A fénysebesség az eddig ismert legszokatlanabb mérési mennyiség. Az első ember, aki megpróbálta megmagyarázni a fény terjedésének jelenségét, Albert Einstein volt. Ő volt az, aki kitalálta a jól ismert formulát E = mc² , Ahol E a test teljes energiája, m- tömeg, és c— fénysebesség vákuumban.

A képlet először az Annalen der Physik folyóiratban jelent meg 1905-ben. Körülbelül ugyanebben az időben Einstein felállított egy elméletet arról, hogy mi történne egy abszolút sebességgel mozgó testtel. Abból a tényből kiindulva, hogy a fénysebesség állandó mennyiség, arra a következtetésre jutott, hogy a térnek és az időnek változnia kell.

Így fénysebességgel egy tárgy végtelenül zsugorodik, tömege végtelenül növekszik, és gyakorlatilag megáll az idő.

1977-ben sikerült kiszámítani a fénysebességet, 299 792 458 ± 1,2 méter másodpercenként. Durvább számításokhoz mindig 300 000 km/s értéket feltételezünk. Ezen az értéken alapul az összes többi kozmikus dimenzió. Így alakul a koncepció " fényévek" és "parsec" (3,26 fényév).

Lehetetlen fénysebességgel mozogni, még kevésbé leküzdeni. Legalábbis az emberi fejlődés ezen szakaszában. Másrészt a tudományos-fantasztikus írók mintegy 100 éve próbálják megoldani ezt a problémát regényeik lapjain. Talán egyszer a sci-fi valósággá válik, mert még a 19. században Jules Verne megjósolta egy helikopter, egy repülőgép és az elektromos szék megjelenését, és akkor ez tiszta sci-fi volt!

Orvos műszaki tudományok A. GOLUBEV.

Tavaly év közepén szenzációs üzenet jelent meg a magazinokban. Amerikai kutatók egy csoportja felfedezte, hogy egy nagyon rövid lézerimpulzus egy speciálisan kiválasztott közegben százszor gyorsabban mozog, mint a vákuumban. Ez a jelenség teljesen hihetetlennek tűnt (a fénysebesség közegben mindig kisebb, mint vákuumban), sőt kétségekre adott okot a speciális elmélet relativitás. Eközben egy szuperluminális fizikai objektumot - egy erősítő közegben lévő lézerimpulzust - először nem 2000-ben, hanem 35 évvel korábban, 1965-ben fedeztek fel, és a szuperluminális mozgás lehetőségét a 70-es évek elejéig széles körben vitatták. Ma újult erővel lobbant fel a vita e különös jelenség körül.

Példák a "szuperluminális" mozgásra.

A 60-as évek elején rövid, nagy teljesítményű fényimpulzusokat kezdtek előállítani úgy, hogy egy lézervillanást egy kvantumerősítőn (egy fordított populációjú közeg) vezettek át.

Erősítő közegben a fényimpulzus kezdeti tartománya stimulált atomkibocsátást okoz az erősítő közegben, a végső tartomány pedig az energia elnyelését. Ennek eredményeként a megfigyelőnek úgy tűnik, hogy az impulzus mozog gyorsabb a fénynél.

Lijun Wong kísérlete.

Az átlátszó anyagból (például üvegből) készült prizmán áthaladó fénysugár megtörik, azaz diszperziót tapasztal.

A fényimpulzus különböző frekvenciájú rezgések halmaza.

Valószínűleg mindenki - még a fizikától távol élők is - tudják, hogy az anyagi tárgyak mozgásának vagy bármilyen jel terjedésének maximális sebessége a fény sebessége vákuumban. A betűvel van jelölve Val velés csaknem 300 ezer kilométer per másodperc; pontos érték Val vel= 299 792 458 m/s. A fény sebessége vákuumban az egyik alapvető fizikai állandó. Képtelenség túllépni a sebességet Val vel, Einstein speciális relativitáselméletéből (STR) következik. Ha be lehetne bizonyítani, hogy a jelek szuperluminális sebességgel átvitele lehetséges, a relativitáselmélet bukna. Eddig ez nem történt meg, annak ellenére, hogy számos kísérletet próbáltak megcáfolni a nagyobb sebességek létezésének tilalmát Val vel. Azonban in kísérleti tanulmányok A közelmúltban nagyon érdekes jelenségeket fedeztek fel, amelyek arra utalnak, hogy speciálisan kialakított körülmények között lehetséges szuperluminális sebességek megfigyelése, ugyanakkor a relativitáselmélet elvei nem sérülnek.

Először is emlékezzünk vissza a fénysebesség problémájával kapcsolatos főbb szempontokra. Először is: miért lehetetlen (normál körülmények között) túllépni a fényhatárt? Mert akkor sérül világunk alaptörvénye - az oksági törvény, amely szerint az okozat nem előzheti meg az okot. Soha senki nem figyelte meg, hogy például egy medve először holtan esett le, majd a vadász lőtt. Túllépő sebességeknél Val vel, az események sorrendje megfordul, az időszalag visszateker. Ez könnyen ellenőrizhető a következő egyszerű érvelésből.

Tegyük fel, hogy valamiféle űrcsodahajón vagyunk, amely gyorsabban halad a fénynél. Ekkor fokozatosan utolérnénk a forrás által a korábbi és korábbi időpontokban kibocsátott fényt. Először utolérjük a kibocsátott fotonokat, mondjuk tegnap, majd a tegnapelőtt, majd egy héttel, egy hónappal, egy évvel ezelőtt és így tovább. Ha a fényforrás életet tükröző tükör lenne, akkor először a tegnapi eseményeket látnánk, majd a tegnapelőtt és így tovább. Láthattunk mondjuk egy idős embert, aki fokozatosan középkorúvá válik, majd fiatalemberré, ifjúvá, gyerekké... Vagyis visszafordulna az idő, a jelenből áttérnénk a a múlt. Az okok és következmények ekkor helyet cserélnének.

