Сенките могат да се движат по-бързо от светлината, но не може да транспортира материя или информация

Възможен ли е свръхсветлинен полет?

Разделите на тази статия са със субтитри и всеки раздел може да бъде цитиран отделно.

Прости примери за свръхсветлинно пътуване

1. Ефект на Черенков

Когато говорим за движение със свръхсветлинни скорости, имаме предвид скоростта на светлината във вакуум ° С(299 792 458 m/s). Следователно ефектът на Черенков не може да се разглежда като пример за движение със свръхсветлинна скорост.

2. Трети наблюдател

Ако ракетата Аотлита от мен със скорост 0,6cна запад и ракетата ботлита от мен със скорост 0,6cна изток, тогава виждам, че разстоянието между АИ бнараства със скоростта 1.2c. Гледане на полета на ракетите АИ ботвън третият наблюдател вижда, че общата скорост на извеждане на ракетата е по-голяма от ° С .

въпреки това относителна скорост не е равна на сумата от скоростите. Ракетна скорост Аспрямо ракетата бе скоростта, с която се увеличава разстоянието до ракетата А, което се вижда от наблюдател, летящ на ракета б. Относителната скорост трябва да се изчисли с помощта на релативистичната формула за събиране на скорости. (Вижте Как добавяте скорости в специалната теория на относителността?) В този пример относителната скорост е приблизително равна на 0,88c. Така че в този пример не получихме свръхсветлинна скорост.

3. Светлина и сянка

Помислете колко бързо може да се движи една сянка. Ако лампата е близо, тогава сянката на пръста ви върху далечната стена се движи много по-бързо, отколкото пръстът ви се движи. Когато движите пръста си успоредно на стената, скоростта на сянката е D/dпъти по-бързо от скоростта на вашия пръст. Тук д- разстояние от лампата до пръста и д- от лампата до стената. Скоростта ще бъде още по-голяма, ако стената е разположена под ъгъл. Ако стената е много далеч, тогава движението на сянката ще изостане от движението на пръста, тъй като светлината отнема време, за да достигне стената, но скоростта на сянката, движеща се по стената, ще се увеличи още повече. Скоростта на сянката не се ограничава от скоростта на светлината.

Друг обект, който може да пътува по-бързо от светлината, е светлинното петно ​​от лазер, насочен към Луната. Разстоянието до Луната е 385 000 км. Можете сами да изчислите скоростта, с която светлинното петно ​​се движи по повърхността на Луната с леки вибрации на лазерната показалка в ръката ви. Може също да ви хареса примерът на вълна, която удря права линия на плажа под лек ъгъл. С каква скорост може да се движи точката на пресичане на вълната и брега по плажа?

Всички тези неща могат да се случат в природата. Например, лъч светлина от пулсар може да се движи по протежение на облак прах. Мощен взривможе да създаде сферични вълни от светлина или радиация. Когато тези вълни се пресичат с която и да е повърхност, върху тази повърхност се появяват светлинни кръгове и се разширяват по-бързо от светлината. Това явление се наблюдава, например, когато електромагнитен импулсот светкавица преминава през горните слоеве на атмосферата.

4. Твърди

Ако имате дълга твърда пръчка и ударите единия й край, другият край няма ли веднага да се премести? Това не е ли начин за свръхсветлинно предаване на информация?

Би било истина акоИмаше съвършено твърди тела. На практика ударът се предава по пръта със скоростта на звука, която зависи от еластичността и плътността на материала на пръта. Освен това теорията на относителността ограничава възможни скоростизвук в материал размера ° С .

Същият принцип важи, ако държите кордаж или прът вертикално, пуснете го и той започва да пада под въздействието на гравитацията. Горният край, който сте пуснали, започва да пада веднага, но долният край ще започне да се движи едва след известно време, тъй като изчезването на задържащата сила се предава надолу по пръта със скоростта на звука в материала.

Формулировката на релативистката теория на еластичността е доста сложна, но общата идея може да бъде илюстрирана с помощта на Нютоновата механика. Уравнението за надлъжното движение на идеално еластично тяло може да се изведе от закона на Хук. Нека обозначим линейната плътност на пръта ρ , модул на еластичност на Юнг Y. Надлъжно преместване худовлетворява вълновото уравнение

ρ d 2 X/dt 2 - Y d 2 X/dx 2 = 0

Разтвор във формата плоски вълнисе движи със скоростта на звука с, което се определя от формулата s 2 = Y/ρ. Вълновото уравнение не позволява на смущенията в средата да се движат по-бързо от скоростта с. В допълнение, теорията на относителността дава граница на големината на еластичността: Y< ρc 2 . На практика никой известен материал не се доближава до тази граница. Моля, имайте предвид също, че дори скоростта на звука да е близка до ° С, тогава самата материя не е задължително да се движи с релативистка скорост.

Макар и не в природата твърди вещества, съществува движение на твърди тела, който може да се използва за преодоляване на скоростта на светлината. Тази тема е свързана с вече описания раздел за сенки и светли точки. (Вижте Свръхсветлинните ножици, Твърдият въртящ се диск в теорията на относителността).

