Dành riêng cho việc đo trực tiếp tốc độ neutrino. Các kết quả nghe có vẻ giật gân: tốc độ neutrino hơi khác một chút - nhưng có ý nghĩa thống kê! - nhanh hơn tốc độ ánh sáng. Bài báo hợp tác bao gồm một phân tích về nhiều nguồn sai sót và độ không đảm bảo khác nhau, nhưng phản ứng của đại đa số các nhà vật lý vẫn còn rất nghi ngờ, chủ yếu là vì kết quả này không nhất quán với các dữ liệu thực nghiệm khác về tính chất của neutrino.

Cơm. 1.

Chi tiết thử nghiệm

Ý tưởng của thí nghiệm (xem thí nghiệm OPERA) rất đơn giản. Một chùm neutrino được sinh ra tại CERN, bay qua Trái đất đến phòng thí nghiệm Gran Sasso của Ý và đi qua đó thông qua máy dò neutrino OPERA đặc biệt. Neutrino tương tác rất yếu với vật chất, nhưng do dòng của chúng từ CERN quá lớn nên một số neutrino vẫn va chạm với các nguyên tử bên trong máy dò. Ở đó, chúng tạo ra một loạt các hạt tích điện và do đó để lại tín hiệu trong máy dò. Neutrino tại CERN không được sinh ra liên tục mà theo “các vụ nổ”, và nếu chúng ta biết thời điểm ra đời của neutrino và thời điểm hấp thụ của nó trong máy dò, cũng như khoảng cách giữa hai phòng thí nghiệm, chúng ta có thể tính được tốc độ của neutrino.

Khoảng cách giữa nguồn và máy dò theo đường thẳng là khoảng 730 km và được đo với độ chính xác 20 cm (khoảng cách chính xác giữa các điểm tham chiếu là 730.534,61 ± 0,20 mét). Đúng là quá trình dẫn đến sự ra đời của neutrino không được định vị với độ chính xác như vậy. Tại CERN, một chùm proton năng lượng cao được giải phóng từ máy gia tốc SPS, rơi xuống tấm bia than chì và tạo ra các hạt thứ cấp, bao gồm cả meson. Chúng vẫn bay về phía trước với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng và phân hủy thành muon đồng thời phát ra neutrino. Muon cũng phân rã và tạo ra thêm neutrino. Sau đó, tất cả các hạt, ngoại trừ neutrino, bị hấp thụ bởi độ dày của chất đó và chúng tự do đi tới vị trí phát hiện. Sơ đồ chung của phần thí nghiệm này được thể hiện trên Hình 2. 1.

Toàn bộ tầng dẫn tới sự xuất hiện của chùm neutrino có thể kéo dài hàng trăm mét. Tuy nhiên, kể từ khi Tất cả các hạt trong chùm này bay về phía trước với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng; về thời gian phát hiện, thực tế không có sự khác biệt nào cho dù neutrino được sinh ra ngay lập tức hay sau một km di chuyển (tuy nhiên, điều quan trọng là khi nào chính xác là proton ban đầu dẫn đến sự ra đời của neutrino này đã bay ra khỏi máy gia tốc). Kết quả là, nhìn chung, các neutrino được tạo ra chỉ đơn giản lặp lại hình dạng của chùm proton ban đầu. Do đó, tham số quan trọng ở đây chính xác là cấu hình thời gian của chùm proton phát ra từ máy gia tốc, đặc biệt là vị trí chính xác của các cạnh đầu và cuối của nó, và cấu hình này được đo bằng thời gian chính xác. Sđộ phân giải m (xem Hình 2).

Mỗi phiên thả chùm proton vào mục tiêu (trong tiếng Anh, phiên như vậy được gọi là đổ tràn, “bùng nổ”) kéo dài khoảng 10 micro giây và dẫn đến sự ra đời của một số lượng lớn neutrino. Tuy nhiên, hầu hết chúng đều bay xuyên qua Trái đất (và máy dò) mà không có sự tương tác. Trong những trường hợp hiếm hoi khi máy dò tìm thấy neutrino, không thể nói chính xác thời điểm nào trong khoảng thời gian 10 micro giây nó được phát ra. Việc phân tích chỉ có thể được thực hiện theo thống kê, nghĩa là tích lũy nhiều trường hợp phát hiện neutrino và xây dựng sự phân bố của chúng theo thời gian so với điểm bắt đầu cho mỗi phiên. Trong máy dò, điểm bắt đầu được coi là thời điểm mà tín hiệu thông thường, chuyển động với tốc độ ánh sáng và phát ra chính xác tại thời điểm cạnh đầu của chùm proton, tới máy dò. Việc đo lường chính xác khoảnh khắc này có thể thực hiện được bằng cách đồng bộ hóa đồng hồ ở hai phòng thí nghiệm với độ chính xác vài nano giây.

Trong hình. Hình 3 cho thấy một ví dụ về sự phân bố như vậy. Các chấm đen là dữ liệu neutrino thực được máy dò ghi lại và tổng hợp qua một số lượng lớn phiên. Đường cong màu đỏ thể hiện tín hiệu “tham chiếu” thông thường sẽ truyền đi với tốc độ ánh sáng. Có thể thấy rằng dữ liệu bắt đầu ở khoảng 1048,5 ns trước đó tín hiệu tham chiếu Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là neutrino thực sự đi trước ánh sáng một phần triệu giây, mà chỉ là lý do để đo cẩn thận tất cả chiều dài cáp, tốc độ đáp ứng của thiết bị, thời gian trễ điện tử, v.v. Việc kiểm tra lại này đã được thực hiện và hóa ra nó bù lại mô-men xoắn “tham chiếu” thêm 988 ns. Do đó, hóa ra tín hiệu neutrino thực sự vượt qua tín hiệu tham chiếu, nhưng chỉ trong khoảng 60 nano giây. Xét về tốc độ neutrino, điều này tương ứng với việc vượt quá tốc độ ánh sáng khoảng 0,0025%.

Sai số của phép đo này được các tác giả phân tích ước tính là 10 nano giây, bao gồm cả sai số thống kê và sai số hệ thống. Do đó, các tác giả tuyên bố rằng họ “nhìn thấy” chuyển động neutrino siêu sáng ở mức độ tin cậy thống kê là sáu độ lệch chuẩn.

Sự khác biệt giữa kết quả và kỳ vọng bằng sáu độ lệch chuẩn đã khá lớn và trong vật lý hạt được gọi là từ “khám phá” lớn. Tuy nhiên, con số này phải được hiểu cho chính xác: nó chỉ có nghĩa là xác suất thống kê những biến động trong dữ liệu là rất nhỏ, nhưng nó không cho thấy kỹ thuật xử lý dữ liệu đáng tin cậy đến mức nào và các nhà vật lý đã tính đến tất cả các lỗi của thiết bị tốt đến mức nào. Rốt cuộc, có rất nhiều ví dụ trong vật lý hạt trong đó các tín hiệu bất thường không được xác nhận bởi các thí nghiệm khác với độ tin cậy thống kê đặc biệt cao.

Neutrino siêu sáng mâu thuẫn với điều gì?

Ngược lại với niềm tin phổ biến, thuyết tương đối hẹp bản thân nó không cấm sự tồn tại của các hạt chuyển động với tốc độ siêu sáng. Tuy nhiên, đối với những hạt như vậy (chúng thường được gọi là "tachyon"), tốc độ ánh sáng cũng là một giới hạn, nhưng chỉ từ bên dưới - chúng không thể chuyển động chậm hơn nó. Trong trường hợp này, sự phụ thuộc của năng lượng hạt vào tốc độ là nghịch đảo: năng lượng càng cao thì tốc độ của tachyon càng gần với tốc độ ánh sáng.

Những vấn đề nghiêm trọng hơn nhiều bắt đầu từ lý thuyết trường lượng tử. Lý thuyết này thay thế cơ học lượng tử khi nói đến các hạt lượng tử có năng lượng cao. Trong lý thuyết này, các hạt không phải là điểm, mà nói một cách tương đối là các cục của một trường vật chất và chúng không thể được xem xét tách biệt khỏi trường. Hóa ra tachyon làm giảm năng lượng của trường, nghĩa là chúng làm cho chân không không ổn định. Khi đó, sẽ có lợi hơn nếu khoảng trống tự phân hủy thành một số lượng lớn các hạt này, và do đó việc xem xét chuyển động của một tachyon trong không gian trống rỗng thông thường là vô nghĩa. Chúng ta có thể nói rằng tachyon không phải là hạt mà là sự mất ổn định của chân không.

Trong trường hợp của tachyon-fermion, tình huống có phần phức tạp hơn, nhưng ở đó cũng nảy sinh những khó khăn tương đương ngăn cản việc tạo ra một lý thuyết trường lượng tử tachyon tự nhất quán, bao gồm cả lý thuyết tương đối thông thường.

Tuy nhiên, đây cũng không phải là lời cuối cùng trên lý thuyết. Giống như các nhà thực nghiệm đo lường mọi thứ có thể đo lường được, các nhà lý thuyết cũng kiểm tra tất cả các mô hình giả thuyết khả thi không mâu thuẫn với dữ liệu sẵn có. Đặc biệt, có những lý thuyết cho phép có một sai lệch nhỏ, chưa được chú ý, so với các định đề của thuyết tương đối - ví dụ, bản thân tốc độ ánh sáng có thể là một giá trị thay đổi. Những lý thuyết như vậy chưa có sự hỗ trợ thực nghiệm trực tiếp, nhưng chúng vẫn chưa bị đóng cửa.

Bản phác thảo ngắn gọn về các khả năng lý thuyết này có thể được tóm tắt như sau: mặc dù chuyển động siêu âm có thể xảy ra trong một số mô hình lý thuyết, nhưng chúng vẫn chỉ là những cấu trúc giả thuyết thuần túy. Tất cả dữ liệu thực nghiệm hiện nay đều được mô tả bằng các lý thuyết tiêu chuẩn không có chuyển động siêu sáng. Do đó, nếu nó được xác nhận một cách đáng tin cậy đối với ít nhất một số hạt thì lý thuyết trường lượng tử sẽ phải được làm lại một cách triệt để.

Kết quả OPERA có nên được coi là “dấu hiệu đầu tiên” theo nghĩa này không? Chưa. Có lẽ lý do quan trọng nhất cho sự hoài nghi vẫn là kết quả của OPERA không phù hợp với các dữ liệu thực nghiệm khác về neutrino.

Thứ nhất, trong vụ nổ siêu tân tinh nổi tiếng SN1987A, neutrino cũng được ghi nhận đến trước xung ánh sáng vài giờ. Điều này không có nghĩa là neutrino chuyển động nhanh hơn ánh sáng, mà chỉ phản ánh thực tế là neutrino được phát ra sớm hơn trong vụ sụp đổ lõi siêu tân tinh so với ánh sáng. Tuy nhiên, vì neutrino và ánh sáng, sau khi truyền đi 170 nghìn năm, không phân kỳ quá vài giờ, điều đó có nghĩa là tốc độ của chúng rất gần nhau và chênh lệch không quá một phần tỷ. Thí nghiệm OPERA cho thấy sự khác biệt lớn hơn hàng nghìn lần.