Noha ez a vita teljesen figyelmen kívül hagyja a fény megfigyelésének folyamatának technikai részleteit, alapvető szempontból egyértelműen megmutatja, hogy a szuperluminális sebességű mozgás olyan helyzethez vezet, amely a mi világunkban lehetetlen. A természet azonban ennél is szigorúbb feltételeket szabott: a mozgás nem csak szuper-luminális sebességgel, hanem nagy sebességgel is elérhetetlen. egyenlő sebességgel fény – csak megközelíteni lehet. A relativitáselméletből az következik, hogy a mozgás sebességének növekedésével három körülmény áll fenn: a mozgó objektum tömege nő, mozgás irányú mérete csökken, és az idő áramlása ezen a tárgyon lelassul (a ponttól egy külső „pihenő” megfigyelő látásmódja). Normál sebességnél ezek a változások elhanyagolhatóak, de ahogy közelednek a fénysebességhez, egyre észrevehetőbbé válnak, a határértéken pedig - olyan sebességnél, Val vel, - a tömeg végtelenül nagy lesz, a tárgy a mozgás irányában teljesen elveszíti méretét és megáll rajta az idő. Ezért egyetlen anyagi test sem érheti el a fénysebességet. Csak magának a fénynek van ekkora sebessége! (És egy „mindent átható” részecske - egy neutrínó, amely a fotonhoz hasonlóan nem tud kisebb sebességgel mozogni Val vel.)

Most a jelátviteli sebességről. Itt célszerű a fény alakban való ábrázolását használni elektromágneses hullámok. Mi az a jel? Ez néhány információ, amelyet továbbítani kell. Az ideális elektromágneses hullám egy végtelen, szigorúan egyfrekvenciás szinusz, amely nem hordozhat semmilyen információt, mert egy ilyen szinusz minden periódusa pontosan megismétli az előzőt. A mozgás sebessége a fázis egy szinuszhullám - az úgynevezett fázissebesség - közegben bizonyos körülmények között meghaladhatja a vákuumban lévő fénysebességet. Itt nincs korlátozás, mivel a fázissebesség nem a jel sebessége - még nem létezik. A jel létrehozásához valamilyen „jelet” kell tenni a hullámon. Ilyen jel lehet például bármely hullámparaméter - amplitúdó, frekvencia vagy kezdeti fázis - változása. De amint megtörténik a jel, a hullám elveszti szinuszosságát. Modulálttá válik, és különböző amplitúdójú, frekvenciájú és egyszerű szinuszhullámokból áll. kezdeti fázisai- hullámcsoportok. Az a sebesség, amellyel a jel mozog a modulált hullámban, a jel sebessége. Közegben terjedéskor ez a sebesség általában egybeesik a csoportsebességgel, amely a fent említett hullámcsoport terjedését összességében jellemzi (lásd "Tudomány és Élet" 2000. 2. sz.). Normál körülmények között a csoportsebesség, így a jel sebessége kisebb, mint a fény vákuumsebessége. Nem véletlenül használták itt a „normál körülmények között” kifejezést, mert bizonyos esetekben a csoportsebesség meghaladhatja Val vel vagy akár értelmét veszti, de akkor nem kapcsolódik a jelterjedéshez. A töltőállomás megállapítja, hogy lehetetlen jelet továbbítani ennél nagyobb sebességgel Val vel.

Miért van ez így? Mert akadálya van annak, hogy bármilyen jelet nagyobb sebességgel továbbítson Val vel Ugyanez az oksági törvény szolgál. Képzeljünk el egy ilyen helyzetet. Egy ponton A fényvillanás (1. esemény) bekapcsol egy bizonyos rádiójelet küldő eszközt, egy távoli B pontban pedig ennek a rádiójelnek a hatására robbanás következik be (2. esemény). Nyilvánvaló, hogy az 1. esemény (fellobbanás) az ok, és a 2. esemény (robbanás) a következmény, amely később következik be, mint az ok. De ha a rádiójel szuperluminális sebességgel terjedne, a B pont közelében lévő megfigyelő először robbanást látna, és csak ezután érné el olyan sebességgel. Val vel fényvillanás, a robbanás oka. Más szóval, ennél a megfigyelőnél a 2. esemény korábban következett volna be, mint az 1. esemény, vagyis a hatás megelőzte volna az okot.

Helyénvaló hangsúlyozni, hogy a relativitáselmélet „szuperluminális tilalma” csak a mozgásra vonatkozik. anyagi testekés jelátvitel. Sok helyzetben bármilyen sebességű mozgás lehetséges, de ez nem anyagi tárgyak vagy jelek mozgása lesz. Például képzeljünk el két meglehetősen hosszú vonalzót ugyanabban a síkban, amelyek közül az egyik vízszintesen helyezkedik el, a másik pedig kis szögben metszi azt. Ha az első vonalzót nagy sebességgel lefelé (a nyíllal jelzett irányba) mozgatjuk, akkor a vonalzók metszéspontja tetszőleges sebességgel futhat, de ez a pont nem anyagi test. Egy másik példa: ha veszel egy zseblámpát (vagy mondjuk egy keskeny sugarat kibocsátó lézert), és gyorsan leírsz egy ívet a levegőben, akkor lineáris sebesség a fénysugár a távolsággal növekszik, és kellően nagy távolságban meghaladja Val vel. A fényfolt A és B pontok között szuperluminális sebességgel fog mozogni, de ez nem lesz jelátvitel A-ból B-be, mivel egy ilyen fényfolt nem hordoz információt az A pontról.

Úgy tűnik, hogy a szuperluminális sebesség kérdése megoldódott. De a huszadik század 60-as éveiben az elméleti fizikusok a tachionoknak nevezett szuperluminális részecskék létezésének hipotézisét terjesztették elő. Ezek nagyon furcsa részecskék: elméletileg lehetségesek, de a relativitáselmélettel való ellentmondások elkerülése érdekében képzeletbeli nyugalmi tömeget kellett hozzájuk rendelni. Fizikailag a képzeletbeli tömeg nem létezik, ez pusztán matematikai absztrakció. Ez azonban nem keltett nagy riadalmat, hiszen a tachionok nem lehetnek nyugalomban - csak a vákuumban lévő fénysebességet meghaladó sebességgel léteznek (ha vannak!), és ebben az esetben a tachion tömege valóságosnak bizonyul. Van itt némi analógia a fotonokkal: a foton nyugalmi tömege nulla, de ez egyszerűen azt jelenti, hogy a foton nem lehet nyugalomban – a fényt nem lehet megállítani.

