كما تعلمون، الفوتونات، جزيئات الضوء التي تشكل الضوء، تتحرك بسرعة الضوء. النظرية النسبية الخاصة ستساعدنا في هذا الأمر.

في أفلام الخيال العلمي، تطير السفن الفضائية بين النجوم دائمًا بسرعة الضوء. وهذا عادة ما يسميه كتاب الخيال العلمي السرعة الفائقة. يصفه كل من الكتاب ومخرجي الأفلام ويظهرونه لنا بنفس الطريقة تقريبًا جهاز فني. في أغلب الأحيان، من أجل أن تحقق السفينة اختراقا سريعا، يسحب الأبطال أو يضغطون على زر عنصر التحكم، و عربةيتسارع على الفور، ويصل إلى سرعة الضوء تقريبًا مع دوي يصم الآذان. تومض النجوم التي يراها المشاهد على متن السفينة أولاً، ثم تمتد بالكامل إلى خطوط. ولكن هل هذا ما تبدو عليه النجوم حقًا من خلال نوافذ سفينة الفضاء بسرعة فائقة؟ يقول الباحثون لا. في الواقع، لن يرى ركاب السفينة سوى قرصًا لامعًا بدلاً من النجوم الممتدة في خط واحد.

إذا تحرك جسم ما بسرعة الضوء تقريبًا، فقد يرى تأثير دوبلر قيد التنفيذ. في الفيزياء، هذا هو الاسم الذي يطلق على التغير في التردد والطول الموجي بسبب الحركة السريعة للمستقبل. سيزداد تردد ضوء النجوم الوامض أمام المشاهد من السفينة بدرجة كبيرة بحيث يتحول من النطاق المرئي إلى جزء الأشعة السينية من الطيف. يبدو أن النجوم تختفي! وفي الوقت نفسه، سينخفض ​​طول الإشعاع الكهرومغناطيسي المتبقي بعد الانفجار الكبير. سوف يصبح إشعاع الخلفية مرئيًا ويظهر كقرص لامع، يتلاشى عند الحواف.

ولكن كيف يبدو العالم من جانب جسم سيصل إلى سرعة الضوء؟ وكما هو معروف فإن الفوتونات، وهي جسيمات الضوء التي يتكون منها، تتحرك بهذه السرعات. النظرية النسبية الخاصة ستساعدنا في هذا الأمر. ووفقاً لها، عندما يتحرك جسم بسرعة الضوء لأي مدة زمنية، فإن الزمن الذي يقضيه في حركة هذا الجسم يصبح مساوياً للصفر. بعبارات بسيطة، فإذا تحركت بسرعة الضوء، فمن المستحيل أن تقوم بأي فعل، كالملاحظة، والرؤية، والرؤية، ونحو ذلك. فالجسم الذي يتحرك بسرعة الضوء لن يرى شيئًا في الواقع.

تنتقل الفوتونات دائمًا بسرعة الضوء. إنهم لا يضيعون الوقت في التسارع والكبح، لذا فإن حياتهم بأكملها لا تدوم أي وقت بالنسبة لهم. إذا كنا فوتونات، فإن لحظات ولادتنا وموتنا ستتزامن، أي أننا ببساطة لن ندرك أن العالم موجود على الإطلاق. ومن الجدير بالذكر أنه إذا تسارع جسم ما إلى سرعة الضوء، فإن سرعته في جميع الأطر المرجعية تصبح سرعة متساويةسفيتا. هذه هي فيزياء الصور. باستخدام النظرية النسبية الخاصة، يمكننا أن نستنتج أنه بالنسبة لجسم يتحرك بسرعة الضوء، فإن الجسم كله يتحرك بسرعة الضوء العالمسيبدو مسطحًا إلى ما لا نهاية، وجميع الأحداث التي تحدث فيه ستحدث في وقت واحد.

كثيرا ما نتحدث عن حقيقة ذلك أقصى سرعة للضوءفي كوننا، وأنه لا يوجد شيء يمكن أن يتحرك سرعة أسرعضوء في الفراغ. والأكثر من ذلك - نحن. عند الاقتراب من سرعة الضوء القريبة، يكتسب الجسم كتلة وطاقة، مما يؤدي إما إلى تدميره أو يتعارض مع النظرية النسبية العامة لأينشتاين. لنفترض أننا نؤمن بهذا ونبحث عن حلول بديلة (مثل أو سنكتشف ذلك) من أجل السفر إلى أقرب نجم ليس لمدة 75000 عام، ولكن لبضعة أسابيع. ولكن بما أن القليل منا حصل على تعليم عالي في الفيزياء، فليس من الواضح لماذا يقولون ذلك في الشوارع سرعة الضوء قصوى وثابتة وتساوي 300000 كم/ثانية?

هناك العديد من التفسيرات البسيطة والبديهية لماذا تسير الأمور بهذه الطريقة، ولكن يمكنك أن تبدأ في كرهها. سيقودك البحث على الإنترنت إلى مفهوم "الكتلة النسبية" وكيف أنها تتطلب المزيد من القوة لتسريع جسم يتحرك بالفعل بمعدل أسرع. السرعه العاليه. هذه طريقة مألوفة لتفسير الرياضيات نظرية خاصةالنسبية، لكنها تضلل الكثيرين، وخاصة أنتم قرائنا الأعزاء. لأن الكثير منكم (ونحن أيضًا) يتذوقون الفيزياء العالية، كما لو كانوا يغمسون إصبعًا واحدًا في مياهها المالحة قبل السباحة. ونتيجة لذلك، يصبح الأمر أكثر تعقيدا وأقل جمالا مما هو عليه في الواقع.

دعونا نناقش هذه المسألة من وجهة نظر تفسير هندسي يتوافق مع النسبية العامة. إنها أقل وضوحًا، ولكنها أكثر تعقيدًا قليلاً من رسم الأسهم على الورق، لذلك سيفهم الكثير منكم على الفور النظرية المخفية وراء التجريدات مثل "القوة" والأكاذيب الصريحة مثل "الكتلة النسبية".

أولاً، دعونا نحدد الاتجاه حتى نتمكن من تحديد مكاننا بوضوح. "أسفل" هو الاتجاه. يتم تعريفه على أنه الاتجاه الذي تسقط فيه الأشياء عندما تتركها. "أعلى" هو الاتجاه المعاكس لـ "أسفل". التقط البوصلة وحدد الاتجاهات الإضافية: الشمال والجنوب والغرب والشرق. يتم تعريف كل هذه الاتجاهات من قبل الأشخاص الجادين على أنها "أساس متعامد (أو متعامد)،" لكن من الأفضل عدم التفكير في الأمر الآن. ولنفترض أن هذه الاتجاهات الستة مطلقة، لأنها ستكون موجودة حيث نتعامل مع سؤالنا المعقد.

الآن دعونا نضيف اتجاهين آخرين: إلى المستقبل وإلى الماضي. لا يمكنك التحرك بسهولة في هذه الاتجاهات في الإرادة، ولكن يجب أن يكون من السهل عليك أن تتخيلها. المستقبل هو الاتجاه الذي يأتي فيه الغد؛ الماضي هو الاتجاه الذي كان فيه الأمس.

تصف هذه الاتجاهات الأساسية الثمانية – أعلى، أسفل، شمال، جنوب، غرب، شرق، الماضي، والمستقبل – الهندسة الأساسية للكون. يمكننا أن نطلق على كل زوج من هذه الاتجاهات اسم "البعد"، ولهذا السبب نعيش في كون رباعي الأبعاد. هناك مصطلح آخر لتعريف هذا الفهم رباعي الأبعاد وهو "الزمكان"، لكننا سنحاول تجنب استخدام هذا المصطلح. فقط تذكر أنه في سياقنا، سيكون "الزمكان" معادلاً لمفهوم "الكون".

مرحبا بكم في المسرح. دعونا نلقي نظرة على الممثلين.

عندما تجلس أمام جهاز الكمبيوتر الخاص بك الآن، فأنت في حالة حركة. أنت لا تشعر بذلك. يبدو لك أنك في راحة. ولكن هذا فقط لأن كل شيء من حولك يتحرك أيضًا بالنسبة لك. لا، لا تظن أننا نتحدث عن دوران الأرض حول الشمس أو أن الشمس تتحرك عبر المجرة وتسحبنا معها. وهذا بالطبع صحيح، ولكن ليس هذا ما نتحدث عنه الآن. ونعني بالحركة التحرك نحو "المستقبل".

تخيل أنك في عربة قطار والنوافذ مغلقة. لا يمكنك رؤية الشارع، ولنفترض أن القضبان مثالية جدًا لدرجة أنك لا تشعر بما إذا كان القطار يتحرك أم لا. لذلك، بمجرد جلوسك داخل القطار، لا يمكنك معرفة ما إذا كنت مسافرًا بالفعل أم لا. انظر إلى الخارج وسوف تدرك أن المناظر الطبيعية تتسارع. لكن النوافذ مغلقة.

هناك طريقة واحدة فقط لمعرفة ما إذا كنت تتحرك أم لا. مجرد الجلوس والانتظار. إذا بقي القطار في المحطة، فلن يحدث شيء. ولكن إذا كان القطار يتحرك، فسوف تصل عاجلاً أم آجلاً إلى محطة جديدة.

في هذه الاستعارة، تمثل العربة كل ما يمكننا رؤيته في العالم من حولنا - منزل، فاسكا القط، نجوم في السماء، وما إلى ذلك. "المحطة التالية - غدًا."

إذا جلست بلا حراك، ونام القط فاسكا بهدوء خلال الساعات المخصصة له يوميًا، فلن تشعر بالحركة. لكن الغد سيأتي حتماً.

وهذا هو ما يعنيه التحرك نحو المستقبل. الوقت وحده هو الذي سيحدد ما هو الصحيح: الحركة أم الوقوف.

ينبغي أن يكون كل شيء سهلاً بالنسبة لك أن تتخيله حتى الآن. قد يكون من الصعب أن نفكر في الوقت باعتباره اتجاهًا، ناهيك عن التفكير في أنفسنا كجسم يمر عبر الزمن. لكنك سوف تفهم. الآن استخدم خيالك.

تخيل أنه عندما تقود سيارتك، يحدث شيء فظيع: تعطل الفرامل. وبصدفة غريبة في نفس اللحظة انحشر البنزين وعلبة التروس. لا يمكنك تسريع أو التوقف. الشيء الوحيد الذي لديك هو عجلة القيادة. يمكنك تغيير اتجاه الحركة، ولكن ليس سرعتها.

بالطبع، أول شيء ستفعله هو محاولة القيادة في شجيرة ناعمة وإيقاف السيارة بعناية بطريقة أو بأخرى. لكن دعونا لا نستخدم هذه التقنية في الوقت الحالي. دعنا نركز فقط على تفاصيل سيارتك المعيبة: يمكنك تغيير الاتجاه، ولكن ليس السرعة.

