Kao što znate, fotoni, čestice svjetlosti koje čine svjetlost, kreću se brzinom svjetlosti. U tome će nam pomoći posebna teorija relativnosti.

U filmovima znanstvene fantastike međuzvjezdani svemirski brodovi gotovo uvijek lete brzinom svjetlosti. To je ono što pisci znanstvene fantastike obično nazivaju hiperbrzinom. Gotovo isto nam ga opisuju i prikazuju i pisci i filmski redatelji umjetničko sredstvo. Najčešće, kako bi brod napravio brzi proboj, heroji povuku ili pritisnu gumb upravljačkog elementa, i vozilo trenutno ubrzava, dostižući gotovo brzinu svjetlosti uz zaglušujući prasak. Zvijezde koje gledatelj vidi iznad broda prvo trepere, a zatim se potpuno razvlače u linije. No, izgledaju li zvijezde doista ovako kroz prozore svemirskog broda pri hiperbrzini? Istraživači kažu ne. U stvarnosti bi putnici broda vidjeli samo svijetli disk umjesto zvijezda ispruženih u nizu.

Ako se objekt kreće gotovo brzinom svjetlosti, može vidjeti Dopplerov efekt na djelu. U fizici se tako naziva promjena frekvencije i valne duljine uslijed brzog kretanja prijamnika. Frekvencija svjetlosti zvijezda koje bljeskaju ispred gledatelja s broda toliko će se povećati da će iz vidljivog područja prijeći u rendgenski dio spektra. Zvijezde kao da nestaju! Istovremeno će se smanjiti duljina reliktnog elektromagnetskog zračenja preostalog nakon Velikog praska. Pozadinsko zračenje postat će vidljivo i izgledat će kao svijetli disk koji će blijediti na rubovima.

No, kako izgleda svijet sa strane objekta koji će postići brzinu svjetlosti? Kao što je poznato, takvim se brzinama kreću fotoni, čestice svjetlosti od kojih se ona sastoji. U tome će nam pomoći posebna teorija relativnosti. Prema njemu, kada se neki objekt kreće brzinom svjetlosti bilo koje vrijeme, vrijeme utrošeno na kretanje tog objekta postaje jednako nuli. Jednostavnim rječnikom rečeno, ako se krećete brzinom svjetlosti, tada je nemoguće izvršiti bilo kakvu radnju, kao što je promatranje, gledanje, gledanje i tako dalje. Objekt koji putuje brzinom svjetlosti zapravo neće vidjeti ništa.

Fotoni uvijek putuju brzinom svjetlosti. Ne gube vrijeme na ubrzavanje i kočenje, pa im cijeli život traje nula vremena. Da smo fotoni, onda bi se naši trenuci rođenja i smrti poklopili, odnosno jednostavno ne bismo shvatili da svijet uopće postoji. Vrijedno je napomenuti da ako se objekt ubrza do brzine svjetlosti, tada njegova brzina u svim referentnim okvirima postaje jednaka brzina Sveta. Ovo je fizika fotografije. Koristeći specijalnu teoriju relativnosti, možemo zaključiti da za objekt koji se kreće brzinom svjetlosti cijeli svijet izgledat će beskonačno spljošteno, a svi događaji koji se u njemu odvijaju odvijat će se u jednom trenutku u vremenu.

Često govorimo o tome da maksimalna brzina svjetlosti u našem Svemiru, i da ne postoji ništa što bi se moglo pomaknuti veća brzina svjetlost u vakuumu. I još više - nas. Približavajući se brzini blizu svjetlosti, objekt dobiva masu i energiju, što ga ili uništava ili je u suprotnosti s Einsteinovom općom teorijom relativnosti. Recimo da vjerujemo u ovo i tražimo zaobilazna rješenja (kao što je ili ćemo mi to smisliti) kako bismo letjeli do najbliže zvijezde ne 75 000 godina, već nekoliko tjedana. Ali kako nas malo ima visoko obrazovanje iz fizike, nije jasno zašto to govore na ulicama brzina svjetlosti je najveća, konstantna i jednaka 300 000 km/s?

Postoji mnogo jednostavnih i intuitivnih objašnjenja zašto stvari stoje ovako, ali možete ih početi mrziti. Pretraživanje interneta dovest će vas do koncepta "relativističke mase" i toga kako je potrebno više sile da ubrza objekt koji se već kreće većom brzinom. velika brzina. Ovo je poznati način tumačenja matematike posebna teorija relativnosti, ali mnoge dovodi u zabludu, a posebno vas, dragi naši čitatelji. Jer mnogi od vas (a i mi) kušamo visoku fiziku, kao da umačete nožni prst u njenu slanu vodu prije nego što odete na plivanje. Kao rezultat toga, postaje mnogo složeniji i manje lijep nego što zapravo jest.

Raspravimo ovo pitanje sa stajališta geometrijske interpretacije koja je u skladu s općom teorijom relativnosti. Manje je očito, ali malo kompliciranije od crtanja strelica na papiru, pa će mnogi od vas odmah shvatiti teoriju koja se krije iza apstrakcija poput “sile” i izravnih laži poput “relativističke mase”.

Prvo, definirajmo što je pravac kako bismo mogli jasno definirati svoje mjesto. "Dolje" je smjer. Definira se kao smjer u kojem stvari padaju kada ih pustite. "Gore" je suprotan smjer od "dolje". Uzmite kompas i odredite dodatne smjerove: sjever, jug, zapad i istok. Sve te smjerove ozbiljni ljudi definiraju kao "ortonormirane (ili ortogonalne) baze", ali bolje je ne razmišljati o tome sada. Pretpostavimo da je ovih šest pravaca apsolutno, budući da će postojati tamo gdje se bavimo našim složenim pitanjem.