A legnehezebbnek a tachion-hipotézis és az oksági törvény összeegyeztetése bizonyult. Az ezirányú próbálkozások, bár elég zseniálisak, nem vezettek szembetűnő sikerre. Senkinek sem sikerült kísérletileg tachionokat regisztrálni. Ennek eredményeként a tachionok iránti érdeklődés szuperluminális elemi részecskék fokozatosan elhalványult.

A 60-as években azonban kísérleti úton felfedeztek egy jelenséget, amely kezdetben megzavarta a fizikusokat. Ezt részletesen leírja A. N. Oraevsky „Superluminal waves in ampliifying media” (UFN No. 12, 1998) című cikkében. Itt röviden összefoglaljuk a dolog lényegét, utalva a részletek iránt érdeklődő olvasót a megadott cikkre.

Nem sokkal a lézerek felfedezése után - a 60-as évek elején - felmerült a probléma a rövid (körülbelül 1 ns = 10-9 s időtartamú) nagy teljesítményű fényimpulzusok előállításával. Ehhez egy rövid lézerimpulzust vezettek át egy optikai kvantumerősítőn. Az impulzust egy sugárosztó tükör két részre osztotta. Az egyik, erősebb, az erősítőhöz került, a másik pedig a levegőben terjedt, és referenciaimpulzusként szolgált, amellyel az erősítőn áthaladó impulzust összehasonlítani lehetett. Mindkét impulzus fotodetektorba került, és a kimenő jeleik vizuálisan megfigyelhetők az oszcilloszkóp képernyőjén. Várható volt, hogy az erősítőn áthaladó fényimpulzus némi késést tapasztal a referenciaimpulzushoz képest, vagyis az erősítőben a fény terjedési sebessége kisebb lesz, mint a levegőben. Képzeld el a kutatók csodálkozását, amikor felfedezték, hogy az impulzus nem csak a levegőnél nagyobb sebességgel terjed az erősítőn, hanem a vákuumban a fény sebességének többszöröse is!

Miután felépült az első sokkból, a fizikusok elkezdték keresni egy ilyen váratlan eredmény okát. A speciális relativitáselmélet alapelveivel kapcsolatban senkinek sem volt kétsége, és ez segített megtalálni a helyes magyarázatot: ha az SRT alapelvei megmaradnak, akkor a választ az erősítő közeg tulajdonságaiban kell keresni.

Anélkül, hogy itt részleteznénk, csak arra hívjuk fel a figyelmet, hogy az erősítő közeg hatásmechanizmusának részletes elemzése teljesen tisztázta a helyzetet. A lényeg a fotonok koncentrációjának változása volt az impulzusterjedés során - ez a változás, amelyet a közeg erősítésének változása okozott. negatív érték az impulzus hátsó részének áthaladása során, amikor a közeg már energiát nyel el, mert a fényimpulzusra való átadása miatt a saját tartaléka már elhasználódott. Az abszorpció nem az impulzus növekedését, hanem gyengülését okozza, így az elülső részen az impulzus erősödik, a hátsó részen gyengül. Képzeljük el, hogy egy impulzust figyelünk meg egy fénysebességgel mozgó eszköz segítségével az erősítő közegében. Ha a közeg átlátszó lenne, az impulzust mozdulatlanságba dermedve látnánk. Abban a környezetben, amelyben a fent említett folyamat végbemegy, az impulzus elülső élének erősödése és a hátulsó élének gyengülése úgy jelenik meg a megfigyelő számára, hogy a közeg úgy tűnik, előre mozdította az impulzust. De mivel az eszköz (megfigyelő) fénysebességgel mozog, és az impulzus utoléri, akkor az impulzus sebessége meghaladja a fénysebességet! Ezt a hatást rögzítették a kísérletezők. És itt tényleg nincs ellentmondás a relativitáselmélettel: az erősítési folyamat egyszerűen olyan, hogy a korábban kikerült fotonok koncentrációja nagyobbnak bizonyul, mint a később kikerülőké. Nem a fotonok mozognak szuperluminális sebességgel, hanem az oszcilloszkópon megfigyelhető impulzusburkológörbe, különösen annak maximuma.

Így míg a közönséges közegben a fény mindig gyengül és sebessége csökken, amit a törésmutató határozza meg, addig az aktív lézeres közegben nem csak a fény erősödik, hanem az impulzus szuperluminális sebességgel terjed.

Egyes fizikusok kísérletileg próbálták bizonyítani a szuperluminális mozgás jelenlétét az alagúthatás során – ez az egyik legcsodálatosabb jelenség kvantummechanika. Ez a hatás abban áll, hogy egy mikrorészecske (pontosabban egy olyan mikroobjektum, amely különböző körülmények között a részecske tulajdonságait és a hullám tulajdonságait is felmutatja) képes áthatolni az úgynevezett potenciálgáton – ez a jelenség teljesen lehetetlen a klasszikus mechanikában (amiben egy ilyen helyzet analóg lenne: a falnak dobott labda a fal másik oldalára kerülne, vagy a falhoz kötött kötélnek adott hullámszerű mozgás átkerülne a falra a másik oldalon a falhoz kötött kötél). Az alagúthatás lényege a kvantummechanikában a következő. Ha egy bizonyos energiájú mikroobjektum útközben olyan területtel találkozik, amelynek potenciális energiája meghaladja a mikroobjektum energiáját, ez a terület gátat jelent számára, amelynek magasságát az energiakülönbség határozza meg. De a mikroobjektum „átszivárog” a sorompón! Ezt a lehetőséget a jól ismert Heisenberg-féle bizonytalansági reláció adja meg, amely az interakció energiájára és idejére íródott. Ha egy mikroobjektum kölcsönhatása egy gáttal meglehetősen meghatározott időn keresztül megy végbe, akkor a mikroobjektum energiáját éppen ellenkezőleg, bizonytalanság jellemzi, és ha ez a bizonytalanság az akadály magasságának nagyságrendje, akkor a ez utóbbi megszűnik leküzdhetetlen akadály lenni a mikroobjektum számára. A potenciális korláton való áthatolás sebessége számos fizikus kutatásának tárgyává vált, akik úgy vélik, hogy ez meghaladhatja Val vel.

