Brzina svjetlosti najneobičnija je dosad poznata mjerna veličina. Prva osoba koja je pokušala objasniti fenomen širenja svjetlosti bio je Albert Einstein. Upravo je on došao do poznate formule E = mc² , Gdje E je ukupna energija tijela, m- masa, i c— brzina svjetlosti u vakuumu.

Formula je prvi put objavljena u časopisu Annalen der Physik 1905. godine. Otprilike u isto vrijeme Einstein je iznio teoriju o tome što bi se dogodilo tijelu koje se kreće apsolutnom brzinom. Na temelju činjenice da je brzina svjetlosti stalna veličina, došao je do zaključka da se prostor i vrijeme moraju mijenjati.

Tako će se objekt brzinom svjetlosti beskrajno smanjivati, njegova masa beskonačno povećavati, a vrijeme će praktički stati.

Godine 1977. bilo je moguće izračunati brzinu svjetlosti; navedena je brojka od 299 792 458 ± 1,2 metra u sekundi. Za grublje izračune uvijek se uzima vrijednost od 300 000 km/s. Na toj se vrijednosti temelje sve druge kozmičke dimenzije. Ovako je koncept " svjetlosnih godina" i "parsec" (3,26 svjetlosnih godina).

Nemoguće je kretati se brzinom svjetlosti, a još manje je savladati. Barem u ovoj fazi ljudskog razvoja. S druge strane, pisci znanstvene fantastike taj problem pokušavaju riješiti na stranicama svojih romana već 100-tinjak godina. Možda jednog dana znanstvena fantastika postane stvarnost, jer još u 19. stoljeću Jules Verne je predvidio pojavu helikoptera, aviona i električne stolice, a tada je to bila čista znanstvena fantastika!

Liječnik tehničke znanosti A. GOLUBEV.

Sredinom prošle godine u časopisima se pojavila senzacionalna poruka. Skupina američkih istraživača otkrila je da se vrlo kratki laserski puls kreće u posebno odabranom mediju stotinama puta brže nego u vakuumu. Taj se fenomen činio potpuno nevjerojatnim (brzina svjetlosti u mediju uvijek je manja nego u vakuumu) i čak je doveo do sumnje u valjanost posebna teorija relativnost. U međuvremenu, superluminalni fizički objekt - laserski puls u mediju za pojačanje - prvi put je otkriven ne 2000., već 35 godina ranije, 1965., a o mogućnosti superluminalnog gibanja naširoko se raspravljalo sve do ranih 70-ih. Danas se rasprava oko ovog čudnog fenomena rasplamsala novom snagom.

Primjeri "superluminalnog" kretanja.

Početkom 60-ih godina počeli su se dobivati ​​kratki svjetlosni impulsi velike snage prolaskom laserskog bljeska kroz kvantno pojačalo (medij s invertiranom naseljenošću).

U mediju za pojačalo početno područje svjetlosnog impulsa uzrokuje stimuliranu emisiju atoma u mediju za pojačalo, a njegovo završno područje uzrokuje njihovu apsorpciju energije. Kao rezultat toga, promatraču će se činiti da se puls kreće brže od svjetlosti.

Eksperiment Lijuna Wonga.

Zraka svjetlosti prolazeći kroz prizmu od prozirnog materijala (npr. stakla) se lomi, odnosno doživljava disperziju.

Svjetlosni puls je skup titraja različitih frekvencija.

Vjerojatno svi - čak i ljudi koji su daleko od fizike - znaju da je najveća moguća brzina kretanja materijalnih objekata ili širenja bilo kojeg signala brzina svjetlosti u vakuumu. Označava se slovom S i iznosi gotovo 300 tisuća kilometara u sekundi; točna vrijednost S= 299,792,458 m/s. Brzina svjetlosti u vakuumu jedna je od temeljnih fizikalnih konstanti. Nemogućnost postizanja prekoračenja brzina S, proizlazi iz Einsteinove posebne teorije relativnosti (STR). Kada bi se moglo dokazati da je prijenos signala superluminalnim brzinama moguć, teorija relativnosti bi pala. Do sada se to nije dogodilo, unatoč brojnim pokušajima da se opovrgne zabrana postojanja brzina većih od S. Međutim, u eksperimentalne studije Nedavno su otkriveni vrlo zanimljivi fenomeni koji pokazuju da je u posebno stvorenim uvjetima moguće promatrati superluminalne brzine, a da se pritom ne krše principi teorije relativnosti.

Za početak, prisjetimo se glavnih aspekata vezanih uz problem brzine svjetlosti. Prije svega: zašto je nemoguće (u normalnim uvjetima) prekoračiti svjetlosnu granicu? Jer tada se krši temeljni zakon našeg svijeta – zakon uzročnosti, prema kojem posljedica ne može prethoditi uzroku. Nitko nikada nije primijetio da je, primjerice, medvjed prvo pao mrtav, a zatim lovac pucao. Pri brzinama koje prelaze S, slijed događaja postaje obrnut, vremenska traka se premotava unatrag. To je lako provjeriti iz sljedećeg jednostavnog razmišljanja.

Pretpostavimo da smo na nekoj vrsti svemirskog čudesnog broda koji se kreće brže od svjetlosti. Tada bismo postupno sustigli svjetlo koje emitira izvor u sve ranijim vremenima. Prvo bismo sustigli fotone emitirane, recimo, jučer, zatim one emitirane prekjučer, zatim tjedan, mjesec, prije godinu dana, i tako dalje. Kad bi izvor svjetlosti bio zrcalo u kojem se odražava život, tada bismo prvo vidjeli događaje od jučer, zatim prekjučer, i tako dalje. Mogli bismo vidjeti, recimo, starca koji se postepeno pretvara u sredovječnog čovjeka, pa u mladića, u mladića, u dijete... Odnosno, vrijeme bi se vratilo unazad, iz sadašnjosti bismo prešli u prošlost. Uzroci i posljedice tada bi zamijenili mjesta.