Sada dodajmo još dva smjera: u budućnost i u prošlost. Ne možete se lako kretati u ovim smjerovima po volji, ali bi vam ih trebalo biti prilično lako zamisliti. Budućnost je smjer u kojem dolazi sutra; prošlost je smjer gdje je jučer.

Ovih osam kardinalnih smjerova - gore, dolje, sjever, jug, zapad, istok, prošlost i budućnost - opisuju temeljnu geometriju svemira. Svaki par ovih smjerova možemo nazvati "dimenzijom", zbog čega živimo u četverodimenzionalnom Svemiru. Drugi pojam za definiranje ovog četverodimenzionalnog razumijevanja bio bi "prostor-vrijeme", ali ćemo pokušati izbjeći korištenje ovog pojma. Zapamtite samo da će u našem kontekstu "prostor-vrijeme" biti ekvivalent konceptu "Svemira".

Dobrodošli na pozornicu. Pogledajmo glumce.

Dok sada sjedite ispred svog računala, u pokretu ste. Ne osjećaš to. Čini ti se da miruješ. Ali to je samo zato što se sve oko vas također kreće u odnosu na vas. Ne, nemojte misliti da govorimo o Zemlji koja kruži oko Sunca ili o Suncu koje se kreće kroz galaksiju i vuče nas za sobom. To je, naravno, istina, ali to nije ono o čemu sada govorimo. Pod kretanjem podrazumijevamo kretanje prema “budućnosti”.

Zamislite da ste u vagonu sa zatvorenim prozorima. Ne vidi se ulica, a, recimo, tračnice su toliko savršene da ne osjetiš ide li vlak ili ne. Stoga, samo sjedeći u vlaku, ne možete reći putujete li doista ili ne. Pogledajte van i shvatit ćete da krajolik juri. Ali prozori su zatvoreni.

Postoji samo jedan način da saznate krećete li se ili ne. Samo sjedi i čekaj. Ako vlak ostane na stanici, ništa se neće dogoditi. Ali ako se vlak kreće, prije ili kasnije stići ćete na novu stanicu.

U ovoj metafori kočija predstavlja sve što možemo vidjeti u svijetu oko nas - kuću, mačku Vasku, zvijezde na nebu itd. "Sljedeća stanica - sutra."

Ako sjedite nepomično, a mačka Vaska mirno spava svoje dodijeljene sate dnevno, nećete osjetiti kretanje. Ali sutra će sigurno doći.

To je ono što znači ići prema budućnosti. Samo će vrijeme pokazati što je istina: kretanje ili parkiranje.

Sve bi vam dosad trebalo biti prilično lako zamisliti. Možda je teško razmišljati o vremenu kao smjeru, a još manje o sebi kao objektu koji prolazi kroz vrijeme. Ali razumjet ćeš. Sada upotrijebite svoju maštu.

Zamislite da se, dok se vozite u svom automobilu, dogodi nešto strašno: otkazuju kočnice. Čudnom slučajnošću, u istom trenutku gas i mjenjač zaglavi. Ne možeš ni ubrzati ni stati. Jedino što imate je volan. Možete promijeniti smjer kretanja, ali ne i brzinu.

Naravno, prvo što ćete učiniti je pokušati zabiti u mekani grm i nekako pažljivo zaustaviti auto. Ali nemojmo za sada koristiti ovu tehniku. Usredotočimo se samo na specifičnosti vašeg neispravnog automobila: možete promijeniti smjer, ali ne i brzinu.

Tako se krećemo kroz Svemir. Imate volan, ali nemate pedale. Sjedeći i čitajući ovaj članak, kotrljate se u svijetlu budućnost maksimalna brzina. A kada ustanete da si skuhate čaj, promijenite smjer kretanja u prostor-vremenu, ali ne i njegovu brzinu. Ako se vrlo brzo krećete kroz prostor, vrijeme će teći nešto sporije.

Lako je zamisliti crtanjem nekoliko sjekira na papiru. Os koja će ići gore-dolje je os vremena, gore znači u budućnost. Horizontalna os predstavlja prostor. Možemo nacrtati samo jednu dimenziju prostora jer je komad papira dvodimenzionalan, ali zamislimo samo da se ovaj koncept odnosi na sve tri dimenzije prostora.

Nacrtajte strelicu od ishodišta koordinatne osi, gdje se spajaju, i usmjerite je prema gore duž okomite osi. Nije važno koliko je dug, samo imajte na umu da će doći samo u jednoj dužini. Ova strelica, koja sada pokazuje u budućnost, predstavlja veličinu koju fizičari nazivaju "četiri brzine". Ovo je brzina vašeg kretanja kroz prostor-vrijeme. Trenutno ste u stacionarnom stanju, tako da strelica pokazuje samo u budućnost.

Ako se želite kretati prostorom - udesno po koordinatnoj osi - morate promijeniti svoju četverobrzinu i uključiti horizontalnu komponentu. Ispada da trebate okrenuti strelicu. Ali čim to učinite, primijetit ćete da strelica više ne pokazuje prema gore, u budućnost, samouvjereno kao prije. Sada se krećete kroz svemir, ali ste morali žrtvovati buduće kretanje budući da se igla s četiri brzine može samo okretati, ali nikako istezati ili skupljati.

Tu počinje famozni efekt dilatacije vremena, o kojem pričaju svi iole upućeni u specijalnu teoriju relativnosti. Ako se krećete kroz prostor, ne krećete se kroz vrijeme onoliko brzo koliko biste mogli da mirno sjedite. Vaš će sat odbrojavati vrijeme sporije nego sat osobe koja se ne miče.