1998 júniusában Kölnben nemzetközi szimpóziumot tartottak a szuperluminális mozgás problémáiról, ahol négy laboratóriumban – Berkeleyben, Bécsben, Kölnben és Firenzében – kapott eredményeket vitatták meg.

Végül 2000-ben két új kísérletről jelentek meg jelentések, amelyekben megjelentek a szuperluminális terjedés hatásai. Az egyiket Lijun Wong és kollégái adták elő a Princetoni Kutatóintézetben (USA). Ennek eredménye, hogy a céziumgőzzel teli kamrába belépő fényimpulzus 300-szorosára növeli a sebességét. Kiderült, hogy az impulzus fő része még korábban kilépett a kamra túlsó falából, mint az impulzus az elülső falon keresztül a kamrába. Ez a helyzet nemcsak annak ellentmond józan ész, hanem lényegében a relativitáselmélet.

L. Wong üzenete heves vitát váltott ki a fizikusok körében, akiknek többsége nem volt hajlandó a relativitáselmélet megsértését látni a kapott eredményekben. Úgy vélik, hogy a kihívás helyes magyarázata ennek a kísérletnek.

L. Wong kísérletében a céziumgőzzel a kamrába belépő fényimpulzus körülbelül 3 μs időtartamú volt. A céziumatomok tizenhat lehetséges kvantummechanikai állapotban létezhetnek, ezeket "az alapállapot hiperfinom mágneses részszintjeinek" nevezik. Optikai lézeres pumpálással szinte az összes atomot e tizenhat állapot közül csak egybe vitték, ami a Kelvin-skála szerinti szinte abszolút nulla hőmérsékletnek felel meg (-273,15 o C). A céziumkamra hossza 6 centiméter volt. Vákuumban a fény 0,2 ns alatt 6 centimétert tesz meg. Amint a mérések kimutatták, a fényimpulzus céziummal 62 ns-al rövidebb idő alatt haladt át a kamrán, mint a vákuumban. Más szóval, annak az időnek, amely alatt az impulzus áthalad a cézium közegen, mínusz előjele van! Valóban, ha 0,2 ns-ból kivonunk 62 ns-t, akkor „negatív” időt kapunk. Ez a "negatív késleltetés" a közegben - egy felfoghatatlan időugrás - egyenlő azzal az idővel, amely alatt az impulzus 310-szer áthaladna a kamrán vákuumban. Ennek az „időbeli fordulatnak” az lett a következménye, hogy a kamrából kilépő impulzus 19 méterrel távolodott tőle, mielőtt a bejövő impulzus elérte volna a kamra közeli falát. Mivel magyarázható egy ilyen hihetetlen szituáció (hacsak persze nem kételkedünk a kísérlet tisztaságában)?

A folyamatban lévő vita alapján pontos magyarázatot még nem találtak, de kétségtelen, hogy itt a közeg szokatlan diszperziós tulajdonságai játszanak szerepet: a lézerfénnyel gerjesztett atomokból álló céziumgőz anomális diszperziójú közeg. . Emlékezzünk vissza röviden, mi is ez.

Egy anyag diszperziója a fázis (közönséges) törésmutató függősége n a fény hullámhosszán l. Normál diszperzió esetén a törésmutató a hullámhossz csökkenésével növekszik, és ez a helyzet üvegben, vízben, levegőben és minden más, fény számára átlátszó anyagban. Azokban az anyagokban, amelyek erősen elnyelik a fényt, a törésmutató lefutása a hullámhossz változásával megfordul és sokkal meredekebbé válik: l csökkenésével (növekvő w frekvencia) a törésmutató meredeken csökken, és egy bizonyos hullámhossz-tartományban egységnél kisebb lesz. (fázissebesség V f > Val vel). Ez anomális diszperzió, amelyben az anyagban a fényterjedés mintája gyökeresen megváltozik. Csoport sebessége V gr nagyobb lesz, mint a hullámok fázissebessége, és vákuumban meghaladhatja a fénysebességet (és negatívvá is válhat). L. Wong erre a körülményre mutat rá, mint arra, hogy kísérlete eredményeit megmagyarázza. Meg kell azonban jegyezni, hogy a feltétel V gr > Val vel tisztán formális, hiszen a csoportsebesség fogalmát kis (normál) diszperzió esetén vezették be, transzparens közegekre, amikor egy hullámcsoport szinte nem változtatja meg alakját terjedés közben. Az anomális diszperziójú területeken a fényimpulzus gyorsan deformálódik, és a csoportsebesség fogalma értelmét veszti; ebben az esetben bevezetik a jelsebesség és az energiaterjedési sebesség fogalmát, amelyek átlátszó közegben egybeesnek a csoportsebességgel, abszorpciós közegben pedig kisebbek maradnak, mint a vákuumban mért fénysebesség. De Wong kísérletében ez az érdekes: a rendellenes diszperziójú közegen áthaladó fényimpulzus nem deformálódik - pontosan megőrzi alakját! És ez megfelel annak a feltételezésnek, hogy az impulzus csoportsebességgel terjed. De ha igen, akkor kiderül, hogy a közegben nincs abszorpció, pedig a közeg rendellenes szórása pontosan az abszorpciónak köszönhető! Maga Wong, bár elismeri, hogy sok minden továbbra is tisztázatlan, úgy véli, hogy a kísérleti elrendezésében zajló események első közelítéssel egyértelműen a következők szerint magyarázhatók.

A fényimpulzus sok különböző hullámhosszú (frekvenciájú) komponensből áll. Az ábrán három ilyen komponens látható (1-3. hullámok). Valamikor mindhárom hullám fázisban van (maximumuk egybeesik); itt összeadva erősítik egymást, és impulzust alkotnak. Ahogy tovább terjednek a térben, a hullámok defázisúvá válnak, és ezáltal „kioltják” egymást.

Az anomális diszperzió tartományában (a céziumcellán belül) a rövidebb hullám (1. hullám) hosszabbá válik. Ezzel szemben a három közül a leghosszabb hullám (3. hullám) lesz a legrövidebb.

