Тіні можуть переміщатися швидше світла, але не можуть переносити речовину або інформацію

Чи можливий надсвітловий політ?

Розділи цієї статті мають підзаголовки та можна посилатися на кожен розділ окремо.

Прості приклади надсвітлового переміщення

1. Ефект Черенкова

Коли ми говоримо про рух із надсвітловою швидкістю, то маємо на увазі швидкість світла у вакуумі c(299792458 м/с). Тому ефект Черенкова не може розглядатися як приклад руху із надсвітловою швидкістю.

2. Третій спостерігач

Якщо ракета Aлетить від мене зі швидкістю 0.6cна захід, а ракета Bлетить від мене зі швидкістю 0.6cна схід, то я бачу, що відстань між Aі Bзбільшується зі швидкістю 1.2c. Спостерігаючи політ ракет Aі Bзбоку, третій спостерігач бачить, що сумарна швидкість видалення ракет більша, ніж c .

Проте відносна швидкістьне дорівнює сумі швидкостей. Швидкість ракети Aщодо ракети B- це швидкість збільшення відстані до ракети A, яку бачить спостерігач, що летить на ракеті B. Відносну швидкість потрібно розраховувати за релятивістською формулою складання швидкостей. (див. How do You Add Velocities in Special Relativity?) У цьому прикладі відносна швидкість приблизно дорівнює 0.88c. Тож у цьому прикладі ми не отримали надсвітлової швидкості.

3. Світло та тінь

Подумайте, як швидко може рухатися тінь. Якщо лампа близько, то тінь твого пальця на дальній стіні рухається набагато швидше, ніж рухається палець. При русі пальця паралельно стіні, швидкість тіні в D/dразів більше, ніж швидкість пальця. Тут d- відстань від лампи до пальця, а D- Від лампи до стіни. Швидкість буде ще більшою, якщо стіна розташована під кутом. Якщо стіна дуже далеко, то рух тіні буде відставати за часом від руху пальця, так як світла потрібен час, щоб досягти стіни, але швидкість переміщення тіні по стіні збільшиться ще більше. Швидкість тіні не обмежена швидкістю світла.

Інший об'єкт, який може переміщатися швидше за світло - світлова пляма від лазера, спрямованого на Місяць. Відстань до Місяця 385000 км. Ви можете розрахувати швидкість переміщення світлової плями по поверхні Місяця при невеликих коливаннях лазерної указки у вашій руці. Вам також може сподобатися приклад із хвилею, що набігає на пряму лінію пляжу під невеликим кутом. З якою швидкістю може переміщатися вздовж пляжу точка перетину хвилі та берега?

Всі ці речі можуть відбуватися у природі. Наприклад, промінь світла від пульсара може пробігти вздовж пилової хмари. Потужний вибух може створити сферичні хвилі світла чи радіації. Коли ці хвилі перетинаються з якоюсь поверхнею, на цій поверхні виникають світлові кола, які розширюються швидше за світло. Таке явище спостерігається, наприклад, коли електромагнітний імпульс спалаху блискавки проходить через верхні шари атмосфери.

4. Тверде тіло

Якщо у вас є довгий жорсткий стрижень, і ви вдарите по одному кінці стрижня, то хіба інший кінець не почне рухатися негайно? Хіба це не спосіб надсвітової передачі?

Це було б правильно, якбиіснували ідеально тверді тіла. Майже удар передається вздовж стрижня зі швидкістю звуку, яка залежить від пружності і щільності матеріалу стрижня. Крім того, теорія відносності обмежує можливі швидкості звуку в матеріалі величиною c .

Цей принцип діє, якщо ви тримаєте вертикально струну або стрижень, відпускаєте його, і він починає падати під дією сили тяжіння. Верхній кінець, який ви відпустили, починає падати негайно, але нижній кінець почне рух лише через деякий час, оскільки зникнення утримуючої сили передається вниз по стрижню зі швидкістю звуку в матеріалі.

Формулювання релятивістської теорії пружності досить складне, але загальну ідею можна ілюструвати з використанням ньютонівської механіки. Рівняння поздовжнього руху ідеально-пружного тіла можна вивести із закону Гука. Позначимо лінійну щільність стрижня ρ , модуль пружності Юнга Y. Поздовжнє зміщення Xзадовольняє хвильове рівняння

ρ·d 2 X/dt 2 - Y·d 2 X/dx 2 = 0

Рішення у вигляді плоских хвиль переміщується зі швидкістю звуку sяка визначається з формули s 2 = Y/ρ. Хвильове рівняння не дозволяє обуренням середовища переміщатися швидше, ніж зі швидкістю s. Крім того, теорія відносності дає межу величині пружності: Y< ρc 2 . Фактично, жоден відомий матеріал не наближається до цієї межі. Врахуйте також, що навіть швидкість звуку близька до c, та сама речовина не обов'язково рухається з релятивістською швидкістю.

Хоча у природі немає твердих тіл, існує рух твердих тіл, які можна використовувати для подолання швидкості світла. Ця тема відноситься до вже описаного розділу тіней та світлових плям. (Див. The Superluminal Scissors, The Rigid Rotating Disk in Relativity).