هذه هي الطريقة التي نتحرك بها عبر الكون. لديك عجلة قيادة، ولكن لا يوجد دواسات. بالجلوس وقراءة هذا المقال، فإنك تتجه نحو مستقبل مشرق السرعة القصوى. وعندما تنهض لتصنع لنفسك بعض الشاي، فإنك تغير اتجاه الحركة في الزمكان، ولكن ليس سرعتها. إذا تحركت بسرعة كبيرة عبر الفضاء، فسوف يتدفق الوقت بشكل أبطأ قليلاً.

من السهل تخيل ذلك من خلال رسم محورين على الورق. المحور الذي سيرتفع ويهبط هو محور الزمن، والأعلى يعني المستقبل. يمثل المحور الأفقي الفضاء. يمكننا رسم بعد واحد فقط من الفضاء لأن قطعة الورق ثنائية الأبعاد، لكن دعونا نتخيل أن هذا المفهوم ينطبق على الأبعاد الثلاثة للفضاء.

ارسم سهمًا من أصل المحور الإحداثي، حيث يتقاربان، ووجهه لأعلى على طول المحور الرأسي. لا يهم كم هو طويل، فقط ضع في اعتبارك أنه سيأتي بطول واحد فقط. وهذا السهم الذي يشير الآن إلى المستقبل يمثل كمية يسميها الفيزيائيون "السرعات الأربع". هذه هي سرعة حركتك عبر الزمكان. أنت الآن في حالة ثابتة، وبالتالي فإن السهم يشير فقط إلى المستقبل.

إذا كنت تريد التحرك عبر الفضاء - إلى اليمين على طول محور الإحداثيات - فأنت بحاجة إلى تغيير السرعات الأربع الخاصة بك وتضمين مكون أفقي. اتضح أنك بحاجة إلى قلب السهم. ولكن بمجرد القيام بذلك، ستلاحظ أن السهم لم يعد يشير إلى الأعلى، إلى المستقبل، بثقة كما كان من قبل. أنت الآن تتحرك عبر الفضاء، لكن كان عليك التضحية بالحركة المستقبلية نظرًا لأن الإبرة ذات الأربع سرعات يمكنها الدوران فقط، ولكنها لا تتمدد أو تنكمش أبدًا.

وهنا يبدأ تأثير "تمدد الزمن" الشهير، والذي يتحدث عنه كل من هو مطلع ولو قليلاً على النظرية النسبية الخاصة. إذا كنت تتحرك عبر الفضاء، فأنت لا تتحرك عبر الزمن بأسرع ما يمكن إذا كنت جالسًا ساكنًا. ستعمل ساعتك على العد التنازلي للوقت بشكل أبطأ من ساعة الشخص الذي لا يتحرك.

والآن نأتي إلى حل سؤال لماذا عبارة " أسرع من الضوء"ليس له أي معنى في عالمنا. شاهد ماذا يحدث إذا كنت تريد التحرك عبر الفضاء بأسرع ما يمكن. تقوم بتدوير الإبرة ذات الأربع سرعات بالكامل حتى تشير إلى المحور الأفقي. نتذكر أن السهم لا يمكن أن يمتد. يمكنها أن تدور فقط. لذلك، قمت بزيادة السرعة في الفضاء قدر الإمكان. ولكن أصبح من المستحيل التحرك بشكل أسرع. فلا يوجد مكان لتحويل السهم، وإلا فإنه سيصبح "أشد من المستقيم" أو "أفقيًا من الأفقي". هذا هو المفهوم الذي نساويه بـ "أسرع من الضوء". من المستحيل ببساطة إطعام شعب ضخم بثلاث سمكات وسبعة أرغفة خبز.

ولهذا السبب لا يمكن لأي شيء في كوننا أن يتحرك بسرعة أكبر من الضوء. لأن عبارة "أسرع من الضوء" في كوننا تعادل عبارة "أشد من المستقيم" أو "أفقي من الأفقي".

نعم، لا يزال لديك بعض الأسئلة. لماذا يمكن للنواقل ذات الأربع سرعات أن تدور فقط دون أن تتمدد؟ هناك إجابة لهذا السؤال، لكن الأمر يتعلق بثبات سرعة الضوء، وسنترك ذلك لوقت لاحق. وإذا كنت تعتقد ذلك ببساطة، فستكون أقل اطلاعًا على هذا الموضوع قليلاً من ألمع الفيزيائيين الذين ساروا على هذا الكوكب على الإطلاق.

قد يتساءل المتشككون عن سبب استخدامنا لنموذج مبسط لهندسة الفضاء عند الحديث عن الدورات والدوائر الإقليدية. في العالم الحقيقيهندسة الزمكان تخضع لهندسة مينكوفسكي، وتكون الدورات زائدية. لكن نسخة بسيطة من التفسير لها الحق في الحياة.

فضلا عن تفسير بسيط لذلك، .

يمكن للظلال أن تنتقل بسرعة أكبر من الضوء، لكنها لا تستطيع نقل المادة أو المعلومات

هل الطيران فائق السطوع ممكن؟

أقسام هذه المقالة مترجمة ويمكن الرجوع إلى كل قسم على حدة.

أمثلة بسيطة على السفر فائق السطوع

1. تأثير شيرينكوف

عندما نتحدث عن التحرك بسرعات فائقة السرعة، فإننا نعني سرعة الضوء في الفراغ ج(299,792,458 م/ث). لذلك، لا يمكن اعتبار تأثير شيرينكوف مثالًا على الحركة بسرعة فائقة السرعة.

2. المراقب الثالث

إذا كان الصاروخ أيطير بعيدا عني بسرعة 0.6 جإلى الغرب والصاروخ بيطير بعيدا عني بسرعة 0.6 جإلى الشرق، فأرى أن المسافة بينهما أو بيزداد مع السرعة 1.2 ج. مشاهدة طيران الصواريخ أو بومن الخارج يرى المراقب الثالث أن السرعة الإجمالية لإزالة الصاروخ أكبر من ج .

لكن السرعة النسبية لا يساوي مجموع السرعات. سرعة الصاروخ أنسبة إلى الصاروخ بهو المعدل الذي تزداد به المسافة إلى الصاروخ أالذي يراه أحد المراقبين وهو يطير على صاروخ ب. يجب حساب السرعة النسبية باستخدام الصيغة النسبية لإضافة السرعات. (انظر كيف يمكنك إضافة السرعات في النسبية الخاصة؟) في هذا المثال، السرعة النسبية تساوي تقريبًا 0.88ج. لذلك في هذا المثال لم نحصل على سرعة فائقة.

3. الضوء والظل

فكر في مدى سرعة تحرك الظل. إذا كان المصباح قريبًا، فإن ظل إصبعك على الحائط البعيد يتحرك بشكل أسرع بكثير من تحرك إصبعك. عندما تحرك إصبعك بشكل موازي للحائط، فإن سرعة الظل تكون د / دمرات أسرع من سرعة إصبعك. هنا د- المسافة من المصباح إلى الإصبع، و د- من المصباح إلى الحائط. ستكون السرعة أكبر إذا كان الجدار يقع بزاوية. إذا كان الجدار بعيدا جدا، فإن حركة الظل سوف تتخلف عن حركة الإصبع، حيث أن الضوء يستغرق وقتا طويلا للوصول إلى الحائط، ولكن سرعة الظل التي تتحرك على طول الجدار ستزداد أكثر. سرعة الظل لا تقتصر على سرعة الضوء.

هناك جسم آخر يمكنه السفر بسرعة أكبر من الضوء وهو بقعة الضوء الصادرة عن الليزر والتي تستهدف القمر. المسافة إلى القمر هي 385000 كم. يمكنك بنفسك حساب السرعة التي تتحرك بها بقعة الضوء عبر سطح القمر من خلال اهتزازات طفيفة لمؤشر الليزر في يدك. قد يعجبك أيضًا مثال موجة تضرب خطًا مستقيمًا من الشاطئ بزاوية طفيفة. ما السرعة التي يمكن أن تتحرك بها نقطة تقاطع الموجة والشاطئ على طول الشاطئ؟

كل هذه الأشياء يمكن أن تحدث في الطبيعة. على سبيل المثال، يمكن لشعاع الضوء الصادر من النجم النابض أن ينتقل عبر سحابة من الغبار. يمكن للانفجار القوي أن يخلق موجات كروية من الضوء أو الإشعاع. وعندما تتقاطع هذه الموجات مع أي سطح، تظهر دوائر ضوئية على ذلك السطح وتتوسع بشكل أسرع من الضوء. يتم ملاحظة هذه الظاهرة، على سبيل المثال، عندما نبض كهرومغناطيسيمن وميض البرق يمر عبر الغلاف الجوي العلوي.

4. الصلبة

إذا كان لديك قضيب طويل صلب وضربت أحد طرفيه، ألن يتحرك الطرف الآخر على الفور؟ أليست هذه طريقة لنقل المعلومات بشكل فائق السطوع؟

سيكون صحيحا لوكانت هناك أجساد صلبة تمامًا. ومن الناحية العملية، ينتقل التأثير على طول القضيب بسرعة الصوت، والتي تعتمد على مرونة وكثافة مادة القضيب. بالإضافة إلى ذلك، فإن النظرية النسبية تحدد سرعات الصوت المحتملة في المادة بالقيمة ج .

وينطبق المبدأ نفسه إذا أمسكت بخيط أو قضيب بشكل عمودي، ثم حررته، وبدأ في السقوط تحت تأثير الجاذبية. يبدأ الطرف العلوي الذي تركته في السقوط على الفور، لكن الطرف السفلي لن يبدأ في التحرك إلا بعد مرور بعض الوقت، حيث ينتقل اختفاء قوة التثبيت إلى أسفل القضيب بسرعة الصوت في المادة.

إن صياغة النظرية النسبية للمرونة معقدة للغاية، ولكن يمكن توضيح الفكرة العامة باستخدام الميكانيكا النيوتونية. يمكن استخلاص معادلة الحركة الطولية لجسم مرن مثالي من قانون هوك. دعونا نشير إلى الكثافة الخطية للقضيب ρ ، معامل يونج للمرونة ي. النزوح الطولي Xيفي بالمعادلة الموجية

ρ د 2 X/dt 2 - Y د 2 X/dx 2 = 0

الحل في النموذج موجات الطائرةيتحرك بسرعة الصوت س، والذي يتم تحديده من الصيغة ق 2 = ص/ρ. لا تسمح المعادلة الموجية للاضطرابات في الوسط بالتحرك بشكل أسرع من السرعة س. بالإضافة إلى ذلك، فإن النظرية النسبية تعطي حدًا لحجم المرونة: ي< ρc 2 . ومن الناحية العملية، لا توجد مادة معروفة تقترب من هذا الحد. يرجى أيضًا ملاحظة أنه حتى لو كانت سرعة الصوت قريبة من ج، فإن المادة نفسها لا تتحرك بالضرورة بسرعة نسبية.

على الرغم من عدم وجود أجسام صلبة في الطبيعة، إلا أنها موجودة حركة الأجسام الصلبةوالتي يمكن استخدامها للتغلب على سرعة الضوء. يتعلق هذا الموضوع بقسم الظلال والإبرازات الموصوف بالفعل. (انظر المقص فائق اللمعية، القرص الصلب الدوار في النسبية).