Tất nhiên, ở đây, chúng ta có thể nói rằng neutrino được tạo ra trong các vụ nổ siêu tân tinh và neutrino từ CERN khác nhau rất nhiều về năng lượng (vài chục MeV trong siêu tân tinh và 10–40 GeV trong thí nghiệm được mô tả), và tốc độ của neutrino thay đổi tùy theo năng lượng. . Nhưng sự thay đổi này trong trường hợp này hoạt động theo hướng “sai”: xét cho cùng, năng lượng của tachyon càng cao thì tốc độ của chúng càng gần với tốc độ ánh sáng. Tất nhiên, ngay cả ở đây chúng ta cũng có thể đưa ra một số sửa đổi nào đó của lý thuyết tachyon trong đó sự phụ thuộc này sẽ hoàn toàn khác, nhưng trong trường hợp này chúng ta sẽ phải thảo luận về mô hình “giả thuyết kép”.

Hơn nữa, từ dữ liệu thực nghiệm phong phú về dao động neutrino thu được trong những năm gần đây, có thể suy ra rằng khối lượng của mọi neutrino chỉ khác nhau một phần của một electronvolt. Nếu kết quả của OPERA được coi là biểu hiện của chuyển động siêu sáng của neutrino, thì giá trị bình phương của khối lượng của ít nhất một neutrino sẽ vào cỡ –(100 MeV) 2 (khối lượng bình phương âm là biểu hiện toán học của thực tế là hạt được coi là tachyon). Thế thì chúng ta phải thừa nhận rằng Tất cả các loại neutrino là tachyon và có khối lượng xấp xỉ nhau. Mặt khác, phép đo trực tiếp khối lượng neutrino trong quá trình phân rã beta của hạt nhân tritium cho thấy khối lượng neutrino (trong giá trị tuyệt đối) không được vượt quá 2 electronvolt. Nói cách khác, sẽ không thể đối chiếu tất cả dữ liệu này với nhau.

Kết luận từ điều này có thể được rút ra như sau: kết quả được công bố của sự hợp tác OPERA rất khó phù hợp với bất kỳ mô hình lý thuyết kỳ lạ nhất nào, ngay cả những mô hình lý thuyết kỳ lạ nhất.

Tiếp theo là gì?

Trong tất cả các hợp tác lớn về vật lý hạt, thông thường mỗi phân tích cụ thể sẽ được thực hiện bởi một nhóm nhỏ người tham gia và chỉ khi đó kết quả mới được trình bày để thảo luận chung. Trong trường hợp này, rõ ràng, giai đoạn này quá ngắn, do đó không phải tất cả những người tham gia cộng tác đều đồng ý ký vào bài báo (danh sách đầy đủ bao gồm 216 người tham gia thử nghiệm, nhưng bản in trước chỉ có 174 tác giả). Do đó, trong tương lai gần, rõ ràng, nhiều cuộc kiểm tra bổ sung sẽ được thực hiện trong quá trình cộng tác và chỉ sau đó bài báo mới được gửi đi in.

Tất nhiên, bây giờ chúng ta có thể mong đợi một loạt các bài báo lý thuyết với nhiều cách giải thích kỳ lạ khác nhau cho kết quả này. Tuy nhiên, cho đến khi kết quả đã nêu được kiểm tra kỹ lưỡng một cách đáng tin cậy thì nó không thể được coi là một khám phá chính thức.

Tiến sĩ Khoa học Kỹ thuật A. GOLUBEV.

Vào giữa năm ngoái, một thông điệp giật gân xuất hiện trên các tạp chí. Một nhóm các nhà nghiên cứu người Mỹ đã phát hiện ra rằng một xung laser rất ngắn chuyển động trong một môi trường được chọn lọc đặc biệt nhanh hơn hàng trăm lần so với trong chân không. Hiện tượng này dường như hoàn toàn khó tin (tốc độ ánh sáng trong môi trường luôn nhỏ hơn trong chân không) và thậm chí còn làm dấy lên nghi ngờ về tính đúng đắn của thuyết tương đối đặc biệt. Trong khi đó, một vật thể vật lý siêu sáng - xung laser trong môi trường khuếch đại - lần đầu tiên được phát hiện không phải vào năm 2000 mà là 35 năm trước đó, vào năm 1965, và khả năng chuyển động siêu sáng đã được thảo luận rộng rãi cho đến đầu những năm 70. Ngày nay, cuộc thảo luận xung quanh hiện tượng kỳ lạ này đã bùng lên với sức sống mới.

Ví dụ về chuyển động "siêu sáng".

Vào đầu những năm 60, người ta bắt đầu thu được các xung ánh sáng công suất cao ngắn bằng cách truyền một tia laser qua bộ khuếch đại lượng tử (một môi trường có mật độ đảo ngược).

Trong môi trường khuếch đại, vùng đầu tiên của xung ánh sáng gây ra sự phát xạ kích thích của các nguyên tử trong môi trường khuếch đại và vùng cuối cùng gây ra sự hấp thụ năng lượng của chúng. Kết quả là người quan sát sẽ thấy rằng xung đang chuyển động nhanh hơn ánh sáng.

Thí nghiệm của Lijun Wong.

Một tia sáng truyền qua lăng kính làm bằng vật liệu trong suốt (ví dụ như thủy tinh) bị khúc xạ, nghĩa là nó bị tán sắc.

Xung ánh sáng là một tập hợp các dao động có tần số khác nhau.

Có lẽ tất cả mọi người - ngay cả những người ở xa vật lý - đều biết rằng tốc độ chuyển động tối đa có thể có của các vật thể vật chất hoặc sự lan truyền của bất kỳ tín hiệu nào là tốc độ ánh sáng trong chân không. Nó được biểu thị bằng chữ cái Với và gần 300 nghìn km một giây; giá trị chính xác Với= 299.792.458 m/s. Tốc độ ánh sáng trong chân không là một trong những hằng số vật lý cơ bản. Không có khả năng đạt được tốc độ vượt quá Với, suy ra từ thuyết tương đối hẹp (STR) của Einstein. Nếu người ta có thể chứng minh được rằng việc truyền tín hiệu ở tốc độ siêu sáng là có thể thì thuyết tương đối sẽ sụp đổ. Cho đến nay điều này vẫn chưa xảy ra, mặc dù đã có nhiều nỗ lực bác bỏ lệnh cấm tồn tại tốc độ lớn hơn Với. Tuy nhiên, các nghiên cứu thực nghiệm gần đây đã tiết lộ một số hiện tượng rất thú vị, chỉ ra rằng trong những điều kiện được tạo ra đặc biệt, tốc độ siêu âm có thể được quan sát mà không vi phạm các nguyên tắc của thuyết tương đối.

Để bắt đầu, chúng ta hãy nhớ lại những khía cạnh chính liên quan đến vấn đề tốc độ ánh sáng. Trước hết: tại sao không thể (trong điều kiện bình thường) vượt quá giới hạn ánh sáng? Bởi vì khi đó quy luật cơ bản của thế giới chúng ta bị vi phạm - luật nhân quả, theo đó kết quả không thể có trước nguyên nhân. Chưa ai từng quan sát thấy điều đó, chẳng hạn, một con gấu đầu tiên chết rồi sau đó người thợ săn mới bắn. Với tốc độ vượt quá Với, chuỗi sự kiện bị đảo ngược, cuốn băng thời gian tua ngược lại. Điều này dễ dàng được chứng minh bằng lý luận đơn giản sau đây.

Giả sử rằng chúng ta đang ở trên một con tàu thần kỳ nào đó trong không gian, di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Sau đó, chúng ta sẽ dần dần bắt kịp ánh sáng phát ra từ nguồn ở những thời điểm ngày càng sớm hơn. Đầu tiên, chúng ta sẽ bắt kịp các photon được phát ra, chẳng hạn như ngày hôm qua, sau đó là những photon phát ra ngày hôm kia, sau đó là một tuần, một tháng, một năm trước, v.v. Nếu nguồn sáng là một tấm gương phản chiếu cuộc sống thì trước tiên chúng ta sẽ nhìn thấy những sự kiện của ngày hôm qua, sau đó là ngày hôm kia, v.v. Chúng ta có thể thấy, chẳng hạn, một ông già dần dần biến thành một người đàn ông trung niên, rồi thành một thanh niên, thành một thanh niên, thành một đứa trẻ... Tức là thời gian sẽ quay ngược lại, chúng ta sẽ đi từ hiện tại đến quá khứ. Nguyên nhân và kết quả sau đó sẽ thay đổi vị trí.

Mặc dù cuộc thảo luận này hoàn toàn bỏ qua các chi tiết kỹ thuật của quá trình quan sát ánh sáng, nhưng từ quan điểm cơ bản, nó chứng minh rõ ràng rằng chuyển động ở tốc độ siêu âm dẫn đến một tình huống không thể xảy ra trong thế giới của chúng ta. Tuy nhiên, thiên nhiên còn đặt ra những điều kiện khắt khe hơn nữa: không thể đạt được chuyển động không chỉ ở tốc độ siêu âm mà còn ở tốc độ ngang bằng tốc độ ánh sáng - người ta chỉ có thể tiếp cận nó. Từ thuyết tương đối cho rằng khi tốc độ chuyển động tăng sẽ xuất hiện ba trường hợp: khối lượng của một vật chuyển động tăng, kích thước của nó theo hướng chuyển động giảm và dòng thời gian trên vật đó chậm lại (từ điểm quan điểm của một người quan sát “nghỉ ngơi” bên ngoài). Ở tốc độ bình thường, những thay đổi này là không đáng kể, nhưng khi chúng đạt đến tốc độ ánh sáng, chúng ngày càng trở nên đáng chú ý hơn và trong giới hạn - ở tốc độ bằng Với, - khối lượng trở nên lớn vô cùng, vật mất hoàn toàn kích thước theo hướng chuyển động và thời gian dừng lại trên nó. Vì vậy, không có vật chất nào có thể đạt tới tốc độ ánh sáng. Chỉ có ánh sáng mới có tốc độ như vậy! (Và cũng là một hạt “thâm nhập hoàn toàn” - neutrino, giống như photon, không thể chuyển động với tốc độ nhỏ hơn Với.)