Iako ova rasprava potpuno zanemaruje tehničke detalje procesa promatranja svjetlosti, s fundamentalne točke gledišta jasno pokazuje da kretanje nadsvjetlosnim brzinama dovodi do situacije koja je nemoguća u našem svijetu. Međutim, priroda je postavila još strože uvjete: kretanje je nedostižno ne samo nadsvjetlosnom brzinom, već i brzinom jednaka brzina svjetlo – samo mu se možeš približiti. Iz teorije relativnosti proizlazi da pri povećanju brzine gibanja nastaju tri okolnosti: povećava se masa tijela koje se kreće, smanjuje se njegova veličina u smjeru gibanja i usporava se tijek vremena na tom objektu (od točke pogleda vanjskog “odmarajućeg” promatrača). Pri običnim brzinama te su promjene zanemarive, ali kako se približavaju brzini svjetlosti postaju sve uočljivije, au granici - pri brzini jednakoj S, - masa postaje beskonačno velika, objekt potpuno gubi veličinu u smjeru kretanja i vrijeme se na njemu zaustavlja. Stoga niti jedno materijalno tijelo ne može postići brzinu svjetlosti. Samo svjetlost sama po sebi ima takvu brzinu! (I također "sveprodiruća" čestica - neutrino, koja se, poput fotona, ne može kretati brzinom manjom od S.)

Sada o brzini prijenosa signala. Ovdje je prikladno koristiti prikaz svjetla u obliku Elektromagnetski valovi. Što je signal? Ovo su neke informacije koje treba prenijeti. Idealni elektromagnetski val je beskonačna sinusoida strogo jedne frekvencije i ne može nositi nikakvu informaciju, jer svaka perioda takve sinusoide točno ponavlja prethodnu. Brzina kretanja faze sinusnog vala - tzv. fazna brzina - može u mediju pod određenim uvjetima premašiti brzinu svjetlosti u vakuumu. Ovdje nema ograničenja, budući da fazna brzina nije brzina signala - ona još ne postoji. Da biste stvorili signal, morate napraviti neku vrstu "oznake" na valu. Takva oznaka može biti, na primjer, promjena bilo kojeg od parametara vala - amplitude, frekvencije ili početne faze. Ali čim se označi, val gubi svoju sinusoidalnost. Postaje moduliran, sastoji se od niza jednostavnih sinusnih valova s ​​različitim amplitudama, frekvencijama i početne faze- skupine valova. Brzina kojom se oznaka kreće u moduliranom valu je brzina signala. Kod širenja u mediju ta se brzina obično poklapa s grupnom brzinom, koja karakterizira širenje gore spomenute skupine valova u cjelini (vidi "Znanost i život" br. 2, 2000.). U normalnim uvjetima, grupna brzina, a time i brzina signala, manja je od brzine svjetlosti u vakuumu. Nije slučajnost da je ovdje korišten izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima grupna brzina može premašiti S ili čak izgubiti svoje značenje, ali tada se ne odnosi na širenje signala. Servis utvrđuje da je nemoguće odašiljati signal brzinom većom od S.

Zašto je to tako? Budući da postoji prepreka za prijenos bilo kakvog signala brzinom većom od S Isti zakon uzročnosti služi. Zamislimo takvu situaciju. U nekoj točki A svjetlosni bljesak (događaj 1) uključuje uređaj koji šalje određeni radio signal, a u udaljenoj točki B pod utjecajem tog radio signala dolazi do eksplozije (događaj 2). Jasno je da je događaj 1 (baklja) uzrok, a događaj 2 (eksplozija) posljedica, koja se javlja kasnije od uzroka. Ali kad bi se radijski signal širio nadsvjetlosnom brzinom, promatrač u blizini točke B prvo bi vidio eksploziju, a tek onda bi do njega stigla brzinom S bljesak svjetla, uzrok eksplozije. Drugim riječima, za ovog promatrača događaj 2 dogodio bi se ranije od događaja 1, odnosno posljedica bi prethodila uzroku.

Prikladno je naglasiti da se “superluminalna zabrana” teorije relativnosti nameće samo kretanju. materijalna tijela i prijenos signala. U mnogim je situacijama moguće kretanje bilo kojom brzinom, ali to neće biti kretanje materijalnih objekata ili signala. Na primjer, zamislite dva prilično duga ravnala koja leže u istoj ravnini, od kojih je jedan vodoravno, a drugi ga siječe pod malim kutom. Ako se prvo ravnalo pomiče prema dolje (u smjeru označenom strelicom) velikom brzinom, točka sjecišta ravnala se može natjerati da trči željenom brzinom, ali ta točka nije materijalno tijelo. Drugi primjer: ako uzmete svjetiljku (ili, recimo, laser koji proizvodi uski snop) i brzo opišete luk u zraku, tada linearna brzina svjetlosni snop će se povećati s udaljenošću i na dovoljno velikoj udaljenosti će premašiti S. Svjetlosna točka će se kretati između točaka A i B superluminalnom brzinom, ali to neće biti prijenos signala od A do B, budući da takva svjetlosna točka ne nosi nikakvu informaciju o točki A.

Čini se da je pitanje superluminalnih brzina riješeno. No 60-ih godina dvadesetog stoljeća teorijski fizičari iznijeli su hipotezu o postojanju superluminalnih čestica zvanih tahioni. To su vrlo čudne čestice: teoretski su moguće, ali da bi se izbjegle kontradikcije s teorijom relativnosti, morala im se pripisati zamišljena masa mirovanja. Fizički, imaginarna masa ne postoji; ona je čisto matematička apstrakcija. No, to nije izazvalo veliku uzbunu, budući da tahioni ne mogu mirovati - oni postoje (ako postoje!) samo pri brzinama većim od brzine svjetlosti u vakuumu, au ovom slučaju masa tahiona se pokazuje stvarnom. Ovdje postoji određena analogija s fotonima: foton ima nultu masu mirovanja, ali to jednostavno znači da foton ne može mirovati - svjetlost se ne može zaustaviti.