5. Фазова швидкість

Хвильове рівняння
d 2 u/dt 2 - c 2 ·d 2 u/dx 2 + w 2 ·u = 0

має рішення у вигляді
u = A · cos (ax - bt), c 2 · a 2 - b 2 + w 2 = 0

Це синусоїдальні хвилі, що розповсюджуються зі швидкістю v
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Але це більше, ніж с. Може це рівняння для тахіонів? (Див. далі розділ ). Ні, це звичайне релятивістське рівняння частинки з масою.

Щоб усунути парадокс, потрібно розрізняти "фазову швидкість". v ph і "групову швидкість" v gr , причому
v ph · v gr = c 2

Рішення у вигляді хвилі може мати дисперсію за частотою. При цьому хвильовий пакет рухається з груповою швидкістю, яка менша, ніж c. За допомогою хвильового пакета можна передавати інформацію лише з груповою швидкістю. Хвилі у хвильовому пакеті рухаються із фазовою швидкістю. Фазова швидкість - ще один приклад надсвітлового руху, який не можна використовувати передачі повідомлень.

6. Надсвітлові галактики

7. Релятивістська ракета

Нехай спостерігач на Землі бачить космічний корабель, що віддаляється зі швидкістю 0.8cВідповідно до теорії відносності, він побачить, що годинник на космічному кораблі йде повільніше в 5/3 рази. Якщо розділити відстань до корабля на час польоту бортовим годинником, то отримаємо швидкість 4/3c. Спостерігач робить висновок, що, використовуючи свій бортовий годинник, пілот корабля теж визначить, що летить із надсвітловою швидкістю. З точки зору пілота його годинник йде нормально, а міжзоряний простір стиснувся в 5/3 рази. Тому він пролітає відомі відстані між зірками швидше, зі швидкістю 4/3c .

Уповільнення часу - реальний ефект, який можна використовувати в космічних подорожах, щоб долати великі відстані за невеликий час з точки зору космонавтів. При постійному прискоренні 1g космонавти не лише матимуть комфортну штучну силу тяжкості, але й зможуть перетнути галактику всього за 12 років за власним часом. За час подорожі вони старіють на 12 років.

Але це все ж таки не надсвітловий політ. Не можна розраховувати швидкість, використовуючи відстань та час, визначені у різних системах відліку.

8. Швидкість гравітації

Деякі наполягають, що швидкість гравітації набагато більша cабо навіть нескінченна. Перегляньте Does Gravity Travel at the Speed ​​of Light? та What is Gravitational Radiation? Гравітаційні обурення та гравітаційні хвилі поширюються зі швидкістю c .

9. Парадокс ЕПР

10. Віртуальні фотони

11. Квантовий тунельний ефект

У квантовій механіці тунельний ефект дозволяє частинці подолати бар'єр навіть якщо її енергії для цього не вистачає. Можна розрахувати час тунелювання через такий бар'єр. І воно може виявитися менше, ніж потрібно світла для подолання такої відстані зі швидкістю c. Чи можна це використовувати для передачі повідомлень швидше за світло?

Квантова електродинаміка каже "Ні!" Тим не менш, виконаний експеримент, що продемонстрував надсвітлову передачу інформації за допомогою тунельного ефекту. Через бар'єр шириною 11.4 см із швидкістю 4.7 cпередано Сорокову симфонію Моцарта. Пояснення цього експерименту дуже суперечливе. Більшість фізиків вважають, що за допомогою тунельного ефекту не можна передати інформаціюшвидше світла. Якби це було можливо, то чому не передати сигнал у минуле, помістивши обладнання в систему відліку, що швидко переміщається.

17. Квантова теорія поля

За винятком гравітації, всі фізичні явища, що спостерігаються, відповідають "Стандартній моделі". Стандартна модель – це релятивістська квантова теорія поля, яка пояснює електромагнітні та ядерні взаємодії, а також усі відомі частинки. У цій теорії будь-яка пара операторів, відповідних фізичним спостережуваним, розділеним просторовоподібним інтервалом подій, "комутує" (тобто можна поміняти порядок цих операторів). В принципі, це має на увазі, що в стандартній моделі вплив не може поширюватися швидше за світло, і це можна вважати квантово-польовим еквівалентом доводу про нескінченну енергію.

Однак у квантовій теорії поля Стандартної моделі немає бездоганно суворих доказів. Ніхто поки що навіть не довів, що ця теорія внутрішньо несуперечлива. Швидше за все це не так. У всякому разі, немає гарантії, що не існує якихось поки що не відкритих частинок або сил, які не підкоряються забороні надсвітового переміщення. Немає також узагальнення цієї теорії, що включає гравітацію і загальну теорію відносності. Багато фізиків, що працюють в області квантової гравітації, сумніваються, що прості уявлення про причинність і локальність буде узагальнено. Немає гарантії, що в майбутній повнішій теорії швидкість світла збереже сенс граничної швидкості.

18. Парадокс дідуся

У спеціальній теорії відносності частка, що летить швидше світла лише у системі відліку, рухається у часі інший системі отсчета. Надсвітове переміщення або передача інформації давали можливість подорожі або відправлення повідомлення в минуле. Якби така подорож у часі була можливою, то ви могли б повернутися в минуле та змінити хід історії, вбивши свого дідуся.