Bây giờ về tốc độ truyền tín hiệu. Ở đây sử dụng cách biểu diễn ánh sáng dưới dạng sóng điện từ là thích hợp. Tín hiệu là gì? Đây là một số thông tin cần được truyền đi. Sóng điện từ lý tưởng là một sóng hình sin vô hạn có đúng một tần số và nó không thể mang bất kỳ thông tin nào, bởi vì mỗi chu kỳ của một hình sin như vậy lặp lại chính xác chu kỳ trước đó. Tốc độ chuyển động của pha của sóng hình sin - còn gọi là tốc độ pha - có thể trong một môi trường ở những điều kiện nhất định vượt quá tốc độ ánh sáng trong chân không. Không có hạn chế nào ở đây, vì tốc độ pha không phải là tốc độ của tín hiệu - nó chưa tồn tại. Để tạo tín hiệu, bạn cần tạo một số loại "dấu" trên sóng. Ví dụ, dấu như vậy có thể là sự thay đổi trong bất kỳ tham số sóng nào - biên độ, tần số hoặc pha ban đầu. Nhưng ngay khi đánh dấu xong, sóng sẽ mất đi tính hình sin. Nó trở nên được điều chế, bao gồm một tập hợp các sóng hình sin đơn giản với biên độ, tần số và pha ban đầu khác nhau - một nhóm sóng. Tốc độ di chuyển của dấu trong sóng điều chế là tốc độ của tín hiệu. Khi truyền trong môi trường, tốc độ này thường trùng với tốc độ nhóm, đặc trưng cho sự lan truyền của toàn bộ nhóm sóng nói trên (xem "Khoa học và Đời sống" số 2, 2000). Trong điều kiện bình thường, vận tốc nhóm và do đó tốc độ tín hiệu nhỏ hơn tốc độ ánh sáng trong chân không. Không phải ngẫu nhiên mà cụm từ “trong điều kiện bình thường” được sử dụng ở đây, vì trong một số trường hợp vận tốc nhóm có thể vượt quá Với hoặc thậm chí mất đi ý nghĩa nhưng lại không liên quan đến việc truyền tín hiệu. Trạm dịch vụ xác định rằng không thể truyền tín hiệu ở tốc độ lớn hơn Với.

Tại sao lại như vậy? Bởi vì có một trở ngại cho việc truyền bất kỳ tín hiệu nào ở tốc độ lớn hơn Với Luật nhân quả cũng có tác dụng như vậy. Hãy tưởng tượng một tình huống như vậy. Tại một điểm A nào đó, một tia sáng lóe lên (sự kiện 1) sẽ bật thiết bị gửi một tín hiệu vô tuyến nhất định và tại một điểm xa B, dưới tác động của tín hiệu vô tuyến này, một vụ nổ sẽ xảy ra (sự kiện 2). Rõ ràng sự kiện 1 (bùng phát) là nguyên nhân, còn sự kiện 2 (nổ) là hậu quả, xảy ra muộn hơn nguyên nhân. Nhưng nếu tín hiệu vô tuyến truyền đi với tốc độ siêu ánh sáng, người quan sát ở gần điểm B trước tiên sẽ nhìn thấy một vụ nổ, và chỉ sau đó nó mới đến được với anh ta với tốc độ đó. Với một tia sáng, nguyên nhân gây ra vụ nổ. Nói cách khác, đối với người quan sát này, sự kiện 2 sẽ xảy ra sớm hơn sự kiện 1, nghĩa là kết quả sẽ xảy ra trước nguyên nhân.

Cần nhấn mạnh rằng “lệnh cấm siêu sáng” của thuyết tương đối chỉ được áp dụng đối với sự chuyển động của các vật thể vật chất và việc truyền tín hiệu. Trong nhiều tình huống, có thể chuyển động ở bất kỳ tốc độ nào, nhưng đây sẽ không phải là chuyển động của các vật thể hoặc tín hiệu vật chất. Ví dụ, hãy tưởng tượng hai thước khá dài nằm trong cùng một mặt phẳng, một thước nằm ngang và thước kia cắt nó một góc nhỏ. Nếu thước thứ nhất được di chuyển xuống dưới (theo hướng mũi tên chỉ) với tốc độ cao thì giao điểm của thước có thể được làm cho chạy nhanh như mong muốn, nhưng điểm này không phải là vật thể. Một ví dụ khác: nếu bạn lấy một chiếc đèn pin (hoặc giả sử một tia laser phát ra chùm tia hẹp) và nhanh chóng mô tả một vòng cung trong không khí bằng nó, thì tốc độ tuyến tính của điểm sáng sẽ tăng theo khoảng cách và ở một khoảng cách đủ lớn sẽ quá Với.Điểm sáng sẽ di chuyển giữa các điểm A và B với tốc độ cực nhanh, nhưng đây sẽ không phải là sự truyền tín hiệu từ A đến B, vì điểm sáng như vậy không mang bất kỳ thông tin nào về điểm A.

Có vẻ như vấn đề về tốc độ siêu sáng đã được giải quyết. Nhưng vào những năm 60 của thế kỷ XX, các nhà vật lý lý thuyết đã đưa ra giả thuyết về sự tồn tại của các hạt siêu sáng gọi là tachyon. Đây là những hạt rất kỳ lạ: về mặt lý thuyết chúng có thể tồn tại, nhưng để tránh những mâu thuẫn với thuyết tương đối, chúng phải được gán cho một khối lượng nghỉ tưởng tượng. Về mặt vật lý, khối lượng tưởng tượng không tồn tại; nó hoàn toàn là một sự trừu tượng toán học. Tuy nhiên, điều này không gây ra nhiều lo ngại, vì tachyon không thể đứng yên - chúng chỉ tồn tại (nếu có!) ở tốc độ vượt quá tốc độ ánh sáng trong chân không, và trong trường hợp này khối lượng tachyon hóa ra là có thật. Ở đây có một số điểm tương đồng với các photon: một photon có khối lượng nghỉ bằng không, nhưng điều này đơn giản có nghĩa là photon không thể đứng yên - ánh sáng không thể bị dừng lại.

Điều khó khăn nhất, như người ta có thể mong đợi, hóa ra lại là việc dung hòa giả thuyết tachyon với luật nhân quả. Những nỗ lực được thực hiện theo hướng này, mặc dù khá khéo léo nhưng không dẫn đến thành công rõ ràng. Cũng chưa có ai có thể đăng ký thực nghiệm tachyons. Kết quả là sự quan tâm đến tachyon như các hạt cơ bản siêu sáng dần dần biến mất.

Tuy nhiên, vào những năm 60, một hiện tượng được phát hiện bằng thực nghiệm khiến ban đầu các nhà vật lý bối rối. Điều này được mô tả chi tiết trong bài viết “Sóng siêu sáng trong môi trường khuếch đại” của A. N. Oraevsky (UFN số 12, 1998). Ở đây chúng tôi sẽ tóm tắt ngắn gọn bản chất của vấn đề, giới thiệu đến người đọc quan tâm đến chi tiết bài viết được chỉ định.

Ngay sau khi phát hiện ra tia laser - vào đầu những năm 60 - vấn đề nảy sinh là thu được các xung ánh sáng công suất cao ngắn (thời gian khoảng 1 ns = 10 -9 giây). Để làm được điều này, một xung laser ngắn được truyền qua bộ khuếch đại lượng tử quang học. Xung được chia thành hai phần bằng gương tách chùm tia. Một trong số chúng, mạnh hơn, được gửi đến bộ khuếch đại, còn cái còn lại được truyền trong không khí và đóng vai trò là xung tham chiếu để có thể so sánh xung đi qua bộ khuếch đại. Cả hai xung đều được đưa đến bộ tách sóng quang và tín hiệu đầu ra của chúng có thể được quan sát trực quan trên màn hình máy hiện sóng. Người ta mong đợi rằng xung ánh sáng đi qua bộ khuếch đại sẽ gặp một số độ trễ so với xung tham chiếu, nghĩa là tốc độ truyền ánh sáng trong bộ khuếch đại sẽ nhỏ hơn trong không khí. Hãy tưởng tượng sự kinh ngạc của các nhà nghiên cứu khi họ phát hiện ra rằng xung truyền qua bộ khuếch đại với tốc độ không chỉ lớn hơn trong không khí mà còn cao hơn vài lần tốc độ ánh sáng trong chân không!

Sau khi hồi phục sau cú sốc đầu tiên, các nhà vật lý bắt đầu tìm kiếm nguyên nhân dẫn đến kết quả bất ngờ như vậy. Không ai có chút nghi ngờ nào về các nguyên tắc của thuyết tương đối đặc biệt, và đây là điều đã giúp tìm ra lời giải thích chính xác: nếu các nguyên tắc của SRT được bảo tồn, thì câu trả lời phải được tìm kiếm trong các tính chất của môi trường khuếch đại.

Không đi sâu vào chi tiết ở đây, chúng tôi sẽ chỉ chỉ ra rằng việc phân tích chi tiết về cơ chế hoạt động của môi trường khuếch đại đã làm rõ hoàn toàn tình hình. Vấn đề là sự thay đổi nồng độ của các photon trong quá trình truyền xung - một sự thay đổi gây ra bởi sự thay đổi độ lợi của môi trường lên đến giá trị âm trong quá trình truyền phần sau của xung, khi môi trường đã hấp thụ năng lượng, bởi vì nguồn dự trữ của chính nó đã được sử dụng hết do chuyển sang xung ánh sáng. Sự hấp thụ không gây ra sự gia tăng mà làm suy yếu xung lực, và do đó xung lực được tăng cường ở phần trước và yếu đi ở phần sau. Hãy tưởng tượng rằng chúng ta đang quan sát một xung sử dụng một thiết bị chuyển động với tốc độ ánh sáng trong môi trường khuếch đại. Nếu môi trường trong suốt thì chúng ta sẽ thấy xung lực bị đóng băng ở trạng thái bất động. Trong môi trường xảy ra quá trình nêu trên, sự mạnh lên của cạnh đầu và sự suy yếu của cạnh sau của xung sẽ xuất hiện đối với người quan sát theo cách mà môi trường dường như đã di chuyển xung về phía trước. Nhưng vì thiết bị (người quan sát) di chuyển với tốc độ ánh sáng và xung lực vượt qua nó, nên tốc độ của xung vượt quá tốc độ ánh sáng! Chính hiệu ứng này đã được các nhà thực nghiệm ghi lại. Và ở đây thực sự không có gì mâu thuẫn với thuyết tương đối: quá trình khuếch đại chỉ đơn giản là nồng độ của các photon phát ra trước đó hóa ra lớn hơn nồng độ của các photon phát ra sau. Không phải các photon chuyển động với tốc độ siêu sáng, mà là đường bao xung, đặc biệt là mức cực đại của nó, được quan sát trên máy hiện sóng.

Do đó, trong khi trong môi trường thông thường luôn có sự suy yếu của ánh sáng và giảm tốc độ của nó, được xác định bởi chiết suất, thì trong môi trường laser hoạt động không chỉ có sự khuếch đại ánh sáng mà còn có sự lan truyền của xung ở tốc độ siêu âm.

Một số nhà vật lý đã cố gắng chứng minh bằng thực nghiệm sự tồn tại của chuyển động siêu sáng trong hiệu ứng đường hầm - một trong những hiện tượng đáng kinh ngạc nhất trong cơ học lượng tử. Hiệu ứng này nằm ở chỗ một vi hạt (chính xác hơn là một vi vật thể trong các điều kiện khác nhau thể hiện cả tính chất của hạt và tính chất của sóng) có khả năng xuyên qua cái gọi là hàng rào thế năng - một hiện tượng hoàn toàn không thể xảy ra. không thể xảy ra trong cơ học cổ điển (trong đó tình huống như vậy sẽ tương tự: một quả bóng ném vào tường sẽ kết thúc ở phía bên kia của bức tường, hoặc chuyển động giống như sóng truyền tới một sợi dây buộc vào tường sẽ được chuyển sang một sợi dây buộc vào bức tường ở phía bên kia). Bản chất của hiệu ứng đường hầm trong cơ học lượng tử như sau. Nếu một vật thể vi mô có năng lượng nhất định gặp trên đường đi của nó một khu vực có thế năng vượt quá năng lượng của vật thể vi mô thì khu vực này là một rào cản đối với nó, chiều cao của nó được xác định bởi sự chênh lệch năng lượng. Nhưng vật thể vi mô lại “rò rỉ” qua rào chắn! Khả năng này được mang lại cho ông bởi hệ thức bất định Heisenberg nổi tiếng, được viết cho năng lượng và thời gian tương tác. Nếu sự tương tác của một vật thể vi mô với một rào cản xảy ra trong một khoảng thời gian khá nhất định, thì ngược lại, năng lượng của vật thể vi mô sẽ được đặc trưng bởi sự không chắc chắn, và nếu sự không chắc chắn này là theo thứ tự chiều cao của rào cản, thì cái sau không còn là trở ngại không thể vượt qua đối với vật thể vi mô. Tốc độ xuyên qua một hàng rào thế đã trở thành chủ đề nghiên cứu của một số nhà vật lý, những người tin rằng nó có thể vượt quá Với.