Najteže se pokazalo, kao što se i očekivalo, pomiriti tahionsku hipotezu sa zakonom uzročnosti. Pokušaji u tom smjeru, iako prilično domišljati, nisu doveli do očitog uspjeha. Nitko nije uspio eksperimentalno registrirati tahione. Kao rezultat, interes za tahione kao superluminalne elementarne čestice postupno nestajao.

Međutim, 60-ih godina eksperimentalno je otkriven fenomen koji je isprva zbunio fizičare. To je detaljno opisano u članku A. N. Oraevskog "Superluminalni valovi u medijima za pojačavanje" (UFN br. 12, 1998.). Ovdje ćemo ukratko sažeti bit stvari, upućujući čitatelja zainteresiranog za detalje na navedeni članak.

Ubrzo nakon otkrića lasera - početkom 60-ih godina - pojavio se problem dobivanja kratkih (trajanja oko 1 ns = 10 -9 s) svjetlosnih impulsa velike snage. Da bi se to postiglo, kratki laserski impuls je prošao kroz optičko kvantno pojačalo. Puls je podijeljen na dva dijela zrcalom za dijeljenje snopa. Jedan od njih, jači, bio je poslan u pojačalo, a drugi se širio u zraku i služio kao referentni impuls s kojim se mogao usporediti impuls koji prolazi kroz pojačalo. Oba su impulsa dovedena do fotodetektora, a njihovi izlazni signali mogli su se vizualno promatrati na ekranu osciloskopa. Očekivalo se da će svjetlosni impuls koji prolazi kroz pojačalo doživjeti određeno kašnjenje u odnosu na referentni impuls, odnosno da će brzina širenja svjetlosti u pojačalu biti manja nego u zraku. Zamislite iznenađenje istraživača kada su otkrili da se puls širi kroz pojačalo brzinom ne samo većom nego u zraku, već i nekoliko puta većom od brzine svjetlosti u vakuumu!

Nakon što su se oporavili od prvog šoka, fizičari su počeli tražiti razlog za tako neočekivani rezultat. Nitko nije imao ni najmanju sumnju u principe specijalne teorije relativnosti, a upravo je to pomoglo da se pronađe ispravno objašnjenje: ako su principi SRT-a očuvani, onda odgovor treba tražiti u svojstvima medija za pojačanje.

Ne ulazeći ovdje u detalje, samo ćemo istaknuti da je detaljna analiza mehanizma djelovanja pojačivača potpuno razjasnila situaciju. Poanta je bila promjena u koncentraciji fotona tijekom širenja impulsa - promjena uzrokovana promjenom pojačanja medija do negativna vrijednost tijekom prolaska stražnjeg dijela impulsa, kada medij već apsorbira energiju, jer je vlastita rezerva već potrošena zbog njenog prijenosa na svjetlosni impuls. Apsorpcija ne uzrokuje povećanje, već slabljenje impulsa, pa se tako impuls pojačava u prednjem dijelu, a slabi u stražnjem dijelu. Zamislimo da promatramo puls pomoću uređaja koji se kreće brzinom svjetlosti u mediju pojačala. Kad bi medij bio proziran, vidjeli bismo impuls zaleđen u nepomičnosti. U okolini u kojoj se gore navedeni proces odvija, pojačanje prednjeg ruba i slabljenje zadnjeg ruba pulsa će se promatraču pojaviti na takav način da se čini da je medij pomaknuo puls naprijed. Ali budući da se uređaj (promatrač) kreće brzinom svjetlosti, a impuls ga sustiže, tada je brzina impulsa veća od brzine svjetlosti! Upravo su taj učinak zabilježili eksperimentatori. I tu zapravo nema proturječja s teorijom relativnosti: proces pojačanja je jednostavno takav da koncentracija fotona koji su izašli ranije ispada veća od onih koji su izašli kasnije. Nisu fotoni ti koji se kreću superluminalnim brzinama, već omotnica pulsa, posebice njegov maksimum, koji se promatra na osciloskopu.

Dakle, dok u običnim medijima uvijek dolazi do slabljenja svjetlosti i smanjenja njezine brzine, određene indeksom loma, u aktivnim laserskim medijima dolazi ne samo do pojačanja svjetlosti, već i do širenja impulsa superluminalnom brzinom.

Neki su fizičari pokušali eksperimentalno dokazati prisutnost superluminalnog gibanja tijekom efekta tunela - jednog od najčudesnijih fenomena u kvantna mehanika. Taj učinak sastoji se u činjenici da je mikročestica (točnije mikroobjekt koji pod različitim uvjetima pokazuje i svojstva čestice i svojstva vala) sposobna prodrijeti kroz tzv. potencijalnu barijeru - pojavu koja je potpuno nemoguće u klasičnoj mehanici (u kojoj bi takva situacija bila analogna: lopta bačena na zid završila bi s druge strane zida ili bi se valovito gibanje priopćeno užetu vezanom za zid prenijelo na uže privezano za zid s druge strane). Suština efekta tunela u kvantnoj mehanici je sljedeća. Ako mikroobjekt s određenom energijom na svom putu naiđe na područje s potencijalnom energijom većom od energije mikroobjekta, to područje je za njega barijera čija je visina određena energetskom razlikom. Ali mikroobjekt “procuri” kroz barijeru! Tu mogućnost daje mu dobro poznata Heisenbergova relacija nesigurnosti, zapisana za energiju i vrijeme međudjelovanja. Ako se međudjelovanje mikroobjekta s barijerom odvija tijekom relativno određenog vremena, tada će energija mikroobjekta, naprotiv, biti obilježena nesigurnošću, a ako je ta nesigurnost reda visine barijere, tada potonji prestaje biti nepremostiva prepreka za mikroobjekt. Brzina prolaska kroz potencijalnu barijeru postala je predmetom istraživanja niza fizičara, koji smatraju da ona može premašiti S.

U lipnju 1998. godine u Kölnu je održan međunarodni simpozij o problemima superluminalnog gibanja, na kojem se raspravljalo o rezultatima dobivenim u četiri laboratorija - na Berkeleyu, Beču, Kölnu i Firenci.

