinyaller için aşıldığını göstermeye çalışıyorlar. Bunun nedeni, özel görelilik teorisinin katı bir matematiksel gerekçeye sahip olmamasıdır (mesela Maxwell denklemlerine dayalıdır). elektromanyetik alan) c'den daha büyük hızlarda sinyal iletmenin imkansızlığı. STR'de böyle bir imkansızlığın, Einstein'ın hızları toplama formülüne dayanarak tamamen aritmetik olarak kurulduğu söylenebilir, ancak bu temelde nedensellik ilkesiyle doğrulanır. Einstein'ın kendisi, süperluminal sinyal iletimi konusunu ele alarak, bu durumda şunu yazdı: “... elde edilen eylemin nedenden önce geldiği bir sinyal iletim mekanizmasının mümkün olduğunu düşünmek zorundayız. Ancak bu tamamen mantıksal bir noktadan kaynaklansa da. Benim görüşüme göre, görüş kendini içermiyor, hiçbir çelişki yok; yine de tüm deneyimimizin doğasıyla o kadar çelişiyor ki, V > c varsayımının imkansızlığı yeterince kanıtlanmış görünüyor." Nedensellik ilkesi, süperluminal sinyal iletiminin imkansızlığının altında yatan temel taşıdır. Ve görünüşe göre, deneyciler bu tür sinyalleri ne kadar tespit etmek isterse istesin, istisnasız tüm ışık üstü sinyal arayışları bu taşa rastlayacaktır, çünkü dünyamızın doğası böyledir.
Ama yine de görelilik matematiğinin ışık üstü hızlarda çalışmaya devam edeceğini hayal edelim. Bu, teorik olarak bir cismin ışık hızını aşması durumunda ne olacağını hâlâ öğrenebileceğimiz anlamına geliyor.
İki uzay gemisinin Dünya'dan gezegenimize 100 ışıkyılı uzaklıktaki bir yıldıza doğru ilerlediğini hayal edelim. İlk gemi Dünya'dan ışık hızının %50'si hızla ayrılacak, yani yolculuğun tamamlanması 200 yıl sürecek. Varsayımsal bir warp sürücüsüyle donatılmış ikinci gemi, ışık hızının %200'üyle seyahat edecek, ancak ilkinden 100 yıl sonra. Ne olacak?
Görelilik teorisine göre doğru cevap büyük ölçüde gözlemcinin bakış açısına bağlıdır. Dünya'dan bakıldığında, ilk geminin, dört kat daha hızlı hareket eden ikinci gemi tarafından geçilmeden önce zaten önemli bir mesafe kat ettiği görülecektir. Ancak ilk gemideki insanların bakış açısından her şey biraz farklı.
2 No'lu Gemi ışıktan daha hızlı hareket ediyor, bu da kendi yaydığı ışığı bile geride bırakabileceği anlamına geliyor. Bu, çeşitli ilginç etkilere yol açan bir tür “ışık dalgası” (ses dalgasına benzer, ancak hava titreşimleri yerine titreşen ışık dalgaları vardır) ile sonuçlanır. 2 numaralı gemiden gelen ışığın geminin kendisinden daha yavaş hareket ettiğini hatırlayın. Sonuç görsel olarak ikiye katlama olacaktır. Yani önce 1 numaralı geminin mürettebatı, ikinci geminin sanki birdenbire yanlarında belirdiğini görecek. Daha sonra ikinci gemiden gelen ışık hafif bir gecikmeyle birinciye ulaşacak ve sonuç, hafif bir gecikmeyle aynı yönde hareket edecek görünür bir kopya olacaktır.
Benzer bir şey şurada görülebilir bilgisayar oyunları Bir sistem arızasının sonucu olarak motor, modeli ve algoritmalarını bitiş noktası Hareketler animasyonun kendisinden daha hızlı bittiği için birden fazla çekim gerçekleşir. Muhtemelen bilincimizin, cisimlerin süper ışık hızlarında hareket ettiği Evrenin varsayımsal yönünü algılamamasının nedeni budur - belki de bu en iyisidir.
Not: ... ama içinde son örnek Bir şey anlamıyorum, neden geminin gerçek konumu "yaydığı ışık" ile ilişkilendiriliyor? Onu yanlış yerde görseler bile gerçekte ilk gemiyi geçecek!
kaynaklar
Hızın üst sınırı okul çocukları tarafından bile biliniyor: Kütle ve enerjiyi ünlü E = mc 2 formülüyle ilişkilendirdikten sonra, yirminci yüzyılın başında uzayda kütlesi olan herhangi bir şeyin uzayın hızından daha hızlı hareket etmesinin temel olarak imkansız olduğuna dikkat çekti. boşlukta ışık. Ancak bu formülasyon zaten bazı fiziksel olayların ve parçacıkların atlayabileceği boşluklar içeriyor. En azından teoride var olan fenomenlere.
İlk boşluk "kütle" kelimesiyle ilgilidir: Einstein'ın kısıtlamaları kütlesiz parçacıklar için geçerli değildir. Ayrıca, ışığın hızının vakumdakinden önemli ölçüde daha düşük olabildiği oldukça yoğun bazı ortamlar için de geçerli değildir. Son olarak, yeterli enerjinin uygulanmasıyla uzayın kendisi de yerel olarak deforme olabilir ve bu deformasyonun dışında, dışarıdaki bir gözlemciye hareketin ışık hızından daha hızlı görünmesine neden olacak şekilde harekete izin verebilir.
Bu "yüksek hızlı" olguların ve fizik parçacıklarının bazıları düzenli olarak kaydedilmekte ve laboratuvarlarda çoğaltılmakta, hatta pratikte, yüksek teknolojili alet ve cihazlarda kullanılmaktadır. Bilim insanları hala teorik olarak gerçekte tahmin edilen diğerlerini keşfetmeye çalışıyor ve diğerleri için de büyük planları var: Belki bir gün bu fenomenler, ışık hızıyla bile sınırlı olmaksızın Evrende özgürce hareket etmemize izin verecektir.