Це дуже серйозний аргумент проти можливості надсвітлового переміщення. Щоправда, залишається майже неправдоподібна ймовірність, що можливі якісь обмежені надсвітлові переміщення, що не допускають повернення в минуле. Або, можливо, подорожі у часі можливі, але причинність порушується якимось несуперечливим чином. Все це дуже неправдоподібно, але якщо ми обговорюємо надсвітлові переміщення, то краще бути готовим до нових ідей.

Правильне та зворотне. Якби ми могли переміститися у минуле, то змогли б подолати швидкість світла. Можна повернутися в минуле, полетіти кудись із невеликою швидкістю, і прибути туди раніше, ніж прибуде світло, відправлене звичайним чином. Дивіться подробиці з цієї теми в Time Travel.

Відкриті питання надсвітлових подорожей

У цьому останньому розділі я опишу кілька серйозних ідей про можливе переміщення швидше за світло. Ці теми не часто включають у FAQ, тому що вони більше не схожі на відповіді, а на безліч нових питань. Вони включені сюди, щоб показати, що у цьому напрямі проводяться серйозні дослідження. Надається лише короткий вступ у тему. Подробиці можна знайти в інтернеті. Як і до всього в інтернеті, ставтеся до них критично.

19. Тахіони

Тахіони - це гіпотетичні частки, що локально переміщуються швидше за світло. І тому вони повинні мати уявну величину маси. При цьому енергія та імпульс тахіону – реальні величини. Немає підстав вважати, що надсвітлові частки неможливо виявити. Тіні та світлові плями можуть переміщатися швидше за світло і їх можна виявити.

Поки тахіони не знайдені, і фізики сумніваються у тому існуванні. Були заяви, що в експериментах з вимірювання маси нейтрино, що народжуються при бета-розпаді тритію, нейтрино були тахіонами. Це сумнівно, але поки що остаточно не спростовано.

Теоретично тахіонів є проблеми. Крім можливого порушення причинності, тахіони також роблять вакуум нестабільним. Можливо вдасться обійти ці проблеми, але тоді ми зможемо використовувати тахионы для надсвітової передачі повідомлень.

Більшість фізиків вважає, що поява тахіонів у теорії – ознака якихось проблем цієї теорії. Ідея тахіонів така популярна у публіки просто тому, що вони часто згадуються у фантастичній літературі. Дивіться Tachyons.

20. Кротові нори

Найвідоміший спосіб глобальної надсвітлової подорожі - використання "кротових нір". Кротова нора - це проріз у просторі-часі з однієї точки всесвіту в іншу, яка дозволяє пройти від одного кінця нори до іншого швидше, ніж звичайною дорогою. Кротові нори описуються загальною теорією відносності. Для їх створення потрібно змінити топологію простору-часу. Можливо, це стане можливим у межах квантової теорії гравітації.

Щоб утримувати відкриту кротову нору, потрібні області простору з негативною енергією. C.W.Misner та K.S.Thorne запропонували для створення негативної енергії використовувати ефект Казимира у великому масштабі. Visserзапропонував використати для цього космічні струни. Це дуже умоглядні ідеї, і, можливо, це неможливо. Можливо, необхідна форма екзотичної матерії з негативною енергією немає.

Присвячена прямому виміру швидкості руху нейтрино. Результати звучать сенсаційно: швидкість нейтрино виявилася трохи - але статистично достовірно! - Більше швидкості світла. Стаття колаборації містить аналіз різноманітних джерел похибок та невизначеностей, проте реакція переважної більшості фізиків залишається дуже скептичною, насамперед тому, що такий результат не узгоджується з іншими експериментальними даними щодо властивостей нейтрино.

Рис. 1.

Подробиці експерименту

Ідея експерименту (див. OPERA experiment) дуже проста. Нейтринний пучок народжується в ЦЕРНі, летить через Землю в італійську лабораторію Гран-Сассо і проходить там через спеціальний нейтринний детектор OPERA. Нейтрино дуже слабо взаємодіють з речовиною, але через те, що їхній потік із ЦЕРНу дуже великий, деякі нейтрино все ж таки стикаються з атомами всередині детектора. Там вони породжують каскад заряджених частинок і цим залишають у детекторі свій сигнал. Нейтрино в ЦЕРН народжуються не безперервно, а «сплесками», і якщо ми знаємо момент народження нейтрино та момент його поглинання в детекторі, а також відстань між двома лабораторіями, ми можемо обчислити швидкість руху нейтрино.

Відстань між джерелом та детектором по прямій становить приблизно 730 км і виміряна вона з точністю 20 см (точна відстань між реперними точками становить 730 534,61±0,20 метрів). Щоправда, процес, що призводить до народження нейтрино, зовсім не локалізовано з такою точністю. У ЦЕРНі пучок протонів високої енергії вилітає з прискорювача SPS, скидається на графітову мішень і породжує у ній вторинні частки, зокрема мезони. Вони, як і раніше, летять вперед з навколосвітньою швидкістю і на льоту розпадаються на мюони з нейтрино. Мюони теж розпадаються та породжують додаткові нейтрино. Потім усі частинки, крім нейтрино, поглинаються в товщі речовини, а ті безперешкодно долітають до місця детектування. Загальна схема цієї частини експерименту наведено на рис. 1.