5. Фазова скорост

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

има решение във формата
u = A cos(ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 = 0

Това са синусоиди, разпространяващи се със скорост v
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Но това е повече от c. Може би това е уравнението за тахионите? (вижте допълнителен раздел). Не, това е обикновено релативистично уравнение за частица с маса.

За да премахнете парадокса, трябва да правите разлика между „фазова скорост“ v ph и "групова скорост" vграндиозен
v ph · v gr = c 2

Вълновото решение може да има честотна дисперсия. В този случай вълновият пакет се движи с групова скорост, която е по-малка от ° С. С помощта на вълнов пакет информацията може да се предава само с групова скорост. Вълните във вълновия пакет се движат с фазова скорост. Фазовата скорост е друг пример за свръхсветлинно движение, което не може да се използва за предаване на съобщения.

6. Свръхсветлинни галактики

7. Релативистка ракета

Нека наблюдател на Земята види космически кораб, който се отдалечава със скорост 0,8cВ съответствие със теория на относителността, той ще види, че часовникът е включен космически коработидете 5/3 пъти по-бавно. Ако разделим разстоянието до кораба на времето на полета според бордовия часовник, получаваме скоростта 4/3c. Наблюдателят заключава, че използвайки бордовия си часовник, пилотът на кораба също ще определи, че той лети със свръхсветлинна скорост. От гледна точка на пилота часовникът му върви нормално, но междузвездното пространство се е свило 5/3 пъти. Следователно той прелита известни разстояния между звездите по-бързо, със скорост 4/3c .

Разширяването на времето е реален ефект, който по принцип може да се използва при пътуване в космоса за изминаване на дълги разстояния за кратко време от гледна точка на астронавта. С постоянно ускорение от 1g, астронавтите не само ще се чувстват удобно изкуствена силагравитация, но също така ще могат да прекосят галактиката само за 12 години по собствено време. По време на пътуването те ще остареят на 12 години.

Но това все още не е свръхсветлинен полет. Не можете да изчислите скоростта, като използвате разстоянието и времето, определени в различни референтни системи.

8. Скорост на гравитацията

Някои настояват, че скоростта на гравитацията е много по-голяма ° Сили дори безкрайно. Вижте Дали гравитацията пътува със скоростта на светлината? и какво е гравитационно лъчение? Гравитационните смущения и гравитационните вълни се разпространяват със скорост ° С .

9. EPR парадокс

10. Виртуални фотони

11. Квантов тунелен ефект

IN квантова механикатунелният ефект позволява на частица да преодолее бариера, дори ако нейната енергия не е достатъчна за това. Възможно е да се изчисли времето за тунелиране през такава бариера. И може да се окаже по-малко от това, което е необходимо на светлината да измине същото разстояние със скорост ° С. Може ли това да се използва за предаване на съобщения по-бързо от светлината?

Квантовата електродинамика казва "Не!" Въпреки това беше проведен експеримент, който демонстрира свръхсветлинно предаване на информация с помощта на тунелния ефект. През бариера с ширина 11,4 см със скорост 4,7 ° СЧетиридесетата симфония на Моцарт е пренесена. Обяснението за този експеримент е много противоречиво. Повечето физици смятат, че ефектът на тунела не може да се използва за предаване информацияпо-бързо от светлината. Ако това беше възможно, тогава защо да не предадем сигнала в миналото, като поставим оборудването в бързо движеща се референтна рамка.

17. Квантова теория на полето

С изключение на гравитацията, всички наблюдаеми физични явленияотговарят на "Стандартния модел". Стандартният модел е релативистка квантова теория на полето, която обяснява електромагнитните и ядрените взаимодействия, както и всички известни частици. В тази теория всяка двойка оператори, съответстващи на физически наблюдаеми, разделени от пространствен интервал от събития, „комутират“ (т.е. редът на тези оператори може да бъде променен). По принцип това означава, че в стандартния модел ударът не може да се движи по-бързо от светлината и това може да се счита за еквивалент на квантово поле на аргумента за безкрайна енергия.

Въпреки това, няма безупречно строги доказателства за квантовата теория на полето на Стандартния модел. Все още никой не е доказал, че тази теория е вътрешно последователна. Най-вероятно това не е така. Във всеки случай няма гаранция, че няма някои все още неоткрити частици или сили, които не се подчиняват на забраната за свръхсветлинно пътуване. Също така няма обобщение на тази теория, което да включва гравитацията и обща теорияотносителност. Много физици, работещи в областта на квантовата гравитация, се съмняват, че простите идеи за причинно-следствената връзка и локалността ще се обобщят. Няма гаранция, че в бъдеща по-пълна теория скоростта на светлината ще запази значението на крайната скорост.

18. Парадоксът на дядото

В специалната теория на относителността частица, движеща се по-бързо от светлината в една отправна система, се движи назад във времето в друга отправна система. FTL пътуването или трансферът на информация биха направили възможно пътуването или изпращането на съобщение в миналото. Ако подобно пътуване във времето беше възможно, бихте могли да се върнете назад във времето и да промените хода на историята, като убиете дядо си.