Kuantum ışınlanma
Durumu: aktif olarak gelişiyor
Yaşayan bir yaratık, teorik olarak izin verilen, ancak görünüşe göre pratikte asla mümkün olmayan bir teknolojinin güzel bir örneğidir. Ama eğer hakkında konuşuyoruzışınlanma, yani küçük nesnelerin, özellikle parçacıkların bir yerden başka bir yere anlık hareketi oldukça mümkündür. Görevi basitleştirmek için basit bir şeyle başlayalım: parçacıklar.
Görünüşe göre (1) parçacığın durumunu tamamen gözlemleyecek, (2) bu durumu ışık hızından daha hızlı iletecek, (3) orijinaline döndürecek cihazlara ihtiyacımız olacak.
Ancak böyle bir düzende ilk adım bile tam olarak hayata geçirilememektedir. Heisenberg'in belirsizlik ilkesi, bir parçacığın "eşleştirilmiş" parametrelerinin ölçülebileceği doğruluk konusunda aşılmaz kısıtlamalar getirir. Örneğin, momentumunu ne kadar iyi bilirsek koordinatlarını o kadar kötü biliriz ve bunun tersi de geçerlidir. Fakat önemli özellik kuantum ışınlanma, aslında, tıpkı herhangi bir şeyi geri yüklemeye gerek olmadığı gibi, parçacıkları ölçmeye de gerek olmamasıdır - bir çift dolaşık parçacık elde etmek yeterlidir.
Örneğin, bu tür dolaşık fotonları hazırlamak için doğrusal olmayan bir kristali belirli bir dalga boyundaki lazer radyasyonuyla aydınlatmamız gerekecek. Daha sonra gelen fotonlardan bazıları, açıklanamayacak şekilde birbirine bağlı iki dolanık fotona dönüşecek, böylece birinin durumundaki herhangi bir değişiklik anında diğerinin durumunu da etkileyecek. Bu bağlantı gerçekten açıklanamaz: Her ne kadar fenomenin kendisi sürekli olarak gösterilse de, kuantum dolanıklığın mekanizmaları hala bilinmiyor. Ancak bu, kafa karıştırmanın gerçekten çok kolay olduğu bir olgudur - şunu da eklemek yeterli olacaktır: Ölçümden önce bu parçacıkların hiçbiri gerekli özelliğe sahip değildir ve ilkini ölçerek hangi sonucu elde edersek edelim, ikincinin durumunun bizim sonucumuzla garip bir şekilde ilişkilidir.
1993 yılında Charles Bennett ve Gilles Brassard tarafından önerilen kuantum ışınlanma mekanizması, bir çift dolaşık parçacığa yalnızca bir katılımcının daha eklenmesini gerektiriyor; aslında bu, bizim ışınlanacağımız parçacık. Göndericiler ve alıcılar genellikle Alice ve Bob olarak adlandırılır ve biz de bu geleneği her birine dolaşık fotonlardan birini vererek takip edeceğiz. Aralarında makul bir mesafe varken Alice ışınlanmaya başlamaya karar verir vermez, istenen fotonu alır ve onun durumunu, dolaşık fotonlardan ilkinin durumuyla birlikte ölçer. Belirsiz dalga fonksiyonu Bu fotonun büyük bir kısmı çöker ve anında Bob'un ikinci dolaşık fotonunda yankılanır.
Ne yazık ki Bob, kendi fotonunun Alice'in fotonunun davranışına nasıl tepki verdiğini tam olarak bilmiyor: Bunu anlamak için, Alice'in ölçüm sonuçlarını ışık hızından daha hızlı olmayan normal postayla göndermesini beklemesi gerekiyor. Dolayısıyla böyle bir kanaldan herhangi bir bilginin iletilmesi mümkün olmayacaktır ancak gerçek şu ki. Bir fotonun durumunu ışınladık. İnsanlara geçmek için geriye kalan tek şey, teknolojiyi vücudumuzdaki 7000 trilyon trilyon atomun her bir parçacığını kapsayacak şekilde ölçeklendirmek; öyle görünüyor ki, bu atılımdan sonsuzluk kadar uzaktayız.
Ancak kuantum ışınlanması ve dolaşıklık, modern fiziğin en sıcak konularından biri olmaya devam ediyor. Her şeyden önce, bu tür iletişim kanallarının kullanılması, iletilen verilerin hacklenemez bir şekilde korunmasını vaat ettiğinden: Bu verilere erişim sağlamak için, saldırganların yalnızca Alice'ten Bob'a gelen mektubu değil, aynı zamanda Bob'un dolaşık parçacığına da erişmeleri gerekecek. ve ona ulaşmayı ve ölçüm yapmayı başarsalar bile, bu, fotonun durumunu sonsuza kadar değiştirecek ve hemen ortaya çıkacaktır.
Vavilov-Çerenkov etkisi
Durumu: uzun süredir kullanılıyor
Işık hızından daha hızlı seyahat etmenin bu yönü, Rus bilim adamlarının başarılarını hatırlamak için hoş bir neden. Bu fenomen 1934 yılında Sergei Vavilov'un önderliğinde çalışan Pavel Cherenkov tarafından keşfedildi, üç yıl sonra Igor Tamm ve Ilya Frank'ın çalışmalarında teorik gerekçeler elde edildi ve 1958'de şu anda ölen Vavilov hariç bu çalışmalara katılan tüm katılımcılar , Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü.