Következésképpen a hullámok fázisai ennek megfelelően változnak. Miután a hullámok áthaladtak a cézium cellán, hullámfrontjaik helyreállnak. Miután szokatlan fázismoduláción ment keresztül egy rendellenes diszperziójú anyagban, a szóban forgó három hullám valamikor ismét fázisban találja magát. Itt ismét összeadódnak, és pontosan ugyanolyan alakú impulzust alkotnak, mint ami a cézium közegbe kerül.

Jellemzően levegőben, sőt bármely normál diszperziójú átlátszó közegben a fényimpulzus nem tudja pontosan megőrizni alakját távoli terjedéskor, vagyis minden komponense nem fázisozható a terjedési út bármely távoli pontján. És normál körülmények között egy ilyen távoli ponton egy idő után fényimpulzus jelenik meg. A kísérletben használt közeg rendellenes tulajdonságai miatt azonban az impulzus egy távoli pontban ugyanúgy fázisosnak bizonyult, mint ebbe a közegbe való belépéskor. Így a fényimpulzus úgy viselkedik, mintha egy távoli pont felé vezető úton negatív időkésleltetése lenne, vagyis nem később, hanem korábban érne oda, mint ahogy áthaladt a közegen!

A legtöbb fizikus hajlik arra, hogy ezt az eredményt egy alacsony intenzitású prekurzor megjelenésével hozza összefüggésbe a kamra diszpergáló közegében. Az a helyzet, hogy egy impulzus spektrális felbomlásakor a spektrum tetszőlegesen magas frekvenciájú, elhanyagolhatóan kis amplitúdójú komponenseket tartalmaz, az úgynevezett prekurzort, amely megelőzi az impulzus „fő részét”. A keletkezés természete és az előanyag alakja a közegben való diszperzió törvényétől függ. Ezt szem előtt tartva a Wong-kísérlet eseménysorát a következőképpen javasoljuk értelmezni. A bejövő hullám, „nyújtva” a hírnököt maga elé, közeledik a kamera felé. Mielőtt a beérkező hullám csúcsa elérné a kamra közeli falát, a prekurzor impulzus megjelenését indítja el a kamrában, amely eléri a túlsó falat, és onnan visszaverődik, „fordított hullámot” képezve. Ez a hullám 300-szor gyorsabban terjed Val vel, eléri a közeli falat és találkozik a bejövő hullámmal. Az egyik hullám csúcsai találkoznak a másik hullámvölgyeivel, így tönkreteszik egymást, és ennek következtében nem marad semmi. Kiderült, hogy a beérkező hullám „visszafizeti az adósságot” a céziumatomoknak, amelyek a kamra másik végében „kölcsönöznek” neki energiát. Bárki, aki csak a kísérlet elejét és végét nézte, csak egy fényimpulzust lát, amely "ugrott" előre az időben, gyorsabban haladva. Val vel.

L. Wong úgy véli, hogy kísérlete nincs összhangban a relativitáselmélettel. A szuperluminális sebesség elérhetetlenségére vonatkozó állítás szerinte csak a nyugalmi tömegű tárgyakra vonatkozik. A fény vagy hullámok formájában ábrázolható, amelyekre a tömeg fogalma általában nem alkalmazható, vagy fotonok formájában, amelyek nyugalmi tömege, mint ismeretes, nulla. Ezért Wong szerint a fény sebessége vákuumban nem a határ. Wong azonban elismeri, hogy az általa felfedezett hatás nem teszi lehetővé az információ továbbítását a sebességnél gyorsabban Val vel.

„Az itt található információ már az impulzus élén van – mondja P. Milonni, az egyesült államokbeli Los Alamos National Laboratory fizikusa. „És azt a benyomást keltheti, mintha a fénynél gyorsabban küldené az információt, még akkor is, ha Ön nem küldik el."

A legtöbb fizikus ezt hiszi új Munka nem mér megsemmisítő csapást az alapvető elvekre. De nem minden fizikus hiszi el, hogy a probléma megoldódott. A. Ranfagni professzor, az olasz kutatócsoport tagja, amely 2000-ben egy másik érdekes kísérletet végzett, úgy véli, hogy a kérdés még nyitott. Ez a Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni és Rocco Ruggeri által végzett kísérlet felfedezte, hogy a centiméteres hullámú rádióhullámok normál légi körülmények között nagyobb sebességgel terjednek. Val vel 25%-kal.

Összefoglalva a következőket mondhatjuk. Az elmúlt évek munkája azt mutatja, hogy bizonyos feltételek mellett valóban előfordulhat szuperluminális sebesség. De mi is mozog pontosan szuperluminális sebességgel? A relativitáselmélet, mint már említettük, tiltja az ilyen sebességet az anyagi testeknél és az információt hordozó jeleknél. Ennek ellenére egyes kutatók nagyon kitartóan próbálják bizonyítani a fénysorompó leküzdését kifejezetten a jelekre. Ennek az az oka, hogy a speciális relativitáselméletnek nincs szigorú matematikai igazolása (például Maxwell egyenletek alapján elektromágneses mező) a jelek átvitelének lehetetlensége nagyobb sebességgel, mint Val vel. Az STR ilyen lehetetlensége, mondhatni tisztán aritmetikailag, Einstein sebesség-összeadási képlete alapján megállapítható, de ezt alapvetően megerősíti az ok-okozati összefüggés elve. Maga Einstein a szuperluminális jelátvitel kérdésében azt írta, hogy ebben az esetben „... kénytelenek vagyunk egy olyan jelátviteli mechanizmust lehetségesnek tekinteni, amelyben az elért cselekvés megelőzi az okot. De bár ez pusztán logikai szempontból következik. A nézet nem tartalmazza önmagát, véleményem szerint nincsenek ellentmondások, mégis annyira ellentmond minden tapasztalatunk természetének, hogy lehetetlen feltételezni V > s kellőképpen bizonyítottnak tűnik." Az oksági elve az a sarokkő, amely a szuperluminális jelátvitel lehetetlenségének hátterében áll. És úgy tűnik, kivétel nélkül minden szuperluminális jelre irányuló keresés e kőbe botlik, bármennyire is szeretnék a kísérletezők észlelni az ilyen jeleket. jeleket, mert ilyen a mi világunk természete.