I sada dolazimo do rješavanja pitanja zašto izraz " brže od svjetlosti" nema smisla u našem svemiru. Pogledajte što se događa ako se želite kretati kroz prostor što je brže moguće. Iglu s četiri brzine okrećete do kraja dok ne pokaže duž vodoravne osi. Sjećamo se da se strelica ne može rastegnuti. Može se samo okretati. Dakle, povećali ste brzinu u svemiru što je više moguće. Ali postalo je nemoguće kretati se brže. Strelicu nema kamo okrenuti, inače će postati "ravnija od ravne" ili "vodoravna od vodoravne". To je koncept koji poistovjećujemo s "bržim od svjetlosti". Prosto je nemoguće nahraniti ogroman narod s tri ribe i sedam kruhova.

Zbog toga ništa u našem svemiru ne može putovati brže od svjetlosti. Zato što je izraz "brži od svjetlosti" u našem svemiru ekvivalentan izrazu "ravnije od ravnog" ili "horizontalno od horizontalnog".

Da, još uvijek imate nekoliko pitanja. Zašto se vektori s četiri brzine mogu samo okretati, ali ne i rastezati? Na ovo pitanje postoji odgovor, ali on se odnosi na nepromjenjivost brzine svjetlosti, a to ćemo ostaviti za kasnije. A ako jednostavno vjerujete u ovo, bit ćete malo manje informirani o ovoj temi od najbriljantnijih fizičara koji su ikada hodali planetom.

Skeptici se mogu zapitati zašto koristimo pojednostavljeni model geometrije prostora kada govorimo o euklidskim rotacijama i kružnicama. U stvarni svijet geometrija prostorvremena pokorava se geometriji Minkowskog, a rotacije su hiperbolične. Ali jednostavna verzija objašnjenja ima pravo na život.

Kao i jednostavno objašnjenje za ovo, .

Sjene mogu putovati brže od svjetlosti, ali ne mogu prenositi materiju ili informacije

Je li moguć superluminalni let?

Odjeljci ovog članka imaju podnaslove i na svaki se odjeljak može zasebno pozivati.

Jednostavni primjeri superluminalnog putovanja

1. Čerenkovljev učinak

Kada govorimo o kretanju superluminalnim brzinama, mislimo na brzinu svjetlosti u vakuumu c(299,792,458 m/s). Stoga se Čerenkovljev efekt ne može smatrati primjerom kretanja superluminalnom brzinom.

2. Treći promatrač

Ako je raketa A leti od mene brzinom 0.6c prema zapadu, i raketa B leti od mene brzinom 0.6c prema istoku, tada vidim da je udaljenost između A I B raste s brzinom 1.2c. Gledanje leta raketa A I B izvana, treći promatrač vidi da je ukupna brzina uklanjanja projektila veća od c .

Međutim relativna brzina nije jednak zbroju brzina. Brzina rakete A u odnosu na raketu B je stopa kojom se povećava udaljenost do rakete A, koju vidi promatrač kako leti na raketi B. Relativna brzina mora se izračunati pomoću relativističke formule za zbrajanje brzina. (Pogledajte Kako zbrajati brzine u posebnoj teoriji relativnosti?) U ovom primjeru, relativna brzina je približno jednaka 0,88c. Dakle, u ovom primjeru nismo dobili superluminalnu brzinu.

3. Svjetlo i sjena

Razmislite koliko se brzo sjena može kretati. Ako je lampa blizu, tada se sjena vašeg prsta na udaljenom zidu pomiče mnogo brže nego što se vaš prst pomiče. Kada pomičete prst paralelno sa zidom, brzina sjene je Dd puta brže od brzine vašeg prsta. Ovdje d- udaljenost od svjetiljke do prsta, i D- od lampe do zida. Brzina će biti još veća ako se zid nalazi pod kutom. Ako je zid jako udaljen, tada će kretanje sjene zaostajati za kretanjem prsta, jer svjetlosti treba vremena da dođe do zida, ali će se brzina kretanja sjene duž zida još više povećati. Brzina sjene nije ograničena brzinom svjetlosti.

Još jedan objekt koji može putovati brže od svjetlosti je svjetlosna točka lasera usmjerenog prema Mjesecu. Udaljenost do Mjeseca je 385.000 km. Brzinu kojom se svjetlosna mrlja kreće po površini Mjeseca možete sami izračunati uz lagane vibracije laserskog pokazivača u ruci. Mogao bi vam se svidjeti i primjer vala koji pod blagim kutom udara u ravnu liniju plaže. Kojom brzinom se točka sjecišta vala i obale može kretati po plaži?

Sve se to može dogoditi u prirodi. Na primjer, zraka svjetlosti iz pulsara može putovati duž oblaka prašine. Snažna eksplozija može stvoriti sferne valove svjetlosti ili zračenja. Kada se ti valovi presjeku s bilo kojom površinom, na toj površini se pojavljuju svjetlosni krugovi koji se šire brže od svjetlosti. Ova pojava se opaža, na primjer, kada elektromagnetski puls od bljeska munje prolazi kroz gornju atmosferu.

4. Čvrsto

Ako imate dugačku krutu šipku i udarite je u jedan kraj, neće li se drugi kraj odmah pomaknuti? Nije li to način superluminalnog prijenosa informacija?

Bilo bi istina ako Bilo je savršeno krutih tijela. U praksi se udar prenosi duž šipke brzinom zvuka, koja ovisi o elastičnosti i gustoći materijala šipke. Osim toga, teorija relativnosti ograničava moguće brzine zvuka u materijalu vrijednošću c .

Isti princip vrijedi i ako držite strunu ili štap okomito, otpustite je i ona počne padati pod utjecajem gravitacije. Gornji kraj koji pustite odmah počinje padati, ali donji će se početi pomicati tek nakon nekog vremena, budući da se nestanak sile držanja prenosi niz šipku brzinom zvuka u materijalu.