Aslında sadece ışığın boşluktaki hızından bahsediyor. Diğer şeffaf ortamlarda ışık oldukça belirgin bir şekilde yavaşlar, bunun sonucunda hava ile sınırlarında kırılma görülebilir. Camın kırılma indisi 1,49'dur, bu, içindeki ışığın faz hızının 1,49 kat daha az olduğu anlamına gelir, ancak örneğin elmasın kırılma indisi 2,42'dir ve içindeki ışığın hızı yarıdan fazla azalır. Hiçbir şey diğer parçacıkların ışık fotonlarından daha hızlı uçmasını engelleyemez.
Cherenkov'un deneylerinde yüksek enerjili gama radyasyonu nedeniyle ışıldayan sıvının moleküllerindeki yerlerinden çıkan elektronların başına gelen de tam olarak buydu. Bu mekanizma genellikle bir şok oluşumuyla karşılaştırılır. ses dalgası atmosferde süpersonik hızla uçarken. Ancak bunun bir kalabalığın içinde koştuğunu da düşünebilirsiniz: ışıktan daha hızlı hareket eden elektronlar diğer parçacıkların yanından hızla geçer, sanki onları bir omuzla fırçalıyormuş gibi ve yollarının her santimetresinde öfkeyle birkaç ila birkaç yüz arasında foton yaymalarına neden olur. .
Kısa süre sonra aynı davranış diğer tüm oldukça temiz ve şeffaf sıvılarda da keşfedildi ve ardından Cherenkov radyasyonu okyanusların derinliklerinde bile kaydedildi. Elbette yüzeyden gelen ışık fotonları aslında buraya ulaşmıyor. Ancak az miktardaki çürüyen radyoaktif parçacıklardan yayılan ultra hızlı parçacıklar, zaman zaman bir parıltı yaratarak, belki de en azından yerel sakinlerin görmesine olanak tanıyor.
Çerenkov-Vavilov radyasyonu bilimde uygulama alanı buldu. nükleer enerji ve ilgili alanlar. Nükleer santral reaktörleri parlak bir şekilde parlıyor ve hızlı parçacıklarla dolu. Bu radyasyonun özelliklerini doğru bir şekilde ölçerek ve çalışma ortamımızdaki faz hızını bilerek buna ne tür parçacıkların neden olduğunu anlayabiliriz. Gökbilimciler aynı zamanda ışığı ve enerjiyi tespit etmek için Çerenkov dedektörlerini de kullanıyor. kozmik parçacıklar: Ağır olanların istenilen hıza ulaşması inanılmaz derecede zordur ve radyasyon oluşturmazlar.
Kabarcıklar ve delikler
Burada bir kağıdın üzerinde sürünen bir karınca var. Hızı düşük ve zavallı adamın uçağın sol kenarından sağa ulaşması 10 saniye sürüyor. Ama ona acıyıp kağıdı büküp kenarlarını birleştirdiğimiz anda anında "ışınlanıyor". istenilen nokta. Benzer bir şey, doğal uzay-zamanımızla da yapılabilir; tek fark, bükülmenin bizim tarafımızdan algılanmayan diğer boyutların katılımını gerektirmesi, uzay-zaman tünelleri - ünlü solucan delikleri veya solucan delikleri oluşturmasıdır.
Bu arada, yeni teorilere göre bu tür solucan delikleri, halihazırda bilinen kuantum dolanıklık olgusunun bir tür uzay-zaman eşdeğeridir. Genel olarak onların varlığı, modern fiziğin önemli kavramlarıyla çelişmez. Ancak Evrenin dokusunda böyle bir tüneli sürdürmek için buna biraz benzer bir şey gerçek bilim, negatif enerji yoğunluğuna sahip varsayımsal bir "egzotik maddedir". Başka bir deyişle, kütleçekimsel itmeye neden olan türde bir madde olmalı. Bu egzotik türün evcilleştirilmesi şöyle dursun, bulunabileceğini hayal etmek bile zor.
Solucan deliklerine benzersiz bir alternatif, uzay-zamanın daha da egzotik bir deformasyonu olabilir; bu sürekliliğin kavisli yapısının bir balonunun içindeki hareket. Bu fikir 1993 yılında fizikçi Miguel Alcubierre tarafından dile getirildi, ancak bilim kurgu yazarlarının eserlerinde çok daha önce dile getirilmişti. Bu, hareket eden, uzay-zamanı burnunun önünde sıkıştırıp ezen ve arkadan tekrar düzleştiren bir uzay gemisi gibidir. Geminin kendisi ve mürettebatı, uzay-zamanın normal geometrisini koruduğu yerel bir bölgede kalıyor ve herhangi bir rahatsızlık yaşamıyor. Bu, hayalperestler arasında popüler olan ve böyle bir "warp motorunun" mütevazi olmadan Evren boyunca seyahat etmenize izin verdiği Star Trek serisinde açıkça görülmektedir.
Durum: fantastikten teorike
Fotonlar da diğerleri gibi kütlesiz parçacıklardır: Durgun haldeki kütleleri sıfırdır ve tamamen kaybolmamak için daima hareket etmek zorunda kalırlar ve daima ışık hızında hareket ederler. Bununla birlikte, bazı teoriler çok daha egzotik parçacıkların (takyonlar) varlığını öne sürüyor. En sevdiğimiz formül E = mc 2'de görünen kütleleri, asal bir sayıyla değil, karesi şunu veren özel bir matematiksel bileşeni içeren hayali bir sayıyla verilir. negatif sayı. Bu çok kullanışlı bir özellik ve en sevdiğimiz TV dizisi "Star Trek"in yazarları fantastik motorlarının işleyişini tam olarak "takiyonların enerjisinden yararlanarak" açıkladılar.