Това е много сериозен аргумент срещу възможността за свръхсветлинно пътуване. Вярно е, че остава почти неправдоподобна възможност някакво ограничено свръхсветлинно пътуване да е възможно, предотвратявайки връщане в миналото. Или може би пътуването във времето е възможно, но причинно-следствената връзка е нарушена по някакъв последователен начин. Всичко това е много пресилено, но ако обсъждаме FTL пътуване, най-добре е да сте отворени за нови идеи.

Обратното също е вярно. Ако можехме да пътуваме назад във времето, бихме могли да преодолеем скоростта на светлината. Можете да се върнете назад във времето, да летите някъде с ниска скорост и да пристигнете там, преди да пристигне светлината, изпратена по обичайния начин. Вижте Пътуване във времето за подробности по тази тема.

Отворени въпроси относно пътуването, по-бързо от светлината

В този последен раздел ще опиша някои сериозни идеи за възможно пътуване по-бързо от светлината. Тези теми не се включват често в ЧЗВ, защото изглеждат по-малко като отговори, а повече като много нови въпроси. Те са включени тук, за да покажат, че се правят сериозни изследвания в тази посока. Дава се само кратко въведение в темата. Можете да намерите подробности в интернет. Както към всичко в Интернет, бъдете критични към тях.

19. Тахиони

Тахионите са хипотетични частици, които локално пътуват по-бързо от светлината. За да направят това, те трябва да имат въображаема маса. В този случай енергията и импулсът на тахиона са реални стойности. Няма причина да се смята, че свръхсветлинните частици не могат да бъдат открити. Сенките и светлините могат да се движат по-бързо от светлината и могат да бъдат открити.

Досега тахиони не са открити и физиците се съмняват в тяхното съществуване. Има твърдения, че в експерименти за измерване на масата на неутриното, получено от бета-разпада на тритий, неутриното са били тахиони. Това е съмнително, но все още не е категорично опровергано.

Има проблеми с тахионната теория. В допълнение към възможното нарушаване на причинно-следствената връзка, тахионите също правят вакуума нестабилен. Може да е възможно да се заобиколят тези трудности, но дори и тогава няма да можем да използваме тахиони за свръхсветлинно предаване на съобщения.

Повечето физици смятат, че появата на тахиони в теорията е знак за някои проблеми в тази теория. Идеята за тахионите е толкова популярна сред обществеността просто защото те често се споменават в научно-фантастичната литература. Вижте Тахиони.

20. Червееви дупки

Най-известният метод за глобално свръхсветлинно пътуване е използването на червееви дупки. Червеевата дупка е разрез в пространство-времето от една точка на Вселената до друга, което ви позволява да пътувате от единия край на дупката до другия по-бързо от обичайния път. Червеевите дупки се описват от общата теория на относителността. За да ги създадете, трябва да промените топологията на пространство-времето. Може би това ще стане възможно в рамките на квантовата теория на гравитацията.

За да поддържате червеева дупка отворена, имате нужда от области с отрицателна енергия. C.W.Misner и K.S.Thorne предложиха използването на ефекта на Казимир в голям мащаб за създаване на отрицателна енергия. Висерпредложи използването на космически струни за това. Това са много спекулативни идеи и може да не са възможни. Може би необходимата форма на екзотична материя с отрицателна енергияне съществува.

Предназначен за директно измерване на скоростта на неутрино. Резултатите звучат сензационно: скоростта на неутриното беше леко - но статистически значима! - по-бързо от скоростта на светлината. Документът за сътрудничество съдържа анализ на различни източници на грешки и несигурност, но реакцията на огромното мнозинство физици остава много скептична, главно защото този резултат не е в съответствие с други експериментални данни за свойствата на неутриното.

Ориз. 1.

Подробности за експеримента

Идеята на експеримента (вижте експеримента OPERA) е много проста. Неутринен лъч се ражда в CERN, прелита през Земята до италианската лаборатория Гран Сасо и там преминава през специален детектор за неутрино OPERA. Неутриното взаимодействат много слабо с материята, но тъй като техният поток от CERN е толкова голям, някои неутрино все още се сблъскват с атоми вътре в детектора. Там те генерират каскада от заредени частици и по този начин оставят своя сигнал в детектора. Неутриното в CERN не се раждат непрекъснато, а на „залпове“ и ако знаем момента на раждането на неутриното и момента на поглъщането му в детектора, както и разстоянието между двете лаборатории, можем да изчислим скоростта на неутрино.

Разстоянието между източника и детектора по права линия е приблизително 730 km и е измерено с точност до 20 cm (точното разстояние между референтните точки е 730 534,61 ± 0,20 метра). Вярно е, че процесът, водещ до раждането на неутрино, не е локализиран с такава точност. В CERN лъч от високоенергийни протони се освобождава от SPS ускорителя, пуска се върху графитна мишена и генерира вторични частици, включително мезони. Те все още летят напред със скорост, близка до светлинната, и се разпадат на мюони, докато излъчват неутрино. Мюоните също се разпадат и произвеждат допълнителни неутрино. Тогава всички частици, с изключение на неутриното, се абсорбират в дебелината на веществото и те свободно достигат до мястото на откриване. Общата диаграма на тази част от експеримента е показана на фиг. 1.