Formulacija relativističke teorije elastičnosti prilično je složena, ali se opća ideja može ilustrirati pomoću Newtonove mehanike. Jednadžba za uzdužno gibanje idealno elastičnog tijela može se izvesti iz Hookeovog zakona. Označimo linearnu gustoću štapa ρ , Youngov modul elastičnosti Y. Uzdužni pomak x zadovoljava valnu jednadžbu

ρ d 2 X/dt 2 - Y d 2 X/dx 2 = 0

Rješenje u obliku ravni valovi kreće se brzinom zvuka s, koji se određuje iz formule s 2 = Y/ρ. Valna jednadžba ne dopušta da se poremećaji u mediju kreću brže od brzine s. Osim toga, teorija relativnosti daje granicu veličini elastičnosti: Y< ρc 2 . U praksi niti jedan poznati materijal nije blizu ove granice. Također imajte na umu da čak i ako je brzina zvuka blizu c, onda se sama materija ne kreće nužno relativističkom brzinom.

Iako u prirodi nema čvrstih tijela, postoje kretanja krutih tijela, koji se može koristiti za prevladavanje brzine svjetlosti. Ova se tema odnosi na već opisani dio sjena i svijetlih tonova. (Vidi Superluminalne škare, Kruti rotirajući disk u Teoriji relativnosti).

5. Fazna brzina

Valna jednadžba
d 2 u/dt 2 - c 2 d 2 u/dx 2 + w 2 u = 0

ima rješenje u obliku
u = A cos(ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 = 0

To su sinusni valovi koji se šire brzinom v
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Ali to je više od c. Možda je ovo jednadžba za tahione? (vidi daljnji odjeljak). Ne, ovo je obična relativistička jednadžba za česticu s masom.

Da biste uklonili paradoks, morate razlikovati "faznu brzinu" v ph i "grupna brzina" v veličanstven
v ph ·v gr = c 2

Valno rješenje može imati frekvencijsku disperziju. U ovom slučaju, valni paket se kreće grupnom brzinom, koja je manja od c. Korištenjem valnog paketa informacije se mogu prenijeti samo grupnom brzinom. Valovi u valnom paketu kreću se faznom brzinom. Fazna brzina je još jedan primjer superluminalnog gibanja koje se ne može koristiti za prijenos poruka.

6. Superluminalne galaksije

7. Relativistička raketa

Neka promatrač na Zemlji vidi kako se svemirski brod udaljava velikom brzinom 0.8c Prema teoriji relativnosti, vidjet će da sat na svemirskom brodu radi 5/3 puta sporije. Ako udaljenost do broda podijelimo s vremenom leta prema satu na brodu, dobit ćemo brzinu 4/3c. Promatrač zaključuje da će, koristeći svoj sat na brodu, pilot broda također utvrditi da on leti nadsvjetlosnom brzinom. S pilotove točke gledišta, njegov sat radi normalno, ali se međuzvjezdani prostor smanjio za 5/3 puta. Stoga leti poznate udaljenosti između zvijezda brže, brzinom 4/3c .

Dilatacija vremena je pravi efekt koji se, u principu, može koristiti u putovanje svemirom prevaliti velike udaljenosti u kratkom vremenu s gledišta astronauta. Uz konstantno ubrzanje od 1g, ne samo da će astronauti imati udobnost umjetne gravitacije, već će također moći prijeći galaksiju za samo 12 godina u vlastitom vremenu. Tijekom putovanja ostarit će 12 godina.

Ali ovo još uvijek nije superluminalni let. Ne možete izračunati brzinu pomoću udaljenosti i vremena definiranih u različitim referentnim sustavima.

8. Brzina gravitacije

Neki inzistiraju da je brzina gravitacije puno veća c ili čak beskonačno. Provjerite putuje li gravitacija brzinom svjetlosti? i Što je gravitacijsko zračenje? Gravitacijski poremećaji i gravitacijski valovi šire se velikom brzinom c .

9. EPR paradoks

10. Virtualni fotoni

11. Efekt kvantnog tunela

U kvantna mehanika efekt tunela omogućuje čestici da prevlada barijeru, čak i ako njena energija nije dovoljna da to učini. Moguće je izračunati vrijeme prolaska tunela kroz takvu barijeru. I može se pokazati da je manji od onoga što je potrebno da svjetlost prijeđe istu udaljenost brzinom c. Može li se ovo koristiti za prijenos poruka brži od svjetlosti?

Kvantna elektrodinamika kaže "Ne!" Međutim, izveden je eksperiment koji je pokazao superluminalni prijenos informacija pomoću efekta tunela. Kroz barijeru širine 11,4 cm brzinom 4,7 c Prenesena je Mozartova Četrdeseta simfonija. Objašnjenje ovog eksperimenta vrlo je kontroverzno. Većina fizičara vjeruje da se efekt tunela ne može koristiti za prijenos informacija brže od svjetlosti. Ako je to moguće, zašto onda ne prenijeti signal u prošlost postavljanjem opreme u referentni okvir koji se brzo kreće.

17. Kvantna teorija polja

S izuzetkom gravitacije, sve vidljive fizičke pojave odgovaraju "Standardnom modelu". Standardni model je relativistička kvantna teorija polja koja objašnjava elektromagnetske i nuklearne interakcije, kao i sve poznate čestice. U ovoj teoriji, bilo koji par operatora koji odgovara fizičkim opažajima odvojenim prostorno sličnim intervalom događaja "komutira" (to jest, redoslijed ovih operatora može se promijeniti). U načelu, to implicira da u standardnom modelu udar ne može putovati brže od svjetlosti, a to se može smatrati kvantnim poljem ekvivalentom argumenta beskonačne energije.