5. سرعة المرحلة

معادلة الموجة
د 2 ش/dt 2 - ج 2 د 2 ش/دكس 2 + ث 2 ش = 0

لديه الحل في النموذج
ش = أ كوس(فاس - بت)، ج 2 أ 2 - ب 2 + ث 2 = 0

هذه موجات جيبية تنتشر بسرعة v
ت = ب/أ = جذر(ج 2 + ث 2 /أ 2)

لكنه أكثر من ج. ربما هذه هي معادلة التاكيونات؟ (انظر القسم الإضافي). لا، هذه معادلة نسبية عادية لجسيم له كتلة.

وللتخلص من المفارقة، عليك التمييز بين "سرعة الطور" الخامسالرقم الهيدروجيني، و"سرعة المجموعة" الخامسكبير
v ph ·v gr = ج 2

قد يكون للحل الموجي تشتت التردد. في هذه الحالة، تتحرك الحزمة الموجية بسرعة جماعية، وهي أقل من ج. باستخدام الحزمة الموجية، لا يمكن نقل المعلومات إلا بسرعة المجموعة. تتحرك الموجات الموجودة في الحزمة الموجية بسرعة الطور. تعد سرعة الطور مثالًا آخر على الحركة فائقة السطوع التي لا يمكن استخدامها لنقل الرسائل.

6. المجرات فائقة السطوع

7. الصاروخ النسبي

دع مراقبًا على الأرض يرى مركبة فضائية تتحرك بعيدًا بسرعة 0.8 جووفقا للنظرية النسبية، سيرى أن الساعة على متن سفينة الفضاء تسير أبطأ بمقدار 5/3 مرات. إذا قسمنا المسافة إلى السفينة على زمن الرحلة وفقًا للساعة الموجودة على متن السفينة، فسنحصل على السرعة 4/3ج. ويخلص المراقب إلى أنه باستخدام ساعته الموجودة على متن السفينة، سيحدد قائد السفينة أيضًا أنه يطير بسرعة فائقة السرعة. من وجهة نظر الطيار، فإن ساعته تعمل بشكل طبيعي، لكن الفضاء بين النجوم تقلص بمقدار 5/3 مرات. ولذلك فهو يطير لمسافات معروفة بين النجوم بشكل أسرع وبسرعة كبيرة 4/3ج .

يعد تباطؤ الزمن تأثيرًا حقيقيًا يمكن استخدامه من حيث المبدأ السفر إلى الفضاءلتغطية مسافات طويلة في وقت قصير من وجهة نظر رواد الفضاء. عند تسارع ثابت قدره 1 جرام، لن يتمتع رواد الفضاء براحة الجاذبية الاصطناعية فحسب، بل سيتمكنون أيضًا من عبور المجرة خلال 12 عامًا فقط في الوقت المناسب لهم. خلال الرحلة سيبلغ عمرهم 12 عامًا.

ولكن هذه لا تزال ليست رحلة فائقة السطوع. لا يمكنك حساب السرعة باستخدام المسافة والوقت المحددين في أنظمة مرجعية مختلفة.

8. سرعة الجاذبية

يصر البعض على أن سرعة الجاذبية أكبر بكثير جأو حتى لا نهاية لها. شاهد هل تنتقل الجاذبية بسرعة الضوء؟ وما هو إشعاع الجاذبية؟ تنتشر اضطرابات الجاذبية وموجات الجاذبية بسرعة ج .

9. مفارقة EPR

10. الفوتونات الافتراضية

11. تأثير نفق الكم

في ميكانيكا الكميسمح تأثير النفق للجسيم بالتغلب على الحاجز، حتى لو لم تكن طاقته كافية للقيام بذلك. من الممكن حساب وقت حفر الأنفاق من خلال مثل هذا الحاجز. وقد يتبين أنها أقل مما هو مطلوب للضوء ليقطع نفس المسافة بالسرعة ج. هل يمكن استخدام هذا لنقل الرسائل بشكل أسرع من الضوء؟

الديناميكا الكهربائية الكمومية تقول "لا!" ومع ذلك، تم إجراء تجربة أظهرت نقل المعلومات بشكل فائق باستخدام تأثير النفق. من خلال حاجز بعرض 11.4 سم وبسرعة 4.7 جتم نقل السيمفونية الأربعين لموزارت. تفسير هذه التجربة مثير للجدل للغاية. يعتقد معظم الفيزيائيين أنه لا يمكن استخدام تأثير النفق في الإرسال معلومةأسرع من الضوء. إذا كان هذا ممكنا، فلماذا لا نرسل الإشارة إلى الماضي عن طريق وضع المعدات في إطار مرجعي سريع الحركة.

17. نظرية المجال الكمي

باستثناء الجاذبية، كل ما يمكن ملاحظته الظواهر الفيزيائيةتتوافق مع "النموذج القياسي". النموذج القياسي هو نظرية المجال الكمي النسبية التي تشرح التفاعلات الكهرومغناطيسية والنووية، وكذلك جميع الجسيمات المعروفة. في هذه النظرية، فإن أي زوج من العوامل المقابلة للأشياء المادية التي يمكن ملاحظتها مفصولة بفاصل زمني يشبه الفضاء من الأحداث "ينتقل" (أي أنه يمكن تغيير ترتيب هذه العوامل). من حيث المبدأ، هذا يعني أنه في النموذج القياسي لا يمكن للتأثير أن ينتقل بسرعة أكبر من الضوء، ويمكن اعتبار هذا المجال الكمي المعادل لحجة الطاقة اللانهائية.

ومع ذلك، لا يوجد دليل صارم على نظرية المجال الكمي في النموذج القياسي. لم يثبت أحد حتى الآن أن هذه النظرية متسقة داخليًا. على الأرجح أن هذا ليس هو الحال. على أية حال، ليس هناك ما يضمن عدم وجود جسيمات أو قوى غير مكتشفة بعد لا تخضع للحظر المفروض على السفر فوق الضوء. كما لا يوجد تعميم لهذه النظرية التي تشمل الجاذبية والنسبية العامة. يشك العديد من الفيزيائيين العاملين في مجال الجاذبية الكمومية في إمكانية تعميم الأفكار البسيطة حول السببية والمحلية. ليس هناك ما يضمن أنه في نظرية مستقبلية أكثر اكتمالا، ستحتفظ سرعة الضوء بمعنى السرعة النهائية.

18. مفارقة الجد

في النسبية الخاصة، ينتقل الجسيم الذي يتحرك بسرعة أكبر من الضوء في إطار مرجعي واحد إلى الوراء عبر الزمن في إطار مرجعي آخر. إن السفر عبر FTL أو نقل المعلومات سيجعل من الممكن السفر أو إرسال رسالة إلى الماضي. إذا كان مثل هذا السفر عبر الزمن ممكنًا، فيمكنك العودة بالزمن إلى الوراء وتغيير مسار التاريخ عن طريق قتل جدك.

هذه حجة خطيرة للغاية ضد إمكانية السفر فوق الضوء. صحيح أنه لا يزال هناك احتمال غير معقول بأن يكون هناك بعض السفر المحدود للضوء الفائق، مما يمنع العودة إلى الماضي. أو ربما يكون السفر عبر الزمن ممكنًا، ولكن يتم انتهاك السببية بطريقة متسقة. كل هذا بعيد الاحتمال، لكن إذا كنا نناقش السفر فوق الضوء، فمن الأفضل أن نكون مستعدين لأفكار جديدة.

والعكس صحيح أيضا. لو تمكنا من العودة بالزمن لتمكنا من التغلب على سرعة الضوء. يمكنك العودة بالزمن إلى الوراء، والتحليق في مكان ما بسرعة منخفضة، والوصول إلى هناك قبل وصول الضوء المرسل بالطريقة المعتادة. راجع السفر عبر الزمن للحصول على تفاصيل حول هذا الموضوع.

أسئلة مفتوحة حول السفر بسرعة أسرع من الضوء

في هذا القسم الأخير، سأصف بعض الأفكار الجادة حول إمكانية السفر بسرعة أكبر من الضوء. لا يتم تضمين هذه المواضيع غالبًا في الأسئلة الشائعة لأنها تبدو أقل شبهاً بالإجابات وأكثر شبهاً بالكثير من الأسئلة الجديدة. لقد تم تضمينها هنا لإظهار أنه يتم إجراء بحث جاد في هذا الاتجاه. يتم تقديم مقدمة قصيرة فقط للموضوع. يمكنك العثور على التفاصيل على شبكة الإنترنت. وكما هو الحال مع كل شيء على الإنترنت، كن منتقدًا لهم.

19. تاكيونز

التاكيونات هي جسيمات افتراضية تنتقل محليًا بسرعة أكبر من الضوء. للقيام بذلك، يجب أن يكون لديهم كتلة وهمية. في هذه الحالة، تكون طاقة التاكيون وزخمه القيم الحقيقية. لا يوجد سبب للاعتقاد بأنه لا يمكن الكشف عن الجسيمات فائقة السطوع. يمكن أن تنتقل الظلال والإبرازات بشكل أسرع من الضوء ويمكن اكتشافها.

ولم يتم العثور على التاكيونات حتى الآن، ويشكك الفيزيائيون في وجودها. كانت هناك ادعاءات بأنه في تجارب قياس كتلة النيوترينوات الناتجة عن تحلل بيتا للتريتيوم، كانت النيوترينوات عبارة عن تاكيونات. وهذا أمر مشكوك فيه، ولكن لم يتم دحضه بشكل قاطع بعد.

هناك مشاكل مع نظرية تاكيون. بالإضافة إلى احتمالية تعطيل العلاقة السببية، فإن التاكيونات أيضًا تجعل الفراغ غير مستقر. قد يكون من الممكن التغلب على هذه الصعوبات، ولكن حتى ذلك الحين لن نكون قادرين على استخدام التاكيونات لنقل الرسائل فائقة السطوع.

ويعتقد معظم علماء الفيزياء أن ظهور التاكيونات في النظرية هو علامة على وجود بعض المشاكل في هذه النظرية. تحظى فكرة التاكيونات بشعبية كبيرة لدى الجمهور لمجرد ذكرها غالبًا في أدب الخيال العلمي. انظر تاكيون.

20. الثقوب الدودية

الطريقة الأكثر شهرة للسفر فائق السطوع على مستوى العالم هي استخدام الثقوب الدودية. الثقب الدودي هو قطع في الزمكان من نقطة في الكون إلى أخرى، مما يسمح لك بالسفر من أحد طرفي الثقب إلى الطرف الآخر بشكل أسرع من المسار المعتاد. يتم وصف الثقوب الدودية من خلال النظرية النسبية العامة. لإنشائها، تحتاج إلى تغيير طوبولوجيا الزمكان. وربما يصبح هذا ممكنا في إطار نظرية الجاذبية الكمومية.