Цялата каскада, водеща до появата на неутринен лъч, може да се простира на стотици метри. Въпреки това, тъй като всичкочастиците в този пакет летят напред със скорост, близка до светлинната; за времето на откриване практически няма разлика дали неутриното се е родило веднага или след километър пътуване (обаче има голямо значение, когато точно оригиналният протон, довел до раждането на това неутрино, излетя от ускорителя). В резултат на това генерираните неутрино като цяло просто повтарят профила на оригиналния протонен лъч. Следователно ключовият параметър тук е именно времевият профил на протонния лъч, излъчен от ускорителя, по-специално точната позиция на предния и задния му ръб, като този профил се измерва с добро време с m резолюция (виж Фиг. 2).

Всяка сесия на пускане на протонен лъч върху мишена (на английски такава сесия се нарича разлив, „взрив“) продължава приблизително 10 микросекунди и води до раждането на огромен брой неутрино. Въпреки това, почти всички от тях летят направо през Земята (и детектора) без взаимодействие. В тези редки случаи, когато детекторът засече неутрино, не е възможно да се каже в кой точно момент по време на интервала от 10 микросекунди то е било излъчено. Анализът може да се извърши само статистически, тоест да се натрупат много случаи на откриване на неутрино и да се изгради тяхното разпределение във времето спрямо началната точка за всяка сесия. В детектора за начална точка се приема моментът във времето, когато конвенционалният сигнал, движещ се със скоростта на светлината и излъчен точно в момента на предния фронт на протонния лъч, достига до детектора. Точното измерване на този момент стана възможно чрез синхронизиране на часовници в две лаборатории с точност от няколко наносекунди.

На фиг. Фигура 3 показва пример за такова разпределение. Черните точки са реални данни за неутрино, записани от детектора и сумирани Голям бройсесии. Червената крива показва конвенционален "референтен" сигнал, който ще се движи със скоростта на светлината. Може да се види, че данните започват от приблизително 1048,5 ns по-ранореферентен сигнал. Това обаче не означава, че неутриното действително изпреварват светлината с микросекунда, а е само причина внимателно да се измерват всички дължини на кабели, скорости на реакция на оборудването, времена на електронно забавяне и т.н. Тази повторна проверка беше извършена и се оказа, че компенсира "референтния" въртящ момент с 988 ns. Така се оказва, че сигналът от неутрино действително изпреварва референтния сигнал, но само с около 60 наносекунди. По отношение на скоростта на неутрино, това съответства на превишаване на скоростта на светлината с приблизително 0,0025%.

Грешката на това измерване е оценена от авторите на анализа на 10 наносекунди, което включва както статистически, така и систематични грешки. По този начин авторите твърдят, че „виждат“ свръхсветлинно движение на неутрино при ниво на статистическа достоверност от шест стандартни отклонения.

Разликата между резултатите и очакванията с шест стандартни отклонения вече е доста голяма и във физиката на елементарните частици се нарича голямата дума „откритие“. Това число обаче трябва да се разбира правилно: то означава само, че вероятността статистическифлуктуациите в данните са много малки, но това не показва колко надеждна е техниката за обработка на данни и колко добре физиците са взели предвид всички инструментални грешки. В крайна сметка има много примери във физиката на елементарните частици, където необичайни сигнали не са потвърдени от други експерименти с изключително висока статистическа достоверност.

На какво противоречат свръхсветлинните неутрино?

Противно на общоприетото схващане, специалната теория на относителността сама по себе си не забранява съществуването на частици, движещи се със свръхсветлинни скорости. Но за такива частици (те обикновено се наричат ​​„тахиони“) скоростта на светлината също е граница, но само отдолу – те не могат да се движат по-бавно от нея. В този случай зависимостта на енергията на частиците от скоростта е обратна: колкото по-висока е енергията, толкова по-близо е скоростта на тахионите до скоростта на светлината.

Много по-сериозни проблеми започват в квантовата теория на полето. Тази теория заменя квантовата механика, когато ние говорим заза квантовите частици с висока енергия. В тази теория частиците не са точки, а относително казано съсиреци от материално поле и не могат да се разглеждат отделно от полето. Оказва се, че тахионите намаляват енергията на полето, което означава, че правят вакуума нестабилен. Тогава е по-изгодно за празнотата спонтанно да се разпадне на огромен брой от тези частици и следователно е просто безсмислено да се разглежда движението на един тахион в обикновено празно пространство. Можем да кажем, че тахионът не е частица, а нестабилност на вакуума.

В случая на тахион-фермиони ситуацията е малко по-сложна, но и там възникват сравними трудности, които пречат на създаването на самосъгласувана тахионна квантова теория на полето, включително обикновената теория на относителността.

Това обаче не е и последната дума на теория. Точно както експериментаторите измерват всичко, което може да бъде измерено, теоретиците също тестват всички възможни хипотетични модели, които не противоречат на наличните данни. По-специално, има теории, в които се допуска малко, все още незабелязано, отклонение от постулатите на теорията на относителността - например самата скорост на светлината може да бъде променлива стойност. Такива теории все още нямат пряка експериментална подкрепа, но все още не са затворени.