Međutim, nema besprijekorno rigoroznih dokaza za kvantnu teoriju polja Standardnog modela. Nitko još nije ni dokazao da je ova teorija interno dosljedna. Najvjerojatnije to nije slučaj. U svakom slučaju, nema jamstva da još nema neotkrivenih čestica ili sila koje ne poštuju zabranu superluminalnog putovanja. Također ne postoji generalizacija ove teorije koja uključuje gravitaciju i opću relativnost. Mnogi fizičari koji rade na polju kvantne gravitacije sumnjaju da će se jednostavne ideje o kauzalnosti i lokalnosti generalizirati. Ne postoji jamstvo da će u budućoj potpunijoj teoriji brzina svjetlosti zadržati značenje krajnje brzine.

18. Paradoks djeda

U posebnoj teoriji relativnosti, čestica koja putuje brže od svjetlosti u jednom referentnom okviru putuje unatrag kroz vrijeme u drugom referentnom okviru. FTL putovanje ili prijenos informacija omogućilo bi putovanje ili slanje poruke u prošlost. Kad bi takvo putovanje kroz vrijeme bilo moguće, mogli biste se vratiti u prošlost i promijeniti tijek povijesti ubojstvom svog djeda.

Ovo je vrlo ozbiljan argument protiv mogućnosti superluminalnog putovanja. Istina, ostaje gotovo nevjerojatna mogućnost da je moguće neko ograničeno superluminalno putovanje, sprječavajući povratak u prošlost. Ili je možda putovanje kroz vrijeme moguće, ali je uzročnost narušena na neki dosljedan način. Sve je to nategnuto, ali ako govorimo o superluminalnim putovanjima, bolje je biti spreman na nove ideje.

Vrijedi i suprotno. Kad bismo mogli putovati u prošlost, mogli bismo prevladati brzinu svjetlosti. Možete se vratiti u prošlost, odletjeti negdje malom brzinom i stići tamo prije nego što stigne svjetlost poslana na uobičajeni način. Pogledajte Putovanje kroz vrijeme za detalje o ovoj temi.

Otvorena pitanja o putovanju bržim od svjetlosti

U ovom posljednjem dijelu opisat ću neke ozbiljne ideje o mogućem putovanju bržim od svjetlosti. Ove teme nisu često uključene u FAQ jer se manje čine kao odgovori, a više kao mnoštvo novih pitanja. Ovdje su uključeni kako bi pokazali da se u tom smjeru provode ozbiljna istraživanja. Dan je samo kratki uvod u temu. Detalje možete pronaći na internetu. Kao i sa svime na internetu, budite kritični prema njima.

19. Tahioni

Tahioni su hipotetske čestice koje lokalno putuju brže od svjetlosti. Da bi to učinili, moraju imati zamišljenu masu. U ovom slučaju energija i količina gibanja tahiona su prave vrijednosti. Nema razloga vjerovati da se superluminalne čestice ne mogu otkriti. Sjene i svijetli dijelovi mogu putovati brže od svjetlosti i mogu se otkriti.

Do sada tahioni nisu pronađeni, a fizičari sumnjaju u njihovo postojanje. Bilo je tvrdnji da su u eksperimentima za mjerenje mase neutrina nastalih beta raspadom tricija neutrini bili tahioni. Ovo je dvojbeno, ali još nije definitivno opovrgnuto.

Postoje problemi s tahionskom teorijom. Osim što mogu ometati uzročnost, tahioni također čine vakuum nestabilnim. Možda je moguće zaobići ove poteškoće, ali čak ni tada nećemo moći koristiti tahione za superluminalni prijenos poruka.

Većina fizičara vjeruje da je pojava tahiona u teoriji znak nekih problema u ovoj teoriji. Ideja o tahionima toliko je popularna u javnosti jednostavno zato što se često spominju u literaturi znanstvene fantastike. Vidi Tahioni.

20. Crvotočine

Najpoznatija metoda globalnog superluminalnog putovanja je korištenje crvotočina. Crvotočina je presjek u prostor-vremenu od jedne točke u svemiru do druge, što vam omogućuje da putujete s jednog kraja rupe na drugi brže od uobičajene putanje. Crvotočine su opisane općom teorijom relativnosti. Da biste ih stvorili, morate promijeniti topologiju prostor-vremena. Možda će to postati moguće u okviru kvantne teorije gravitacije.

Da bi crvotočina ostala otvorena, potrebna su vam područja s negativnom energijom. C.W.Misner i K.S.Thorne predložili su korištenje Casimirovog efekta u velikim razmjerima za stvaranje negativne energije. Visser predložio korištenje kozmičkih struna za to. Ovo su vrlo spekulativne ideje i možda nisu moguće. Možda traženi oblik egzotične materije sa negativna energija ne postoji.

Ali pokazalo se da je to moguće; sada vjeruju da nikada nećemo moći putovati brže od svjetlosti..." No zapravo nije istina da je itko nekada vjerovao da je putovanje brže od zvuka nemoguće. Davno prije nego što su se pojavile nadzvučne letjelice, već se znalo da su ti meci letjeti brže od zvuka, ali u stvarnosti smo govorili o tome da je to nemoguće upravljan nadzvučni let, i to je bila greška. SS pokret je sasvim druga stvar. Od samog početka bilo je jasno da nadzvučni let otežavaju tehnički problemi koje je jednostavno trebalo riješiti. Ali potpuno je nejasno mogu li se problemi koji koče SS pokret ikada riješiti. Teorija relativnosti ima mnogo toga za reći o tome. Ako je SS putovanje ili čak prijenos signala moguć, tada će uzročnost biti narušena, a iz toga će proizaći potpuno nevjerojatni zaključci.