لإبقاء الثقب الدودي مفتوحًا، تحتاج إلى مناطق من الفضاء ذات طاقة سلبية. اقترح C.W.Misner وK.S.Thorne استخدام تأثير كازيمير على نطاق واسع لتوليد طاقة سلبية. فيسراقترح استخدام الأوتار الكونية لهذا الغرض. هذه أفكار تخمينية للغاية وقد لا تكون ممكنة. ولعل الشكل المطلوب من المادة الغريبة هو الطاقة السلبيةغير موجود.

ولكن تبين أن ذلك ممكن؛ "الآن يعتقدون أننا لن نكون قادرين على السفر بسرعة أسرع من الضوء ..." ولكن في الواقع ليس صحيحا أن أي شخص كان يعتقد ذات يوم أن السفر بسرعة أسرع من الصوت أمر مستحيل. فقبل وقت طويل من ظهور الطائرات الأسرع من الصوت، كان من المعروف بالفعل أن الرصاص تطير بشكل أسرع من الصوت، ولكن في الواقع كنا نتحدث عن حقيقة أن ذلك مستحيل خاضع للسيطرةرحلة أسرع من الصوت، وهذا كان الخطأ. أما حركة قوات الأمن الخاصة فهي مسألة مختلفة تمامًا. منذ البداية، كان من الواضح أن الطيران الأسرع من الصوت يعوقه مشاكل فنية تحتاج ببساطة إلى حل. لكن من غير الواضح تمامًا ما إذا كان من الممكن حل المشكلات التي تعيق حركة قوات الأمن الخاصة. النظرية النسبية لديها الكثير لتقوله حول هذا الموضوع. إذا كان سفر SS أو حتى نقل الإشارة ممكنًا، فسيتم انتهاك السببية، وستتبع ذلك استنتاجات لا تصدق تمامًا.

سنناقش أولاً حالات بسيطة لحركة CC. نحن نذكرها ليس لأنها مثيرة للاهتمام، ولكن لأنها تظهر مرارًا وتكرارًا في المناقشات حول حركة قوات الأمن الخاصة، وبالتالي يجب التعامل معها. ثم سنناقش ما نعتبره حالات صعبة لحركة أو اتصال STS وننظر في بعض الحجج ضدها. وأخيرا، سوف ننظر إلى أخطر الافتراضات حول حركة SS الحقيقية.

حركة SS بسيطة

1. ظاهرة إشعاع شيرينكوف

إحدى الطرق للتحرك بشكل أسرع من الضوء هي أولاً إبطاء الضوء نفسه! :-) في الفراغ، ينتقل الضوء بسرعة ج، وهذه الكمية هي ثابت عالمي (انظر السؤال هل سرعة الضوء ثابتة)، وفي الوسط الأكثر كثافة مثل الماء أو الزجاج تتباطأ إلى السرعة ج / ن، أين نهو معامل انكسار الوسط (1.0003 للهواء، 1.4 للماء). لذلك، يمكن أن تتحرك الجسيمات في الماء أو الهواء بشكل أسرع من انتقال الضوء هناك. ونتيجة لذلك، يحدث إشعاع فافيلوف-شيرينكوف (انظر السؤال).

لكن عندما نتحدث عن حركة SS، فإننا نعني بالطبع تجاوز سرعة الضوء في الفراغ ج(299,792,458 م/ث). لذلك، لا يمكن اعتبار ظاهرة شيرينكوف مثالاً على حركة قوات الأمن الخاصة.

2. من الطرف الثالث

إذا كان الصاروخ أيطير بعيدا عني بسرعة 0.6 جإلى الغرب، والآخر ب- مني بالسرعة 0.6 جإلى الشرق، ثم المسافة الإجمالية بينهما أو بفي الإطار المرجعي الخاص بي يزداد مع السرعة 1.2 ج. ومن ثم، يمكن ملاحظة سرعة نسبية ظاهرية أكبر من c "من الجانب الثالث".

ومع ذلك، فإن هذه السرعة ليست ما نفهمه عادةً بالسرعة النسبية. سرعة الصاروخ الحقيقية أنسبة إلى الصاروخ ب- هذا هو معدل زيادة المسافة بين الصواريخ التي يلاحظها الراصد في الصاروخ ب. يجب إضافة سرعتين باستخدام الصيغة النسبية لإضافة السرعات (راجع السؤال كيفية إضافة السرعات في النسبية الجزئية). وفي هذه الحالة، تكون السرعة النسبية تقريبًا 0.88ج، أي أنه ليس فائق السطوع.

3. الظلال والأرانب

فكر في مدى سرعة تحرك الظل؟ إذا قمت بإنشاء ظل على جدار بعيد بإصبعك من مصباح قريب، ثم حركت إصبعك، فإن الظل يتحرك بشكل أسرع بكثير من إصبعك. إذا تحرك الإصبع موازيا للجدار، فستكون سرعة الظل د / دأضعاف سرعة الإصبع، حيث د- المسافة من الإصبع إلى المصباح، و د- المسافة من المصباح إلى الحائط. ويمكنك الحصول على سرعة أكبر إذا كان الجدار يقع بزاوية. إذا كان الجدار بعيدًا جدًا، فستتخلف حركة الظل عن حركة الإصبع، حيث سيظل الضوء بحاجة إلى الوصول من الإصبع إلى الحائط، ولكن ستظل سرعة الظل كما هي عدد مرات أكبر. أي أن سرعة الظل لا تقتصر على سرعة الضوء.

بالإضافة إلى الظلال، يمكن للأرانب أيضًا أن تتحرك بشكل أسرع من الضوء، على سبيل المثال، بقعة من شعاع الليزر تستهدف القمر. مع العلم أن المسافة إلى القمر هي 385000 كم، حاول حساب سرعة الأرنب عن طريق تحريك الليزر قليلاً. يمكنك أيضًا التفكير في موجة بحرية تضرب الشاطئ بشكل غير مباشر. ما مدى سرعة تحرك النقطة التي تنكسر عندها الموجة؟

يمكن أن تحدث أشياء مماثلة في الطبيعة. على سبيل المثال، يمكن لشعاع الضوء الصادر من النجم النابض أن يخترق سحابة من الغبار. يخلق الفلاش الساطع غلافًا متوسعًا من الضوء أو أي إشعاع آخر. وعندما يعبر السطح، فإنه يشكل حلقة من الضوء تنمو بسرعة أكبر من سرعة الضوء. يحدث هذا في الطبيعة عندما تصل نبضة كهرومغناطيسية من البرق الطبقات العلياأَجواء.

كانت هذه كلها أمثلة على أشياء تتحرك بسرعة أكبر من الضوء، ولكنها ليست أجسامًا مادية. إن استخدام الظل أو الأرنب لا يمكن أن ينقل رسالة SS، لذلك لا يعمل الاتصال بشكل أسرع من الضوء. ومرة أخرى، يبدو أن هذا ليس ما نريد أن نفهمه من خلال حركة SS، على الرغم من أنه يصبح من الواضح مدى صعوبة تحديد ما نحتاجه بالضبط (انظر السؤال FTL مقص).

4. المواد الصلبة

إذا أخذت عصا طويلة صلبة ودفعت أحد طرفيها، فهل يتحرك الطرف الآخر على الفور أم لا؟ هل من الممكن إجراء نقل CC للرسالة بهذه الطريقة؟

نعم لقد كان هذا كانيمكن القيام به إذا كانت هذه المواد الصلبة موجودة. في الواقع، ينتشر تأثير الضربة على نهاية العصا على طولها بسرعة الصوت في مادة معينة، وتعتمد سرعة الصوت على مرونة المادة وكثافتها. وتفرض النسبية حدًا مطلقًا للصلابة المحتملة لأي جسم بحيث لا يمكن أن تتجاوز سرعة الصوت فيه ج.

يحدث نفس الشيء إذا كنت في مجال جذب، وقمت أولاً بإمساك خيط أو عمود عموديًا من الطرف العلوي، ثم حرره. ستبدأ النقطة التي أطلقتها في التحرك على الفور، ولن يتمكن الطرف السفلي من البدء في السقوط حتى يصل تأثير التحرير إليها بسرعة الصوت.

من الصعب صياغة نظرية عامة للمواد المرنة في إطار النسبية، ولكن يمكن إثبات الفكرة الأساسية باستخدام مثال الميكانيكا النيوتونية. يمكن الحصول على معادلة الحركة الطولية لجسم مرن مثالي من قانون هوك. في متغيرات الكتلة لكل وحدة الطول صومعامل يونغ للمرونة ي، النزوح الطولي Xيفي بالمعادلة الموجية.

يتحرك محلول الموجة المستوية بسرعة الصوت س، و س 2 = نعم / ص. ولا تعني هذه المعادلة إمكانية انتشار التأثير السببي بشكل أسرع س. وهكذا، تفرض النسبية حدًا نظريًا على حجم المرونة: ي < الكمبيوتر 2. ومن الناحية العملية، لا توجد مواد حتى قريبة منها. بالمناسبة، حتى لو كانت سرعة الصوت في المادة قريبة من جفالمادة نفسها ليست مجبرة على الإطلاق على التحرك بسرعة نسبية. ولكن كيف نعرف أنه من حيث المبدأ لا يمكن أن تكون هناك مادة تتجاوز هذا الحد؟ الجواب هو أن كل المادة تتكون من جسيمات، التفاعل بينها يخضع للنموذج القياسي للجسيمات الأولية، وفي هذا النموذج لا يمكن لأي تفاعل أن ينتشر بشكل أسرع من الضوء (انظر أدناه حول نظرية المجال الكمي).

5. سرعة المرحلة

انظر إلى هذه المعادلة الموجية:

لديها حلول من النموذج:

هذه الحلول عبارة عن موجات جيبية تتحرك بسرعة

لكن هذا أسرع من الضوء، مما يعني أن لدينا معادلة مجال التاكيون بين أيدينا؟ لا، هذه مجرد معادلة نسبية عادية لجسيم عددي ضخم!

سيتم حل المفارقة إذا فهمنا الفرق بين هذه السرعة، والتي تسمى أيضًا سرعة الطور vphمن سرعة أخرى تسمى سرعة المجموعة vgrوالتي تعطى بواسطة الصيغة ،

إذا كان للمحلول الموجي انتشار ترددي فإنه سيأخذ شكل حزمة موجية تتحرك بسرعة جماعية لا تتجاوز ج. فقط قمم الموجة تتحرك بسرعة الطور. من الممكن نقل المعلومات باستخدام مثل هذه الموجة فقط بسرعة المجموعة، لذا فإن سرعة الطور تعطينا مثالًا آخر على السرعة الفائقة للضوء، والتي لا يمكنها حمل المعلومات.