Végezetül hangsúlyozni kell, hogy a fentiek mindegyike kifejezetten a mi világunkra, az Univerzumunkra vonatkozik. Ez a záradék azért készült, mert Utóbbi időben Az asztrofizikában és a kozmológiában új hipotézisek jelennek meg, amelyek lehetővé teszik számos előlünk rejtett Univerzum létezését, amelyeket topológiai alagutak - jumperek - kötnek össze. Ezt a nézetet osztja például a híres asztrofizikus, N. S. Kardasev. Egy külső szemlélő számára ezen alagutak bejáratait rendellenes gravitációs mezők, például fekete lyukak jelzik. Az ilyen alagutakban történő mozgások, amint azt a hipotézisek szerzői sugallják, lehetővé teszik a hétköznapi térben a fénysebesség által megszabott sebességkorlátozás megkerülését, és ezáltal az időgép létrehozásának gondolatának megvalósítását. .. Lehetséges, hogy az ilyen Univerzumokban a számunkra szokatlan dolgok valóban megtörténhetnek. És bár az ilyen hipotézisek egyelőre túlságosan is emlékeztetnek a tudományos-fantasztikus történetekre, aligha kell kategorikusan elvetni az anyagi világ szerkezetének többelemes modelljének alapvető lehetőségét. A másik dolog az, hogy az összes többi Univerzum nagy valószínűséggel tisztán megmarad matematikai konstrukciók Univerzumunkban élő elméleti fizikusok, és gondolataik erejével próbálnak megtalálni a számunkra zárt világokat...

Lásd az ugyanabban a témában megjelent számot

Az embert mindig is érdekelte a fény természete, ezt bizonyítják a hozzánk eljutott mítoszok, legendák, filozófiai viták és tudományos megfigyelések. A fény mindig is vitára adott okot az ókori filozófusok körében, és a tanulmányozására az euklideszi geometria megjelenése idején – ie 300 évvel – történtek kísérletek. Már akkor is ismert volt a fény terjedésének egyenessége, a beesési és visszaverődési szögek egyenlősége, a fénytörés jelensége, szóba került a szivárvány megjelenésének okai. Arisztotelész úgy vélte, hogy a fény sebessége végtelenül nagy, ami logikusan azt jelenti, hogy a fény nem tárgya megvitatásnak. Tipikus eset, amikor egy probléma mélysége megelőzi a válasz megértésének korszakát.

Körülbelül 900 évvel ezelőtt Avicenna azt javasolta, hogy bármilyen nagy is a fénysebesség, még mindig véges értéke van. Nemcsak neki volt ez a véleménye, de senkinek sem sikerült kísérletileg bizonyítani. A zseniális Galileo Galilei kísérletet javasolt a probléma mechanikus megértésére: két, egymástól több kilométerre álló ember jeleket ad egy lámpás redőnyének kinyitásával. Amint a második résztvevő meglátja a fényt az első lámpáról, kinyitja a redőnyt, és az első résztvevő rögzíti a válaszjel vételének időpontját. Aztán a távolság nő, és minden megismétlődik. Azt várták, hogy rögzítse a késleltetés növekedését, és ennek alapján számítsa ki a fénysebességet. A kísérlet semmivel nem ért véget, mert „nem minden volt hirtelen, hanem rendkívül gyors”.

Az első, aki vákuumban mérte meg a fénysebességet, Ole Roemer csillagász volt 1676-ban – kihasználta Galilei felfedezését: 1609-ben négyet fedezett fel, amelyekben hat hónapon belül 1320 másodperc volt az időeltolódás két műholdfogyatkozás között. Roemer kora csillagászati ​​információit felhasználva 222 000 km/s fénysebesség-értéket kapott. Az volt az elképesztő, hogy maga a mérési módszer hihetetlenül pontos - a Jupiter átmérőjére és a műhold elsötétülésének késleltetési idejére vonatkozó, ma már ismert adatok felhasználásával vákuumban, szinten adja meg a fény sebességét. modern jelentések más módszerekkel nyert.

Eleinte csak egy panasz volt Roemer kísérleteivel kapcsolatban - földi eszközökkel kellett méréseket végezni. Majdnem 200 év telt el, és Louis Fizeau egy zseniális installációt épített, amelyben a fénysugár több mint 8 km-re lévő tükörről verődött vissza, és visszatért. A finomság az volt, hogy oda-vissza haladt az úton a fogaskerék üregein keresztül, és ha a kerék forgási sebességét növelték, eljön a pillanat, amikor a fény már nem látszik. A többi már technika kérdése. A mérési eredmény 312 000 km/s. Most látjuk, hogy Fizeau még közelebb volt az igazsághoz.

A fénysebesség mérésében a következő lépést a fogaskereket cserélő Foucault tette, amely lehetővé tette a beépítés méreteinek csökkentését és a mérési pontosság 288 000 km/s-ra növelését. Nem kevésbé fontos volt Foucault kísérlete, amelyben meghatározta a fény sebességét egy közegben. Ehhez a telepítés tükrei közé egy vízzel ellátott csövet helyeztek el. Ebben a kísérletben megállapították, hogy a fény sebessége a törésmutatótól függően a közegben való terjedésével csökken.

A 19. század második felében eljött Michelson kora, aki életéből 40 évet szentelt a fénymérésnek. Munkája csúcspontja az az installáció volt, amelyben egy több mint másfél kilométer hosszú, evakuált fémcső segítségével vákuumban mérte a fény sebességét. Michelson másik alapvető vívmánya az volt, hogy bebizonyította, hogy a fény sebessége vákuumban bármely hullámhosszon azonos, és modern szabvány szerint 299792458+/- 1,2 m/s. Az ilyen méréseket a referenciamérő frissített értékei alapján végezték, amelynek meghatározását 1983 óta nemzetközi szabványként hagyták jóvá.

A bölcs Arisztotelész tévedett, de csaknem 2000 évbe telt, hogy bebizonyítsa.

Tényleg, hogyan? Hogyan mérjük a legtöbbet Magassebesség ban ben Világegyetem a mi szerényünkben Földi viszonyok? Többé nem kell ezen törnünk az agyunkat – elvégre több évszázadon keresztül oly sokan dolgoztak ezen a témán, és dolgoztak ki módszereket a fénysebesség mérésére. Kezdjük sorban a történetet.