Prvo ćemo raspravljati o jednostavnim slučajevima CC gibanja. Spominjemo ih ne zato što su zanimljivi, već zato što se uvijek iznova pojavljuju u raspravama o SS pokretu i stoga se s njima treba pozabaviti. Zatim ćemo razgovarati o tome što smatramo teškim slučajevima OPS kretanja ili komunikacije i razmotriti neke od argumenata protiv njih. Na kraju ćemo se osvrnuti na najozbiljnije pretpostavke o pravom SS pokretu.

Jednostavan SS pokret

1. Fenomen Čerenkovljevog zračenja

Jedan od načina da se krećete brže od svjetlosti je da prvo usporite samu svjetlost! :-) U vakuumu svjetlost putuje velikom brzinom c, a ta je veličina univerzalna konstanta (vidi pitanje Je li brzina svjetlosti konstantna), a u gušćem mediju poput vode ili stakla usporava do brzine c/n, Gdje n je indeks loma medija (1,0003 za zrak; 1,4 za vodu). Stoga se čestice mogu kretati brže u vodi ili zraku nego što tamo putuje svjetlost. Kao rezultat, javlja se Vavilov-Cherenkovljevo zračenje (vidi pitanje).

Ali kada govorimo o SS gibanju, mi, naravno, mislimo na prekoračenje brzine svjetlosti u vakuumu c(299,792,458 m/s). Stoga se Čerenkovljev fenomen ne može smatrati primjerom SS pokreta.

2. Od treće strane

Ako je raketa A leti od mene brzinom 0.6c prema zapadu, a drugi B- od mene sa brzinom 0.6c prema istoku, zatim ukupna udaljenost između A I B u mom referentnom okviru raste s brzinom 1.2c. Dakle, prividna relativna brzina veća od c može se promatrati "s treće strane".

Međutim, takva brzina nije ono što obično podrazumijevamo pod relativnom brzinom. Prava brzina rakete A u odnosu na raketu B- to je brzina povećanja udaljenosti između raketa koju opaža promatrač u raketi B. Dvije brzine moraju se zbrajati pomoću relativističke formule za zbrajanje brzina (vidi pitanje Kako zbrajati brzine u djelomičnoj relativnosti). U ovom slučaju relativna brzina je približno 0,88c, odnosno nije superluminalan.

3. Sjene i zečići

Razmislite koliko se brzo sjena može kretati? Ako napravite sjenu na udaljenom zidu prstom od obližnje lampe, a zatim pomaknete prst, sjena se kreće mnogo brže od vašeg prsta. Ako se prst pomiče paralelno sa zidom, tada će brzina sjene biti Dd puta brzina prsta, gdje d- udaljenost od prsta do svjetiljke, i D- udaljenost od svjetiljke do zida. A možete postići još veću brzinu ako se zid nalazi pod kutom. Ako se zid nalazi vrlo daleko, tada će kretanje sjene zaostajati za kretanjem prsta, budući da će svjetlost i dalje morati dosezati od prsta do zida, ali će i dalje brzina sjene biti ista broj puta veći. Odnosno, brzina sjene nije ograničena brzinom svjetlosti.

Osim sjena, zečići se mogu kretati i brže od svjetlosti, primjerice mrlja laserske zrake usmjerene prema Mjesecu. Znajući da je udaljenost do Mjeseca 385 000 km, pokušajte izračunati brzinu zečića laganim pomicanjem lasera. Možete zamisliti i morski val koji koso udara o obalu. Kolikom brzinom se može kretati točka u kojoj se val lomi?

Slične se stvari mogu dogoditi i u prirodi. Na primjer, svjetlosna zraka iz pulsara može se pročešljati kroz oblak prašine. Jaki bljesak stvara ljusku svjetla ili drugog zračenja koja se širi. Kada prijeđe površinu, stvara svjetlosni prsten koji raste brže od brzine svjetlosti. U prirodi se to događa kada dopre elektromagnetski impuls munje gornje slojeve atmosfera.

Sve su to bili primjeri stvari koje su se kretale brže od svjetlosti, ali nisu bile fizička tijela. Korištenje sjene ili zečića ne može prenijeti SS poruku, tako da komunikacija brža od svjetlosti ne funkcionira. I opet, to očito nije ono što želimo razumjeti pod SS pokretom, iako postaje jasno koliko je teško odrediti što nam točno treba (vidi pitanje FTL škare).

4. Krute tvari

Ako uzmete dugačak tvrdi štap i gurnete jedan kraj, hoće li se drugi kraj odmah pomaknuti ili ne? Je li moguće izvršiti CC prijenos poruke na ovaj način?

da bilo je bi može učiniti ako takve čvrste tvari postoje. U stvarnosti, utjecaj udarca o kraj štapa širi se duž njega brzinom zvuka u određenoj tvari, a brzina zvuka ovisi o elastičnosti i gustoći materijala. Relativnost nameće apsolutnu granicu moguće tvrdoće bilo kojeg tijela tako da brzina zvuka u njima ne može prijeći c.

Ista stvar se događa ako ste u polju privlačnosti, pa uzicu ili motku prvo držite okomito za gornji kraj, a zatim je otpustite. Točka koju ste otpustili odmah će se početi pomicati, a donji kraj neće moći početi padati dok do njega ne dođe utjecaj otpuštanja brzinom zvuka.

Teško je formulirati opću teoriju elastičnih materijala u okvirima relativnosti, ali se osnovna ideja može pokazati na primjeru Newtonove mehanike. Jednadžba za uzdužno gibanje idealno elastičnog tijela može se dobiti iz Hookeovog zakona. U varijablama mase po jedinici duljine str i Youngov modul elastičnosti Y, uzdužni pomak x zadovoljava valnu jednadžbu.