Весь каскад, що веде до появи нейтринного пучка, може розтягнутися на сотні метрів. Однак оскільки Усечастинки в цьому згустку летять вперед з навколосвітньою швидкістю, для часу детектування немає ніякої різниці, народилося нейтрино відразу або через кілометр шляху (проте має велике значення, коли саме той вихідний протон, який привів до народження даного нейтрино, вилетів з прискорювача). У результаті народжені нейтрино просто просто повторюють профіль вихідного протонного пучка. Тому ключовим параметром тут є саме тимчасовий профіль пучка протонів, що вилітають з прискорювача, особливо - точне положення його переднього і заднього фронтів, а цей профіль вимірюється з хорошим часом. ым роздільною здатністю (див. рис. 2).

Кожен сеанс скидання протонного пучка на мішень (англійською такий сеанс називається spill, "Виплеск") триває приблизно 10 мікросекунд і призводить до народження величезної кількості нейтрино. Однак практично всі вони пролітають Землю (і детектор) без взаємодії. У тих же поодиноких випадках, коли детектор таки реєструє нейтрино, неможливо сказати, в який саме момент протягом 10-мікросекундного інтервалу воно було випущено. Аналіз можна провести лише статистично, тобто нагромадити багато випадків детектування нейтрино та побудувати їх розподіл за часом щодо моменту початку відліку для кожного сеансу. У детекторі за початок відліку приймається той час, коли умовний сигнал, що рухається зі швидкістю світла і випромінюваний рівно в момент переднього фронту протонного пучка, досягає детектора. Точне вимірювання цього моменту стало можливим завдяки синхронізації годин у двох лабораторіях з точністю в кілька наносекунд.

На рис. 3 показано приклад такого розподілу. Чорні точки - це реальні нейтринні дані, зареєстровані детектором і підсумовані за великою кількістю сеансів. Червона крива показує умовний «опорний» сигнал, який би рухався зі швидкістю світла. Видно, що дані починаються приблизно на 1048,5 нс ранішеопорного сигналу Це, втім, ще не означає, що нейтрино дійсно на мікросекунду випереджає світло, а є лише приводом для того, щоб ретельно переміряти всі довжини кабелів, швидкість спрацьовування апаратури, часи затримки електроніки і так далі. Ця повторна перевірки була виконана, і виявилося, що вона зміщує «опорний» момент на 988 нс. Таким чином, виходить, що нейтринний сигнал дійсно обганяє опорний, але приблизно на 60 наносекунд. У перерахунку швидкість нейтрино це відповідає перевищенню швидкості світла приблизно 0,0025%.

Похибка цього виміру була оцінена авторами аналізу в 10 наносекунд, що включає і статистичну, і систематичну похибки. Таким чином, автори стверджують, що вони «бачать» надсвітловий рух нейтрино на рівні статистичної достовірності шість стандартних відхилень.

Відмінність результатів від очікувань шість стандартних відхилень вже досить велике і називається у фізиці елементарних частинок гучним словом «відкриття». Однак треба правильно розуміти це число: воно лише означає, що ймовірність статистичноїФлуктуація даних дуже мала, але не говорить про те, наскільки надійна методика обробки даних і наскільки добре фізики врахували всі інструментальні похибки. Зрештою, у фізиці елементарних частинок є чимало прикладів, коли незвичайні сигнали з винятково великою статистичною достовірністю не підтверджувалися іншими експериментами.

Чому суперечать надсвітлові нейтрино?

Всупереч поширеній думці, спеціальна теорія відносності не забороняє саме собою існування частинок, що рухаються з надсвітловою швидкістю. Однак для таких частинок (їх узагальнено називають «тахіони») швидкість світла теж є межею, але тільки знизу - вони не можуть рухатися повільніше за неї. У цьому залежність енергії частинок від швидкості виходить зворотної: що більше енергія, то ближче швидкість тахіонів до швидкості світла.

Набагато серйозніші проблеми починаються в квантовій теорії поля. Ця теорія приходить на зміну квантової механіки, коли йдеться про квантові частинки з великими енергіями. У цій теорії частинки - це не крапки, а, умовно кажучи, згустки матеріального поля, і розглядати їх окремо від поля не можна. Виявляється, що тахіони знижують енергію поля, отже, роблять вакуум нестабільним. Порожнечі тоді вигідніше спонтанно розсипатися на велику кількість цих частинок, і тому розглядати рух одного тахіону у звичайному порожньому просторі просто безглуздо. Можна сказати, що тахіон – це не частка, а нестабільність вакууму.

У разі тахіонів-ферміонів ситуація дещо складніша, але й там теж виникають порівняні труднощі, що заважають створенню самоузгодженої квантової теорії тахіонної поля, що включає звичайну теорію відносності.

Втім, це теж не останнє слово теоретично. Так само, як експериментатори вимірюють все, що піддається виміру, теоретики теж перевіряють усі можливі гіпотетичні моделі, які не суперечать наявним даним. Зокрема, існують теорії, в яких допускається невелике, не помічене поки що відхилення від постулатів теорії відносності - наприклад, швидкість світла сама по собі може бути змінною величиною. Прямої експериментальної підтримки в таких теорій поки що немає, але вони поки що й не закриті.