Aslında hayali kütle inanılmaz bir şey yapıyor: Takyonlar hızlandıkça enerji kaybetmek zorundalar, bu yüzden onlar için hayattaki her şey bizim düşündüğümüzden tamamen farklı. Atomlarla çarpıştıklarında enerji kaybederler ve hızlanırlar, böylece bir sonraki çarpışma daha da güçlü olur, bu da daha fazla enerjiyi alıp takyonları yeniden sonsuza kadar hızlandırır. Bu tür kişisel katılımın temel neden-sonuç ilişkilerini ihlal ettiği açıktır. Belki de şimdiye kadar sadece teorisyenlerin takiyonları incelemesinin nedeni budur: Doğadaki neden-sonuç ilişkilerinin bozulmasına dair tek bir örnek henüz hiç kimse görmemiştir ve eğer görürseniz, bir takiyon arayın ve Nobel Ödülü sizin için sağlandı.
Bununla birlikte, teorisyenler hala takyonların var olmayabileceğini, ancak uzak geçmişte pekâlâ var olabileceklerini ve bazı fikirlere göre, onların sonsuz olasılıklarının rol oynadığını gösterdi. önemli rol Büyük Patlama'da. Takyonların varlığı, Evrenin doğumundan önce içinde bulunabileceği sahte boşluğun son derece istikrarsız durumunu açıklıyor. Böyle bir dünya resminde, ışıktan hızlı hareket eden takyonlar varoluşumuzun gerçek temelini oluşturur ve Evrenin ortaya çıkışı, sahte bir boşluğun takyon alanının gerçek bir boşluğun şişme alanına geçişi olarak tanımlanır. Her ne kadar Einstein yasalarını ve hatta neden-sonuç ilişkisini ihlal edenlerin, içindeki tüm neden ve sonuçların kurucuları olduğu ortaya çıksa da, bunların hepsinin oldukça saygın teoriler olduğunu da eklemekte yarar var.
Karanlığın hızı
Durum: felsefi
Felsefi açıdan bakıldığında karanlık, ışığın yokluğudur ve hızlarının aynı olması gerekir. Ancak daha dikkatli düşünün: Karanlık çok daha hızlı hareket eden bir biçime bürünebilir. Bu formun adı gölgedir. Karşı duvarda bir köpeğin siluetini göstermek için parmaklarınızı kullandığınızı hayal edin. El fenerinin ışını uzaklaşır ve elinizin gölgesi, elin kendisinden çok daha büyük hale gelir. Parmağın en ufak bir hareketi, duvardaki gölgenin fark edilir bir mesafe hareket etmesi için yeterlidir. Ay'a gölge düşürsek ne olur? Yoksa daha da ilerideki hayali bir ekrana mı?..
Neredeyse hiç fark edilmeyen bir dalga - ve yalnızca geometri tarafından belirlenen herhangi bir hızda koşacaktır, dolayısıyla hiçbir Einstein ona bunu söyleyemez. Ancak gölgelerle flört etmemek daha iyidir çünkü bizi kolayca kandırırlar. Başa dönüp karanlığın yalnızca ışığın yokluğu olduğunu, dolayısıyla hiçbir fiziksel nesnenin böyle bir hareketle iletilmediğini hatırlamakta fayda var. Parçacık yok, bilgi yok, uzay-zamanın deformasyonu yok, sadece bunun ayrı bir fenomen olduğuna dair yanılsamamız var. Gerçek dünyada hiçbir karanlık ışığın hızına yetişemez.
NASA bilim adamlarının hayal ettiği, hareket edebilen gemilerin prototiplerini yapabilsek bile göreceli hız ve ayrıca uygunsuz bulunurdu harika bahar Onları gökyüzüne fırlatmak için gereken enerjiye sahip olmasaydık, yolculuğumuz Millennium Falcon'dan göründüğü kadar keyifli olmayacaktı. Bizi komşu yıldızlara uçma fırsatından ayıran şey teknoloji değil; sadece birkaç yüzyıllık bir mesele. Sorun, alanın bir yaşam alanı haline geldiğinde ne kadar tehlikeli hale geldiği ve insan vücudunun gerçekte ne kadar kırılgan olabileceğidir.
Yıldızlararası uzayda ışık hızıyla (300.000 km/s) hareket etmeye başlasaydık birkaç saniye içinde ölürdük. Uzaydaki madde yoğunluğunun çok düşük olmasına rağmen, bu hızda santimetreküp başına birkaç hidrojen atomu bile Dünya'da ancak Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'nda elde edilebilecek bir ivmeyle geminin pruvasına çarpacaktır. Bu nedenle saniyede on bin sievert'e eşdeğer bir radyasyon dozu alacağız. Bunu göz önünde bulundurarak öldürücü doz bir kişi için altı sievert var, böyle radyoaktif ışın gemiye zarar verecek ve gemideki tüm yaşamı yok edecektir.
"Uzayda ışık hızıyla hareket etmeye başlasaydık birkaç saniye içinde ölürdük."
Johns Hopkins Üniversitesi'nden bilim adamlarının araştırmasına göre hiçbir zırh bizi bundan koruyamaz. iyonlaştırıcı radyasyon. Bu durumda on santimetre kalınlığındaki bir alüminyum bölme, enerjinin %1'inden daha azını emecektir; ancak bölmelerin boyutu, kalkış olasılığını riske atmadan süresiz olarak artırılamaz. Ancak radyoaktif hidrojenin yanı sıra ışık hızındaki uzay aracımız da çarpma sonucu oluşacak erozyon tehlikesiyle karşı karşıya kalacak. yıldızlararası toz. İÇİNDE en iyi senaryoışık hızının% 10'unu kabul etmemiz gerekecek, bu da yalnızca en yakın yıldız olan Proxima Centauri'ye ulaşmayı zorlaştıracak. 4.22 mesafe dikkate alınarak ışık yılı böyle bir uçuş 40 yıl sürecektir, yani tamamlanmamış bir insan ömrü.