Тази кратка скица на теоретичните възможности може да бъде обобщена по следния начин: въпреки факта, че в някои теоретични модели FTL пътуването е възможно, те остават чисто хипотетични конструкции. Всички налични експериментални данни днес са описани от стандартни теории без свръхсветлинно движение. Следователно, ако беше надеждно потвърдено поне за някои частици, квантова теорияполетата ще трябва да бъдат радикално преустроени.

Трябва ли резултатът от OPERA да се счита за „първи признак“ в този смисъл? Все още не. Може би най-важната причина за скептицизъм остава фактът, че резултатът от OPERA не е в съответствие с други експериментални данни за неутрино.

Първо, по време на прочутата експлозия на супернова SN1987A бяха записани и неутрино, които пристигнаха няколко часа преди светлинния импулс. Това не означава, че неутриното се движат по-бързо от светлината, а просто отразява факта, че неутриното се излъчва по-рано при колапса на ядрото на свръхновата, отколкото светлината. Въпреки това, тъй като неутриното и светлината, след пътуване в продължение на 170 хиляди години, не се разминават с повече от няколко часа, това означава, че техните скорости са много близки и се различават с не повече от части от един милиард. Експериментът OPERA показва хиляди пъти по-голямо несъответствие.

Тук, разбира се, можем да кажем, че неутриното, получено по време на експлозия на свръхнова, и неутриното от CERN се различават значително по енергия (няколко десетки MeV в свръхнови и 10–40 GeV в описания експеримент), а скоростта на неутриното варира в зависимост от енергията . Но тази промяна в този случай работи в „грешната“ посока: в края на краищата, колкото по-висока е енергията на тахионите, толкова по-близка трябва да е тяхната скорост до скоростта на светлината. Разбира се, и тук можем да излезем с някаква модификация на тахионната теория, при която тази зависимост да е съвсем различна, но в този случай ще трябва да обсъдим „двойно-хипотетичния” модел.

Освен това, от набора от експериментални данни за осцилациите на неутрино, получени за последните години, следва, че масите на всички неутрино се различават една от друга само с части от електронволт. Ако резултатът от OPERA се възприема като проявление на свръхсветлинното движение на неутрино, тогава стойността на квадрат на масата на поне едно неутрино ще бъде от порядъка на –(100 MeV) 2 (отрицателната квадратна маса е математическо проявление на фактът, че частицата се счита за тахион). Тогава трябва да го признаем всичковидовете неутрино са тахиони и имат приблизително еднаква маса. От друга страна, директно измерванемасата на неутриното при бета-разпадането на тритиевите ядра показва, че масата на неутриното (по абсолютна стойност) не трябва да надвишава 2 електронволта. С други думи, няма да е възможно да съгласувате всички тези данни помежду си.

Изводът от това може да се направи, както следва: обявеният резултат от сътрудничеството на OPERA е трудно да се впише в каквито и да е, дори и в най-екзотичните теоретични модели.

Какво следва?

Във всички големи колаборации във физиката на елементарните частици е нормална практика всеки конкретен анализ да се извършва от малка група участници и едва след това резултатите се представят за общо обсъждане. В този случай, очевидно, този етап е бил твърде кратък, в резултат на което не всички участници в сътрудничеството са се съгласили да подпишат статията (пълният списък включва 216 участници в експеримента, но предпечатът има само 174 автори). Следователно в близко бъдеще, очевидно, ще бъдат извършени много допълнителни проверки в рамките на сътрудничеството и едва след това статията ще бъде изпратена за печат.

Разбира се, сега можем да очакваме поток от теоретични статии с различни екзотични обяснения за този резултат. Въпреки това, докато посоченият резултат не бъде надеждно повторно проверен, той не може да се счита за пълноценно откритие.

Екип от учени от експеримента OPERA, в сътрудничество с Европейската организация за ядрени изследвания (CERN), публикува сензационни резултати от експеримент за преодоляване на скоростта на светлината. Резултатите от експеримента опровергават специалната теория на относителността на Алберт Айнщайн, на която се основава цялата съвременна физика. Теорията гласи, че скоростта на светлината е 299 792 458 m/s и елементарни частицине може да пътува по-бързо от скоростта на светлината.

Въпреки това учените записаха, че лъчът неутрино го надвишава с 60 наносекунди при покриване на 732 км. Това се случи на 22 септември по време на експеримент, проведен от международна група ядрени физици от Италия, Франция, Русия, Корея, Япония и други страни.

Експериментът протича по следния начин: протонен лъч се ускорява в специален ускорител и се удря в центъра на специална цел. Така се раждат мезоните – частици, състоящи се от кварки.

Когато мезоните се разпадат, се раждат неутрино“, обясни за Известия академикът на РАН Валери Рубаков, главен научен сътрудник в Института за ядрени изследвания на Руската академия на науките. - Лъчът е позициониран така, че неутриното изминава 732 км и достига италианската подземна лаборатория в Гран Сасо. Той съдържа специален детектор, който регистрира скоростта на лъча неутрино.

Резултатите от проучването са разделени научен свят. Някои учени отказват да повярват на резултатите.