Vào tháng 6 năm 1998, một hội nghị chuyên đề quốc tế về các vấn đề chuyển động siêu âm đã được tổ chức tại Cologne, nơi các kết quả thu được từ bốn phòng thí nghiệm - ở Berkeley, Vienna, Cologne và Florence - đã được thảo luận.

Và cuối cùng, vào năm 2000, đã xuất hiện các báo cáo về hai thí nghiệm mới trong đó xuất hiện hiệu ứng lan truyền siêu âm. Một trong số đó được thực hiện bởi Lijun Wong và các đồng nghiệp tại Viện nghiên cứu Princeton (Mỹ). Kết quả của nó là một xung ánh sáng đi vào một căn phòng chứa đầy hơi Caesium sẽ tăng tốc độ của nó lên gấp 300 lần. Hóa ra phần chính của xung đã thoát ra khỏi bức tường phía xa của buồng thậm chí còn sớm hơn cả khi xung đi vào buồng qua bức tường phía trước. Tình huống này không chỉ mâu thuẫn với lẽ thường mà còn trái ngược với lý thuyết tương đối về bản chất.

Thông điệp của L. Wong đã gây ra cuộc thảo luận sôi nổi giữa các nhà vật lý, hầu hết trong số họ không có khuynh hướng coi các kết quả thu được là vi phạm các nguyên lý tương đối. Họ tin rằng thách thức là giải thích chính xác thí nghiệm này.

Trong thí nghiệm của L. Wong, xung ánh sáng đi vào buồng chứa hơi Caesium có thời gian khoảng 3 μs. Các nguyên tử Caesium có thể tồn tại ở mười sáu trạng thái cơ lượng tử có thể có, được gọi là "cấp dưới từ tính siêu tinh tế của trạng thái cơ bản". Bằng cách sử dụng bơm laser quang học, gần như toàn bộ nguyên tử được đưa vào chỉ một trong mười sáu trạng thái này, tương ứng với nhiệt độ gần như bằng không tuyệt đối trên thang Kelvin (-273,15 o C). Chiều dài của buồng xêzi là 6 cm. Trong chân không, ánh sáng truyền đi 6 cm trong 0,2 ns. Như các phép đo cho thấy, xung ánh sáng truyền qua buồng chứa Caesium trong thời gian nhỏ hơn 62 ns so với trong chân không. Nói cách khác, thời gian để một xung truyền qua môi trường Caesium có dấu trừ! Thật vậy, nếu chúng ta trừ 62 ns từ 0,2 ns, chúng ta sẽ có thời gian “âm”. “Độ trễ âm” này trong môi trường - một bước nhảy thời gian không thể hiểu được - bằng với thời gian mà xung sẽ thực hiện 310 lần đi qua buồng trong chân không. Hậu quả của “sự đảo ngược tạm thời” này là xung rời khỏi buồng có thể di chuyển ra xa nó 19 mét trước khi xung tới chạm tới bức tường gần của buồng. Làm thế nào có thể giải thích được một tình huống đáng kinh ngạc như vậy (tất nhiên trừ khi chúng ta nghi ngờ tính thuần khiết của thí nghiệm)?

Đánh giá theo cuộc thảo luận đang diễn ra, vẫn chưa tìm ra lời giải thích chính xác, nhưng không còn nghi ngờ gì nữa rằng các đặc tính phân tán bất thường của môi trường đóng một vai trò ở đây: hơi Caesium, bao gồm các nguyên tử bị kích thích bởi ánh sáng laser, là một môi trường có độ phân tán dị thường. . Chúng ta hãy nhớ lại ngắn gọn nó là gì.

Sự tán sắc của một chất là sự phụ thuộc vào chiết suất pha (thông thường) N về bước sóng ánh sáng l. Với sự phân tán bình thường, chiết suất tăng khi bước sóng giảm, và đây là trường hợp của thủy tinh, nước, không khí và tất cả các chất khác trong suốt với ánh sáng. Trong các chất hấp thụ mạnh ánh sáng, quá trình chiết suất khi thay đổi bước sóng bị đảo ngược và trở nên dốc hơn nhiều: khi l giảm (tần số w tăng), chiết suất giảm mạnh và trong một vùng bước sóng nhất định, nó trở nên nhỏ hơn đơn vị (tốc độ pha V. f > Với). Đây là hiện tượng tán sắc dị thường, trong đó mô hình truyền ánh sáng trong một chất thay đổi hoàn toàn. Tốc độ nhóm V. gr trở nên lớn hơn tốc độ pha của sóng và có thể vượt quá tốc độ ánh sáng trong chân không (và cũng trở nên âm). L. Wong chỉ ra tình huống này là lý do tiềm ẩn khả năng giải thích các kết quả thí nghiệm của ông. Tuy nhiên, cần lưu ý rằng điều kiện V. gr > Với hoàn toàn mang tính hình thức, vì khái niệm vận tốc nhóm được đưa ra cho trường hợp tán sắc nhỏ (bình thường), đối với môi trường trong suốt, khi một nhóm sóng hầu như không thay đổi hình dạng trong quá trình truyền lan. Ở những vùng tán sắc dị thường, xung ánh sáng bị biến dạng nhanh chóng và khái niệm vận tốc nhóm mất đi ý nghĩa; trong trường hợp này, các khái niệm về tốc độ tín hiệu và tốc độ truyền năng lượng được đưa ra, trong môi trường trong suốt trùng với tốc độ nhóm và trong môi trường có độ hấp thụ vẫn nhỏ hơn tốc độ ánh sáng trong chân không. Nhưng đây là điều thú vị trong thí nghiệm của Wong: một xung ánh sáng truyền qua một môi trường có độ phân tán dị thường sẽ không bị biến dạng - nó vẫn giữ nguyên hình dạng một cách chính xác! Và điều này tương ứng với giả định rằng xung lan truyền với vận tốc nhóm. Nhưng nếu vậy thì hóa ra là không có sự hấp thụ trong môi trường, mặc dù sự phân tán dị thường của môi trường chính xác là do sự hấp thụ! Bản thân Wong, trong khi thừa nhận rằng còn nhiều điều chưa rõ ràng, nhưng tin rằng những gì đang xảy ra trong cơ cấu thử nghiệm của anh ấy, theo mức độ gần đúng đầu tiên, có thể được giải thích rõ ràng như sau.

Một xung ánh sáng bao gồm nhiều thành phần có bước sóng (tần số) khác nhau. Hình vẽ cho thấy ba trong số các thành phần này (sóng 1-3). Tại một thời điểm nào đó, cả ba sóng cùng pha (cực đại của chúng trùng nhau); ở đây họ cộng lại, củng cố lẫn nhau và tạo thành một xung lực. Khi các sóng tiếp tục lan truyền trong không gian, chúng bị lệch pha và do đó “triệt tiêu” lẫn nhau.

Trong vùng phân tán dị thường (bên trong tế bào Caesium), sóng ngắn hơn (sóng 1) sẽ trở nên dài hơn. Ngược lại, sóng dài nhất trong ba sóng (sóng 3) sẽ trở thành sóng ngắn nhất.

Do đó, các pha của sóng thay đổi tương ứng. Khi sóng đã đi qua tế bào Caesium, mặt sóng của chúng sẽ được phục hồi. Sau khi trải qua quá trình biến điệu pha bất thường trong một chất có độ phân tán dị thường, ba sóng được đề cập lại thấy mình cùng pha ở một điểm nào đó. Ở đây chúng cộng lại và tạo thành một xung có hình dạng giống hệt như xung đi vào môi trường Caesium.

Thông thường trong không khí và trên thực tế, trong bất kỳ môi trường trong suốt nào có độ phân tán bình thường, xung ánh sáng không thể duy trì chính xác hình dạng của nó khi truyền qua một khoảng cách xa, nghĩa là tất cả các thành phần của nó không thể lệch pha tại bất kỳ điểm xa nào dọc theo đường truyền. Và trong điều kiện bình thường, một xung ánh sáng sẽ xuất hiện ở một điểm xa như vậy sau một thời gian. Tuy nhiên, do đặc tính dị thường của môi trường được sử dụng trong thí nghiệm, xung tại một điểm ở xa hóa ra bị lệch pha giống như khi đi vào môi trường này. Do đó, xung ánh sáng hoạt động như thể nó có độ trễ thời gian âm trên đường đi đến một điểm ở xa, nghĩa là nó sẽ đến điểm đó không muộn hơn mà sớm hơn so với khi nó truyền qua môi trường!

Hầu hết các nhà vật lý có xu hướng liên kết kết quả này với sự xuất hiện của tiền chất cường độ thấp trong môi trường phân tán của buồng. Thực tế là trong quá trình phân hủy phổ của một xung, phổ chứa các thành phần có tần số cao tùy ý với biên độ nhỏ không đáng kể, gọi là tiền thân, đi trước “phần chính” của xung. Bản chất của sự hình thành và hình dạng của tiền chất phụ thuộc vào quy luật phân tán trong môi trường. Với suy nghĩ này, chuỗi sự kiện trong thí nghiệm của Wong được đề xuất giải thích như sau. Sóng tới, “kéo dài” điềm báo về phía trước, tiến đến gần máy ảnh. Trước khi đỉnh sóng tới chạm vào bức tường gần của buồng, tín hiệu báo trước bắt đầu xuất hiện một xung trong buồng, chạm tới bức tường phía xa và bị phản xạ từ đó, tạo thành một “sóng ngược”. Làn sóng này, lan nhanh gấp 300 lần Với, chạm tới bức tường gần và gặp sóng tới. Đỉnh của làn sóng này gặp đáy của làn sóng khác, rồi chúng tiêu diệt lẫn nhau và kết quả là không còn gì cả. Hóa ra là sóng tới “trả món nợ” cho các nguyên tử Caesium, nguyên tử “cho nó mượn” năng lượng ở đầu bên kia của căn phòng. Ai chỉ xem phần đầu và phần cuối của thí nghiệm sẽ chỉ thấy một xung ánh sáng “nhảy” về phía trước theo thời gian, chuyển động nhanh hơn Với.