Rješenje ravnog vala kreće se brzinom zvuka s, i s 2 = Y/str. Ova jednadžba ne implicira mogućnost bržeg širenja uzročnog utjecaja s. Dakle, relativnost nameće teoretsko ograničenje veličine elastičnosti: Y < PC 2. U praksi nema materijala ni blizu tome. Usput, čak i ako je brzina zvuka u materijalu blizu c, sama materija uopće nije dužna kretati se relativističkom brzinom. Ali kako znamo da, u načelu, ne može postojati tvar koja prelazi tu granicu? Odgovor je da se sva materija sastoji od čestica, čije je međudjelovanje podložno standardnom modelu elementarnih čestica, a u ovom modelu nijedno međudjelovanje ne može se širiti brže od svjetlosti (vidi dolje o kvantnoj teoriji polja).

5. Fazna brzina

Pogledajte ovu valnu jednadžbu:

Ima rješenja oblika:

Ova rješenja su sinusoidni valovi koji se kreću brzinom

Ali ovo je brže od svjetlosti, što znači da imamo jednadžbu tahionskog polja u našim rukama? Ne, ovo je samo obična relativistička jednadžba masivne skalarne čestice!

Paradoks će biti riješen ako razumijemo razliku između ove brzine, koja se također naziva fazna brzina vph od druge brzine koja se naziva grupna brzina v gr koja je dana formulom,

Ako valno rješenje ima frekvencijsko širenje, tada će poprimiti oblik valnog paketa koji se kreće grupnom brzinom koja ne prelazi c. Samo se vrhovi valova kreću faznom brzinom. Moguće je prenijeti informacije pomoću takvog vala samo grupnom brzinom, tako da nam fazna brzina daje još jedan primjer superluminalne brzine, koja ne može prenijeti informaciju.

7. Relativistička raketa

Kontrolor na Zemlji prati letjelicu koja leti brzinom od 0,8 c. Prema teoriji relativnosti, čak i nakon što uzme u obzir Dopplerov pomak signala s broda, vidjet će da je vrijeme na brodu usporeno i da sat tamo ide sporije za faktor 0,6. Ako izračuna kvocijent udaljenosti koju je brod prevalio i utrošenog vremena, mjerenog brodskim satom, dobit će 4/3 c. To znači da putnici broda putuju kroz međuzvjezdani prostor efektivnom brzinom većom od brzine svjetlosti koju bi doživjeli da se mjeri. Sa stajališta putnika na brodu, međuzvjezdane udaljenosti podliježu Lorentzovoj kontrakciji za isti faktor od 0,6 i stoga i oni moraju shvatiti da pokrivaju poznate međuzvjezdane udaljenosti brzinom od 4/3 c.

Ovo je stvaran fenomen i u načelu bi ga mogli koristiti svemirski putnici za prevaljivanje golemih udaljenosti tijekom života. Ako ubrzavaju s konstantnom akceleracijom jednakom akceleraciji slobodnog pada na Zemlji, tada ne samo da će imati idealnu umjetnu gravitaciju na svom brodu, već će također imati vremena prijeći Galaksiju u samo 12 svojih godina! (vidi pitanje Koje su jednadžbe relativističke rakete?)

Međutim, to nije pravi SS pokret. Efektivna brzina izračunava se iz udaljenosti u jednom referentnom okviru i vremena u drugom. Ovo nije prava brzina. Od te brzine profitiraju samo putnici na brodu. Dispečer, na primjer, za života neće imati vremena vidjeti kako lete na golemu udaljenost.

Složeni slučajevi kretanja SS-a

9. Einstein, Podolsky, Rosenov paradoks (EPR)

10. Virtualni fotoni

11. Kvantno tuneliranje

Pravi kandidati za SS putnike

Ovaj odjeljak sadrži spekulativne, ali ozbiljne spekulacije o mogućnosti superluminalnog putovanja. To neće biti stvari koje bi se inače stavljale u FAQ, jer postavljaju više pitanja nego što daju odgovora. Oni su ovdje prikazani uglavnom kako bi pokazali da se provode ozbiljna istraživanja u tom smjeru. Za svaki smjer dan je samo kratak uvod. Detaljnije informacije možete pronaći na internetu.

19. Tahioni

Tahioni su hipotetske čestice koje se lokalno kreću brže od svjetlosti. Da bi to učinili, moraju imati zamišljenu masu, ali njihova energija i zamah moraju biti pozitivni. Ponekad se misli da bi takve SS čestice trebalo biti nemoguće otkriti, ali zapravo nema razloga za takvo mišljenje. Sjene i zečići nam govore da kretanje SS-a još ne podrazumijeva nevidljivost.

Tahioni nikada nisu promatrani i većina fizičara sumnja u njihovo postojanje. Jednom je rečeno da su provedeni eksperimenti za mjerenje mase neutrina emitiranih tijekom raspada tricija, te da su ti neutrini tahioni. To je vrlo dvojbeno, ali ipak nije isključeno. Postoje problemi u teorijama tahiona, budući da sa stajališta mogućeg narušavanja uzročnosti, one destabiliziraju vakuum. Možda je moguće zaobići ove probleme, ali tada će biti nemoguće koristiti tahione u SS poruci koja nam je potrebna.

Istina je da većina fizičara tahione smatra znakom pogreške u svojim teorijama polja, a zanimanje za njih u široj javnosti potiče uglavnom znanstvena fantastika (vidi članak Tahioni).

20. Crvotočine

Najpoznatija predložena mogućnost OPS putovanja je korištenje crvotočina. Crvotočine su tuneli u prostor-vremenu koji povezuju jedno mjesto u svemiru s drugim. Možete ih koristiti za kretanje između ovih točaka brže nego što bi svjetlost išla svojim normalnim putem. Crvotočine su klasičan fenomen opća relativnost, ali da biste ih stvorili, morate promijeniti topologiju prostor-vremena. Mogućnost za to možda je sadržana u teoriji kvantne gravitacije.