I konačno, 2000. godine pojavila su se izvješća o dva nova eksperimenta u kojima su se pojavili učinci superluminalnog širenja. Jednu od njih izveli su Lijun Wong i njegovi kolege s Princeton Research Institute (SAD). Njegov rezultat je da svjetlosni puls koji ulazi u komoru ispunjenu cezijevim parama povećava svoju brzinu 300 puta. Ispostavilo se da je glavni dio pulsa izašao iz udaljene stijenke komore čak i prije nego što je puls ušao u komoru kroz prednju stijenku. Ova situacija proturječi ne samo zdrav razum, ali, u biti, teorija relativnosti.

Poruka L. Wonga izazvala je intenzivnu raspravu među fizičarima, od kojih većina nije bila sklona vidjeti kršenje načela relativnosti u dobivenim rezultatima. Vjeruju da je izazov ispravno objasniti ovaj eksperiment.

U eksperimentu L. Wonga, svjetlosni puls koji je ulazio u komoru s cezijevim parama imao je trajanje od oko 3 μs. Atomi cezija mogu postojati u šesnaest mogućih kvantno mehaničkih stanja, koja se nazivaju "hiperfini magnetski podrazini osnovnog stanja". Korištenjem optičkog laserskog pumpanja, gotovo svi atomi su dovedeni u samo jedno od ovih šesnaest stanja, što odgovara gotovo apsolutnoj nultoj temperaturi na Kelvinovoj ljestvici (-273,15 o C). Duljina cezijeve komore bila je 6 centimetara. U vakuumu svjetlost prijeđe 6 centimetara za 0,2 ns. Kao što su mjerenja pokazala, svjetlosni je puls prošao kroz komoru s cezijem u vremenu koje je bilo 62 ns manje nego u vakuumu. Drugim riječima, vrijeme potrebno da impuls prođe kroz medij cezija ima predznak minus! Doista, ako oduzmemo 62 ns od 0,2 ns, dobivamo "negativno" vrijeme. Ovo "negativno kašnjenje" u mediju - neshvatljivi vremenski skok - jednako je vremenu u kojem bi puls napravio 310 prolaza kroz komoru u vakuumu. Posljedica ovog "vremenskog preokreta" bila je da se puls koji je napuštao komoru uspio odmaknuti 19 metara od nje prije nego što je nadolazeći puls dosegao bliži zid komore. Kako se može objasniti takva nevjerojatna situacija (osim, naravno, ako ne sumnjamo u čistoću eksperimenta)?

Sudeći po raspravi koja je u tijeku, točno objašnjenje još nije pronađeno, ali nema sumnje da neobična disperzijska svojstva medija ovdje igraju ulogu: cezijeva para, koja se sastoji od atoma pobuđenih laserskom svjetlošću, medij je s anomalnom disperzijom . Podsjetimo se ukratko o čemu se radi.

Raspršenost tvari je ovisnost faznog (običnog) indeksa loma n na valnoj duljini svjetlosti l. Kod normalne disperzije indeks loma raste sa smanjenjem valne duljine, a to je slučaj kod stakla, vode, zraka i svih drugih tvari prozirnih za svjetlost. U tvarima koje jako apsorbiraju svjetlost, tijek indeksa loma s promjenom valne duljine je obrnut i postaje mnogo strmiji: sa smanjenjem l (povećanje frekvencije w) indeks loma naglo opada i u određenom području valne duljine postaje manji od jedinice (fazna brzina V f > S). Ovo je anomalna disperzija, u kojoj se obrazac širenja svjetlosti u tvari radikalno mijenja. Grupna brzina V gr postaje veća od fazne brzine valova i može premašiti brzinu svjetlosti u vakuumu (i također postati negativna). L. Wong ukazuje na ovu okolnost kao razlog koji leži u osnovi mogućnosti objašnjenja rezultata njegovog eksperimenta. Treba ipak napomenuti da stanje V gr > S je čisto formalan, jer je koncept grupne brzine uveden za slučaj male (normalne) disperzije, za prozirne medije, kada skupina valova gotovo ne mijenja svoj oblik tijekom širenja. U područjima anomalne disperzije, svjetlosni puls se brzo deformira i koncept grupne brzine gubi smisao; u ovom slučaju uvode se pojmovi brzine signala i brzine širenja energije, koje se u prozirnim medijima poklapaju s grupnom brzinom, a u medijima s apsorpcijom ostaju manje od brzine svjetlosti u vakuumu. Ali evo što je zanimljivo u Wongovom eksperimentu: svjetlosni puls, koji prolazi kroz medij s anomalnom disperzijom, nije deformiran - on točno zadržava svoj oblik! A to odgovara pretpostavci da se impuls širi grupnom brzinom. Ali ako je tako, onda ispada da u mediju nema apsorpcije, iako je anomalna disperzija medija posljedica upravo apsorpcije! Sam Wong, iako priznaje da mnogo toga ostaje nejasno, vjeruje da se ono što se događa u njegovoj eksperimentalnoj postavci može, u prvoj aproksimaciji, jasno objasniti na sljedeći način.

Svjetlosni puls sastoji se od mnogih komponenti različitih valnih duljina (frekvencija). Slika prikazuje tri od ovih komponenti (valovi 1-3). U nekom su trenutku sva tri vala u fazi (njihovi maksimumi se podudaraju); ovdje se oni, zbrajajući, međusobno pojačavaju i tvore impuls. Kako se dalje šire u prostoru, valovi postaju defazni i time se međusobno "poništavaju".

U području anomalne disperzije (unutar cezijeve ćelije), val koji je bio kraći (val 1) postaje duži. Suprotno tome, val koji je bio najdulji od ta tri (val 3) postaje najkraći.

Posljedično, faze valova se mijenjaju u skladu s tim. Nakon što valovi prođu kroz cezijevu ćeliju, njihove se valne fronte obnavljaju. Nakon što su prošli neobičnu faznu modulaciju u tvari s anomalnom disperzijom, tri dotična vala ponovno se nađu u fazi u nekom trenutku. Ovdje se ponovno zbrajaju i tvore puls potpuno istog oblika kao onaj koji ulazi u medij cezija.