L. Wong tin rằng thí nghiệm của ông không phù hợp với thuyết tương đối. Ông tin rằng tuyên bố về việc không thể đạt được tốc độ siêu âm chỉ áp dụng cho các vật thể có khối lượng nghỉ. Ánh sáng có thể được biểu diễn dưới dạng sóng mà khái niệm khối lượng nói chung không thể áp dụng được, hoặc dưới dạng photon với khối lượng nghỉ, như đã biết, bằng 0. Vì vậy, theo Wong, tốc độ ánh sáng trong chân không không phải là giới hạn. Tuy nhiên, Wong thừa nhận rằng hiệu ứng mà anh phát hiện ra không giúp truyền tải thông tin với tốc độ nhanh hơn. Với.

P. Milonni, nhà vật lý tại Phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos ở Hoa Kỳ, cho biết: “Thông tin ở đây đã được chứa ở phần đầu của xung. Và nó có thể tạo cảm giác gửi thông tin nhanh hơn ánh sáng, ngay cả khi bạn. không gửi nó đi.”

Hầu hết các nhà vật lý tin rằng công trình mới không giáng một đòn mạnh vào những nguyên lý cơ bản. Nhưng không phải tất cả các nhà vật lý đều tin rằng vấn đề đã được giải quyết. Giáo sư A. Ranfagni, từ nhóm nghiên cứu người Ý đã thực hiện một thí nghiệm thú vị khác vào năm 2000, tin rằng câu hỏi vẫn còn bỏ ngỏ. Thí nghiệm này do Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni và Rocco Ruggeri thực hiện đã phát hiện ra rằng sóng vô tuyến centimet trong không khí truyền đi với tốc độ vượt quá Với bằng 25%.

Tóm lại, chúng ta có thể nói như sau. Công việc trong những năm gần đây cho thấy rằng, trong những điều kiện nhất định, tốc độ siêu sáng thực sự có thể xảy ra. Nhưng chính xác thì cái gì đang di chuyển với tốc độ siêu sáng? Thuyết tương đối, như đã đề cập, cấm tốc độ như vậy đối với các vật thể vật chất và đối với các tín hiệu mang thông tin. Tuy nhiên, một số nhà nghiên cứu đang rất kiên trì cố gắng chứng minh khả năng vượt qua rào cản ánh sáng dành riêng cho tín hiệu. Lý do cho điều này nằm ở chỗ trong thuyết tương đối đặc biệt không có sự biện minh toán học chặt chẽ nào (dựa trên các phương trình Maxwell cho trường điện từ) về việc không thể truyền tín hiệu ở tốc độ lớn hơn Với. Người ta có thể nói, điều không thể xảy ra như vậy trong STR được xác lập, hoàn toàn về mặt số học, dựa trên công thức cộng vận tốc của Einstein, nhưng điều này về cơ bản được xác nhận bởi nguyên lý nhân quả. Bản thân Einstein, khi xem xét vấn đề truyền tín hiệu siêu âm, đã viết rằng trong trường hợp này “... chúng ta buộc phải xem xét khả năng có một cơ chế truyền tín hiệu, trong đó hành động đạt được có trước nguyên nhân. Tuy nhiên, mặc dù điều này là kết quả từ một quan điểm thuần túy logic. Theo tôi, quan điểm không chứa đựng chính nó, không có mâu thuẫn; tuy nhiên, nó mâu thuẫn với bản chất của mọi trải nghiệm của chúng ta đến mức không thể giả sử được. V > s dường như đã được chứng minh đầy đủ." Nguyên lý nhân quả là nền tảng làm nền tảng cho sự bất khả thi của việc truyền tín hiệu siêu sáng. Và, rõ ràng, tất cả các cuộc tìm kiếm tín hiệu siêu sáng, không có ngoại lệ, sẽ vấp phải hòn đá này, bất kể các nhà thí nghiệm có muốn phát hiện ra điều đó đến mức nào. tín hiệu, vì đó là bản chất của thế giới chúng ta.

Tóm lại, cần nhấn mạnh rằng tất cả những điều trên đều áp dụng cụ thể cho thế giới của chúng ta, cho Vũ trụ của chúng ta. Tuyên bố từ chối trách nhiệm này được đưa ra vì gần đây các giả thuyết mới đã xuất hiện trong vật lý thiên văn và vũ trụ học, cho phép tồn tại nhiều Vũ trụ ẩn giấu khỏi chúng ta, được kết nối bằng các đường hầm tôpô - các cầu nhảy. Quan điểm này được chia sẻ, chẳng hạn, bởi nhà vật lý thiên văn nổi tiếng N.S. Đối với người quan sát bên ngoài, lối vào những đường hầm này được biểu thị bằng các trường hấp dẫn dị thường, giống như các lỗ đen. Các chuyển động trong các đường hầm như vậy, như tác giả của các giả thuyết đề xuất, sẽ giúp có thể vượt qua giới hạn tốc độ áp đặt trong không gian thông thường bằng tốc độ ánh sáng, và do đó, hiện thực hóa ý tưởng tạo ra một cỗ máy thời gian. .. Có thể trong những Vũ trụ như vậy, điều gì đó bất thường đối với chúng ta thực sự có thể xảy ra. Và mặc dù hiện nay những giả thuyết như vậy quá gợi nhớ đến những câu chuyện trong khoa học viễn tưởng, người ta khó có thể bác bỏ một cách dứt khoát khả năng cơ bản của một mô hình đa yếu tố về cấu trúc của thế giới vật chất. Một điều nữa là tất cả các Vũ trụ khác này, rất có thể, sẽ vẫn là những công trình toán học thuần túy của các nhà vật lý lý thuyết sống trong Vũ trụ của chúng ta và, với sức mạnh suy nghĩ của họ, cố gắng tìm ra những thế giới đóng cửa với chúng ta...

Xem vấn đề cùng chủ đề

Vào tháng 9 năm 2011, nhà vật lý Antonio Ereditato đã gây chấn động thế giới. Tuyên bố của ông có thể cách mạng hóa sự hiểu biết của chúng ta về vũ trụ. Nếu dữ liệu được thu thập bởi 160 nhà khoa học của Dự án OPERA là chính xác thì điều đáng kinh ngạc đã được quan sát thấy. Các hạt – trong trường hợp này là neutrino – chuyển động nhanh hơn ánh sáng. Theo thuyết tương đối của Einstein, điều này là không thể. Và hậu quả của một quan sát như vậy sẽ là không thể tin được. Những nền tảng cơ bản của vật lý có thể phải được xem xét lại.

Mặc dù Ereditato cho biết ông và nhóm của mình “cực kỳ tự tin” vào kết quả của mình nhưng họ không nói rằng dữ liệu đó hoàn toàn chính xác. Thay vào đó, họ yêu cầu các nhà khoa học khác giúp họ tìm hiểu chuyện gì đang xảy ra.

Cuối cùng, hóa ra kết quả của OPERA đã sai. Do cáp kết nối kém nên xảy ra sự cố đồng bộ hóa và tín hiệu từ vệ tinh GPS không chính xác. Có sự chậm trễ không mong muốn trong tín hiệu. Kết quả là, các phép đo về thời gian neutrino cần để truyền đi một khoảng cách nhất định cho thấy có thêm 73 nano giây: có vẻ như neutrino đang chuyển động nhanh hơn ánh sáng.

Bất chấp nhiều tháng thử nghiệm cẩn thận trước khi thí nghiệm và kiểm tra lại dữ liệu sau đó, các nhà khoa học đã sai lầm nghiêm trọng. Ereditato đã từ chức bất chấp ý kiến ​​của nhiều người rằng những lỗi như vậy luôn xảy ra do độ phức tạp cực cao của máy gia tốc hạt.

Tại sao gợi ý - chỉ là gợi ý - rằng thứ gì đó có thể chuyển động nhanh hơn ánh sáng lại gây ra sự ồn ào như vậy? Chúng ta chắc chắn đến mức nào rằng không gì có thể vượt qua được rào cản này?

Trước tiên hãy xem xét câu hỏi thứ hai. Tốc độ ánh sáng trong chân không là 299.792,458 km mỗi giây - để thuận tiện, con số này được làm tròn thành 300.000 km mỗi giây. Nó khá nhanh. Mặt trời cách Trái đất 150 triệu km và ánh sáng của nó tới Trái đất chỉ trong 8 phút 20 giây.

Có bất kỳ sáng tạo nào của chúng ta có thể cạnh tranh trong cuộc đua chống lại ánh sáng không? Là một trong những vật thể nhân tạo nhanh nhất từng được chế tạo, tàu thăm dò không gian New Horizons đã bay qua Sao Diêm Vương và Charon vào tháng 7 năm 2015. Nó đạt tốc độ tương đối so với Trái đất là 16 km/s. Ít hơn 300.000 km/s.

Tuy nhiên, chúng ta có những hạt nhỏ chuyển động khá nhanh. Đầu những năm 1960, William Bertozzi tại MIT đã thử nghiệm gia tốc các electron lên tốc độ cao hơn nữa.

Bởi vì các electron có điện tích âm nên chúng có thể được tăng tốc – chính xác hơn là bị đẩy lùi – bằng cách áp cùng một điện tích âm vào vật liệu. Càng sử dụng nhiều năng lượng, các electron càng tăng tốc nhanh hơn.

Người ta sẽ nghĩ rằng người ta chỉ cần tăng năng lượng ứng dụng để đạt tốc độ 300.000 km/s. Nhưng hóa ra các electron đơn giản là không thể chuyển động nhanh như vậy. Các thí nghiệm của Bertozzi cho thấy rằng việc sử dụng nhiều năng lượng hơn không dẫn đến sự gia tăng tỷ lệ thuận với tốc độ của electron.

Thay vào đó, người ta phải sử dụng một lượng năng lượng bổ sung khổng lồ để thay đổi vận tốc của các electron dù chỉ một chút. Cô ấy ngày càng tiến gần đến tốc độ ánh sáng, nhưng không bao giờ đạt tới nó.

Hãy tưởng tượng bạn đang di chuyển về phía cửa theo từng bước nhỏ, mỗi bước chiếm một nửa khoảng cách từ vị trí hiện tại của bạn đến cửa. Nói đúng ra, bạn sẽ không bao giờ tới được cửa, vì sau mỗi bước bạn đi, bạn vẫn sẽ có một khoảng cách cần phải vượt qua. Bertozzi gặp phải vấn đề tương tự khi xử lý các electron của mình.

Nhưng ánh sáng được tạo thành từ các hạt gọi là photon. Tại sao những hạt này có thể di chuyển với tốc độ ánh sáng còn electron thì không?

Roger Rassoul, nhà vật lý tại Đại học Melbourne, Australia, cho biết: “Khi các vật chuyển động ngày càng nhanh, chúng trở nên nặng hơn - chúng càng nặng thì chúng càng khó tăng tốc, vì vậy bạn không bao giờ đạt tới tốc độ ánh sáng”. “Photon không có khối lượng. Nếu nó có khối lượng thì nó không thể di chuyển với tốc độ ánh sáng được.”

Photon rất đặc biệt. Chúng không những không có khối lượng, điều này giúp chúng hoàn toàn tự do chuyển động trong chân không của không gian, mà còn không cần phải tăng tốc. Năng lượng tự nhiên chúng di chuyển theo từng đợt giống như chúng nên khi được tạo ra chúng đã có tốc độ tối đa. Theo một cách nào đó, sẽ dễ dàng coi ánh sáng là năng lượng hơn là một dòng hạt, mặc dù trên thực tế, ánh sáng là cả hai.