Під цією короткою замальовкою теоретичних можливостей можна підбити такий підсумок: незважаючи на те, що в деяких теоретичних моделях рух із надсвітловою швидкістю можливий, вони залишаються виключно гіпотетичними конструкціями. Усі наявні сьогодні експериментальні дані описуються стандартними теоріями без надсвітлового руху. Тому якби воно достовірно підтвердилося хоч для якихось частинок, квантову теорію поля довелося б кардинально переробляти.

Чи варто вважати результат OPERA у цьому сенсі «першою ластівкою»? Поки немає. Мабуть, найголовнішим приводом для скепсису залишається той факт, що результат OPERA не узгоджується з іншими експериментальними даними щодо нейтрино.

По-перше, під час знаменитого спалаху наднової SN1987A були зареєстровані і нейтрино, які прийшли за кілька годин до світлового імпульсу. Не означає, що нейтрино йшли швидше світла, лише відображає той факт, що нейтрино випромінюються більш ранньому етапі колапсу ядра при спалаху наднової, ніж світло. Однак якщо нейтрино і світло, провівши в дорозі 170 тисяч років, не розійшлися більш ніж на кілька годин, значить, швидкості у них дуже близькі і відрізняються не більш ніж на мільярдні частки. Експеримент же OPERA показує у тисячі разів сильнішу розбіжність.

Тут, звичайно, можна сказати, що нейтрино, що народжуються при спалахах наднових, і нейтрино з ЦЕРН сильно розрізняються по енергії (кілька десятків МеВ в наднових і 10-40 ГеВ в експерименті), а швидкість нейтрино змінюється в залежності від енергії. Але ця зміна в даному випадку працює в «неправильну» сторону: адже чим вища енергія тахіонів, тим ближча їхня швидкість повинна бути до швидкості світла. Звичайно, і тут можна вигадати якусь модифікацію тахіонної теорії, в якій ця залежність була б зовсім іншою, але в такому разі доведеться вже обговорювати «двічі-гіпотетичну» модель.

Далі, з безлічі експериментальних даних з нейтринних осциляцій, отриманих останніми роками, слід, що маси всіх нейтрино відрізняються одна від друга лише частки электронвольта. Якщо результат OPERA сприймати як прояв надсвітлого руху нейтрино, тоді величина квадрата маси хоча б одного нейтрино буде порядку –(100 МеВ) 2 (негативний квадрат маси - і є математичне прояв те, що частка вважається тахіоном). Тоді доведеться визнати, що Усесорти нейтрино - тахіони і мають приблизно таку масу. З іншого боку, пряме вимірювання маси нейтрино в бета-розпаді ядер тритію показує, що маса нейтрино (за модулем) не повинна перевищувати 2 електронвольта. Іншими словами, усі ці дані узгодити одна з одною не вдасться.

Висновок звідси можна зробити такий: заявлений результат колаборації OPERA важко вмістити в будь-які, навіть у найекзотичніші теоретичні моделі.

Що далі?

У всіх великих колабораціях у фізиці елементарних частинок нормальною практикою є ситуація, коли кожен конкретний аналіз виконується невеликою групою учасників, і лише потім результати виносяться на загальне обговорення. В даному випадку, мабуть, цей етап був занадто коротким, внаслідок чого далеко не всі учасники колаборації погодилися підставити свій підпис під статтею (повний список налічує 216 учасників експерименту, а препринт має лише 174 автори). Тому найближчим часом, мабуть, усередині колаборації буде проведено безліч додаткових перевірок, і лише після цього стаття буде надіслана до друку.

Звичайно, зараз очікується і потік теоретичних статей з різноманітними екзотичними поясненнями цього результату. Однак поки заявлений результат не буде надійно перевірено ще раз, вважати його повноправним відкриттям не можна.

Група вчених з експерименту OPERA у співпраці з Європейською організацією ядерних досліджень (CERN) опублікувала сенсаційні результати експерименту щодо подолання швидкості світла. Результати досвіду спростовують спеціальну теорію відносності Альберта Ейнштейна, де базується вся сучасна фізика. Теорія свідчить, що швидкість світла становить 299 792 458 м/с, а елементарні частки що неспроможні рухатися швидше швидкості світла.

Проте вчені зафіксували її перевищення нейтрино пучком на 60 наносекунд при подоланні 732 км. Сталося це 22 вересня під час експерименту, який проводила міжнародна група фізиків-ядерників з Італії, Франції, Росії, Кореї, Японії та інших країн.

Експеримент проходив таким чином: протонний пучок розганяли у спеціальному прискорювачі та били їм у центр спеціальної мішені. Так народжувалися мезони – частки, що складаються з кварків.

При розпаді мезонів народжуються нейтрино, – пояснив «Известиям» академік РАН Валерій Рубаков, головний науковий співробітник Інституту ядерних досліджень РАН. - Пучок розташований так, щоб нейтрино пролітало 732 км і потрапляло до італійської підземної лабораторії в Гран-Сассо. У ній стоїть спеціальний детектор, який фіксує швидкість нейтрино пучка.

Результати дослідження розкололи науковий світ. Деякі вчені відмовляються повірити результатам.