Tipično u zraku, a zapravo u bilo kojem prozirnom mediju s normalnom disperzijom, svjetlosni impuls ne može točno zadržati svoj oblik kada se širi na udaljenu udaljenost, to jest, sve njegove komponente ne mogu se fazno rasporediti na bilo koju udaljenu točku duž putanje širenja. I pod normalnim uvjetima, svjetlosni puls se nakon nekog vremena pojavljuje na tako udaljenoj točki. Međutim, zbog nenormalnih svojstava medija korištenog u eksperimentu, pokazalo se da je puls na udaljenoj točki fazni na isti način kao pri ulasku u ovaj medij. Dakle, svjetlosni impuls se ponaša kao da ima negativno vremensko kašnjenje na putu do udaljene točke, odnosno da bi do nje stigao ne kasnije, nego ranije nego što je prošao kroz medij!

Većina fizičara sklona je ovaj rezultat povezati s pojavom prekursora niskog intenziteta u disperzivnom mediju komore. Činjenica je da tijekom spektralne dekompozicije impulsa spektar sadrži komponente proizvoljno visokih frekvencija zanemarivo male amplitude, tzv. prekursor, koji ide ispred “glavnog dijela” impulsa. Priroda uspostavljanja i oblik prekursora ovise o zakonu disperzije u mediju. Imajući ovo na umu, slijed događaja u Wongovom eksperimentu predlaže se tumačiti na sljedeći način. Nadolazeći val, "istežući" vjesnika ispred sebe, približava se kameri. Prije nego vrh nadolazećeg vala udari u bližu stijenku komore, prethodnik inicira pojavu pulsa u komori, koji doseže udaljenu stijenku i reflektira se od nje, tvoreći "obrnuti val". Ovaj val se širi 300 puta brže S, stiže do obližnjeg zida i susreće nadolazeći val. Vrhovi jednog vala susreću se s padovima drugog, tako da se međusobno uništavaju i kao rezultat toga ne ostaje ništa. Ispostavilo se da nadolazeći val "otplaćuje dug" atomima cezija, koji su mu "posudili" energiju na drugom kraju komore. Svatko tko je gledao samo početak i kraj eksperimenta vidio bi samo puls svjetlosti koji je "skakao" naprijed u vremenu, krećući se brže S.

L. Wong smatra da njegov eksperiment nije u skladu s teorijom relativnosti. Tvrdnja o nedostižnosti superluminalne brzine, smatra on, vrijedi samo za objekte s masom mirovanja. Svjetlost se može prikazati ili u obliku valova, na koje je koncept mase općenito neprimjenjiv, ili u obliku fotona s masom mirovanja, kao što je poznato, jednakom nuli. Dakle, brzina svjetlosti u vakuumu, prema Wongu, nije granica. Međutim, Wong priznaje da učinak koji je otkrio ne omogućuje prijenos informacija brzinom većom od S.

„Ovdje su informacije već sadržane u prednjem rubu pulsa", kaže P. Milonni, fizičar iz Nacionalnog laboratorija Los Alamos u Sjedinjenim Državama. „I može ostaviti dojam da šalje informacije brže od svjetlosti, čak i kada ne šalju.”

Većina fizičara vjeruje u to novi posao ne zadaje razoran udarac temeljnim načelima. Ali ne vjeruju svi fizičari da je problem riješen. Profesor A. Ranfagni, iz talijanske istraživačke skupine koja je 2000. godine izvela još jedan zanimljiv eksperiment, smatra da je to pitanje još uvijek otvoreno. Ovaj eksperiment, koji su izveli Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni i Rocco Ruggeri, otkrio je da centimetarski valovi radiovalova u normalnom zračnom putu putuju brzinama većim od S za 25%.

Ukratko, možemo reći sljedeće. Radovi posljednjih godina pokazuju da se, pod određenim uvjetima, može stvarno dogoditi superluminalna brzina. Ali što se točno kreće nadsvjetlosnim brzinama? Teorija relativnosti, kao što je već spomenuto, zabranjuje takvu brzinu za materijalna tijela i za signale koji prenose informacije. Ipak, neki istraživači vrlo uporno pokušavaju dokazati prevladavanje svjetlosne barijere posebno za signale. Razlog tome leži u činjenici da specijalna teorija relativnosti nema striktno matematičko opravdanje (temeljeno, recimo, na Maxwellovim jednadžbama za elektromagnetsko polje) nemogućnost prijenosa signala brzinom većom od S. Takva nemogućnost u STR je utvrđena, moglo bi se reći, čisto aritmetički, na temelju Einsteinove formule za zbrajanje brzina, ali to je temeljno potvrđeno načelom kauzaliteta. Sam Einstein je, razmatrajući pitanje superluminalnog prijenosa signala, napisao da u ovom slučaju "... smo prisiljeni smatrati mogućim mehanizam prijenosa signala, u kojem postignuta radnja prethodi uzroku. Ali, iako to proizlazi iz čisto logičke točke gledište ne sadrži samo sebe, po mom mišljenju, nema proturječja; ipak je toliko proturječno prirodi cjelokupnog našeg iskustva da je nemogućnost pretpostavke V > sČini se da je dovoljno dokazano." Načelo uzročnosti kamen je temeljac nemogućnosti prijenosa superluminalnih signala. I, očito, sve potrage za superluminalnim signalima bez iznimke spotaknut će se o ovaj kamen, bez obzira koliko eksperimentatori željeli otkriti takve signale, jer takva je priroda našeg svijeta.