Tuy nhiên, ánh sáng truyền đi chậm hơn nhiều so với chúng ta tưởng. Mặc dù các nhà công nghệ internet thích nói về truyền thông chạy ở “tốc độ ánh sáng” trong sợi quang, nhưng ánh sáng truyền trong sợi quang thủy tinh chậm hơn 40% so với trong chân không.

Trên thực tế, các photon truyền đi với tốc độ 300.000 km/s, nhưng gặp phải một lượng nhiễu nhất định gây ra bởi các photon khác phát ra từ các nguyên tử thủy tinh khi sóng ánh sáng chính đi qua. Điều này có thể không dễ hiểu, nhưng ít nhất chúng tôi đã cố gắng.

Theo cách tương tự, trong khuôn khổ các thí nghiệm đặc biệt với từng photon, người ta có thể làm chúng chậm lại khá ấn tượng. Nhưng đối với hầu hết các trường hợp, 300.000 là con số hợp lý. Chúng tôi chưa từng thấy hoặc chế tạo bất cứ thứ gì có thể di chuyển nhanh như vậy, hoặc thậm chí nhanh hơn. Có những điểm đặc biệt, nhưng trước khi đề cập đến chúng, hãy đề cập đến câu hỏi khác của chúng ta. Tại sao việc tuân thủ nghiêm ngặt quy tắc tốc độ ánh sáng lại quan trọng đến vậy?

Câu trả lời gắn liền với một người có tên , như trường hợp thường thấy trong vật lý. Lý thuyết tương đối đặc biệt của ông khám phá nhiều ý nghĩa của giới hạn tốc độ phổ quát của ông. Một trong những yếu tố quan trọng nhất của lý thuyết này là ý tưởng cho rằng tốc độ ánh sáng là không đổi. Bất kể bạn đang ở đâu hay bạn đang di chuyển nhanh đến đâu, ánh sáng luôn chuyển động với tốc độ như nhau.

Nhưng điều này đặt ra một số vấn đề về khái niệm.

Hãy tưởng tượng ánh sáng chiếu từ đèn pin lên tấm gương trên trần của một con tàu vũ trụ đang đứng yên. Ánh sáng đi lên, phản chiếu gương và rơi xuống sàn tàu vũ trụ. Giả sử anh ta đi được khoảng cách 10 mét.

Bây giờ hãy tưởng tượng rằng con tàu vũ trụ này bắt đầu di chuyển với tốc độ khổng lồ hàng nghìn km mỗi giây. Khi bạn bật đèn pin, ánh sáng sẽ hoạt động như trước: nó chiếu lên trên, chiếu vào gương và phản chiếu xuống sàn. Nhưng để làm được điều này, ánh sáng sẽ phải truyền đi một khoảng cách chéo chứ không phải theo chiều dọc. Rốt cuộc, chiếc gương bây giờ di chuyển nhanh chóng cùng với tàu vũ trụ.

Theo đó, khoảng cách mà ánh sáng truyền đi tăng lên. Giả sử 5 mét. Hóa ra tổng cộng là 15 mét chứ không phải 10.

Và bất chấp điều này, mặc dù khoảng cách đã tăng lên nhưng các lý thuyết của Einstein khẳng định rằng ánh sáng sẽ vẫn truyền đi với tốc độ như cũ. Vì tốc độ là khoảng cách chia cho thời gian, vì tốc độ không đổi và khoảng cách tăng nên thời gian cũng phải tăng. Vâng, thời gian tự nó phải kéo dài ra. Và mặc dù điều này nghe có vẻ lạ lùng nhưng nó đã được xác nhận bằng thực nghiệm.

Hiện tượng này được gọi là sự giãn nở thời gian. Thời gian trôi chậm hơn đối với những người di chuyển bằng phương tiện chuyển động nhanh so với những người đứng yên.

Ví dụ: thời gian di chuyển chậm hơn 0,007 giây đối với các phi hành gia trên Trạm vũ trụ quốc tế, đang di chuyển với tốc độ 7,66 km/s so với Trái đất, so với con người trên hành tinh này. Thú vị hơn nữa là trường hợp các hạt giống như các electron nói trên, chúng có thể chuyển động gần bằng tốc độ ánh sáng. Trong trường hợp của những hạt này, mức độ giảm tốc sẽ rất lớn.

Stephen Kolthammer, một nhà vật lý thực nghiệm tại Đại học Oxford ở Anh, chỉ ra ví dụ về các hạt gọi là muon.

Muon không ổn định: chúng nhanh chóng phân hủy thành các hạt đơn giản hơn. Nhanh đến mức hầu hết muon rời khỏi Mặt trời sẽ phân hủy khi chúng đến Trái đất. Nhưng trên thực tế, muon đến Trái đất từ ​​Mặt trời với khối lượng khổng lồ. Các nhà vật lý từ lâu đã cố gắng tìm hiểu lý do tại sao.

Kolthammer nói: “Câu trả lời cho bí ẩn này là muon được tạo ra với năng lượng đến mức chúng chuyển động với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng”. “Có thể nói, họ có cảm giác về thời gian, đồng hồ sinh học bên trong của họ rất chậm.”

Muon "sống" lâu hơn chúng ta mong đợi, nhờ vào sự cong vênh thời gian tự nhiên có thật. Khi các vật chuyển động nhanh so với các vật khác thì chiều dài của chúng cũng giảm đi và co lại. Những hệ quả này, sự giãn nở thời gian và sự giảm chiều dài, là những ví dụ về sự thay đổi của không-thời gian tùy thuộc vào chuyển động của các vật thể - tôi, bạn, hay một con tàu vũ trụ - có khối lượng.

Điều quan trọng, như Einstein đã nói, là ánh sáng không bị ảnh hưởng vì nó không có khối lượng. Đó là lý do tại sao những nguyên tắc này luôn đi đôi với nhau. Nếu mọi thứ có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng, chúng sẽ tuân theo các định luật cơ bản mô tả cách thức vũ trụ hoạt động. Đây là những nguyên tắc then chốt. Bây giờ chúng ta có thể nói về một vài trường hợp ngoại lệ và ngoại lệ.

Một mặt, mặc dù chúng ta chưa thấy bất cứ thứ gì chuyển động nhanh hơn ánh sáng, nhưng điều này không có nghĩa là về mặt lý thuyết, giới hạn tốc độ này không thể bị vượt qua trong những điều kiện rất cụ thể. Ví dụ, hãy lấy sự giãn nở của chính Vũ trụ. Các thiên hà trong Vũ trụ đang di chuyển ra xa nhau với tốc độ vượt xa đáng kể tốc độ ánh sáng.

Một tình huống thú vị khác liên quan đến các hạt có cùng đặc tính tại cùng một thời điểm, bất kể chúng cách nhau bao xa. Đây được gọi là “sự vướng víu lượng tử”. Photon sẽ quay lên và quay xuống, lựa chọn ngẫu nhiên giữa hai trạng thái có thể có, nhưng việc lựa chọn hướng quay sẽ được phản ánh chính xác ở một photon khác ở nơi khác nếu chúng bị vướng víu.

Hai nhà khoa học, mỗi người nghiên cứu photon của riêng mình, sẽ nhận được cùng một kết quả cùng lúc, nhanh hơn tốc độ ánh sáng có thể cho phép.

Tuy nhiên, trong cả hai ví dụ này, điều quan trọng cần lưu ý là không có thông tin nào truyền nhanh hơn tốc độ ánh sáng giữa hai vật thể. Chúng ta có thể tính toán sự giãn nở của Vũ trụ, nhưng chúng ta không thể quan sát các vật thể nhanh hơn ánh sáng trong đó: chúng đã biến mất khỏi tầm nhìn.

Về phần hai nhà khoa học với các photon của mình, tuy có thể thu được một kết quả cùng lúc nhưng họ không thể cho nhau biết kết quả đó nhanh hơn tốc độ ánh sáng truyền đi giữa họ.

Kolthammer nói: “Điều này không mang lại cho chúng tôi bất kỳ vấn đề nào, bởi vì nếu bạn có thể gửi tín hiệu nhanh hơn ánh sáng, bạn sẽ gặp phải những nghịch lý kỳ lạ, theo đó thông tin bằng cách nào đó có thể quay ngược thời gian”.

Có một cách khả thi khác để thực hiện việc du hành nhanh hơn ánh sáng về mặt kỹ thuật: các vết nứt trong không-thời gian sẽ cho phép nhà du hành thoát khỏi các quy tắc du hành thông thường.

Gerald Cleaver thuộc Đại học Baylor ở Texas tin rằng một ngày nào đó chúng ta sẽ có thể chế tạo được một con tàu vũ trụ di chuyển nhanh hơn ánh sáng. Nó đang di chuyển qua một lỗ sâu đục. Lỗ giun là những vòng lặp trong không-thời gian hoàn toàn phù hợp với lý thuyết của Einshein. Chúng có thể cho phép một phi hành gia nhảy từ đầu này sang đầu kia của vũ trụ thông qua một điểm dị thường trong không thời gian, một dạng lối tắt vũ trụ nào đó.

Một vật thể di chuyển qua lỗ sâu sẽ không vượt quá tốc độ ánh sáng, nhưng về mặt lý thuyết có thể đến đích nhanh hơn ánh sáng đi theo đường "bình thường". Nhưng các lỗ sâu đục có thể hoàn toàn không thể tiếp cận được đối với du hành vũ trụ. Liệu có cách nào khác chủ động bóp méo không thời gian để chuyển động nhanh hơn 300.000 km/s so với người khác không?

Cleaver cũng khám phá ý tưởng về "động cơ Alcubierre" vào năm 1994. Nó mô tả một tình huống trong đó không thời gian co lại phía trước tàu vũ trụ, đẩy nó về phía trước và giãn ra phía sau, đồng thời đẩy nó về phía trước. “Nhưng sau đó,” Cleaver nói, “vấn đề nảy sinh: làm thế nào để thực hiện điều đó và cần bao nhiêu năng lượng.”

Năm 2008, ông và nghiên cứu sinh Richard Obouzi đã tính toán lượng năng lượng cần thiết.

“Chúng tôi đã tưởng tượng ra một con tàu có kích thước 10m x 10m x 10m – 1000 mét khối – và tính toán rằng lượng năng lượng cần thiết để bắt đầu quá trình này sẽ tương đương với khối lượng của toàn bộ Sao Mộc.”

Sau đó, năng lượng phải được “bổ sung” liên tục để quá trình không kết thúc. Không ai biết liệu điều này có khả thi hay không, hoặc công nghệ cần thiết sẽ như thế nào. Cleaver nói: “Tôi không muốn bị trích dẫn trong nhiều thế kỷ như thể tôi đã dự đoán điều gì đó sẽ không bao giờ xảy ra, nhưng tôi vẫn chưa thấy bất kỳ giải pháp nào”.