Това, което направиха в ЦЕРН, е невъзможно от съвременна гледна точка на физиката“, каза за „Известия“ академикът на РАН Спартак Беляев, научен директор на Института по обща и ядрена физика. - Трябва да се провери този експеримент и резултатите от него - може би просто са сбъркани. Всички експерименти, проведени преди това, се вписват в съществуващата теория и няма нужда да се паникьосвате поради един експеримент, проведен веднъж.

В същото време академик Беляев признава: ако е възможно да се докаже, че едно неутрино може да се движи по-бързо от скоростта на светлината, това ще бъде революция.

Тогава ще трябва да нарушим цялата физика“, каза той.

Ако резултатите се потвърдят, това ще бъде революция“, съгласен е акад. Рубаков. - Трудно е да се каже как ще се окаже това за обикновените хора. Като цяло, разбира се, е възможно да се промени специалната теория на относителността, но е изключително трудно да се направи това и каква теория ще изкристализира в резултат на това не е напълно ясно.

Рубаков отбеляза, че в доклада се посочва, че за трите години на експеримента са записани и измерени 15 хиляди събития.

Статистиката е много добра, а в експеримента участва международна група от авторитетни учени“, обобщава Рубаков.

Академиците подчертаха, че по света редовно се правят опити за експериментално опровергаване на специалната теория на относителността. Все още обаче нито един от тях не е дал положителен резултат.

През септември 2011 г. физикът Антонио Ередитато шокира света. Неговото изявление може да революционизира нашето разбиране за Вселената. Ако данните, събрани от 160 учени от проекта OPERA, бяха верни, невероятното беше наблюдавано. Частиците - в този случай неутрино - се движеха по-бързо от светлината. Според теорията на относителността на Айнщайн това е невъзможно. И последствията от подобно наблюдение биха били невероятни. Може би трябва да се преразгледат самите основи на физиката.

Въпреки че Ередитато каза, че той и неговият екип са „изключително уверени“ в своите резултати, те не казаха, че данните са напълно точни. Вместо това те помолили други учени да им помогнат да разберат какво се случва.

В крайна сметка се оказа, че резултатите на OPERA са грешни. Поради лошо свързан кабел имаше проблем със синхронизацията и сигналите от GPS сателитите бяха неточни. Имаше неочаквано забавяне на сигнала. В резултат на това измерванията на времето, необходимо на неутриното да изминат определено разстояние, показаха допълнителни 73 наносекунди: изглеждаше, че неутриното се движат по-бързо от светлината.

Въпреки месеците на внимателно тестване преди експеримента и повторната проверка на данните след това, учените сериозно грешат. Ередитато подаде оставка въпреки коментарите на мнозина, че такива грешки винаги се случват поради изключителната сложност на ускорителите на частици.

Защо предположението — самото предположение — че нещо може да се движи по-бързо от светлината, предизвика такъв шум? Колко сигурни сме, че нищо не може да преодолее тази бариера?

Нека първо разгледаме втория от тези въпроси. Скоростта на светлината във вакуум е 299 792,458 километра в секунда - за удобство това число е закръглено на 300 000 километра в секунда. Става доста бързо. Слънцето е на 150 милиона километра от Земята, а светлината му достига до Земята само за осем минути и двадесет секунди.

Може ли някое от нашите творения да се състезава в надпреварата със светлината? Един от най-бързите обекти, създавани някога от човека, космическа проба New Horizons профуча покрай Плутон и Харон през юли 2015 г. Той достигна скорост спрямо Земята от 16 km/s. Много по-малко от 300 000 км/с.

Имахме обаче малки частици, които се движеха доста бързо. В началото на 60-те години Уилям Бертоци от MIT експериментира с ускоряване на електрони до още по-високи скорости.

Тъй като електроните имат отрицателен заряд, те могат да бъдат ускорени - по-точно, отблъснати - чрез прилагане на същия отрицателен заряд към материал. Колкото повече енергия се прилага, толкова по-бързо се ускоряват електроните.

Човек би си помислил, че просто ще трябва да увеличи приложената енергия, за да достигне скорост от 300 000 km/s. Но се оказва, че електроните просто не могат да се движат толкова бързо. Експериментите на Бертоци показаха, че използването на повече енергия не води до правопропорционално увеличение на скоростта на електроните.

Вместо това трябваше да се приложат огромни количества допълнителна енергия, за да се промени дори леко скоростта на електроните. Тя се приближаваше все по-близо до скоростта на светлината, но така и не я достигна.

Представете си, че се придвижвате към вратата на малки стъпки, като всяка стъпка покрива половината разстояние от текущата ви позиция до вратата. Строго погледнато, никога няма да стигнете до вратата, защото след всяка стъпка, която направите, все още ще имате разстояние за преминаване. Бертоци се натъкна на приблизително същия проблем, докато се занимаваше с електроните си.

Но светлината се състои от частици, наречени фотони. Защо тези частици могат да се движат със скоростта на светлината, но електроните не могат?

„Тъй като обектите се движат все по-бързо и по-бързо, те стават по-тежки – колкото по-тежки стават, толкова по-трудно е да се ускорят, така че никога да не достигнете скоростта на светлината“, казва Роджър Расул, физик от университета в Мелбърн в Австралия. „Фотонът няма маса. Ако имаше маса, не можеше да се движи със скоростта на светлината."