Zaključno treba naglasiti da se sve navedeno odnosi upravo na naš svijet, na naš Svemir. Ova klauzula je napravljena jer U zadnje vrijeme U astrofizici i kozmologiji pojavljuju se nove hipoteze koje dopuštaju postojanje mnogih od nas skrivenih Svemira povezanih topološkim tunelima – skakačima. Ovo gledište dijeli, na primjer, poznati astrofizičar N. S. Kardashev. Za vanjskog promatrača, ulazi u te tunele označeni su anomalnim gravitacijskim poljima, poput crnih rupa. Kretanja u takvim tunelima, kako sugeriraju autori hipoteza, omogućit će zaobilaženje ograničenja brzine koje u običnom svemiru nameće brzina svjetlosti, a time i realizaciju ideje o stvaranju vremenskog stroja. .. Moguće je da se u takvim svemirima događaju stvari koje su nama neobične. I premda za sada takve hipoteze previše podsjećaju na priče iz znanstvene fantastike, teško da treba kategorički odbaciti temeljnu mogućnost višeelementnog modela strukture materijalnog svijeta. Druga stvar je da će svi ti drugi svemiri najvjerojatnije ostati čisti matematičke konstrukcije teoretski fizičari koji žive u našem svemiru i snagom svojih misli pokušavaju pronaći svjetove koji su nam zatvoreni...

Pogledajte izdanje na istu temu

Čovjek je oduvijek bio zainteresiran za prirodu svjetlosti, o čemu svjedoče mitovi, legende, filozofski sporovi i znanstvena opažanja koja su stigla do nas. Svjetlost je oduvijek bila razlog za raspravu među antičkim filozofima, a pokušaji njenog proučavanja činjeni su još u vrijeme nastanka Euklidske geometrije - 300 godina pr. Već tada se znalo za pravocrtnost prostiranja svjetlosti, jednakost kutova upada i refleksije, pojavu loma svjetlosti, a govorilo se i o razlozima nastanka duge. Aristotel je smatrao da je brzina svjetlosti beskonačno velika, što znači da, logično gledano, svjetlost nije predmet rasprave. Tipičan slučaj kada je dubina problema ispred ere razumijevanja odgovora.

Prije nekih 900 godina, Avicenna je sugerirao da bez obzira koliko je brzina svjetlosti velika, ona još uvijek ima konačnu vrijednost. Ne samo da je on imao takvo mišljenje, nego ga nitko nije uspio eksperimentalno dokazati. Genijalni Galileo Galilei predložio je eksperiment kako bi se problem razumio mehanički: dvoje ljudi koji stoje nekoliko kilometara jedno od drugog daju signale otvarajući kapak svjetiljke. Čim drugi sudionik ugleda svjetlo iz prve lanterne, otvara svoju kapku i prvi sudionik bilježi vrijeme primanja odgovornog svjetlosnog signala. Zatim se udaljenost povećava i sve se ponavlja. Očekivalo se da će se zabilježiti povećanje kašnjenja i na temelju toga izračunati brzina svjetlosti. Eksperiment nije završio ničim, jer "nije sve bilo iznenada, već iznimno brzo".

Prvi koji je izmjerio brzinu svjetlosti u vakuumu bio je astronom Ole Roemer 1676. - iskoristio je Galilejevo otkriće: otkrio je 1609. četiri u kojima je, unutar šest mjeseci, vremenska razlika između dvije pomrčine satelita bila 1320 sekundi. Koristeći astronomske podatke svog vremena, Roemer je dobio vrijednost za brzinu svjetlosti jednaku 222 000 km u sekundi. Ono što je bilo nevjerojatno je da je sama metoda mjerenja nevjerojatno precizna - korištenjem sada poznatih podataka o promjeru Jupitera i vremenu kašnjenja zatamnjenja satelita daje brzinu svjetlosti u vakuumu, na razini moderna značenja dobivenih drugim metodama.

U početku je postojala samo jedna pritužba na Roemerove pokuse - bilo je potrebno provesti mjerenja zemaljskim sredstvima. Prošlo je gotovo 200 godina, a Louis Fizeau izgradio je genijalnu instalaciju u kojoj se snop svjetlosti reflektirao od zrcala na udaljenosti većoj od 8 km i vraćao natrag. Suptilnost je bila u tome što je prolazio naprijed-natrag duž ceste kroz šupljine kotača zupčanika, a ako bi se brzina rotacije kotača povećala, došao bi trenutak kada svjetlost više ne bi bila vidljiva. Ostalo je stvar tehnike. Rezultat mjerenja je 312.000 km u sekundi. Sada vidimo da je Fizeau bio još bliže istini.

Sljedeći korak u mjerenju brzine svjetlosti napravio je Foucault, zamijenivši zupčanik, što je omogućilo smanjenje dimenzija instalacije i povećanje točnosti mjerenja na 288 000 km u sekundi. Ništa manje važan nije bio Foucaultov pokus u kojem je odredio brzinu svjetlosti u sredstvu. Da biste to učinili, cijev s vodom postavljena je između zrcala instalacije. U ovom pokusu utvrđeno je da se brzina svjetlosti smanjuje širenjem u sredstvu ovisno o indeksu loma.

U drugoj polovici 19. stoljeća dolazi vrijeme Michelsona, koji je 40 godina svog života posvetio mjerenjima u polju svjetlosti. Vrhunac njegova rada bila je instalacija u kojoj je mjerio brzinu svjetlosti u vakuumu pomoću vakuumirane metalne cijevi duge više od jednog i pol kilometra. Drugo temeljno Michelsonovo postignuće bio je dokaz činjenice da je za bilo koju valnu duljinu brzina svjetlosti u vakuumu ista i, kao moderni standard, iznosi 299792458+/- 1,2 m/s. Takva su mjerenja provedena na temelju ažuriranih vrijednosti referentnog mjerača, čija je definicija odobrena od 1983. godine kao međunarodna norma.

Mudri Aristotel nije bio u pravu, ali trebalo je gotovo 2000 godina da se to dokaže.

Zaista kako? Kako izmjeriti najviše velika brzina u Svemir u našem skromnom Zemaljski uvjeti? Ne trebamo više razbijati glavu oko toga - naposljetku, tijekom nekoliko stoljeća, toliko je ljudi radilo na ovom pitanju, razvijajući metode za mjerenje brzine svjetlosti. Krenimo priču redom.

Brzina svjetlosti– brzina širenja elektromagnetskih valova u vakuumu. Određen je latinično pismo c. Brzina svjetlosti je približno 300 000 000 m/s.