Vì vậy, việc di chuyển nhanh hơn tốc độ ánh sáng vẫn là khoa học viễn tưởng vào thời điểm hiện tại. Hiện tại, cách duy nhất là lao vào hoạt hình lơ lửng sâu. Tuy nhiên, nó không phải là tất cả xấu. Hầu hết thời gian chúng ta nói về ánh sáng khả kiến. Nhưng thực tế, ánh sáng còn làm được nhiều điều hơn thế. Từ sóng vô tuyến và sóng vi ba đến ánh sáng khả kiến, bức xạ cực tím, tia X và tia gamma phát ra từ các nguyên tử khi chúng phân rã, những tia tuyệt đẹp này đều được tạo thành từ cùng một thứ: photon.

Sự khác biệt là ở năng lượng, và do đó ở bước sóng. Cùng với nhau, những tia này tạo nên quang phổ điện từ. Ví dụ, thực tế là sóng vô tuyến truyền đi với tốc độ ánh sáng cực kỳ hữu ích cho việc liên lạc.

Trong nghiên cứu của mình, Kolthammer tạo ra một mạch điện sử dụng các photon để truyền tín hiệu từ phần này sang phần khác của mạch, vì vậy ông có đủ tư cách để nhận xét về tính hữu ích của tốc độ ánh sáng đáng kinh ngạc.

Ông lưu ý: “Thực tế là chúng ta đã xây dựng cơ sở hạ tầng của Internet, chẳng hạn như đài phát thanh trước đó, dựa trên ánh sáng, có liên quan đến việc chúng ta có thể truyền tải nó một cách dễ dàng”. Và ông nói thêm rằng ánh sáng đóng vai trò là lực lượng giao tiếp của Vũ trụ. Khi các electron trong điện thoại di động bắt đầu rung chuyển, các photon được giải phóng và khiến các electron trong một điện thoại di động khác cũng rung chuyển. Đây là cách một cuộc gọi điện thoại được sinh ra. Sự rung chuyển của các electron trong Mặt trời cũng phát ra các photon - với số lượng rất lớn - tất nhiên tạo thành ánh sáng, mang lại cho sự sống trên Trái đất nhiệt và, ahem, ánh sáng.

Ánh sáng là ngôn ngữ phổ quát của Vũ trụ. Tốc độ của nó - 299.792,458 km/s - không đổi. Trong khi đó, không gian và thời gian có thể uốn cong được. Có lẽ chúng ta không nên nghĩ đến việc làm thế nào để chuyển động nhanh hơn ánh sáng mà là làm thế nào để chuyển động nhanh hơn trong không gian và thời gian này? Đi đến tận gốc, có thể nói như vậy?

Một nhóm các nhà khoa học thuộc thí nghiệm OPERA, phối hợp với Tổ chức Nghiên cứu Hạt nhân Châu Âu (CERN), đã công bố những kết quả giật gân từ một thí nghiệm vượt qua tốc độ ánh sáng. Kết quả thí nghiệm bác bỏ thuyết tương đối đặc biệt của Albert Einstein, nền tảng của toàn bộ vật lý hiện đại. Lý thuyết cho rằng tốc độ ánh sáng là 299.792.458 m/s và các hạt cơ bản không thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng.

Tuy nhiên, các nhà khoa học ghi nhận rằng chùm neutrino đã vượt quá nó 60 nano giây khi đi được 732 km. Điều này xảy ra vào ngày 22 tháng 9 trong một thí nghiệm được thực hiện bởi một nhóm các nhà vật lý hạt nhân quốc tế đến từ Ý, Pháp, Nga, Hàn Quốc, Nhật Bản và các nước khác.

Thí nghiệm tiến hành như sau: một chùm proton được gia tốc trong một máy gia tốc đặc biệt và đập vào tâm của một mục tiêu đặc biệt. Đây là cách các meson được sinh ra - các hạt bao gồm các quark.

Khi meson phân rã, neutrino được sinh ra,” Viện sĩ RAS Valery Rubkov, nhà nghiên cứu trưởng tại Viện Nghiên cứu Hạt nhân thuộc Viện Hàn lâm Khoa học Nga, giải thích với Izvestia. - Chùm tia được định vị sao cho neutrino truyền đi 732 km và tới phòng thí nghiệm dưới lòng đất của Ý ở Gran Sasso. Nó chứa một máy dò đặc biệt ghi lại tốc độ của chùm neutrino.

Kết quả nghiên cứu đã chia rẽ thế giới khoa học. Một số nhà khoa học từ chối tin vào kết quả.

Những gì họ đã làm tại CERN là không thể theo quan điểm vật lý hiện đại”, Viện sĩ Spartak Belyaev của RAS, giám đốc khoa học của Viện Vật lý hạt nhân và đại cương, nói với Izvestia. - Cần phải kiểm tra thí nghiệm này và kết quả của nó - có lẽ họ chỉ đơn giản là nhầm lẫn. Tất cả các thí nghiệm được tiến hành trước đó đều phù hợp với lý thuyết hiện có và không cần phải hoảng sợ vì một thí nghiệm được thực hiện một lần.

Đồng thời, Viện sĩ Belyaev thừa nhận: nếu có thể chứng minh được một neutrino có thể chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng thì đây sẽ là một cuộc cách mạng.

Khi đó chúng ta sẽ phải phá vỡ mọi vật lý,” ông nói.

Nếu kết quả được xác nhận, đây sẽ là một cuộc cách mạng”, Viện sĩ Rubkov đồng ý. - Thật khó để nói điều này sẽ diễn ra như thế nào đối với người bình thường. Nói chung, tất nhiên là có thể thay đổi thuyết tương đối đặc biệt, nhưng điều đó cực kỳ khó thực hiện được và kết quả là lý thuyết nào sẽ kết tinh thì không hoàn toàn rõ ràng.

Rubkov lưu ý rằng báo cáo nêu rõ rằng trong ba năm thử nghiệm, 15 nghìn sự kiện đã được ghi lại và đo lường.

Số liệu thống kê rất tốt và một nhóm các nhà khoa học có uy tín quốc tế đã tham gia vào thí nghiệm,” Rubkov tóm tắt.

Các học giả nhấn mạnh rằng trên khắp thế giới thường xuyên có những nỗ lực nhằm bác bỏ thuyết tương đối đặc biệt bằng thực nghiệm. Tuy nhiên, chưa ai trong số đó cho kết quả khả quan.

Bóng có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng nhưng không thể vận chuyển vật chất hoặc thông tin

Chuyến bay siêu sáng có thể thực hiện được không?

Các phần của bài viết này có phụ đề và mỗi phần có thể được tham chiếu riêng.

Những ví dụ đơn giản về du hành siêu sáng

1. Hiệu ứng Cherenkov

Khi chúng ta nói về việc di chuyển với tốc độ siêu âm, chúng ta muốn nói đến tốc độ ánh sáng trong chân không c(299.792.458 m/s). Do đó, hiệu ứng Cherenkov không thể được coi là một ví dụ về chuyển động với tốc độ siêu âm.

2. Người quan sát thứ ba

Nếu tên lửa MỘT bay xa khỏi tôi với tốc độ 0,6c về phía tây và tên lửa B bay xa khỏi tôi với tốc độ 0,6c về phía đông, sau đó tôi thấy rằng khoảng cách giữa MỘT Và B tăng theo tốc độ 1,2c. Chứng kiến ​​chuyến bay của tên lửa MỘT Và B từ bên ngoài, người quan sát thứ ba thấy rằng tổng tốc độ loại bỏ tên lửa lớn hơn c .

Tuy nhiên tốc độ tương đối không bằng tổng các tốc độ. MỘT Tốc độ tên lửa B so với tên lửa MỘT là tốc độ tăng khoảng cách tới tên lửa B, được nhìn thấy bởi một người quan sát đang bay trên tên lửa . Tốc độ tương đối phải được tính bằng công thức tương đối tính để cộng tốc độ. (Xem Làm thế nào để cộng vận tốc trong thuyết tương đối đặc biệt?) Trong ví dụ này, vận tốc tương đối xấp xỉ bằng 0,88c

. Vì vậy, trong ví dụ này, chúng tôi không đạt được tốc độ siêu sáng.

3. Ánh sáng và bóng tối Hãy nghĩ xem một cái bóng có thể di chuyển nhanh như thế nào. Nếu đèn ở gần thì bóng ngón tay của bạn trên bức tường phía xa sẽ di chuyển nhanh hơn nhiều so với chuyển động của ngón tay bạn. Khi bạn di chuyển ngón tay song song với bức tường, tốc độ của bóng làĐ/ngày nhanh hơn tốc độ ngón tay của bạn nhiều lần.Đây d- từ đèn đến tường. Tốc độ sẽ còn lớn hơn nếu bức tường được đặt ở một góc. Nếu bức tường ở rất xa thì chuyển động của bóng sẽ chậm hơn chuyển động của ngón tay, vì ánh sáng cần có thời gian để tới được bức tường, nhưng tốc độ của bóng di chuyển dọc theo bức tường sẽ còn tăng hơn nữa. Tốc độ của cái bóng không bị giới hạn bởi tốc độ ánh sáng.

Một vật thể khác có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng là đốm sáng từ tia laser nhắm vào Mặt trăng. Khoảng cách tới Mặt trăng là 385.000 km. Bạn có thể tự mình tính toán tốc độ di chuyển của điểm sáng trên bề mặt Mặt trăng bằng những rung động nhẹ của con trỏ laser trong tay. Bạn cũng có thể thích ví dụ về một con sóng chạm vào một đường thẳng trên bãi biển ở một góc nhỏ. Điểm giao nhau của sóng và bờ có thể di chuyển dọc theo bãi biển với tốc độ bao nhiêu?

Tất cả những điều này có thể xảy ra trong tự nhiên. Ví dụ, một chùm ánh sáng từ một ẩn tinh có thể truyền dọc theo đám mây bụi. Một vụ nổ mạnh có thể tạo ra các sóng ánh sáng hoặc bức xạ hình cầu. Khi các sóng này giao nhau với bất kỳ bề mặt nào, các vòng tròn ánh sáng sẽ xuất hiện trên bề mặt đó và giãn nở nhanh hơn ánh sáng. Hiện tượng này xảy ra, ví dụ, khi một xung điện từ từ tia sét truyền qua tầng khí quyển phía trên.

4. Rắn

Nếu bạn có một thanh dài cứng và bạn va vào một đầu của thanh thì đầu kia có chuyển động ngay lập tức không? Đây không phải là một cách truyền tải thông tin siêu âm sao?

Nó sẽ là sự thật nếu như Có những cơ thể hoàn toàn cứng cáp. Trong thực tế, tác động được truyền dọc theo thanh với tốc độ âm thanh, điều này phụ thuộc vào độ đàn hồi và mật độ vật liệu của thanh. c .