Те, що зробили в CERN, із сучасних позицій фізики неможливо, - заявив «Известиям» академік РАН Спартак Бєляєв, науковий керівник Інституту загальної та ядерної фізики. - Необхідно перевірити цей експеримент та його результати – можливо, вони просто помилилися. Всі експерименти, що проводилися до цього, вкладалися в існуючу теорію, а через один раз проведений експеримент піднімати паніку не варто.

Академік Бєляєв водночас визнає: якщо вдасться довести, що нейтрино може рухатися швидше за швидкість світла, це буде переворот.

Нам тоді доведеться ламати всю фізику, – сказав він.

Якщо результати підтвердяться, це революція, – згоден академік Рубаков. - Складно сказати, чим це обернеться для людей. Взагалі, спеціальну теорію відносності міняти, звичайно, можна, але зробити це дуже складно і яка в результаті викристалізується теорія, не зовсім зрозуміло.

Рубаков звернув увагу, що у звіті йдеться, що за три роки експерименту зафіксовано та виміряно 15 тис. подій.

Статистика дуже хороша, а в експерименті брала участь міжнародна група авторитетних вчених, – резюмує Рубаков.

Академіки підкреслили, що у світі регулярно робляться спроби експериментально спростувати спеціальну теорію відносності. Проте позитивних результатів жодна з них досі не давала.

У вересні 2011 року фізик Антоніо Ередітато шокував світ. Його заява могла перевернути наше розуміння Всесвіту. Якщо дані, зібрані 160 вченими проекту OPERA, були правильними, було неймовірне. Частинки - у разі нейтрино - рухалися швидше світла. Відповідно до теорії відносності Ейнштейна, це неможливо. І наслідки такого спостереження були б неймовірними. Можливо, довелося б переглянути основи фізики.

Хоча Ередітато говорив, що він і його команда були «вкрай впевнені» у своїх результатах, вони не говорили про те, що дані були абсолютно точними. Навпаки, вони попросили інших учених допомогти їм розібратися у тому, що відбувається.

Зрештою виявилося, що результати OPERA були помилковими. Через погано підключений кабель виникла проблема синхронізації, і сигнали з GPS-супутників були неточними. Була несподівана затримка у сигналі. Як наслідок, вимірювання часу, який знадобився нейтрино на подолання певної дистанції, показали зайві 73 наносекунди: здавалося, що нейтрино пролетіли швидше, ніж світло.

Незважаючи на місяці ретельної перевірки до початку експерименту та повторну перевірку даних згодом, вчені серйозно помилилися. Ередітато пішов у відставку, попри зауваження багатьох про те, що подібні помилки завжди відбувалися через надзвичайну складність пристрою прискорювачів частинок.

Чому припущення - тільки припущення - що щось може рухатися швидше світла, викликало такий шум? Наскільки ми впевнені, що нічого не може подолати цей бар'єр?

Давайте спочатку розберемо друге із цих питань. Швидкість світла у вакуумі становить 299 792,458 кілометри на секунду - для зручності, це число округляють до 300 000 кілометрів на секунду. Це дуже швидко. Сонце знаходиться за 150 мільйонів кілометрів від Землі, і світло від нього доходить до Землі всього за вісім хвилин і двадцять секунд.

Чи може якесь із наших творінь конкурувати у гонці зі світлом? Один з найшвидших штучних об'єктів серед будь-коли збудованих, космічний зонд «Нові горизонти», просвистів повз Плутон і Харон у липні 2015 року. Він досяг швидкості щодо Землі в 16 км/c. Набагато менше ніж 300 000 км/с.

Проте ми мали крихітні частинки, які рухалися дуже швидко. На початку 1960-х років Вільям Бертоцці у Массачусетському технологічному інституті експериментував із прискоренням електронів до ще більш високих швидкостей.

Оскільки електрони мають негативний заряд, їх можна розганяти – точніше, відштовхувати – застосовуючи той самий негативний заряд до матеріалу. Що більше енергії прикладається, то швидше розганяються електрони.

Можна було б подумати, що потрібно просто збільшувати енергію, що додається, щоб розігнатися до швидкості в 300 000 км/с. Але виявляється, що електрони просто не можуть рухатися так швидко. Експерименти Бертоцці показали, що використання більшої енергії не призводить до прямого пропорційного збільшення швидкості електронів.

Натомість потрібно було прикладати величезні кількості додаткової енергії, щоб хоч трохи змінити швидкість руху електронів. Вона наближалася до швидкості світла дедалі ближче, але ніколи її не досягла.

Уявіть собі рух до дверей невеликими кроками, кожен з яких долає половину відстані від поточної позиції до дверей. Строго кажучи, ви ніколи не дістанетеся до дверей, оскільки після кожного вашого кроку у вас залишатиметься дистанція, яку потрібно подолати. Приблизно з такою проблемою зіткнувся Бертоцці, розбираючись зі своїми електронами.

Але світло складається із частинок під назвою фотони. Чому ці частинки можуть рухатися на швидкості світла, а електрони – ні?

«У міру того як об'єкти рухаються все швидше і швидше, вони стають все важчими - чим важчими вони стають, тим важче їм розігнатися, тому ви ніколи не наберете швидкість світла», говорить Роджер Рассул, фізик з Університету Мельбурна в Австралії. «Фотон не має маси. Якби він мав масу, він не міг би рухатися зі швидкістю світла».