U početku nitko nije razmišljao o pitanju mjerenja brzine svjetlosti. Ima svjetla - to je sjajno. Tada, u doba antike, među znanstvenim filozofima prevladavalo je mišljenje da je brzina svjetlosti beskonačna, odnosno trenutna. Onda se dogodilo Srednji vijek s inkvizicijom, kada je glavno pitanje mislećih i progresivnih ljudi bilo "Kako izbjeći da vas uhvati vatra?" I to samo u epohama renesanse I Prosvjetiteljstvo Mišljenja znanstvenika su se množila i, naravno, bila podijeljena.

Tako, Descartes, Kepler I Farma bili istog mišljenja kao i znanstvenici antike. Ali on je vjerovao da je brzina svjetlosti konačna, iako vrlo velika. Zapravo, on je napravio prvo mjerenje brzine svjetlosti. Točnije, napravio je prvi pokušaj mjerenja.

Galilejev eksperiment

Iskustvo Galileo Galilei bio je briljantan u svojoj jednostavnosti. Znanstvenik je proveo eksperiment za mjerenje brzine svjetlosti, naoružan jednostavnim improviziranim sredstvima. Na velikoj i dobro poznatoj udaljenosti jedan od drugog, na različitim brežuljcima, Galileo i njegov pomoćnik stajali su s upaljenim svjetiljkama. Jedan od njih je otvorio kapak na fenjeru, a drugi je morao učiniti isto kad je ugledao svjetlo prvog fenjera. Poznavajući udaljenost i vrijeme (kašnjenje prije nego što pomoćnik otvori lampu), Galileo je očekivao da će izračunati brzinu svjetlosti. Nažalost, da bi ovaj eksperiment uspio, Galileo i njegov pomoćnik morali su odabrati brda koja su međusobno udaljena nekoliko milijuna kilometara. Podsjećam da možete ispuniti prijavu na web stranici.

Pokusi Roemera i Bradleya

Prvi uspješan i iznenađujuće precizan eksperiment u određivanju brzine svjetlosti bio je onaj danskog astronoma Olaf Roemer. Roemer je koristio astronomsku metodu mjerenja brzine svjetlosti. Godine 1676. promatrao je teleskopom Jupiterov satelit Io i otkrio da se vrijeme pomrčine satelita mijenja kako se Zemlja udaljava od Jupitera. Maksimalno vrijeme kašnjenje je bilo 22 minute. Izračunavši da se Zemlja udaljava od Jupitera na udaljenosti promjera Zemljine orbite, Römer je približnu vrijednost promjera podijelio s vremenom kašnjenja, te dobio vrijednost od 214.000 kilometara u sekundi. Naravno, takav izračun bio je vrlo grub, udaljenosti između planeta bile su poznate samo približno, ali rezultat se pokazao relativno blizu istine.

Bradleyjevo iskustvo. Godine 1728 James Bradley procijenio brzinu svjetlosti promatrajući aberaciju zvijezda. Odstupanje je promjena u prividnom položaju zvijezde uzrokovana kretanjem Zemlje u njezinoj orbiti. Poznavajući brzinu Zemlje i mjereći kut aberacije, Bradley je dobio vrijednost od 301.000 kilometara u sekundi.

Fizeauovo iskustvo

Kao rezultat iskustva Roemera i Bradleya, tadašnji znanstveni svijet reagirao s nevjericom. Međutim, Bradleyev rezultat bio je najtočniji više od sto godina, sve do 1849. godine. Te je godine francuski znanstvenik Armand Fizeau izmjerio brzinu svjetlosti metodom rotirajućeg zatvarača, bez promatranja nebeska tijela, ali ovdje na Zemlji. Zapravo, to je bila prva laboratorijska metoda za mjerenje brzine svjetlosti nakon Galileja. Ispod je dijagram njegove laboratorijske postavke.

Svjetlost, odbijena od zrcala, prošla je kroz zube kotača i reflektirala se od drugog zrcala, udaljenog 8,6 kilometara. Brzina kotača se povećavala sve dok svjetlo nije postalo vidljivo u sljedećem otvoru. Fizeauovi izračuni dali su rezultat od 313.000 kilometara u sekundi. Godinu dana kasnije sličan eksperiment s rotirajućim zrcalom izveo je Leon Foucault, koji je dobio rezultat od 298.000 kilometara u sekundi.

Pojavom masera i lasera ljudi su dobili nove mogućnosti i načine mjerenja brzine svjetlosti, a razvojem teorije omogućeno je i neizravno izračunavanje brzine svjetlosti, bez izravnih mjerenja.

Najtočnija vrijednost brzine svjetlosti

Čovječanstvo je skupilo ogromno iskustvo u mjerenju brzine svjetlosti. Danas se najtočnijom vrijednošću za brzinu svjetlosti smatra 299.792.458 metara u sekundi, primljen 1983. godine. Zanimljivo je da se daljnje, preciznije mjerenje brzine svjetlosti pokazalo nemogućim zbog grešaka u mjerenju metara. Trenutno je vrijednost metra vezana za brzinu svjetlosti i jednaka je udaljenosti koju svjetlost prijeđe u 1/299,792,458 sekunde.

Na kraju, kao i uvijek, predlažemo da pogledate edukativni video. Prijatelji, čak i ako se suočite s takvim zadatkom kao što je samostalno mjerenje brzine svjetlosti pomoću improviziranih sredstava, možete se sigurno obratiti našim autorima za pomoć. Prijavu možete ispuniti na web stranici dopisnog studenta. Želimo vam ugodno i lagano učenje!

Brzina svjetlosti - apsolutna vrijednost brzina širenja elektromagnetskih valova u vakuumu. U fizici se tradicionalno označava latiničnim slovom “c” (izgovara se [tse]). Brzina svjetlosti u vakuumu temeljna je konstanta neovisna o izboru inercijski sustav referenca (ISO). Odnosi se na temeljne fizičke konstante koje karakteriziraju ne samo pojedinačna tijela, već i svojstva prostor-vremena kao cjeline. Prema suvremenim pojmovima, brzina svjetlosti u vakuumu najveća je brzina gibanja čestica i širenja međudjelovanja. Također je važna činjenica da je ova vrijednost apsolutna. To je jedan od postulata SRT-a.