Ngoài ra, thuyết tương đối giới hạn tốc độ âm thanh có thể có trong vật liệu bằng giá trị

Nguyên tắc tương tự cũng được áp dụng nếu bạn giữ một sợi dây hoặc thanh theo phương thẳng đứng, thả nó ra và nó bắt đầu rơi xuống dưới tác dụng của trọng lực. Đầu trên mà bạn thả ra bắt đầu rơi ngay lập tức, nhưng đầu dưới sẽ chỉ bắt đầu chuyển động sau một thời gian, vì sự biến mất của lực giữ được truyền xuống thanh với tốc độ âm thanh trong vật liệu. ρ Việc xây dựng lý thuyết tương đối về độ đàn hồi khá phức tạp, nhưng ý tưởng chung có thể được minh họa bằng cơ học Newton. Phương trình chuyển động dọc của một vật đàn hồi lý tưởng có thể được suy ra từ định luật Hooke. Hãy để chúng tôi biểu thị mật độ tuyến tính của thanh , môđun đàn hồi Young Y . Chuyển vị dọc X

thỏa mãn phương trình sóng

Giải pháp sóng phẳng di chuyển với tốc độ âm thanh S, được xác định từ công thức s 2 = Y/ρ. Phương trình sóng không cho phép nhiễu loạn trong môi trường chuyển động nhanh hơn tốc độ S. Ngoài ra, thuyết tương đối còn đưa ra giới hạn về độ đàn hồi: Y< ρc 2 . Trong thực tế, không có vật liệu nào đạt đến giới hạn này. Cũng xin lưu ý rằng ngay cả khi tốc độ âm thanh gần bằng c, thì bản thân vật chất không nhất thiết phải chuyển động với tốc độ tương đối tính.

Mặc dù trong tự nhiên không có vật thể rắn nhưng có chuyển động của vật rắn, có thể được sử dụng để vượt qua tốc độ ánh sáng. Chủ đề này liên quan đến phần bóng và vùng sáng đã được mô tả. (Xem Chiếc kéo siêu sáng, Đĩa quay cứng trong thuyết tương đối).

5. Tốc độ pha

Phương trình sóng
d 2 u/dt 2 - c 2 d 2 u/dx 2 + w 2 u = 0

có một giải pháp ở dạng
u = A cos(ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 = 0

Đây là những sóng hình sin lan truyền với tốc độ v
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Nhưng nó còn hơn c. Có lẽ đây là phương trình của tachyon? (xem phần tiếp theo). Không, đây là một phương trình tương đối thông thường cho một hạt có khối lượng.

Để loại bỏ nghịch lý, bạn cần phân biệt giữa “tốc độ pha” v ph và "vận tốc nhóm" v gr và
v ph ·v gr = c 2

Giải pháp sóng có thể có sự phân tán tần số. Trong trường hợp này, gói sóng di chuyển với vận tốc nhóm nhỏ hơn c. Sử dụng gói sóng, thông tin chỉ có thể được truyền ở tốc độ nhóm. Các sóng trong gói sóng chuyển động với vận tốc pha. Tốc độ pha là một ví dụ khác về chuyển động siêu sáng không thể sử dụng để truyền thông điệp.

6. Các thiên hà siêu sáng

7. Tên lửa tương đối

Hãy để một người quan sát trên Trái đất nhìn thấy một con tàu vũ trụ đang di chuyển ra xa với tốc độ 0,8c Theo thuyết tương đối, người ta sẽ thấy đồng hồ trên tàu vũ trụ chạy chậm hơn 5/3 lần. Nếu chia quãng đường tới tàu cho thời gian bay theo đồng hồ trên tàu thì ta được vận tốc 4/3c. Người quan sát kết luận rằng, bằng cách sử dụng đồng hồ trên tàu, phi công của con tàu cũng sẽ xác định được rằng anh ta đang bay với tốc độ siêu âm. Theo quan điểm của phi công, đồng hồ của anh ta vẫn chạy bình thường, nhưng không gian giữa các vì sao đã bị thu hẹp lại 5/3 lần. Do đó, nó bay khoảng cách đã biết giữa các ngôi sao nhanh hơn, với tốc độ 4/3c .

Sự giãn nở thời gian là một hiệu ứng thực sự mà về nguyên tắc có thể được sử dụng trong du hành vũ trụ để di chuyển những quãng đường dài trong một khoảng thời gian ngắn theo quan điểm của phi hành gia. Với gia tốc không đổi 1g, các phi hành gia không chỉ cảm thấy thoải mái với trọng lực nhân tạo mà còn có thể vượt qua thiên hà chỉ sau 12 năm theo thời gian của riêng họ. Trong cuộc hành trình họ sẽ già đi 12 tuổi.

Nhưng đây vẫn chưa phải là chuyến bay siêu sáng. Bạn không thể tính tốc độ bằng cách sử dụng khoảng cách và thời gian được xác định trong các hệ quy chiếu khác nhau.

8. Tốc độ trọng trường

Một số người nhấn mạnh rằng tốc độ của trọng lực lớn hơn nhiều c hoặc thậm chí là vô hạn. Kiểm tra Trọng lực có di chuyển với tốc độ ánh sáng không? và Bức xạ hấp dẫn là gì? Nhiễu loạn hấp dẫn và sóng hấp dẫn lan truyền với tốc độ c .

9. Nghịch lý EPR

10. Photon ảo

11. Hiệu ứng đường hầm lượng tử

Trong cơ học lượng tử, hiệu ứng đường hầm cho phép một hạt vượt qua một rào cản, ngay cả khi nó không có đủ năng lượng để làm điều đó. Có thể tính toán thời gian đào hầm xuyên qua rào cản như vậy. Và nó có thể nhỏ hơn mức cần thiết để ánh sáng đi được cùng khoảng cách ở tốc độ c. Liệu điều này có thể được sử dụng để truyền tải thông điệp nhanh hơn ánh sáng không?

Điện động lực học lượng tử nói "Không!" Tuy nhiên, một thí nghiệm đã được thực hiện để chứng minh việc truyền thông tin siêu âm bằng hiệu ứng đường hầm. Qua rào chắn rộng 11,4 cm với tốc độ 4,7 c Bản giao hưởng thứ bốn mươi của Mozart đã được chuyển giao. Lời giải thích cho thí nghiệm này còn rất nhiều tranh cãi. Hầu hết các nhà vật lý tin rằng hiệu ứng đường hầm không thể truyền thông tin

nhanh hơn ánh sáng. Nếu điều này có thể thực hiện được thì tại sao không truyền tín hiệu về quá khứ bằng cách đặt thiết bị vào một hệ quy chiếu chuyển động nhanh.

17. Lý thuyết trường lượng tử

Tuy nhiên, không có bằng chứng chính xác hoàn hảo nào cho lý thuyết trường lượng tử của Mô hình Chuẩn. Thậm chí chưa có ai chứng minh được rằng lý thuyết này là nhất quán trong nội bộ. Rất có thể đây không phải là trường hợp. Trong mọi trường hợp, không có gì đảm bảo rằng vẫn chưa có hạt hoặc lực nào chưa được khám phá không tuân theo lệnh cấm di chuyển siêu âm. Cũng không có sự khái quát hóa lý thuyết này bao gồm lực hấp dẫn và thuyết tương đối rộng. Nhiều nhà vật lý làm việc trong lĩnh vực hấp dẫn lượng tử nghi ngờ rằng những ý tưởng đơn giản về quan hệ nhân quả và tính định xứ sẽ có tính khái quát hóa. Không có gì đảm bảo rằng trong tương lai một lý thuyết hoàn thiện hơn, tốc độ ánh sáng sẽ giữ nguyên ý nghĩa của tốc độ tối thượng.

18. Nghịch lý ông nội

Trong thuyết tương đối đặc biệt, một hạt chuyển động nhanh hơn ánh sáng trong một hệ quy chiếu sẽ chuyển động ngược thời gian trong một hệ quy chiếu khác. Việc di chuyển hoặc truyền thông tin của FTL sẽ giúp bạn có thể du hành hoặc gửi tin nhắn về quá khứ.

Nếu việc du hành thời gian như vậy là có thể, bạn có thể quay ngược thời gian và thay đổi tiến trình lịch sử bằng cách giết ông nội của mình.

Đây là một lập luận rất nghiêm túc chống lại khả năng du hành siêu âm. Đúng vậy, vẫn có một khả năng gần như không thể tin được rằng một số chuyến du hành siêu sáng có giới hạn có thể xảy ra, ngăn cản việc quay trở lại quá khứ. Hoặc có thể du hành thời gian là có thể, nhưng quan hệ nhân quả bị vi phạm theo một cách nhất quán nào đó. Tất cả những điều này đều rất xa vời, nhưng nếu chúng ta đang thảo luận về việc du lịch FTL, tốt nhất bạn nên cởi mở với những ý tưởng mới.

Điều ngược lại cũng đúng. Nếu có thể du hành ngược thời gian, chúng ta có thể vượt qua tốc độ ánh sáng. Bạn có thể quay ngược thời gian, bay đến một nơi nào đó với tốc độ thấp và đến đó trước khi ánh sáng được gửi theo cách thông thường đến. Xem Du hành thời gian để biết chi tiết về chủ đề này.

Câu hỏi mở về du hành nhanh hơn ánh sáng

Trong phần cuối cùng này, tôi sẽ mô tả một số ý tưởng nghiêm túc về khả năng du hành nhanh hơn ánh sáng. Những chủ đề này thường không được đưa vào Câu hỏi thường gặp vì chúng có vẻ ít giống câu trả lời hơn mà giống nhiều câu hỏi mới hơn. Chúng được đưa vào đây để cho thấy rằng nghiên cứu nghiêm túc đang được thực hiện theo hướng này. Chỉ có một giới thiệu ngắn gọn về chủ đề được đưa ra. Bạn có thể tìm thấy chi tiết trên Internet. Giống như mọi thứ trên Internet, hãy chỉ trích chúng.

Tachyon là các hạt giả thuyết di chuyển cục bộ nhanh hơn ánh sáng. Để làm được điều này, chúng phải có khối lượng tưởng tượng.

Hơn nữa, năng lượng và động lượng của tachyon là những đại lượng có thật. Không có lý do gì để tin rằng không thể phát hiện được các hạt siêu sáng. Bóng và điểm sáng có thể di chuyển nhanh hơn ánh sáng và có thể được phát hiện.

Cho đến nay, tachyon vẫn chưa được tìm thấy và các nhà vật lý nghi ngờ sự tồn tại của chúng.

Đã có những tuyên bố rằng trong các thí nghiệm đo khối lượng neutrino được tạo ra bởi sự phân rã beta của tritium, neutrino là tachyon.

Điều này còn đáng nghi ngờ nhưng vẫn chưa được bác bỏ một cách dứt khoát.

Có vấn đề với lý thuyết tachyon. Ngoài khả năng làm gián đoạn quan hệ nhân quả, tachyons còn làm cho chân không không ổn định. Có thể tránh được những khó khăn này, nhưng ngay cả khi đó chúng ta cũng sẽ không thể sử dụng tachyon để truyền thông điệp siêu sáng.

Hầu hết các nhà vật lý đều tin rằng sự xuất hiện của tachyons trong lý thuyết này là dấu hiệu của một số vấn đề trong lý thuyết này. Ý tưởng về tachyons được công chúng ưa chuộng đơn giản vì chúng thường được nhắc đến trong văn học khoa học viễn tưởng. Xem Tachyons. 20. Lỗ giun Phương pháp du hành siêu sáng nổi tiếng nhất toàn cầu là sử dụng lỗ sâu đục. Lỗ sâu đục là một vết cắt trong không-thời gian từ điểm này đến điểm khác trong vũ trụ, cho phép bạn di chuyển từ đầu này đến đầu kia của lỗ sâu nhanh hơn đường đi thông thường. Lỗ giun được mô tả bởi thuyết tương đối rộng.