7. الصاروخ النسبي

وحدة تحكم على الأرض تراقب مركبة فضائية تحلق بعيدًا بسرعة 0.8 ج. وفقًا للنظرية النسبية، حتى بعد الأخذ في الاعتبار إزاحة دوبلر للإشارات الصادرة عن السفينة، فإنه سيرى أن الوقت على متن السفينة يتباطأ وأن الساعة هناك تعمل بشكل أبطأ بمقدار 0.6. فإذا حسب حاصل المسافة التي قطعتها السفينة على الزمن الذي قطعته، مقاسا بساعة السفينة، حصل على 4/3 ج. وهذا يعني أن ركاب السفينة يسافرون عبر الفضاء بين النجوم بسرعة فعالة أكبر من سرعة الضوء التي قد يتعرضون لها إذا تم قياسها. من وجهة نظر ركاب السفينة، فإن المسافات بين النجوم تخضع لانكماش لورنتز بنفس المعامل 0.6، وبالتالي يجب عليهم أيضًا أن يدركوا أنهم يقطعون مسافات بين النجوم المعروفة بمعدل 4/3. ج.

وهذه ظاهرة حقيقية ويمكن، من حيث المبدأ، استخدامها من قبل رواد الفضاء لتغطية مسافات شاسعة خلال حياتهم. إذا تسارعوا بتسارع ثابت يساوي تسارع السقوط الحر على الأرض، فلن يكون لديهم جاذبية اصطناعية مثالية على سفينتهم فحسب، بل سيكون لديهم أيضًا الوقت لعبور المجرة خلال 12 عامًا فقط من حياتهم! (انظر السؤال ما هي معادلات الصاروخ النسبي؟)

ومع ذلك، هذه ليست حركة SS حقيقية. يتم حساب السرعة الفعالة من المسافة في إطار مرجعي واحد والوقت في إطار مرجعي آخر. هذه ليست السرعة الحقيقية. يستفيد من هذه السرعة ركاب السفينة فقط. لن يكون لدى المرسل، على سبيل المثال، وقتا في حياته لنرى كيف يطيرون مسافة هائلة.

الحالات المعقدة لحركة SS

9. أينشتاين، بودولسكي، مفارقة روزين (EPR)

10. الفوتونات الافتراضية

11. نفق الكم

المرشحين الحقيقيين للمسافرين SS

يحتوي هذا القسم على تكهنات تخمينية ولكنها جدية حول إمكانية السفر فوق الضوء. لن تكون هذه هي أنواع الأشياء التي يتم وضعها عادةً في الأسئلة الشائعة، لأنها تثير أسئلة أكثر مما تجيب. يتم تقديمها هنا بشكل أساسي لإظهار أنه يتم إجراء بحث جاد في هذا الاتجاه. يتم إعطاء مقدمة موجزة فقط لكل اتجاه. يمكن العثور على مزيد من المعلومات التفصيلية على شبكة الإنترنت.

19. تاكيونز

التاكيونات هي جسيمات افتراضية تتحرك محليًا بشكل أسرع من الضوء. وللقيام بذلك، يجب أن يكون لديهم كتلة خيالية، لكن طاقتهم وزخمهم يجب أن يكونا إيجابيين. يُعتقد أحيانًا أن مثل هذه الجسيمات SS يجب أن يكون من المستحيل اكتشافها، ولكن في الواقع، لا يوجد سبب للاعتقاد بذلك. تخبرنا الظلال والأرانب أن حركة قوات الأمن الخاصة لا تعني بعد الاختفاء.

لم يتم ملاحظة التاكيونات أبدًا ويشكك معظم الفيزيائيين في وجودها. قيل ذات مرة أنه تم إجراء تجارب لقياس كتلة النيوترينوات المنبعثة أثناء اضمحلال التريتيوم، وأن هذه النيوترينوات كانت عبارة عن تاكيون. وهذا أمر مشكوك فيه للغاية، لكنه لا يزال غير مستبعد. هناك مشاكل في نظريات تاكيون، لأنها من وجهة نظر الانتهاكات المحتملة للسببية، فإنها تزعزع استقرار الفراغ. قد يكون من الممكن تجاوز هذه المشاكل، ولكن بعد ذلك سيكون من المستحيل استخدام Tachyons في رسالة SS التي نحتاجها.

والحقيقة هي أن معظم الفيزيائيين يعتبرون التاكيونات علامة على خطأ في نظرياتهم الميدانية، ويتغذى الاهتمام بها بين عامة الناس بشكل أساسي من خلال الخيال العلمي (انظر مقالة التاكيونات).

20. الثقوب الدودية

أشهر احتمال مقترح لسفر STS هو استخدام الثقوب الدودية. الثقوب الدودية هي أنفاق في الزمكان تربط مكانًا ما في الكون بآخر. يمكنك استخدامها للتنقل بين هذه النقاط بشكل أسرع من أن يأخذ الضوء مساره الطبيعي. الثقوب الدودية هي ظاهرة كلاسيكية النسبية العامةولكن لإنشائها، تحتاج إلى تغيير طوبولوجيا الزمكان. وقد تكون إمكانية ذلك واردة في نظرية الجاذبية الكمومية.

لإبقاء الثقوب الدودية مفتوحة، تحتاج كميات ضخمةالطاقة السلبية الخ ميسنرو ثورناقترح أنه يمكن استخدام تأثير كازيمير على نطاق واسع لتوليد الطاقة السلبية، و فيسراقترح حلاً باستخدام الأوتار الكونية. كل هذه الأفكار تخمينية إلى حد كبير وقد تكون ببساطة غير واقعية. قد لا توجد مادة غير عادية ذات طاقة سلبية بالشكل المطلوب لهذه الظاهرة.

اكتشف ثورن أنه إذا أمكن إنشاء الثقوب الدودية، فيمكن استخدامها لإنشاء حلقات زمنية مغلقة تجعل السفر عبر الزمن ممكنًا. وقد اقترح أيضًا أن التفسير متعدد المتغيرات لميكانيكا الكم يشير إلى أن السفر عبر الزمن لن يسبب أي مفارقات، وأن الأحداث ببساطة سوف تتكشف بشكل مختلف عندما تعود بالزمن إلى الوراء. يقول هوكينج أن الثقوب الدودية قد تكون ببساطة غير مستقرة، وبالتالي فهي غير عملية. لكن يبقى الموضوع في حد ذاته مجالا مثمرا للتجارب الفكرية، حيث يسمح للمرء بفهم ما هو ممكن وما هو غير ممكن بناء على قوانين الفيزياء المعروفة والمفترضة.
المراجع:
دبليو جي موريس و كي إس ثورن، المجلة الأمريكية للفيزياء 56 , 395-412 (1988)
دبليو جي موريس، كيه إس ثورن، ويو يورتسيفر، فيز. القس. حروف 61 , 1446-9 (1988)
مات فيسر، المراجعة البدنية د39, 3182-4 (1989)
انظر أيضًا "الثقوب السوداء والاعوجاج الزمني" كيب ثورن، نورتون وشركاه. (1994)
للحصول على شرح للأكوان المتعددة، راجع "نسيج الواقع" بقلم ديفيد دويتش، مطبعة Penguin.

21. المحركات المشوهة

[ليس لدي أي فكرة عن كيفية ترجمة هذا! في محرك الاعوجاج الأصلي. - تقريبا. مترجم؛
تمت ترجمته قياسا على المقال الخاص بالغشاء]

يمكن أن يكون الالتواء عبارة عن آلية لتحريف الزمكان حتى يتمكن الجسم من السفر بشكل أسرع من الضوء. ميغيل الكابييرأصبح مشهورًا بتطوير الهندسة التي تصف مثل هذا التشوه. إن تشويه الزمكان يجعل من الممكن لأي جسم أن يسافر بسرعة أكبر من الضوء بينما يبقى على منحنى يشبه الزمن. العوائق هي نفسها عند إنشاء الثقوب الدودية. لإنشاء مشوه، تحتاج إلى مادة ذات كثافة طاقة سلبية و. وحتى لو كانت مثل هذه المادة ممكنة، فلا يزال من غير الواضح كيف يمكن الحصول عليها وكيفية استخدامها لعمل مشوه.
المرجعم. ألكوبيير، الجاذبية الكلاسيكية والكمية، 11 ، L73-L77، (1994)

خاتمة

أولا، اتضح أنه من الصعب تحديد ما يعنيه سفر SS ورسالة SS بشكل عام. العديد من الأشياء، مثل الظلال، تؤدي حركة CC، ولكن بطريقة لا يمكن استخدامها، على سبيل المثال، لنقل المعلومات. ولكن هناك أيضًا إمكانيات جدية لحركة SS حقيقية، والتي تم اقتراحها في الأدبيات العلمية، لكن تنفيذها ليس ممكنًا من الناحية الفنية بعد. مبدأ عدم اليقين لهايزنبرغ يجعل من المستحيل استخدام حركة SS الواضحة في ميكانيكا الكم. هناك وسائل محتملة لدفع SS في النسبية العامة، ولكن قد لا يكون من الممكن استخدامها. يبدو أنه من غير المرجح للغاية أن تتمكن التكنولوجيا من الإبداع في المستقبل المنظور، أو بشكل عام سفن الفضاءمع محركات SS، ولكن من الغريب أن الفيزياء النظرية، كما نعرفها الآن، لا تغلق الباب أمام دفع SS إلى الأبد. يبدو أن حركة قوات الأمن الخاصة بأسلوب روايات الخيال العلمي مستحيلة تمامًا. والسؤال المثير للاهتمام بالنسبة للفيزيائيين هو: "لماذا، في الواقع، هذا مستحيل، وما الذي يمكن تعلمه من هذا؟"

طبيب العلوم التقنيةأ. جولوبيف.

في منتصف العام الماضي، ظهرت رسالة مثيرة في المجلات. اكتشف مجموعة من الباحثين الأمريكيين أن نبضة ليزر قصيرة جدًا تتحرك في وسط مختار خصيصًا أسرع بمئات المرات من الفراغ. بدت هذه الظاهرة مذهلة تمامًا (سرعة الضوء في الوسط تكون دائمًا أقل منها في الفراغ) بل إنها أثارت الشكوك حول صحة النظرية النسبية الخاصة. وفي الوقت نفسه، تم اكتشاف جسم مادي فائق السطوع - نبضة ليزر في وسط كسب - لأول مرة ليس في عام 2000، ولكن قبل 35 عامًا، في عام 1965، ونوقشت إمكانية الحركة فوق السطوع على نطاق واسع حتى أوائل السبعينيات. اليوم، اندلع النقاش حول هذه الظاهرة الغريبة بقوة متجددة.

أمثلة على الحركة "فائقة اللمعية".

في أوائل الستينيات، بدأ الحصول على نبضات ضوئية قصيرة عالية الطاقة عن طريق تمرير وميض ليزر عبر مضخم كمي (وسيط ذو كثافة معكوسة).

في وسط التضخيم، تسبب المنطقة الأولية لنبضة ضوئية انبعاثًا محفزًا للذرات في وسط المضخم، وتسبب منطقتها النهائية امتصاصها للطاقة. ونتيجة لذلك، سيظهر للراصد أن النبضة تتحرك بشكل أسرع من الضوء.

تجربة ليجون وونغ.

ينكسر شعاع الضوء الذي يمر عبر منشور مصنوع من مادة شفافة (على سبيل المثال، الزجاج)، أي أنه يعاني من التشتت.

النبضة الضوئية عبارة عن مجموعة من التذبذبات ذات الترددات المختلفة.