Kozmik radyasyon bizim için aşılmaz bir engel olmaya devam ediyor, ancak eğer uzak gelecekte bunun üstesinden gelebilirsek, ışık hızında yolculuk yapmak insan için mümkün olan en inanılmaz deneyim olacaktır. Bu hızda zaman yavaşlayacak ve yaşlanma çok daha uzun bir süreç haline gelecektir (sonuçta, ISS'deki astronotlar bile altı ay içinde Dünya'daki insanlardan 0,007 saniye daha az yaşlanmayı başarabilirler). Böyle bir uçuş sırasında görüş alanımız bükülerek bir tünele dönüşecektir. Yıldızların izini görmeden, hayal edebileceğiniz en zifiri karanlığı, en mutlak karanlığı arkamızda bırakarak, bu tünel boyunca ileriye doğru, kar beyazı bir parıltıya doğru uçacağız.
Büyük Hadron Çarpıştırıcısında fotonlar 299.792.455 m/s hıza kadar hızlandırılır. Bu, ışık hızından saniyede yalnızca üç metre daha azdır. Saniyede yalnızca üç metre, gerçekten, biraz zorlayıp fotonları ışık hızının üzerine çıkaramaz mıyız?
Cevap: hayır. Teorik olarak bile hiçbir nesne daha hızlı hareket edemez. Ve bunun bir açıklaması var. Kısacası evrendeki her şey kesinlikle bu hızla hareket eder ve onu aşamaz.
Öncelikle görelilik teorisine göre hız arttıkça kütlenin de arttığını belirtmekte fayda var. Düşük hızlarda bu fark edilmiyor ancak ışık hızına yaklaştıkça hızla büyümeye başlıyor. Hızlanmak giderek zorlaşacak ve tüm evrenin enerjisi hızı daha da artırmaya yetmeyecektir.
Ancak kütledeki artış her şeyi açıklamıyor. Örneğin, kütlesiz parçacıklar olan fotonlar neden ışık hızına ulaşamaz? Mesele, çoğu zaman yanlış hayal ettiğimiz uzay ve zamanın yapısındadır. Dört boyutlu bir dünyada yaşadığımız gerçeğinden yola çıkmaya değer. Üç uzaysal boyutun yanı sıra zamanımız da var.
Başlangıç olarak, x ekseninin uzaysal bir koordinat ve t'nin de bir zaman koordinatı olduğu iki boyutlu bir dünyayı ele alalım. Diyelim ki bir nesne x ekseni boyunca hareket ediyor. Zamanın her anındaki konumunu gösterebiliriz. Bütün bu noktalar sözde dünya çizgisini oluşturur.
Bir şey hareketsizse, dünya çizgisi dikey bir düz çizgidir; nesne hareket ediyorsa o zaman eğimlidir. Hız ne kadar yüksek olursa, daha fazla eğimçünkü daha kısa sürede üstesinden gelinir daha uzun mesafe. Hatta ışık hızına karşılık gelen bir eğim bile belirleyebilirsiniz.
Görünüşe göre Gerçekliğimizde sabit nesneler yoktur. Hem statik hem de dinamik nesneler zaman ekseni boyunca hareket eder.
Artık eğlence başlıyor, dört boyutlu dünyaya ve ışık hızını aşmak neden imkansızdır sorusunun cevabına geçiyoruz. Uzay dört boyutluysa hızın da dört boyutlu olması gerekir. Buna 4 vitesli denir.
Grafiğimizde bu dünya çizgisine teğet olacaktır. 
Ancak bileşenlerinin görülebileceği başka bir grafik oluşturmak daha iyidir.
Eğer oturur ve hiçbir şey yapmazsanız sadece zamanda hareket edersiniz. Saniyede bir saniyelik bir hızla. Hareket etmeye başlarsanız başka bir bileşen (uzaydaki hız) ortaya çıkacak ve 4 hız vektörü eğimli olacaktır. Ve 4 viteslinin boyutunun her zaman aynı olduğu ortaya çıktı - ışık hızına eşit. Yani hepimiz kesinlikle her zaman uzayda ve zamanda aynı 4 viteste koşuyoruz. Ve bunu ne artırabiliyoruz, ne de azaltabiliyoruz. Tek olasılık yönünü değiştirmektir. Hareket etmeye başlarsak 4 vitese hiçbir şey eklemiyoruz, sadece eğimini değiştiriyoruz.
Ne kadar hızlı hareket edersek eğim o kadar büyük olur.
Dikkat Uzaydaki hareketin hızı ne kadar büyükse, zamandaki hareketin hızı da o kadar düşük olur- bu, görelilik teorisinin meşhur olduğu zaman genişlemesinin etkisidir.
4 hız, grafikteki yatay çizgiye ulaştığında ışık hızına eşit olur. Ve 4 vitesi nasıl çevirirseniz çevirin, asla büyümeyecektir. Bu sınırdır. Doğrudan dünyamızın özelliklerinden kaynaklanmaktadır.
Ancak bunun mümkün olduğu ortaya çıktı; artık hiçbir zaman ışıktan daha hızlı gidemeyeceğimize inanıyorlar..." Ama aslında hareketin hızına kimsenin inandığı doğru değil. sesten daha hızlı imkansız. Süpersonik uçaklar ortaya çıkmadan çok önce mermilerin sesten daha hızlı uçtuğu biliniyordu. Gerçekte bunun imkansız olduğundan bahsediyorduk kontrollü süpersonik uçuş ve hata da buydu. SS hareketi tamamen farklı bir konudur. En başından beri süpersonik uçuşun engellendiği açıktı teknik sorunlar, bunun çözülmesi gerekiyordu. Ancak SS hareketini engelleyen sorunların çözülüp çözülemeyeceği tamamen belirsiz. Görelilik teorisinin bu konuda söyleyecek çok şeyi var. SS yolculuğu ve hatta sinyal iletimi mümkünse, nedensellik ihlal edilecek ve bundan tamamen inanılmaz sonuçlar çıkacaktır.