Фотоните са специални. Те не само нямат маса, която им осигурява пълна свобода на движение във вакуума на космоса, но и не се нуждаят от ускорение. Естествената енергия, която имат, се движи на вълни точно като тях, така че когато са създадени, те вече имат максимална скорост. В някои отношения е по-лесно да мислим за светлината като енергия, а не като поток от частици, въпреки че всъщност светлината е и двете.

Светлината обаче пътува много по-бавно, отколкото бихме могли да очакваме. Въпреки че интернет технолозите обичат да говорят за комуникации, работещи със „скоростта на светлината“ във влакнеста оптика, светлината се движи с 40% по-бавно в стъклена оптика, отколкото във вакуум.

В действителност фотоните се движат със скорости от 300 000 km/s, но срещат известно количество смущения, причинени от други фотони, излъчени от стъклени атоми, докато основната светлинна вълна преминава през тях. Това може да не е лесно за разбиране, но поне опитахме.

По същия начин, в рамките на специални експерименти с отделни фотони, беше възможно да се забавят доста впечатляващо. Но за повечето случаи 300 000 биха били правилните. Не сме виждали или построили нещо, което може да се движи толкова бързо или дори по-бързо. Има специални точки, но преди да ги засегнем, нека се спрем на другия ни въпрос. Защо е толкова важно правилото за скоростта на светлината да се спазва стриктно?

Отговорът е свързан с човек на име , както често се случва във физиката. Неговата специална теория на относителността изследва многото последици от неговите универсални ограничения на скоростта. Един от най-важните елементи на теорията е идеята, че скоростта на светлината е постоянна. Без значение къде се намирате или колко бързо се движите, светлината винаги се движи с еднаква скорост.

Но това повдига няколко концептуални проблема.

Представете си светлината, която пада от фенерче върху огледало на тавана на неподвижен космически кораб. Светлината се издига, отразява се от огледалото и пада върху пода на космическия кораб. Да кажем, че изминава разстояние от 10 метра.

Сега си представете, че този космически кораб започва да се движи с колосална скорост от много хиляди километри в секунда. Когато включите фенерчето, светлината се държи както преди: тя свети нагоре, удря огледалото и се отразява на пода. Но за да направи това, светлината ще трябва да измине диагонално разстояние, а не вертикално. В крайна сметка огледалото сега се движи бързо заедно с космически кораб.

Съответно разстоянието, което светлината изминава, се увеличава. Да кажем 5 метра. Оказва се общо 15 метра, а не 10.

И въпреки това, въпреки че разстоянието се е увеличило, теориите на Айнщайн твърдят, че светлината все още ще пътува със същата скорост. Тъй като скоростта е разстоянието, разделено на времето, тъй като скоростта остава същата и разстоянието се увеличава, времето също трябва да се увеличи. Да, самото време трябва да се простира. И макар това да звучи странно, е потвърдено експериментално.

Това явление се нарича забавяне на времето. Времето тече по-бавно за хората, които пътуват в бързо движещи се превозни средства, в сравнение с тези, които са неподвижни.

Например времето тече с 0,007 секунди по-бавно за астронавтите на Международната космическа станция. космическа станция, който се движи със скорост от 7,66 km/s спрямо Земята, в сравнение с хората на планетата. Още по-интересна е ситуацията с частици като гореспоменатите електрони, които могат да се движат близо до скоростта на светлината. В случая на тези частици степента на забавяне ще бъде огромна.

Стивън Колтамер, експериментален физик от Оксфордския университет в Обединеното кралство, посочва примера на частици, наречени мюони.

Мюоните са нестабилни: те бързо се разпадат на по-прости частици. Толкова бързо, че повечето мюони, напускащи Слънцето, трябва да се разпаднат, докато достигнат Земята. Но в действителност мюоните пристигат на Земята от Слънцето в колосални обеми. Физиците отдавна се опитват да разберат защо.

„Отговорът на тази мистерия е, че мюоните се генерират с такава енергия, че пътуват със скорост, близка до скоростта на светлината“, казва Колтамер. „Усещането им за време, така да се каже, вътрешният им часовник е бавен.“

Мюоните "остават живи" по-дълго от очакваното спрямо нас, благодарение на истинско, естествено изкривяване на времето. Когато обектите се движат бързо спрямо други обекти, тяхната дължина също намалява и се свива. Тези последствия, забавяне на времето и намаляване на дължината, са примери за това как пространство-времето се променя в зависимост от движението на неща - аз, вие или космически кораб - които имат маса.

Това, което е важно, както каза Айнщайн, е, че светлината не се влияе, защото няма маса. Ето защо тези принципи вървят ръка за ръка. Ако нещата можеха да пътуват по-бързо от светлината, те щяха да се подчиняват на основните закони, които описват как работи Вселената. Това са основните принципи. Сега можем да говорим за няколко изключения и изключения.