ربما يعلم الجميع - حتى الأشخاص البعيدين عن الفيزياء - أن الحد الأقصى السرعة الممكنةإن حركة الأجسام المادية أو انتشار أية إشارات هي سرعة الضوء في الفراغ. ويشار إليه بالحرف معوتصل سرعتها إلى 300 ألف كيلومتر في الثانية تقريبًا؛ القيمة الدقيقة مع= 299,792,458 م/ث. تعتبر سرعة الضوء في الفراغ إحدى الثوابت الفيزيائية الأساسية. عدم القدرة على تحقيق سرعات تتجاوز مع، يتبع من نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين (STR). إذا أمكن إثبات إمكانية إرسال الإشارات بسرعات فائقة السرعة، فسوف تسقط النظرية النسبية. ولم يحدث هذا حتى الآن، رغم المحاولات العديدة لدحض الحظر على وجود سرعات أكبر منها مع. ومع ذلك، في دراسات تجريبيةفي الآونة الأخيرة، تم اكتشاف بعض الظواهر المثيرة للاهتمام للغاية، مما يشير إلى أنه في ظل ظروف تم إنشاؤها خصيصًا، من الممكن مراقبة السرعات الفائقة وفي نفس الوقت لا يتم انتهاك مبادئ النظرية النسبية.

في البداية، دعونا نتذكر الجوانب الرئيسية المتعلقة بمشكلة سرعة الضوء. أولا: لماذا يستحيل (في الظروف العادية) تجاوز حد الضوء؟ لأنه يتم انتهاك القانون الأساسي لعالمنا - قانون السببية، والذي بموجبه لا يمكن للنتيجة أن تسبق السبب. لم يلاحظ أحد من قبل، على سبيل المثال، أن الدب سقط ميتًا أولاً ثم أطلق الصياد النار. بسرعات تتجاوز مع، يصبح تسلسل الأحداث معكوسًا، ويعود الشريط الزمني إلى الوراء. من السهل التحقق من ذلك من خلال المنطق البسيط التالي.

لنفترض أننا على متن سفينة فضائية معجزة، تتحرك بسرعة أكبر من الضوء. ثم نلحق تدريجياً بالضوء المنبعث من المصدر في أوقات سابقة وأقدم. أولاً، سنلحق بالفوتونات المنبعثة، على سبيل المثال، بالأمس، ثم تلك المنبعثة أول من أمس، ثم أسبوع، أو شهر، أو عام مضى، وهكذا. ولو كان مصدر الضوء مرآة تعكس الحياة، لرأينا أولاً أحداث الأمس، ثم أول أمس، وهكذا. يمكننا أن نرى، على سبيل المثال، رجلاً عجوزاً يتحول تدريجياً إلى رجل في منتصف العمر، ثم إلى شاب، إلى شاب، إلى طفل... أي أن الزمن سيعود إلى الوراء، وننتقل من الحاضر إلى الحاضر. الماضي. ومن ثم فإن الأسباب والنتائج سوف تتغير الأماكن.

على الرغم من أن هذه المناقشة تتجاهل تمامًا التفاصيل الفنية لعملية مراقبة الضوء، إلا أنها من وجهة نظر أساسية توضح بوضوح أن الحركة بسرعات فائقة الضوء تؤدي إلى وضع مستحيل في عالمنا. ومع ذلك، فقد وضعت الطبيعة شروطًا أكثر صرامة: الحركة ليس فقط بسرعة فائقة السرعة لا يمكن تحقيقها، ولكن أيضًا بسرعة تساوي سرعة الضوء - لا يمكن الاقتراب منها إلا. ويترتب على النظرية النسبية أنه عندما تزداد سرعة الحركة، تنشأ ثلاثة ظروف: زيادة كتلة الجسم المتحرك، وتناقص حجمه في اتجاه الحركة، وتباطأ تدفق الزمن على هذا الجسم (من النقطة وجهة نظر مراقب خارجي "يستريح"). عند السرعات العادية، تكون هذه التغييرات ضئيلة، ولكن مع اقترابها من سرعة الضوء تصبح أكثر وضوحًا، وفي الحد الأقصى - عند سرعة تساوي مع- تصبح الكتلة كبيرة بلا حدود، ويفقد الجسم حجمه تمامًا في اتجاه الحركة ويتوقف الزمن عليه. ولذلك لا يمكن لأي جسم مادي أن يصل إلى سرعة الضوء. فقط الضوء نفسه لديه مثل هذه السرعة! (وأيضًا جسيم "شامل الاختراق" - النيوترينو، الذي، مثل الفوتون، لا يمكنه التحرك بسرعة أقل من مع.)

الآن عن سرعة نقل الإشارة. ومن المناسب هنا استخدام تمثيل الضوء على شكل موجات كهرومغناطيسية. ما هي الإشارة؟ هذه بعض المعلومات التي يجب نقلها. ممتاز موجه كهرومغناطيسية- هذا هو الجيوب الأنفية اللانهائية ذات تردد واحد بدقة، ولا يمكنه حمل أي معلومات، لأن كل فترة من هذا الجيوب الأنفية تكرر تمامًا الفترة السابقة. سرعة حركة مرحلة الموجة الجيبية - ما يسمى بسرعة الطور - يمكن في وسط تحت ظروف معينة أن تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ. لا توجد قيود هنا، لأن سرعة الطور ليست سرعة الإشارة - فهي غير موجودة بعد. لإنشاء إشارة، تحتاج إلى إنشاء نوع من "العلامة" على الموجة. يمكن أن تكون هذه العلامة، على سبيل المثال، تغييرا في أي من معلمات الموجة - السعة أو التردد أو المرحلة الأولية. ولكن بمجرد وضع العلامة، تفقد الموجة جيبيتها. تصبح معدلة، وتتكون من مجموعة من الموجات الجيبية البسيطة ذات السعات والترددات المختلفة المراحل الأولية- مجموعات الموجات. السرعة التي تتحرك بها العلامة في الموجة المعدلة هي سرعة الإشارة. عند الانتشار في وسط ما، تتزامن هذه السرعة عادةً مع سرعة المجموعة التي تميز انتشار مجموعة الموجات المذكورة أعلاه ككل (انظر "العلم والحياة" رقم 2، 2000). في الظروف العادية، تكون سرعة المجموعة، وبالتالي سرعة الإشارة، أقل من سرعة الضوء في الفراغ. وليس من قبيل الصدفة أن يتم استخدام عبارة "في الظروف العادية" هنا، لأنه في بعض الحالات يمكن أن تتجاوز سرعة المجموعة معأو حتى تفقد معناها، ولكنها بعد ذلك لا تتعلق بانتشار الإشارة. تثبت محطة الخدمة أنه من المستحيل إرسال إشارة بسرعة أكبر من مع.

لماذا هو كذلك؟ لأن هناك عائق أمام إرسال أي إشارة بسرعة أكبر من معيخدم نفس قانون السببية. دعونا نتخيل مثل هذا الموقف. في مرحلة ما، يقوم وميض الضوء (الحدث 1) بتشغيل جهاز يرسل إشارة راديو معينة، وفي نقطة بعيدة B، تحت تأثير إشارة الراديو هذه، يحدث انفجار (الحدث 2). ومن الواضح أن الحدث 1 (التوهج) هو السبب، والحدث 2 (الانفجار) هو النتيجة، التي حدثت بعد السبب. ولكن إذا انتشرت إشارة الراديو بسرعة فائقة، فإن المراقب بالقرب من النقطة B سيرى انفجارًا أولاً، وعندها فقط سيصل إليه بالسرعة معوميض من الضوء هو سبب الانفجار. بمعنى آخر، بالنسبة لهذا المراقب، كان الحدث 2 قد وقع قبل الحدث 1، أي أن التأثير كان سيسبق السبب.

ومن المناسب التأكيد على أن “الحظر الفائق للضوء” للنظرية النسبية يفرض فقط على حركة الأجسام المادية ونقل الإشارات. في العديد من المواقف، تكون الحركة بأي سرعة ممكنة، لكن هذه لن تكون حركة الأشياء أو الإشارات المادية. على سبيل المثال، تخيل اثنين من المسطرين الطويلين إلى حد ما يقعان في نفس المستوى، أحدهما يقع أفقيا، والآخر يتقاطع معه بزاوية صغيرة. إذا تم تحريك المسطرة الأولى للأسفل (في الاتجاه المشار إليه بالسهم) بسرعة عالية، فيمكن جعل نقطة تقاطع المسطرتين تسير بالسرعة المطلوبة، لكن هذه النقطة ليست جسمًا ماديًا. مثال آخر: إذا أخذت مصباحًا يدويًا (أو، على سبيل المثال، ليزر ينتج شعاعًا ضيقًا) ووصفت بسرعة قوسًا في الهواء، إذن السرعة الخطيةسيزداد شعاع الضوء مع المسافة وسيتجاوز مسافة كبيرة بما فيه الكفاية مع.ستتحرك بقعة الضوء بين النقطتين A وB بسرعة فائقة السرعة، لكن هذا لن يكون بمثابة إرسال إشارة من A إلى B، لأن بقعة الضوء هذه لا تحمل أي معلومات حول النقطة A.

يبدو أن مسألة السرعات الفائقة للضوء قد تم حلها. لكن في ستينيات القرن العشرين، طرح علماء الفيزياء النظرية فرضية وجود جسيمات فائقة السطوع تسمى التاكيونات. هذه جسيمات غريبة جدًا: فهي ممكنة من الناحية النظرية، ولكن لتجنب التناقضات مع النظرية النسبية، كان لا بد من تخصيص كتلة سكون خيالية لها. فيزيائيا، الكتلة الخيالية غير موجودة، بل هي تجريد رياضي بحت. ومع ذلك، فإن هذا لم يسبب قلقا خاصا، لأن التاكيونات لا يمكن أن تكون في حالة راحة - فهي موجودة (إذا كانت موجودة!) فقط بسرعات تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ، وفي هذه الحالة تبين أن كتلة التاكيون حقيقية. هناك بعض التشابه هنا مع الفوتونات: الفوتون لديه كتلة سكون صفر، ولكن هذا يعني ببساطة أن الفوتون لا يمكن أن يكون في حالة سكون، ولا يمكن إيقاف الضوء.

وتبين أن أصعب شيء هو، كما هو متوقع، التوفيق بين فرضية تاكيون وقانون السببية. المحاولات التي بذلت في هذا الاتجاه، على الرغم من كونها بارعة للغاية، إلا أنها لم تؤد إلى نجاح واضح. لم يتمكن أحد من تسجيل التاكيونات تجريبيًا أيضًا. ونتيجة لذلك، الاهتمام بالتاكيونات باعتبارها فائقة السطوع الجسيمات الأوليةتلاشى تدريجيا.

ومع ذلك، في الستينيات، تم اكتشاف ظاهرة تجريبية، والتي أربكت الفيزيائيين في البداية. تم وصف ذلك بالتفصيل في مقال بقلم A. N. Oraevsky "موجات فائقة السطوع في وسائط التضخيم" (UFN No. 12، 1998). سنلخص هنا جوهر الأمر بإيجاز، ونحيل القارئ المهتم بالتفاصيل إلى المقالة المحددة.