İlk önce tartışacağız basit vakalar SS hareketi. Bunlardan ilginç oldukları için değil, SS hareketi tartışmalarında tekrar tekrar gündeme geldikleri ve bu nedenle de ele alınmaları gerektiği için bahsediyoruz.
Daha sonra KH hareketi veya iletişiminin zor vakaları olarak değerlendirdiğimiz durumları tartışacağız ve bunlara karşı olan bazı argümanları ele alacağız. Son olarak gerçek SS hareketine ilişkin en ciddi varsayımlara bakacağız.
Basit SS hareketi
1. Çerenkov radyasyonu olgusu Işıktan daha hızlı hareket etmenin bir yolu, önce ışığın kendisini yavaşlatmaktır! :-) Boşlukta ışık hızla hareket eder C ve bu miktar evrensel bir sabittir (Işığın hızı sabit midir sorusuna bakın) ve su veya cam gibi daha yoğun bir ortamda hıza yavaşlar c/n , Nerede N
ortamın kırılma indisidir (hava için 1,0003; su için 1,4). Bu nedenle parçacıklar suda veya havada, ışığın orada hareket ettiğinden daha hızlı hareket edebilir. Sonuç olarak Vavilov-Cherenkov radyasyonu meydana gelir (soruya bakın). Işıktan daha hızlı hareket etmenin bir yolu, önce ışığın kendisini yavaşlatmaktır! :-) Boşlukta ışık hızla hareket eder Ancak SS hareketinden bahsettiğimizde elbette boşlukta ışık hızının aşılmasını kastediyoruz.
(299.792.458 m/s). Bu nedenle Çerenkov fenomeni SS hareketinin bir örneği olarak değerlendirilemez.
2. Üçüncü taraftan Eğer roket A benden hızla uzaklaşıyor 0.6c batıda ve diğerinde B benden hızla uzaklaşıyor- benden hızla Eğer roket doğuya doğru, ardından aralarındaki toplam mesafe batıda ve diğerinde Ve benim referans çerçevemde hız arttıkça artıyor 1.2c
. Böylece c'den daha büyük görünür bir bağıl hız "üçüncü taraftan" gözlemlenebilir. Eğer roket Ancak bu hız, genellikle göreceli hızdan anladığımız şey değildir. Gerçek roket hızı batıda ve diğerinde rokete göre batıda ve diğerinde- roket içindeki gözlemci tarafından gözlemlenen, roketler arasındaki mesafedeki artış hızıdır . Hızları eklemek için göreli formül kullanılarak iki hız toplanmalıdır (Kısmi görelilikte hızlar nasıl eklenir sorusuna bakın). İÇİNDE bu durumda bağıl hız yaklaşık olarak 0.88c
yani süperluminal değildir.
3. Gölgeler ve tavşanlar Bir gölgenin ne kadar hızlı hareket edebileceğini düşünün. Yakındaki bir lambadan parmağınızla uzak bir duvarda gölge oluşturup ardından parmağınızı hareket ettirirseniz, gölge parmağınızdan çok daha hızlı hareket eder. Parmak duvara paralel hareket ederse gölgenin hızı artacaktır. Gün/gün parmak hızının çarpımı, burada D - parmaktan lambaya olan mesafe ve- lambadan duvara olan mesafe. Duvar belli bir açıyla yerleştirilmişse daha da yüksek hız elde edebilirsiniz. Duvar çok uzaktaysa, ışığın yine de parmaktan duvara ulaşması gerekeceğinden gölgenin hareketi parmağın hareketinin gerisinde kalacaktır, ancak yine de gölgenin hızı aynı olacaktır. kat daha fazla. Yani gölgenin hızı, ışığın hızıyla sınırlı değildir.
Gölgelere ek olarak tavşanlar, örneğin Ay'a yönelik bir lazer ışınından gelen bir nokta gibi ışıktan daha hızlı hareket edebilirler. Ay'a olan mesafenin 385.000 km olduğunu bilerek lazeri hafifçe hareket ettirerek tavşanın hızını hesaplamaya çalışın. Şunu da düşünebilirsiniz deniz dalgası, kıyıya eğik bir şekilde çarpıyor. Dalganın kırıldığı nokta ne kadar hızlı hareket edebilir?
Doğada da benzer şeyler olabilir. Örneğin bir pulsardan gelen ışık demeti bir toz bulutunu tarayabilir. Parlak bir flaş, genişleyen bir ışık veya başka radyasyon kabuğu oluşturur. Yüzeyi geçtiğinde ışık hızından daha hızlı büyüyen bir ışık halkası oluşturur. Doğada bu, yıldırımdan gelen elektromanyetik bir darbenin atmosferin üst katmanlarına ulaşmasıyla meydana gelir.
Bunların hepsi ışıktan hızlı hareket eden ama fiziksel beden olmayan şeylerin örnekleriydi. Bir gölge veya tavşan kullanmak SS mesajını iletemez, dolayısıyla ışıktan daha hızlı iletişim işe yaramaz. Ve yine, tam olarak neye ihtiyacımız olduğunu belirlemenin ne kadar zor olduğu açıkça ortaya çıksa da, görünüşe göre SS hareketinden anlamak istediğimiz şey bu değil (FTL makası sorusuna bakın).
4. Katılar
Uzun ve sert bir çubuğun bir ucunu iterseniz diğer ucu hemen içeri girer mi girmez mi? Bir mesajın CC aktarımını bu şekilde gerçekleştirmek mümkün müdür?
Evet öyleydi istemek eğer bu tür katılar mevcutsa yapılabilir. Gerçekte, bir çubuğun ucuna gelen darbenin etkisi, çubuk boyunca ses hızıyla yayılır. bu madde ve sesin hızı malzemenin esnekliğine ve yoğunluğuna bağlıdır. Görelilik herhangi bir cismin olası sertliğine mutlak bir sınır koyar, böylece cisimlerdeki ses hızı aşılamaz. Işıktan daha hızlı hareket etmenin bir yolu, önce ışığın kendisini yavaşlatmaktır! :-) Boşlukta ışık hızla hareket eder.