Fény sebessége– az elektromágneses hullámok terjedési sebessége vákuumban. Ki van jelölve latin betű c. A fény sebessége körülbelül 300 000 000 m/s.

Eleinte senki sem gondolt a fénysebesség mérésének kérdésére. Van fény – ez nagyszerű. Aztán az ókorban a tudományfilozófusok körében az volt az uralkodó vélemény, hogy a fénysebesség végtelen, azaz pillanatnyi. Aztán megtörtént Középkorú Az inkvizícióval, amikor a gondolkodó és haladó emberek fő kérdése az volt: „Hogyan kerüljük el, hogy tűzbe akadjon?” És csak korszakokban ReneszánszÉs Felvilágosodás A tudósok véleménye megsokszorozódott, és természetesen megosztottak.

Így, Descartes, KeplerÉs Farm ugyanazon a véleményen voltak, mint az ókor tudósai. De úgy vélte, hogy a fénysebesség véges, bár nagyon nagy. Valójában ő végezte a fénysebesség első mérését. Pontosabban megtette az első kísérletet a mérésére.

Galilei kísérlete

Tapasztalat Galileo Galilei zseniális volt a maga egyszerűségében. A tudós kísérletet végzett a fénysebesség mérésére, egyszerű rögtönzött eszközökkel felvértezve. Egymástól nagy és jól ismert távolságban, különböző dombokon Galilei és asszisztense állt égő lámpásokkal. Egyikük kinyitotta a lámpán lévő redőnyt, a másiknak pedig ugyanezt kellett tennie, amikor meglátta az első lámpás fényét. A távolság és az idő ismeretében (a késleltetés, amíg az asszisztens kinyitja a lámpát) Galileo arra számított, hogy kiszámítja a fénysebességet. Sajnos a kísérlet sikeréhez Galileinak és asszisztensének olyan dombokat kellett választania, amelyek több millió kilométerre voltak egymástól. Szeretném emlékeztetni Önöket, hogy a honlapon található jelentkezési lap kitöltésével megteheti.

Roemer és Bradley kísérletei

Az első sikeres és meglepően pontos kísérlet a fénysebesség meghatározására egy dán csillagászé volt Olaf Roemer. Roemer a csillagászati ​​módszert használta a fénysebesség mérésére. 1676-ban egy távcsövön keresztül megfigyelte a Jupiter Io műholdját, és felfedezte, hogy a műhold fogyatkozási ideje megváltozik, ahogy a Föld távolodik a Jupitertől. Maximális idő a késés 22 perc volt. Kiszámítva, hogy a Föld a Jupitertől a Föld pálya átmérőjének megfelelő távolságra távolodik, Roemer elosztotta az átmérő hozzávetőleges értékét a késleltetési idővel, és 214 000 kilométer/s értéket kapott. Természetesen egy ilyen számítás nagyon durva volt, a bolygók közötti távolságokat csak hozzávetőlegesen ismerték, de az eredmény viszonylag közelinek bizonyult az igazsághoz.

Bradley tapasztalata. 1728-ban James Bradley megbecsülte a fénysebességet a csillagok aberrációjának megfigyelésével. Abberáció egy csillag látszólagos helyzetének megváltozása, amelyet a Föld mozgása a pályáján okoz. A Föld sebességének ismeretében és az aberrációs szög mérésével Bradley 301 000 kilométer/s értéket kapott.

Fizeau tapasztalata

Roemer és Bradley tapasztalatai eredményeként az akkori tudományos világ hitetlenkedve reagált. Azonban Bradley eredménye volt a legpontosabb több mint száz éven át, egészen 1849-ig. Abban az évben egy francia tudós Armand Fizeau a fénysebességet mérte a forgó redőny módszerrel, megfigyelés nélkül égitestek, hanem itt a Földön. Valójában ez volt az első laboratóriumi módszer a fénysebesség mérésére a Galileo óta. Az alábbiakban a laboratóriumi beállítás diagramja látható.

A tükörről visszaverődő fény áthaladt a kerék fogain, és egy másik, 8,6 kilométerre lévő tükörről verődött vissza. A kerék sebességét addig növelték, amíg a fény láthatóvá nem vált a következő résben. Fizeau számításai 313 000 kilométer/másodperces eredményt adtak. Egy évvel később egy forgó tükörrel végzett hasonló kísérletet Leon Foucault, aki másodpercenként 298 000 kilométeres eredményt ért el.

A maserek és lézerek megjelenésével új lehetőségek és módok nyíltak az emberek előtt a fénysebesség mérésére, és az elmélet fejlődése lehetővé tette a fénysebesség közvetett, közvetlen mérések nélküli kiszámítását is.

A fénysebesség legpontosabb értéke

Az emberiség hatalmas tapasztalattal rendelkezik a fénysebesség mérésében. Ma a fénysebesség legpontosabb értékének azt tartják 299 792 458 méter másodpercenként 1983-ban érkezett. Érdekesség, hogy a fénysebesség további pontosabb mérése a mérési hibák miatt lehetetlennek bizonyult méter. Jelenleg a méter értéke a fénysebességhez van kötve, és egyenlő azzal a távolsággal, amelyet a fény 1/299 792 458 másodperc alatt tesz meg.

Végül, mint mindig, javasoljuk, hogy nézzen meg egy oktatóvideót. Barátaim, még ha olyan feladattal is szembesülnek, mint a fénysebesség önálló mérése rögtönzött eszközökkel, nyugodtan fordulhatnak szerzőinkhez segítségért. Jelentkezést a levelező hallgató honlapján lehet kitölteni. Kellemes és könnyed tanulást kívánunk!

fénysebesség - abszolút érték elektromágneses hullámok terjedési sebessége vákuumban. A fizikában hagyományosan a latin „c” betűvel jelölik (ejtsd: [tse]). A fény sebessége vákuumban választástól független alapvető állandó inerciarendszer referencia (ISO). Azokra az alapvető fizikai állandókra vonatkozik, amelyek nemcsak az egyes testeket, hanem a téridő egészét jellemzik. A modern fogalmak szerint a fény sebessége vákuumban a részecskék mozgásának és a kölcsönhatások terjedésének maximális sebessége. Az is fontos, hogy ez az érték abszolút. Ez az SRT egyik posztulátuma.