بعد فترة وجيزة من اكتشاف الليزر - في أوائل الستينيات - ظهرت مشكلة الحصول على نبضات ضوئية عالية الطاقة قصيرة (مدة حوالي 1 ns = 10 -9 s). وللقيام بذلك، تم تمرير نبضة ليزر قصيرة عبر مضخم كمي بصري. تم تقسيم النبض إلى قسمين بواسطة مرآة تقسيم الشعاع. تم إرسال أحدهما، وهو أقوى، إلى مكبر الصوت، والآخر تم نشره في الهواء وكان بمثابة نبض مرجعي يمكن من خلاله مقارنة النبض الذي يمر عبر مكبر الصوت. وتم تغذية كلا النبضتين إلى أجهزة الكشف الضوئي، ويمكن ملاحظة إشارات الخرج الخاصة بهما بصريًا على شاشة راسم الذبذبات. وكان من المتوقع أن تشهد النبضة الضوئية المارة عبر المضخم بعض التأخير فيها مقارنة بالنبضة المرجعية، أي أن سرعة انتشار الضوء في المضخم ستكون أقل منها في الهواء. تخيل دهشة الباحثين عندما اكتشفوا أن النبض ينتشر عبر مكبر الصوت بسرعة ليست فقط أكبر من الهواء، ولكن أيضًا أعلى بعدة مرات من سرعة الضوء في الفراغ!

بعد أن تعافى من الصدمة الأولى، بدأ الفيزيائيون في البحث عن سبب هذه النتيجة غير المتوقعة. لم يكن لدى أحد أدنى شك في مبادئ النظرية النسبية الخاصة، وهذا ما ساعد في العثور على التفسير الصحيح: إذا تم الحفاظ على مبادئ SRT، فيجب البحث عن الإجابة في خصائص الوسط المضخم.

دون الخوض في التفاصيل هنا، سنشير فقط إلى أن التحليل التفصيلي لآلية عمل وسيط التضخيم أوضح الوضع تمامًا. كانت النقطة عبارة عن تغير في تركيز الفوتونات أثناء انتشار النبضة - وهو التغيير الناجم عن التغير في كسب الوسط حتى قيمة سالبةأثناء مرور الجزء الخلفي من النبضة، عندما يمتص الوسط الطاقة بالفعل، لأن احتياطيه الخاص قد تم استهلاكه بالفعل بسبب انتقاله إلى النبضة الضوئية. ولا يسبب الامتصاص زيادة في الدفعة بل إضعافها، وبالتالي تقوى الدفعة في الجزء الأمامي وتضعف في الجزء الخلفي. لنتخيل أننا نرصد نبضة باستخدام جهاز يتحرك بسرعة الضوء في وسط مكبر الصوت. إذا كان الوسط شفافا، فسنرى الدافع متجمدا في حالة من عدم الحركة. وفي البيئة التي تحدث فيها العملية المذكورة أعلاه، فإن تقوية الحافة الأمامية وضعف الحافة الخلفية للنبضة سوف يظهر للراصد بشكل يبدو وكأن الوسط هو الذي حرك النبضة إلى الأمام. لكن بما أن الجهاز (الراصد) يتحرك بسرعة الضوء، والنبضة تتفوق عليه، فإن سرعة النبضة تتجاوز سرعة الضوء! هذا هو التأثير الذي سجله المجربون. وهنا لا يوجد حقًا تناقض مع النظرية النسبية: إن عملية التضخيم هي ببساطة بحيث يتبين أن تركيز الفوتونات التي خرجت سابقًا أكبر من تلك التي خرجت لاحقًا. ليست الفوتونات هي التي تتحرك بسرعات فائقة السرعة، ولكن غلاف النبضة، ولا سيما الحد الأقصى لها، هو الذي يتم ملاحظته على مرسمة الذبذبات.

وهكذا، في حين أنه في الوسائط العادية يوجد دائمًا ضعف في الضوء وانخفاض في سرعته، والذي يحدده مؤشر الانكسار، في وسائط الليزر النشطة لا يوجد فقط تضخيم للضوء، ولكن أيضًا انتشار النبض بسرعة فائقة السرعة.

حاول بعض علماء الفيزياء أن يثبتوا تجريبيًا وجود حركة فائقة السطوع أثناء تأثير النفق، وهي إحدى الظواهر المدهشة في ميكانيكا الكم. يتمثل هذا التأثير في حقيقة أن الجسيمات الدقيقة (بتعبير أدق، الأجسام الدقيقة التي تظهر في ظروف مختلفة خصائص الجسيم وخصائص الموجة) قادرة على اختراق ما يسمى بالحاجز المحتمل - وهي ظاهرة غير موجودة تمامًا مستحيل في الميكانيكا الكلاسيكية (حيث يكون مثل هذا الموقف مشابهًا: فالكرة التي يتم رميها على الحائط ستنتهي على الجانب الآخر من الجدار، أو سيتم نقل الحركة الشبيهة بالموجة المنقولة إلى حبل مربوط بالجدار إلى حبل مربوط إلى الحائط من الجانب الآخر). جوهر تأثير النفق في ميكانيكا الكم هو كما يلي. إذا واجه جسم مجهري ذو طاقة معينة منطقة بها الطاقة الكامنة، التي تتجاوز طاقة الجسم الصغير، تشكل هذه المنطقة عائقًا أمامه، ويتم تحديد ارتفاعها من خلال فرق الطاقة. لكن الجسم الصغير "يتسرب" عبر الحاجز! تم منح هذه الإمكانية له من خلال علاقة عدم اليقين المعروفة لهايزنبرغ، والتي تم كتابتها للطاقة ووقت التفاعل. إذا حدث تفاعل جسم مجهري مع حاجز خلال فترة زمنية معينة إلى حد ما، فإن طاقة الجسم الدقيق، على العكس من ذلك، ستتسم بعدم اليقين، وإذا كان عدم اليقين هذا في حدود ارتفاع الحاجز، فإن هذا الأخير يتوقف عن أن يكون عقبة لا يمكن التغلب عليها أمام الكائن الصغير. أصبحت سرعة الاختراق عبر حاجز محتمل موضوع بحث لعدد من علماء الفيزياء، الذين يعتقدون أنه يمكن أن يتجاوز مع.

في يونيو 1998، عقدت ندوة دولية حول مشاكل الحركة الفائقة في كولونيا، حيث تمت مناقشة النتائج التي تم الحصول عليها في أربعة مختبرات - في بيركلي وفيينا وكولونيا وفلورنسا.

وأخيرا، في عام 2000، ظهرت تقارير عن تجربتين جديدتين ظهرت فيهما تأثيرات الانتشار الفائق للضوء. تم تنفيذ إحداها بواسطة ليجون وونغ وزملائه في معهد برينستون للأبحاث (الولايات المتحدة الأمريكية). والنتيجة هي أن دخول نبضة ضوئية إلى غرفة مملوءة ببخار السيزيوم يزيد من سرعتها بمقدار 300 مرة. اتضح أن الجزء الرئيسي من النبض خرج من الجدار البعيد للغرفة حتى قبل دخول النبض إلى الغرفة عبر الجدار الأمامي. هذا الوضع يتناقض ليس فقط الفطرة السليمةبل في جوهرها النظرية النسبية.

تسببت رسالة L. Wong في مناقشة مكثفة بين الفيزيائيين، ومعظمهم لم يميلوا إلى رؤية انتهاك لمبادئ النسبية في النتائج التي تم الحصول عليها. ويعتقدون أن التحدي يكمن في شرح هذه التجربة بشكل صحيح.

في تجربة L. Wong، كانت مدة نبضة الضوء التي تدخل الغرفة مع بخار السيزيوم حوالي 3 ميكروثانية. يمكن أن توجد ذرات السيزيوم في ستة عشر حالة ميكانيكية كمومية محتملة، تسمى "المستويات الفرعية المغناطيسية فائقة الدقة للحالة الأرضية". وباستخدام الضخ الضوئي بالليزر، تم جلب جميع الذرات تقريبًا إلى حالة واحدة فقط من هذه الحالات الستة عشر، وهو ما يتوافق مع درجة حرارة الصفر المطلق تقريبًا على مقياس كلفن (-273.15 درجة مئوية). وكان طول حجرة السيزيوم 6 سم. في الفراغ، ينتقل الضوء مسافة 6 سنتيمترات خلال 0.2 ns. كما أظهرت القياسات، مرت نبضة الضوء عبر الحجرة التي تحتوي على السيزيوم في وقت أقل بمقدار 62 ns مما كانت عليه في الفراغ. بمعنى آخر، الوقت الذي تستغرقه النبضة للمرور عبر وسط السيزيوم له علامة ناقص! في الواقع، إذا طرحنا 62 ns من 0.2 ns، نحصل على وقت "سلبي". هذا "التأخير السلبي" في الوسط - قفزة زمنية غير مفهومة - يساوي الوقت الذي تمر فيه النبضة 310 مرة عبر الحجرة في الفراغ. وكانت نتيجة هذا "الانعكاس الزمني" أن النبضة الخارجة من الحجرة تمكنت من التحرك بعيدًا عنها بمقدار 19 مترًا قبل أن تصل النبضة الواردة إلى الجدار القريب للغرفة. كيف يمكن تفسير مثل هذا الموقف المذهل (ما لم نشك بالطبع في نقاء التجربة)؟

إذا حكمنا من خلال المناقشة الجارية، لم يتم العثور على تفسير دقيق حتى الآن، ولكن ليس هناك شك في أن خصائص التشتت غير العادية للوسط تلعب دورًا هنا: بخار السيزيوم، الذي يتكون من ذرات مثارة بواسطة ضوء الليزر، هو وسط ذو تشتت غير طبيعي . دعونا نتذكر بإيجاز ما هو عليه.