U vakuumu (praznini)

Godine 1977. bilo je moguće izračunati približnu brzinu svjetlosti koja je iznosila 299 792 458 ± 1,2 m/s, izračunato na temelju standardnog metra iz 1960. godine. Na ovaj trenutak vjeruju da je brzina svjetlosti u vakuumu temeljna fizikalna konstanta, po definiciji točno jednaka 299 792 458 m/s, odnosno približno 1 079 252 848,8 km/h. Točna vrijednost je zbog činjenice da se od 1983. standardni metar uzima kao udaljenost koju svjetlost prijeđe u vakuumu u vremenskom razdoblju jednakom 1/299,792,458 sekundi. Brzina svjetlosti simbolizirana je slovom c.

Michelsonov pokus, temeljan za SRT, pokazao je da brzina svjetlosti u vakuumu ne ovisi ni o brzini izvora svjetlosti ni o brzini promatrača. U prirodi se brzinom svjetlosti šire:

stvarna vidljiva svjetlost

druge vrste elektromagnetskog zračenja (radiovalovi, x-zrake, itd.)

Iz specijalne teorije relativnosti proizlazi da je ubrzanje čestica s masom mirovanja do brzine svjetlosti nemoguće jer bi taj događaj narušio temeljni princip uzročnosti. Odnosno, isključeno je da signal prelazi brzinu svjetlosti, odnosno kretanje mase tom brzinom. Međutim, teorija ne isključuje kretanje čestica u prostor-vremenu superluminalnim brzinama. Hipotetske čestice koje se kreću superluminalnim brzinama nazivaju se tahioni. Matematički, tahioni se lako uklapaju u Lorentzovu transformaciju – oni su čestice imaginarne mase. Što je veća brzina tih čestica, to manje energije nose, i obrnuto, što je njihova brzina bliža brzini svjetlosti, to je njihova energija veća - baš kao i energija običnih čestica, energija tahiona teži beskonačnosti kao približavaju se brzini svjetlosti. To je najočitija posljedica Lorentzove transformacije, koja ne dopušta čestici ubrzanje do brzine svjetlosti – jednostavno je nemoguće čestici prenijeti beskonačnu količinu energije. Treba razumjeti da su, prvo, tahioni klasa čestica, a ne jedna vrsta čestica, i, drugo, nikakva fizička interakcija ne može se širiti veća brzina Sveta. Iz toga slijedi da tahioni ne krše načelo uzročnosti - oni ni na koji način ne djeluju s običnim česticama, a razlika u njihovim brzinama između njih također nije jednaka brzini svjetlosti.

Obične čestice koje se kreću sporije od svjetlosti nazivaju se tardioni. Tardioni ne mogu postići brzinu svjetlosti, već joj se samo približe proizvoljno blizu, jer u tom slučaju njihova energija postaje neograničeno velika. Svi tardioni imaju masu mirovanja, za razliku od bezmasenih fotona i gravitona, koji se uvijek kreću brzinom svjetlosti.

U Planckovim jedinicama, brzina svjetlosti u vakuumu je 1, odnosno svjetlost putuje 1 jedinicu Planckove duljine po jedinici Planckovog vremena.

U transparentnom okruženju

Brzina svjetlosti u prozirnom mediju je brzina kojom svjetlost putuje u mediju koji nije vakuum. U mediju s disperzijom razlikuju se fazne i grupne brzine.

Fazna brzina povezuje frekvenciju i valnu duljinu monokromatske svjetlosti u mediju (λ=c/ν). Ta je brzina obično (ali ne nužno) manja od c. Omjer fazne brzine svjetlosti u vakuumu i brzine svjetlosti u nekom mediju naziva se indeks loma medija. Grupna brzina svjetlosti u ravnotežnom sredstvu uvijek je manja od c. Međutim, u neravnotežnim medijima može premašiti c. U ovom slučaju, međutim, vodeći rub impulsa i dalje se kreće brzinom koja ne prelazi brzinu svjetlosti u vakuumu.

Armand Hippolyte Louis Fizeau eksperimentalno je dokazao da kretanje medija u odnosu na svjetlosnu zraku također može utjecati na brzinu širenja svjetlosti u tom mediju.

Negacija postulata o najvećoj brzini svjetlosti

U posljednjih godinaČesto se javljaju izvještaji da u tzv kvantna teleportacija interakcija putuje brže od brzine svjetlosti. Na primjer, 15. kolovoza 2008 istraživačka grupa Dr. Nicolas Gisin sa Sveučilišta u Ženevi, proučavajući vezana fotonska stanja razdvojena 18 km u svemiru, navodno je pokazao da se "interakcija između čestica događa brzinom od oko sto tisuća puta većom od brzine svjetlosti." Prethodno se također raspravljalo o takozvanom Hartmannovom paradoksu - superluminalnoj brzini s efektom tunela.

Znanstvena analiza značaja ovih i sličnih rezultata pokazuje da se oni u osnovi ne mogu koristiti za superluminalni prijenos bilo kakvog signala ili kretanja materije.

Povijest mjerenja brzine svjetlosti

Drevni su znanstvenici, uz rijetke iznimke, smatrali da je brzina svjetlosti beskonačna. U moderno doba ovo je pitanje postalo predmet rasprave. Galileo i Hooke su priznali da je konačna, iako vrlo velika, dok su Kepler, Descartes i Fermat i dalje branili beskonačnost brzine svjetlosti.

Prvu procjenu brzine svjetlosti dao je Olaf Roemer (1676.). Primijetio je da kada su Zemlja i Jupiter na različite strane od Sunca, pomrčine Jupiterovog satelita Io kasne 22 minute u usporedbi s izračunima. Iz toga je dobio vrijednost za brzinu svjetlosti od oko 220 000 km/s - netočnu, ali blizu prave. Pola stoljeća kasnije, otkriće aberacije omogućilo je potvrdu konačnosti brzine svjetlosti i preciziranje njezine procjene.