Vákuumban (ürességben)

1977-ben sikerült kiszámítani a fény közelítő sebességét, amely 299 792 458 ± 1,2 m/s, az 1960-as szabványmérő alapján számolva. Tovább Ebben a pillanatbanúgy gondolják, hogy a fény sebessége vákuumban alapvető fizikai állandó, definíció szerint pontosan egyenlő 299 792 458 m/s-val, vagyis körülbelül 1 079 252 848,8 km/h-val. A pontos érték annak köszönhető, hogy 1983 óta a szabványos mérőszám azt a távolságot jelenti, amelyet a fény vákuumban 1/299 792 458 másodpercnyi idő alatt megtesz. A fény sebességét a c betű jelképezi.

Michelson kísérlete, amely az SRT alapvető fontosságú, kimutatta, hogy a fény sebessége vákuumban nem függ sem a fényforrás, sem a megfigyelő sebességétől. A természetben a következők terjednek fénysebességgel:

tényleges látható fény

más típusú elektromágneses sugárzás (rádióhullámok, röntgensugárzás stb.)

A speciális relativitáselméletből az következik, hogy a nyugalmi tömegű részecskék fénysebességre való gyorsítása lehetetlen, mivel ez az esemény sértené az oksági alapelvet. Azaz kizárt, hogy a jel meghaladja a fénysebességet, vagy a tömeg ilyen sebességű mozgását. Az elmélet azonban nem zárja ki a részecskék tér-időbeli, szuperluminális sebességű mozgását. A szuperluminális sebességgel mozgó hipotetikus részecskéket tachionoknak nevezzük. Matematikailag a tachionok könnyen illeszkednek a Lorentz-transzformációba - képzeletbeli tömegű részecskék. Minél nagyobb ezeknek a részecskéknek a sebessége, annál kevesebb energiát hordoznak, és fordítva, minél közelebb van a sebességük a fénysebességhez, annál nagyobb az energiájuk – csakúgy, mint a közönséges részecskék energiája, a tachionok energiája a végtelenbe hajlik. megközelítik a fénysebességet. Ez a legnyilvánvalóbb következménye a Lorentz-transzformációnak, amely nem engedi, hogy egy részecske felgyorsuljon a fénysebességre – egyszerűen lehetetlen végtelen mennyiségű energiát átadni egy részecskének. Meg kell érteni, hogy egyrészt a tachionok a részecskék egy osztálya, és nem egyfajta részecskék, másrészt semmilyen fizikai kölcsönhatás nem terjedhet gyorsabb sebesség Sveta. Ebből következik, hogy a tachionok nem sértik az ok-okozati összefüggés elvét - semmilyen módon nem lépnek kölcsönhatásba a közönséges részecskékkel, és sebességük különbsége sem egyenlő a fénysebességgel.

A fénynél lassabban mozgó közönséges részecskéket tardyonoknak nevezzük. A tardionok nem érhetik el a fénysebességet, csak tetszőlegesen közelítik meg, mivel ebben az esetben energiájuk korlátlanul nagy lesz. Minden tardyon nyugalmi tömeggel rendelkezik, ellentétben a tömeg nélküli fotonokkal és gravitonokkal, amelyek mindig fénysebességgel mozognak.

Planck-egységekben a fény sebessége vákuumban 1, vagyis a fény 1 egységnyi Planck-hosszt halad át Planck-időegységenként.

Átlátszó környezetben

A fény sebessége átlátszó közegben az a sebesség, amellyel a fény nem vákuumban terjed. A diszperziós közegben fázis- és csoportsebességek különböztethetők meg.

A fázissebesség a közegben lévő monokromatikus fény frekvenciáját és hullámhosszát határozza meg (λ=c/ν). Ez a sebesség általában (de nem feltétlenül) kisebb, mint c. A vákuumban lévő fény fázissebességének és a közegben lévő fénysebességnek az arányát a közeg törésmutatójának nevezzük. A fény csoportsebessége egyensúlyi közegben mindig kisebb, mint c. Nem egyensúlyi közegben azonban meghaladhatja a c-t. Ebben az esetben azonban az impulzus elülső éle még mindig olyan sebességgel mozog, amely nem haladja meg a vákuumban lévő fénysebességet.

Armand Hippolyte Louis Fizeau kísérletileg bebizonyította, hogy a közegnek a fénysugárhoz viszonyított mozgása is képes befolyásolni a fény terjedési sebességét ebben a közegben.

A maximális fénysebességről szóló posztulátum tagadása

BAN BEN utóbbi évek Gyakran érkeznek hírek arról, hogy az ún kvantum teleportáció kölcsönhatás gyorsabban halad, mint a fénysebesség. Például 2008. augusztus 15 kutatócsoport Dr. Nicolas Gisin, a Genfi Egyetem munkatársa, aki a térben 18 km-re elválasztott kötött fotonállapotokat tanulmányozta, állítólag kimutatta, hogy „a részecskék közötti kölcsönhatás körülbelül százezerszeres fénysebességgel megy végbe”. Korábban szóba került az úgynevezett Hartmann-paradoxon – szuperluminális sebesség az alagúteffektussal – is.

Ezen és hasonló eredmények jelentőségének tudományos elemzése azt mutatja, hogy alapvetően nem használhatók semmilyen jel vagy anyagmozgás szuperluminális továbbítására.

A fénysebesség-mérés története

Az ókori tudósok ritka kivételektől eltekintve végtelennek tartották a fénysebességet. A modern időkben ez a kérdés vita tárgyává vált. Galileo és Hooke elismerte, hogy véges, bár nagyon nagy, míg Kepler, Descartes és Fermat továbbra is védte a fénysebesség végtelenségét.

A fénysebesség első becslését Olaf Roemer (1676) adta meg. Észrevette, hogy amikor a Föld és a Jupiter a különböző oldalak a Naptól a Jupiter Io műholdjának fogyatkozása a számításokhoz képest 22 perccel késik. Ebből a fénysebesség körülbelül 220 000 km/sec értéket kapott - pontatlan, de közel a valódihoz. Fél évszázaddal később az aberráció felfedezése lehetővé tette a fénysebesség végességének megerősítését és értékelésének pontosítását.