تشتت المادة هو اعتماد على معامل انكسار الطور (العادي). نعلى الطول الموجي للضوء l. وفي حالة التشتت الطبيعي، يزداد معامل الانكسار مع تناقص الطول الموجي، وهذا هو الحال في الزجاج والماء والهواء وجميع المواد الأخرى الشفافة للضوء. في المواد التي تمتص الضوء بقوة، ينعكس مسار معامل الانكسار مع تغير الطول الموجي ويصبح أكثر حدة: مع انخفاض l (زيادة التردد w)، ينخفض ​​معامل الانكسار بشكل حاد ويصبح أقل من الوحدة في منطقة معينة من الطول الموجي (سرعة المرحلة الخامسو> مع). هذا هو التشتت الشاذ، حيث يتغير نمط انتشار الضوء في المادة بشكل جذري. سرعة المجموعة الخامستصبح gr أكبر من سرعة الطور للموجات ويمكن أن تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ (وتصبح سلبية أيضًا). يشير L. Wong إلى هذا الظرف باعتباره السبب الكامن وراء إمكانية تفسير نتائج تجربته. ولكن تجدر الإشارة إلى أن الشرط الخامسغرام > معهو شكلي بحت، حيث تم تقديم مفهوم سرعة المجموعة لحالة التشتت الصغير (العادي)، للوسائط الشفافة، عندما لا تغير مجموعة من الموجات شكلها تقريبًا أثناء الانتشار. في مناطق التشتت الشاذ، يتشوه نبض الضوء بسرعة ويفقد مفهوم السرعة الجماعية معناه؛ في هذه الحالة، يتم تقديم مفاهيم سرعة الإشارة وسرعة انتشار الطاقة، والتي تتزامن في الوسائط الشفافة مع سرعة المجموعة، وفي الوسائط ذات الامتصاص تظل أقل من سرعة الضوء في الفراغ. ولكن هذا هو الشيء المثير للاهتمام في تجربة وونغ: نبضة الضوء، التي تمر عبر وسط ذي تشتت غير طبيعي، لا تتشوه، بل تحتفظ بشكلها تمامًا! وهذا يتوافق مع الافتراض القائل بأن الدفعة تنتشر بسرعة جماعية. لكن إذا كان الأمر كذلك، فيتبين أنه لا يوجد امتصاص في الوسط، على الرغم من أن التشتت الشاذ للوسط يرجع بالتحديد إلى الامتصاص! وونج نفسه، رغم اعترافه بأن الكثير لا يزال غير واضح، يعتقد أن ما يحدث في إعداده التجريبي يمكن تفسيره بوضوح، للوهلة الأولى، على النحو التالي.

تتكون نبضة الضوء من العديد من المكونات ذات الأطوال الموجية (الترددات) المختلفة. ويبين الشكل ثلاثة من هذه المكونات (الموجات 1-3). عند نقطة ما، تكون الموجات الثلاث في الطور (تتطابق الحدود القصوى لها)؛ هنا، يضيفون، يعززون بعضهم البعض ويشكلون دفعة. ومع انتشارها في الفضاء، تصبح الموجات متوقفة وبالتالي "يلغي" بعضها البعض.

وفي منطقة التشتت الشاذ (داخل خلية السيزيوم)، تصبح الموجة الأقصر (الموجة 1) أطول. وعلى العكس من ذلك، فإن الموجة التي كانت الأطول بين الموجات الثلاثة (الموجة 3) تصبح الأقصر.

وبالتالي تتغير أطوار الموجات تبعا لذلك. وبمجرد مرور الموجات عبر خلية السيزيوم، يتم استعادة مقدماتها الموجية. بعد أن خضعت لتعديل طور غير عادي في مادة ذات تشتت غير طبيعي، فإن الموجات الثلاث المعنية تجد نفسها مرة أخرى في طور في مرحلة ما. هنا تتجمع مرة أخرى وتشكل نبضة بنفس الشكل تمامًا مثل تلك التي تدخل وسط السيزيوم.

عادة في الهواء، وفي الواقع في أي وسط شفاف ذي تشتت عادي، لا يمكن لنبضة الضوء أن تحافظ على شكلها بدقة عند الانتشار على مسافة بعيدة، أي أنه لا يمكن أن يتم تنفيذ جميع مكوناتها على مراحل عند أي نقطة بعيدة على طول مسار الانتشار. وفي الظروف العادية، تظهر نبضة خفيفة في هذه النقطة البعيدة بعد مرور بعض الوقت. ومع ذلك، نظرا للخصائص الشاذة للوسيط المستخدم في التجربة، فقد تبين أن النبض عند نقطة نائية يتم مراحله بنفس الطريقة عند دخول هذه الوسيلة. وهكذا فإن النبضة الضوئية تتصرف كما لو أن لها تأخيراً زمنياً سالباً في طريقها إلى نقطة بعيدة، أي أنها ستصل إليها ليس متأخراً، بل أبكر من مرورها عبر الوسط!

يميل معظم الفيزيائيين إلى ربط هذه النتيجة بظهور مادة أولية منخفضة الشدة في الوسط المشتت للغرفة. والحقيقة هي أنه أثناء التحلل الطيفي للنبضة، يحتوي الطيف على مكونات ذات ترددات عالية بشكل تعسفي ذات سعة صغيرة لا تذكر، ما يسمى بالسلائف، التي تسبق "الجزء الرئيسي" من النبضة. تعتمد طبيعة النشأة وشكل المادة الأولية على قانون التشتت في الوسط. ومع أخذ ذلك في الاعتبار، يُقترح تفسير تسلسل الأحداث في تجربة وونغ على النحو التالي. الموجة القادمة، "تمتد" النذير أمامها، تقترب من الكاميرا. وقبل أن تضرب ذروة الموجة الواردة الجدار القريب من الحجرة، يبدأ ظهور نبضة في الحجرة، تصل إلى الجدار البعيد وتنعكس عنه، لتشكل "موجة عكسية". هذه الموجة تنتشر أسرع 300 مرة مع، يصل إلى الجدار القريب ويلتقي بالموجة القادمة. تلتقي قمم إحدى الموجات مع قيعان موجة أخرى، بحيث تدمر بعضها البعض، ونتيجة لذلك لا يتبقى شيء. وتبين أن الموجة الواردة "تسدد الدين" لذرات السيزيوم، التي "أعطتها" الطاقة في الطرف الآخر من الغرفة. أي شخص شاهد فقط بداية التجربة ونهايتها لن يرى سوى نبضة من الضوء "تقفز" للأمام في الوقت المناسب، وتتحرك بشكل أسرع مع.

يعتقد L. Wong أن تجربته لا تتفق مع النظرية النسبية. ويعتقد أن القول بعدم إمكانية الوصول إلى السرعة الفائقة للضوء ينطبق فقط على الأجسام ذات الكتلة الساكنة. ويمكن تمثيل الضوء إما على شكل موجات، والتي لا ينطبق عليها مفهوم الكتلة بشكل عام، أو على شكل فوتونات لها كتلة ساكنة، كما هو معروف، تساوي الصفر. ولذلك فإن سرعة الضوء في الفراغ، بحسب وونغ، ليست هي الحد الأقصى. ومع ذلك، يعترف وونغ بأن التأثير الذي اكتشفه لا يجعل من الممكن نقل المعلومات بسرعة أكبر من مع.

يقول بي ميلوني، عالم الفيزياء في مختبر لوس ألاموس الوطني في الولايات المتحدة: "المعلومات هنا موجودة بالفعل في الحافة الأمامية للنبضة. ويمكن أن تعطي الانطباع بإرسال المعلومات بشكل أسرع من الضوء، حتى عندما لا يرسلونها."

يعتقد معظم علماء الفيزياء ذلك عمل جديدلا يوجه ضربة ساحقة للمبادئ الأساسية. لكن ليس كل الفيزيائيين يعتقدون أن المشكلة قد تم حلها. البروفيسور أ. رانفاني من الإيطالي مجموعة بحثالذي أجرى تجربة أخرى مثيرة للاهتمام في عام 2000، يعتقد أن السؤال لا يزال مفتوحا. اكتشفت هذه التجربة، التي أجراها دانيال موغناي وأنيديو رانفاني وروكو روجيري، أن موجات الراديو ذات الموجات السنتيمترية في الهواء العادي تنتقل بسرعات تتجاوز معبنسبة 25%.

لتلخيص، يمكننا أن نقول ما يلي. يعمل السنوات الأخيرةأظهر أنه في ظل ظروف معينة يمكن أن تحدث سرعة فائقة السرعة بالفعل. ولكن ما الذي يتحرك بالضبط بسرعات فائقة السرعة؟ النظرية النسبية، كما ذكرنا سابقًا، تحظر مثل هذه السرعة بالنسبة للأجسام المادية والإشارات التي تحمل المعلومات. ومع ذلك، فإن بعض الباحثين يحاولون باستمرار إثبات التغلب على حاجز الضوء المخصص للإشارات. والسبب في ذلك يكمن في حقيقة أن النظرية النسبية الخاصة ليس لها مبرر رياضي صارم (يعتمد، على سبيل المثال، على معادلات ماكسويل لـ حقل كهرومغناطيسي) استحالة إرسال الإشارات بسرعة أكبر من مع. يمكن للمرء أن يقول أن مثل هذه الاستحالة في STR تم إثباتها بطريقة حسابية بحتة، استنادًا إلى صيغة أينشتاين لإضافة السرعات، ولكن هذا ما يؤكده بشكل أساسي مبدأ السببية. أينشتاين نفسه، بالنظر إلى مسألة نقل الإشارة الفائقة، كتب أنه في هذه الحالة "... نحن مضطرون إلى النظر في إمكانية وجود آلية لنقل الإشارة، حيث يسبق الفعل المحقق السبب. ولكن، على الرغم من أن هذا ينتج عن نقطة منطقية بحتة وجهة النظر لا تحتوي على نفسها، في رأيي، لا توجد تناقضات، ومع ذلك فهي تتناقض مع طبيعة تجربتنا بأكملها لدرجة أن استحالة الافتراض الخامس > قيبدو أنه مثبت بما فيه الكفاية." إن مبدأ السببية هو حجر الزاوية الذي يكمن وراء استحالة نقل الإشارات فائقة السطوع. وعلى ما يبدو، فإن جميع عمليات البحث عن إشارات فائقة السطوع دون استثناء سوف تتعثر حول هذا الحجر، بغض النظر عن مدى رغبة المجربين في اكتشاف مثل هذه الإشارات. إشارات، فهذه هي طبيعة عالمنا.

في الختام، يجب التأكيد على أن كل ما سبق ينطبق على وجه التحديد على عالمنا، إلى عالمنا. تم هذا التحفظ لأنه ظهرت مؤخرًا فرضيات جديدة في الفيزياء الفلكية وعلم الكونيات، مما يسمح بوجود العديد من الأكوان المخفية عنا، والمتصلة بأنفاق طوبولوجية - قافزات. وجهة النظر هذه مشتركة، على سبيل المثال، عالم الفيزياء الفلكية الشهير N. S. كارداشيف. بالنسبة للمراقب الخارجي، تتم الإشارة إلى مداخل هذه الأنفاق بواسطة مجالات الجاذبية الشاذة، مثل الثقوب السوداء. إن الحركات في مثل هذه الأنفاق، كما يقترح واضعو الفرضيات، ستجعل من الممكن تجاوز الحد من سرعة الحركة التي تفرضها سرعة الضوء في الفضاء العادي، وبالتالي تحقيق فكرة الخلق آلة الزمن... من الممكن أن يحدث شيء غير عادي بالنسبة لنا في مثل هذه الأكوان. وعلى الرغم من أن مثل هذه الفرضيات تذكرنا الآن بقصص الخيال العلمي، إلا أنه لا ينبغي للمرء أن يرفض بشكل قاطع الاحتمال الأساسي لنموذج متعدد العناصر لبنية العالم المادي. شيء آخر هو أن كل هذه الأكوان الأخرى، على الأرجح، ستبقى بناءات رياضية بحتة لعلماء الفيزياء النظرية الذين يعيشون في عالمنا ويحاولون بقوة أفكارهم العثور على عوالم مغلقة أمامنا...

راجع الموضوع في نفس الموضوع