Фотони особливі. У них не тільки відсутня маса, що забезпечує їм повну свободу переміщень у космічному вакуумі, їм ще й не потрібно розганятися. Природна енергія, яку вони мають, переміщається хвилями, як і вони, тому в момент їх створення вони вже мають максимальну швидкість. У певному сенсі простіше думати про світло як про енергію, а не як про потік частинок, хоча, по правді кажучи, світло є тим і іншим.

Проте світло рухається набагато повільніше, ніж ми могли б очікувати. Хоча інтернет-техніки люблять говорити про комунікації, які працюють «на швидкості світла» в оптоволокні, світло рухається на 40% повільніше у склі цього оптоволокна, ніж у вакуумі.

Насправді фотони рухаються на швидкості 300 000 км/с, але стикаються з певною інтерференцією, перешкодами, викликаними іншими фотонами, які випускаються атомами скла, коли проходить головна світлова хвиля. Зрозуміти це може бути нелегко, але ми хоч би спробували.

Так само, в рамках спеціальних експериментів з окремими фотонами, вдавалося сповільнити їх дуже переконливо. Але для більшості випадків буде справедливо число 300 000. Ми не бачили і не створювали нічого, що могло б рухатися так само швидко, або ще швидше. Є особливі моменти, але перш ніж ми їх торкнемося, давайте торкнемося іншого наше питання. Чому так важливо, щоб правило швидкості світла виконувалося суворо?

Відповідь пов'язана з людиною на ім'я, як часто буває у фізиці. Його спеціальна теорія відносності досліджує багато наслідків його універсальних меж швидкості. Одним із найважливіших елементів теорії є ідея того, що швидкість світла стала. Незалежно від того, де ви і як швидко рухаєтеся, світло завжди рухається з однаковою швидкістю.

Але із цього випливає кілька концептуальних проблем.

Уявіть собі світло, яке падає від ліхтарика на дзеркало на стелі стаціонарного космічного апарату. Світло йде нагору, відбивається від дзеркала і падає на підлогу космічного апарату. Скажімо, він долає дистанцію за 10 метрів.

Тепер уявімо, що цей космічний апарат починає рух із колосальною швидкістю у багато тисяч кілометрів на секунду. Коли ви включаєте ліхтарик, світло поводиться як раніше: світить вгору, потрапляє в дзеркало і відбивається в підлогу. Але щоб це зробити, світові доведеться подолати діагональну відстань, а не вертикальну. Зрештою, дзеркало тепер швидко рухається разом із космічним апаратом.

Відповідно, збільшується дистанція, яку долає світло. Скажімо, на 5 метрів. Виходить 15 метрів загалом, а не 10.

І незважаючи на це, хоча дистанція збільшилася, теорії Ейнштейна стверджують, що світло, як і раніше, буде рухатися з тією ж швидкістю. Оскільки швидкість — це відстань, поділена на час, якщо швидкість залишилася колишньою, а відстань збільшилася, час теж має збільшитися. Так, саме час має розтягнутися. І хоча це звучить дивно, але це було підтверджено експериментально.

Цей феномен називається уповільненням часу. Час рухається повільніше для людей, які пересуваються в транспорті, що швидко рухається, щодо тих, хто нерухомий.

Наприклад, час йде на 0,007 секунди повільніше для астронавтів на Міжнародній космічній станції, яка рухається зі швидкістю 7,66 км/с щодо Землі, якщо порівнювати з людьми на планеті. Ще цікавіша ситуація з частинками на кшталт вищезгаданих електронів, які можуть рухатися близько до швидкості світла. У випадку з цими частинками, ступінь уповільнення буде величезним.

Стівен Кольтхаммер, фізик-експериментатор з Оксфордського університету у Великій Британії, вказує на приклад із частинками під назвою мюони.

Мюони нестабільні: вони швидко розпадаються більш прості частинки. Так швидко, що більшість мюонів, що залишають Сонце, повинні розпадатися на момент досягнення Землі. Але насправді мюони прибувають на Землю із Сонця в колосальних обсягах. Фізики довго намагалися зрозуміти чому.

«Відповіддю на цю загадку є те, що мюони генеруються з такою енергією, що рухаються на швидкості, близькій до світлової, – каже Кольтхаммер. - Їх відчуття часу, так би мовити, їх внутрішній годинник іде повільно».

Мюони «залишаються живими» довше, ніж очікувалося, щодо нас, завдяки справжньому, природному викривленню часу. Коли об'єкти швидко рухаються щодо інших об'єктів, їх довжина також зменшується, стискається. Ці наслідки, уповільнення часу і зменшення довжини, є прикладами того, як змінюється простір-час залежно від руху речей - мене, тебе або космічного апарату - які мають масу.

Що важливо, як говорив Ейнштейн, на світ це не впливає, оскільки він не має маси. Ось чому ці принципи йдуть пліч-о-пліч. Якби предмети могли рухатися швидше світла, вони підкорялися б фундаментальним законам, які описують роботу Всесвіту. Це є ключові принципи. Тепер ми можемо поговорити про кілька винятків та відступів.