От една страна, въпреки че не сме виждали нещо да се движи по-бързо от светлината, това не означава, че това ограничение на скоростта теоретично не може да бъде победено при много специфични условия. Вземете например разширяването на самата Вселена. Галактиките във Вселената се отдалечават една от друга със скорости, значително надвишаващи скоростта на светлината.

Друга интересна ситуация се отнася до частици, които споделят едни и същи свойства по едно и също време, без значение колко далеч са една от друга. Това е така нареченото „квантово заплитане“. Фотонът ще се върти нагоре и надолу, произволно избирайки между две възможни състояния, но изборът на посока на въртене ще бъде точно отразен в друг фотон другаде, ако са заплетени.

Двама учени, всеки от които изучава своя собствен фотон, ще получат един и същ резултат едновременно, по-бързо, отколкото позволява скоростта на светлината.

И в двата примера обаче е важно да се отбележи, че никоя информация не се движи по-бързо от скоростта на светлината между два обекта. Можем да изчислим разширяването на Вселената, но не можем да наблюдаваме обекти, по-бързи от светлината в нея: те са изчезнали от полезрението.

Що се отнася до двама учени с техните фотони, въпреки че можеха да получат един резултат едновременно, те не можеха да си позволят да го разберат по-бързо, отколкото светлината пътува между тях.

„Това не създава никакви проблеми за нас, защото ако можете да изпращате сигнали по-бързи от светлината, получавате странни парадокси, при които информацията по някакъв начин може да се върне назад във времето“, казва Колтамер.

Има и друг възможен начинправят пътуването по-бързо от светлината технически възможно: пукнатини в пространство-времето, които ще позволят на пътника да избяга от правилата на нормалното пътуване.

Джералд Кливър от университета Бейлър в Тексас вярва, че един ден ще можем да построим космически кораб, който пътува по-бързо от светлината. Който се движи през червеева дупка. Червеевите дупки са примки в пространство-времето, които идеално се вписват в теориите на Айншейн. Те могат да позволят на астронавт да скочи от единия край на Вселената до другия чрез аномалия в пространство-времето, някаква форма на космически пряк път.

Обект, пътуващ през червеева дупка, няма да надвиши скоростта на светлината, но теоретично може да достигне местоназначението си по-бързо от светлината, която поема по "нормален" път. Но дупките на червеи може да са напълно недостъпни пътуване в космоса. Може ли да има друг начин за активно изкривяване на пространство-времето, за да се движи по-бързо от 300 000 km/s спрямо някой друг?

Кливър също изследва идеята за "двигател на Алкубиер" през 1994 г. Той описва ситуация, при която пространство-времето се свива пред космическия кораб, изтласквайки го напред, и се разширява зад него, като също го избутва напред. „Но тогава“, казва Кливър, „възникнаха проблемите: как да го направим и колко енергия ще е необходима.“

През 2008 г. той и неговият студент Ричард Обузи изчисляват колко енергия ще е необходима.

„Представихме си кораб с размери 10m x 10m x 10m – 1000 кубически метра – и изчислихме, че количеството енергия, необходимо за стартиране на процеса, ще бъде еквивалентно на масата на целия Юпитер.“

След това енергията трябва постоянно да се „добавя“, за да не свърши процесът. Никой не знае дали това някога ще бъде възможно или как ще изглежда необходимата технология. „Не искам да бъда цитиран векове наред, сякаш съм предсказал нещо, което никога няма да се случи“, казва Кливър, „но все още не виждам никакви решения.“

Така че пътуването по-бързо от скоростта на светлината засега остава фантазия. този момент. Засега единственият начин е да се потопите в дълбока спряна анимация. И все пак не всичко е лошо. През повечето време говорихме за видимата светлина. Но в действителност светлината е много повече от това. От радиовълни и микровълни до видима светлина, ултравиолетова радиация, рентгенови лъчи и гама лъчи, излъчвани от атомите при разпадането им, всички тези красиви лъчи са направени от едно и също нещо: фотони.

Разликата е в енергията и следователно в дължината на вълната. Заедно тези лъчи образуват електромагнитния спектър. Фактът, че радиовълните например се разпространяват със скоростта на светлината, е невероятно полезен за комуникацията.

В своите изследвания Kolthammer създава верига, която използва фотони за предаване на сигнали от една част на веригата към друга, така че той е добре квалифициран да коментира полезността на невероятната скорост на светлината.

„Самият факт, че изградихме инфраструктурата на интернет например и радиото преди него, базирана на светлина, е свързан с лекотата, с която можем да я предаваме“, отбелязва той. И добавя, че светлината действа като комуникационна сила на Вселената. Когато електроните в мобилния телефон започнат да се разклащат, фотоните се освобождават и карат електроните в друг мобилен телефон също да се разклащат. Така се ражда едно телефонно обаждане. Трептенето на електроните в Слънцето също излъчва фотони - в огромни количества- които, разбира се, образуват светлина, даваща на живота на Земята топлина и, хм, светлина.

Светлината е универсалният език на Вселената. Неговата скорост – 299 792,458 км/с – остава постоянна. Междувременно пространството и времето са ковки. Може би трябва да мислим не как да се движим по-бързо от светлината, а как да се движим по-бързо през това пространство и това време? Отидете до корена, така да се каже?