Aynı şey, bir çekim alanı içindeyseniz ve önce bir ipi veya direği üst ucundan dikey olarak tutup sonra serbest bırakırsanız da olur. Bıraktığınız nokta hemen hareket etmeye başlayacak ve serbest bırakmanın etkisi ses hızına ulaşana kadar alt uç düşmeye başlayamayacak.
Görelilik çerçevesinde elastik malzemelere ilişkin genel bir teori formüle etmek zordur, ancak temel fikir Newton mekaniği örneği kullanılarak gösterilebilir. İdeal elastik bir cismin boyuna hareketinin denklemi Hooke yasasından elde edilebilir. Birim uzunluk başına kütle değişkenlerinde P ve Young'ın esneklik modülü e, uzunlamasına yer değiştirme X dalga denklemini karşılar.
Düzlem dalga çözümü ses hızında hareket eder S, Ve S 2 = Y/p. Bu denklem nedensel etkinin daha hızlı yayılma olasılığını ima etmez S. Dolayısıyla görelilik, esnekliğin büyüklüğüne teorik bir sınır getirir: e < PC 2. Pratikte ona yakın bile malzeme yoktur. Bu arada sesin malzemedeki hızı buna yakın olsa bile Işıktan daha hızlı hareket etmenin bir yolu, önce ışığın kendisini yavaşlatmaktır! :-) Boşlukta ışık hızla hareket eder Maddenin kendisi hiçbir şekilde göreceli bir hızla hareket etmek zorunda değildir.
Peki prensipte bu sınırı aşan bir maddenin olamayacağını nereden biliyoruz? Cevap, tüm maddenin parçacıklardan oluştuğu, aralarındaki etkileşimin temel parçacıkların standart modeline uyduğu ve bu modelde hiçbir etkileşimin ışıktan daha hızlı yayılamayacağıdır (kuantum alan teorisi hakkında aşağıya bakın).
5. Faz hızı
Şu dalga denklemine bakın:
Bu formun çözümleri vardır:
Bu çözümler belirli bir hızla hareket eden sinüzoidal dalgalardır.
Ama bu ışıktan hızlı, yani takyon alanı denklemi elimizde mi? Hayır, bu sadece büyük bir skaler parçacığın sıradan bir göreli denklemidir! Faz hızı olarak da adlandırılan bu hız arasındaki farkı anlarsak paradoks çözülecektir. vph grup hızı adı verilen başka bir hızdan v gr
formülle verilen, Işıktan daha hızlı hareket etmenin bir yolu, önce ışığın kendisini yavaşlatmaktır! :-) Boşlukta ışık hızla hareket eder Dalga çözümünün bir frekans yayılımı varsa, o zaman grup hızını aşmayacak şekilde hareket eden bir dalga paketi şeklini alacaktır.
. Yalnızca dalga tepeleri faz hızıyla hareket eder.
Böyle bir dalgayı kullanarak yalnızca grup hızında bilgi iletmek mümkündür, bu nedenle faz hızı bize bilgi taşıyamayan süper ışık hızının başka bir örneğini verir. Işıktan daha hızlı hareket etmenin bir yolu, önce ışığın kendisini yavaşlatmaktır! :-) Boşlukta ışık hızla hareket eder. Görelilik teorisine göre, gemiden gelen sinyallerin Doppler kaymasını hesaba kattıktan sonra bile, gemide zamanın yavaşladığını ve oradaki saatin 0,6 kat daha yavaş çalıştığını görecektir. Geminin kat ettiği mesafenin, gemi saatiyle ölçülen süreye oranını hesaplarsa 4/3 elde eder. Işıktan daha hızlı hareket etmenin bir yolu, önce ışığın kendisini yavaşlatmaktır! :-) Boşlukta ışık hızla hareket eder. Bu, geminin yolcularının yıldızlararası uzayda, ölçülse deneyimleyecekleri ışık hızından daha yüksek bir etkin hızla seyahat ettikleri anlamına geliyor. Gemi yolcularının bakış açısından, yıldızlararası mesafeler aynı 0,6 kat Lorentz daralmasına maruz kalır ve bu nedenle onların da bilinen yıldızlararası mesafeleri 4/3 oranında kat ettiklerini kabul etmeleri gerekir. Işıktan daha hızlı hareket etmenin bir yolu, önce ışığın kendisini yavaşlatmaktır! :-) Boşlukta ışık hızla hareket eder.
Bu gerçek fenomen ve prensip olarak uzay yolcuları tarafından yaşamları boyunca çok uzun mesafeleri kat etmek için kullanılabilir. Eğer Dünya'daki serbest düşüşün ivmesine eşit sabit bir ivmeyle hızlanırlarsa, o zaman sadece gemilerinde ideal yapay yerçekimine sahip olmakla kalmayacak, aynı zamanda sadece 12 yıl içinde Galaksiyi geçmek için zamanları olacak! (Göreceli bir roketin denklemleri nelerdir sorusuna bakın)
Ancak bu gerçek bir SS hareketi değil. Etkili hız, bir referans çerçevesindeki mesafeden, diğerinde ise zamandan hesaplanır. Bu gerçek hız değil. Bu hızdan sadece geminin yolcuları faydalanıyor. Örneğin sevk memurunun hayatı boyunca onların devasa bir mesafe uçtuğunu görmeye vakti olmayacak.