З одного боку, хоча ми не бачили нічого, що рухалося б швидше за світло, це не означає, що ця межа швидкості не можна теоретично побити в дуже специфічних умовах. Наприклад, візьмемо розширення самого Всесвіту. Галактики у Всесвіті віддаляються одна від одної на швидкості, що значно перевищує світлову.

Інша цікава ситуація стосується частинок, які поділяють одні й самі властивості в один і той же час, незалежно від того, як далеко знаходяться один від одного. Це так звана "квантова заплутаність". Фотон буде обертатися вгору і вниз, випадково вибираючи з двох можливих станів, але вибір напрямку обертання точно відбиватиметься на іншому фотоні деінде, якщо вони заплутані.

Два вчених, кожен з яких вивчає свій власний фотон, отримають той самий результат одночасно, швидше, ніж могла б дозволити швидкість світла.

Однак в обох цих прикладах важливо відзначити, що жодна інформація не переміщується швидше за швидкість світла між двома об'єктами. Ми можемо обчислити розширення Всесвіту, але не можемо спостерігати об'єкти швидше за світло в ньому: вони зникли з поля зору.

Що стосується двох вчених з їхніми фотонами, хоча вони могли б отримати один результат одночасно, вони не могли б дати про це знати один одному швидше, ніж рухається світло між ними.

«Це не створює нам жодних проблем, оскільки якщо ви здатні посилати сигнали швидше за світло, ви отримуєте химерні парадокси, відповідно до яких інформація може якимось чином повернутися назад у часі», каже Кольтхаммер.

Є й інший можливий спосіб зробити подорожі швидше за світло технічно можливими: розломи в просторі-часі, які дозволять мандрівникові уникнути правил звичайної подорожі.

Джеральд Клівер з Університету Бейлор у Техасі вважає, що одного разу ми зможемо побудувати космічний апарат, що подорожує швидше за світло. Який рухається через червоточину. Червоточини - це петлі в просторі-часі, що чудово вписуються в теорії Ейншейна. Вони могли б дозволити астронавту перескочити з одного кінця Всесвіту в інший за допомогою аномалії у просторі-часі, певної форми космічного короткого шляху.

Об'єкт, що подорожує через червоточину, не перевищуватиме швидкість світла, але теоретично може досягти пункту призначення швидше, ніж світло, що йде «звичайним» шляхом. Але червоточини можуть бути взагалі недоступними для космічних подорожей. Чи може бути інший спосіб активно спотворити простір-час, щоб рухатися швидше за 300 000 км/с щодо когось ще?

Клівер також досліджував ідею "двигуна Алькуб'єрре", в 1994 році. Він визначає ситуацію, в якій простір-час стискається перед космічним апаратом, штовхаючи його вперед, і розширюється за ним, а також штовхаючи його вперед. "Але потім, - каже Клівер, - виникли проблеми: як це зробити і скільки знадобиться енергії".

У 2008 році він та його аспірант Річард Обоузі розрахували, скільки знадобиться енергії.

"Ми представили корабель 10 м х 10 м х 10 м - 1000 кубометрів - і підрахували, що кількість енергії, необхідна для початку процесу, буде еквівалентна масі цілого Юпітера".

Після цього енергія повинна постійно «підливатись», щоб процес не завершився. Ніхто не знає, чи це станеться коли-небудь можливо, або на що будуть схожі необхідні технології. «Я не хочу, щоб мене потім століттями цитували, ніби я пророкував щось, чого ніколи не буде, - каже Клівер, - але поки що я не бачу рішень».

Отже, подорожі швидше за швидкість світла залишаються фантастикою на даний момент. Поки що єдиний спосіб - поринути у глибокий анабіоз. І все ж таки не все так погано. Найчастіше ми говорили про видиме світло. Але насправді світло - це набагато більше. Від радіохвиль і мікрохвиль до видимого світла, ультрафіолетового випромінювання, рентгенівських променів і гамма-променів, що випускаються атомами в процесі розпаду - всі ці прекрасні промені складаються з одного й того ж: фотонів.

Різниця в енергії, а значить – у довжині хвилі. Всі разом ці промені складають електромагнітний спектр. Те, що радіохвилі, наприклад, рухаються зі швидкістю світла, надзвичайно корисно для комунікацій.

У своєму дослідженні Кольтхаммер створює схему, яка використовує фотони для передачі сигналів з однієї частини схеми в іншу, так що цілком заслуговує права прокоментувати корисність неймовірної швидкості світла.

"Сам факт того, що ми побудували інфраструктуру Інтернету, наприклад, а до нього і радіо, засновану на світі, має відношення до легкості, з якою ми можемо його передавати", - зазначає він. І додає, що світло постає як комунікаційна сила Всесвіту. Коли електрони в мобільному телефоні починають тремтіти, фотони вилітають і призводять до того, що електрони в іншому мобільному телефоні теж тремтять. Так народжується телефонний дзвінок. Тремтіння електронів на Сонці також випромінює фотони - у величезних кількостях - які, звичайно, утворюють світло, що дає життя на Землі тепло і, кхм, світло.

Світло це універсальна мова Всесвіту. Його швидкість – 299 792,458 км/с – залишається постійною. Тим часом, простір та час податливі. Можливо, нам варто замислюватися не про те, як рухатися швидше світла, а як швидше пересуватися цим простором і цим часом? Зріти в корінь, так би мовити?