Da bi crvotočine ostale otvorene, trebate ogromne količine negativna energija itd. Misner I Thorne predložio da se Casimirov efekt velikih razmjera može koristiti za stvaranje negativne energije, i Visser predložio rješenje korištenjem kozmičkih struna. Sve su te ideje vrlo spekulativne i mogu jednostavno biti nerealne. Neobična tvar s negativnom energijom možda ne postoji u obliku koji je potreban za pojavu.

Thorne je otkrio da ako se crvotočine mogu stvoriti, one bi se mogle koristiti za stvaranje zatvorenih vremenskih petlji koje bi omogućile putovanje kroz vrijeme. Također je sugerirano da multivarijantno tumačenje kvantne mehanike ukazuje na to da putovanje kroz vrijeme neće uzrokovati paradokse i da će se događaji jednostavno odvijati drugačije kada se vratite u prošlost. Hawking kaže da crvotočine mogu jednostavno biti nestabilne i stoga nepraktične. Ali sama tema ostaje plodno područje za misaone eksperimente, omogućujući razumjeti što je moguće, a što nije moguće na temelju poznatih i pretpostavljenih zakona fizike.
reference:
W. G. Morris i K. S. Thorne, American Journal of Physics 56 , 395-412 (1988)
W.G. Morris, K.S. Thorne i U. Yurtsever, Phys. vlč. pisma 61 , 1446-9 (1988)
Matt Visser, Physical Review D39, 3182-4 (1989)
vidi također "Crne rupe i vremenske krive" Kip Thorn, Norton & co. (1994)
Za objašnjenje multiverzuma vidi, "The Fabric of Reality" David Deutsch, Penguin Press.

21. Deformatorski motori

[Nemam pojma kako ovo prevesti! U originalnom warp pogonu. - cca. prevoditelj;
prevedeno po analogiji s člankom o Membrani]

Warp bi mogao biti mehanizam za uvijanje prostor-vremena tako da objekt može putovati brže od svjetlosti. Miguel Alcabière postao poznat po razvoju geometrije koja opisuje takav deformator. Iskrivljenje prostor-vremena omogućuje objektu da putuje brže od svjetlosti dok ostaje na krivulji sličnoj vremenu. Prepreke su iste kao kod stvaranja crvotočina. Za stvaranje deformatora potrebna vam je tvar s negativnom gustoćom energije i. Čak i ako je takva tvar moguća, još uvijek je nejasno kako se može dobiti i kako se njome potaknuti deformator.
ref M. Alcubierre, Klasična i kvantna gravitacija, 11 , L73-L77, (1994.)

Zaključak

Prvo, pokazalo se da je teško generalno definirati što znači SS putovanje i SS poruka. Mnoge stvari, poput sjena, izvode CC kretanje, ali tako da se ne može koristiti za npr. prijenos informacija. Ali postoje i ozbiljne mogućnosti za pravo kretanje SS-a, koje se predlažu u znanstvenoj literaturi, ali njihova provedba još nije tehnički moguća. Heisenbergovo načelo nesigurnosti onemogućuje korištenje prividnog SS gibanja u kvantnoj mehanici. Postoje potencijalni načini SS pogona u općoj teoriji relativnosti, ali ih možda neće biti moguće koristiti. Čini se da je vrlo malo vjerojatno da će u dogledno vrijeme, ili općenito, tehnologija moći stvoriti svemirski brodovi sa SS motorima, ali zanimljivo je da teorijska fizika, kakvu sada poznajemo, ne zatvara zauvijek vrata SS pogonu. SS pokret u stilu znanstvenofantastičnih romana naizgled je potpuno nemoguć. Zanimljivo pitanje za fizičare je: "zašto je to zapravo nemoguće i što se iz toga može naučiti?"

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 je uvijek manja nego u vakuumu) i čak je pobudio sumnju u valjanost posebne teorije relativnosti. 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 daleko od fizike - znaju da je maksimum moguća brzina Kretanje materijalnih objekata ili širenje bilo kojeg signala je 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. No, priroda je postavila još strože uvjete: nedostižno je kretanje ne samo nadsvjetlosnom brzinom, već i brzinom koja je jednaka brzini svjetlosti - može joj se samo 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 svjetlosti u obliku elektromagnetskih valova. Što je signal? Ovo su neke informacije koje treba prenijeti. Savršen elektromagnetski val- ovo je beskonačna sinusoida strogo jedne frekvencije i ne može nositi nikakvu informaciju, jer svaki period takve sinusoide točno ponavlja prethodni. 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 materijalnih tijela i prijenosu 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 fizičari pokušali su eksperimentalno dokazati prisutnost superluminalnog gibanja tijekom efekta tunela - jednog od najčudesnijih fenomena u kvantnoj mehanici. 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 naiđe na područje sa potencijalna energija, premašujući energiju mikroobjekta, ovo područje je barijera za njega, 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 s talijanskog istraživačka grupa, koji je 2000. godine izveo još jedan zanimljiv eksperiment, smatra da to pitanje još uvijek ostaje 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. Djela zadnjih godina pokazuju da pod određenim uvjetima doista može doći do supersvjetlosne brzine. 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 rezerva je napravljena jer su se nedavno pojavile nove hipoteze u astrofizici i kozmologiji, koje dopuštaju postojanje mnogih svemira skrivenih od nas, 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 je stvar što će svi ti drugi svemiri, najvjerojatnije, ostati čisto matematičke konstrukcije teorijskih fizičara koji žive u našem svemiru i snagom svojih misli pokušavaju pronaći nama zatvorene svjetove...

Pogledajte izdanje na istu temu