SS hareketinin karmaşık vakaları
9. Einstein, Podolsky, Rosen paradoksu (EPR)
10. Sanal fotonlar
11. Kuantum tünelleme
SS yolcuları için gerçek adaylar
İÇİNDE bu bölüm olasılığa dair spekülatif ama ciddi varsayımlar veriliyor FTL seyahati. Bunlar normalde bir SSS'de yer alacak türde şeyler olmayacak çünkü cevapladıklarından daha fazla soru ortaya çıkarıyorlar. Burada esas olarak bu yönde ciddi araştırmaların yapıldığını göstermek amacıyla sunulmuştur. Her yöne yalnızca kısa bir giriş verilmiştir.
Daha detaylı bilgiyi internette bulabilirsiniz.
19. Takyonlar Takyonlar Yerel olarak ışıktan daha hızlı hareket eden. Bunun için hayali bir kütleye sahip olmaları, ancak enerjilerinin ve momentumlarının pozitif olması gerekir.
Bazen bu tür SS parçacıklarının tespit edilmesinin imkansız olduğu düşünülür, ancak aslında böyle düşünmek için hiçbir neden yoktur. Gölgeler ve tavşanlar bize SS hareketinin henüz görünmezlik anlamına gelmediğini söylüyor. Takyonlar hiçbir zaman gözlemlenmedi ve çoğu fizikçi onların varlığından şüphe ediyor. Bir zamanlar Trityum'un bozunması sırasında yayılan nötrinoların kütlesini ölçmek için deneyler yapıldığı ve bu nötrinoların takiyon olduğu belirtilmişti. Bu son derece şüphelidir, ancak yine de dışlanmamaktadır. Takyon teorilerinde problemler var, çünkü bakış açısına göre olası ihlaller
nedensellik, boşluğu istikrarsızlaştırırlar. Bu sorunları aşmak mümkün olabilir ama o zaman ihtiyacımız olan SS mesajında takyonları kullanmak imkansız hale gelecektir.
Gerçek şu ki çoğu fizikçi takyonları kendi alan teorilerindeki bir hatanın işareti olarak görüyor ve halkın bunlara olan ilgisi esas olarak bilim kurgu tarafından körükleniyor (Takyonlar makalesine bakın).
20. Solucan delikleri KH seyahatinin önerilen en ünlü olasılığı solucan deliklerinin kullanılmasıdır. Solucan delikleri, Evrendeki bir yeri diğerine bağlayan uzay-zamandaki tünellerdir. Bunları, bu noktalar arasında ışığın normal yolundan gittiğinden daha hızlı hareket etmek için kullanabilirsiniz. Solucan delikleri klasik bir olgudur genel görelilik
ancak bunları yaratmak için uzay-zamanın topolojisini değiştirmeniz gerekir. Bunun olasılığı kuantum kütleçekimi teorisinde yer alıyor olabilir. Solucan deliklerini açık tutmak için çok büyük miktarda negatif enerjiye ihtiyaç vardır. Yanlış Ve Thorne Büyük ölçekli Casimir etkisinin negatif enerji üretmek için kullanılabileceğini öne sürdü ve Viser
Thorne, eğer solucan delikleri yaratılabilirse, bunların zaman yolculuğunu mümkün kılacak kapalı zaman döngüleri yaratmak için kullanılabileceğini keşfetti. Kuantum mekaniğinin çok değişkenli yorumunun, zamanda yolculuğun herhangi bir paradoksa yol açmayacağını ve zamanda geriye gittiğinizde olayların basitçe farklı şekilde gelişeceğini gösterdiği de ileri sürülmüştür. Hawking, solucan deliklerinin kararsız olabileceğini ve bu nedenle pratik olmayabileceğini söylüyor. Ancak konunun kendisi hala verimli bir alan olmaya devam ediyor. düşünce deneyleri bilinen ve varsayılan fizik yasalarına dayanarak neyin mümkün olduğunu ve neyin mümkün olmadığını anlamamızı sağlar.
referanslar:
W. G. Morris ve K. S. Thorne, American Journal of Physics 56
,
395-412 (1988)
W. G. Morris, K. S. Thorne ve U. Yurtsever, Phys. Rev. Edebiyat 61
, 1446-9 (1988)
Matt Visser, Fiziksel İnceleme D39, 3182-4 (1989)
ayrıca bkz. "Kara Delikler ve Zaman Bükülmeleri" Kip Thorn, Norton & co. (1994)
Çoklu evrenin açıklaması için bkz. "The Fabric of Reality" David Deutsch, Penguin Press.
21. Deformer motorlar
[Bunu nasıl tercüme edeceğime dair hiçbir fikrim yok! Orijinal warp sürücüsünde. - yaklaşık. çevirmen;
Membran hakkındaki makaleye benzetilerek çevrilmiştir]
Bir çarpıtma, bir nesnenin ışıktan daha hızlı hareket edebilmesi için uzay-zamanı büken bir mekanizma olabilir. Miguel Alcabiere Böyle bir deforme ediciyi tanımlayan geometriyi geliştirmesiyle ünlendi.
Uzay-zamanın bozulması, bir nesnenin zaman benzeri bir eğri üzerinde kalarak ışıktan daha hızlı hareket etmesini mümkün kılar. Engeller solucan delikleri oluştururkenkilerle aynıdır. Bir deforme edici oluşturmak için negatif enerji yoğunluğuna sahip bir maddeye ihtiyacınız vardır. Böyle bir madde mümkün olsa bile nasıl elde edilebileceği ve bir deforme ediciyi çalıştırmak için nasıl kullanılacağı hala net değil. 11
referans
Çözüm
M. Alcubierre, Klasik ve Kuantum Yerçekimi, , L73-L77, (1994) ancak bunların uygulanması henüz teknik olarak mümkün değildir. Heisenberg'in belirsizlik ilkesi, kuantum mekaniğinde görünür SS hareketinin kullanılmasını imkansız hale getirir. Genel görelilikte SS hareketinin potansiyel araçları vardır, ancak bunların kullanılması mümkün olmayabilir.