Які частинки рухаються зі швидкістю світла. Давайте розберемося: чому ніщо не може бути швидше за світло? Чому суперечать надсвітлові нейтрино

. За словами Антоніо Ередітато (Antonio Ereditato), співробітника центру фізики частинок на франко-швейцарському кордоні, після трьох років вимірів виявилося, що пучок нейтрино, запущених з Женеви в італійську лабораторію Гран Сассо подолали відстань у 730 км на 60 наносекунд.

"Ми маємо високу впевненість у результатах. Але необхідно, щоб інші колеги провели свої тести та підтвердили наші результати.За словами вченого, похибка вимірювань не перевищує 10 нс.

Якщо результати досліджень підтвердяться, це може поставити під сумнів основу спеціальної теорії відносності Альберта Ейнштейна (1905), яка свідчить, що ніщо у всесвіті неспроможна рухатися швидше світла, тобто. зі швидкістю вище 299792 км/с.

0 0

Тут написана, на жаль, повна нісенітниця. Агентство "Рейтер", звичайно, солідна організація, але новини науки необхідно черпати все-таки не з тих же рук, які приносять новини політики, світського життя.

"основу спеціальної теорії відносності Альберта Ейнштейна (1905), яка свідчить, що ніщо у всесвіті не може рухатися швидше за світло"

Нічого такого теорія відносності не стверджує. Теорія відносності стверджує, що ніщо не може рухатися швидше за світло у вакуумі. І частинки, які рухаються швидше світла, знайдені давним давно, точніше - знайдені такі середовища, в якому деякі частинки можуть рухатися швидше за фотони.
Як йшов пучок нейтрино з Женеву кудись там, мені незрозуміло, але вже явно не у вакуумі. Якщо, наприклад, він йшов повітрям, то нічого дивного немає в тому, що фотони, що розсіюються повітрям, дійшли до кінцевої точки пізніше, ніж майже не взаємодіють з речовиною нейтрино.

0 0

По суті, нейтрино завжди рухатимуся швидше світла:) Просто тому, що вони з матерією практично не взаємодіють, а світло (фотони) взаємодіє чудово. І тільки у вакуумі фотони розганяються до повного кайфу:)
А ось цікаво було знайти таке середовище, в якому електрони могли б рухатися швидше за швидкість світла. І таке середовище знайшли й давно. І при цьому з'являються дивовижні ефекти. Подивися у вікіпедії "Випромінювання Вавилова-Черенкова".

0 0

Ще одна публікація на тему:

Фізики дослідницького центру Європейської організації з ядерних досліджень (ЦЕРН) під час експерименту з'ясували, що субатомні частки можуть рухатися зі швидкістю, що перевищує швидкість світла.

Пучок нейтрино, спрямований із ЦЕРН до підземної лабораторії Гран-Сассо в Італії на відстань у 732 км, прибув на місце призначення, як повідомляється, на кілька мільярдних часток секунди раніше, ніж якби пересувався зі швидкістю світла.

Якщо дані експерименту будуть підтверджені, то буде спростовано теорію відносності Ейнштейна, згідно з якою швидкість світла становить 299 792 458 метрів за секунду.

За даними вчених, пучки нейтрино обігнали її на 60 наносекунд, що суперечить постулату, що елементарні частинки не можуть рухатися швидше за швидкість світла.

Російська служба Бі-Бі-Сі поговорила про результати експерименту з Рубеном Саакяном, професором фізики Університетського коледжу Лондона.

Бі-бі-сі: Ви працювали в лабораторії Гран-Сассо, і, мабуть, добре знайомі з експериментом "Опера".

Рубен Саакян: Я покинув лабораторію Гран-Сассо більше 10 років тому, коли "Опера" лише будувалася. "Опера" - це експеримент, який займається пошуком такого явища, як нейтринні осциляції, тобто перетворення одного типу нейтрино на інший.

Нейтрино - це фундаментальні частинки, так звані цеглини світобудови. Вони мають низку цікавих властивостей, зокрема перетворення з одного типу на інший. "Опера" призначена для того, щоб вивчати цю проблему.

Той результат (дані, що нейтрино рухаються зі швидкістю, що перевищує швидкість світла), був побічним продуктом експерименту, який вони робили.

Бі-бі-сі: Чи переконливі представлені вченими результати?

Р.С.: Опубліковані результати виглядають переконливо. В експериментальній науці існує чисельна міра довіри до результату, тобто ваш вимір має перевищувати похибку виміру принаймні вп'ятеро. А у них воно перевищує у шість разів.

З іншого боку, це складне вимір, у ньому багато елементів, і кожному етапі існує багато способів зробити його неправильно. І тому слід сприймати його зі здоровим скептицизмом. На честь авторів, вони не інтерпретують результат, а просто констатують дані, отримані в ході експерименту.

Бі-бі-сі: Як відреагувало світове наукове співтовариство на ці дані?

Р.С.: Світова спільнота відреагувала зі здоровим скептицизмом і навіть консерватизмом. Це ж серйозний експеримент, а не популістська заява.

Наслідки, якщо буде доведена істинність цих даних, надто серйозні, щоб легко сприймати їх.

Зміняться наші фундаментальні уявлення про світ. Тепер люди чекатимуть на подальші публікації систематичних помилок експерименту і, найголовніше, даних незалежних експериментів.

Бі-бі-сі: Яких, наприклад?

Р.С.: Існує американський експеримент "Мінус", який може цей вимір підтвердити. Він дуже схожий на "Оперу". На прискорювачі виробляється пучок нейтрино, потім посилається на 730 кілометрів та вимірюється у підземній лабораторії. Суть виміру проста: ви знаєте відстань між вашим джерелом і вашим детектором, ви вимірюєте час, за який він прийшов, і таким чином визначаєте швидкість.

Диявол у деталях. "Мінус" вже чотири роки тому зробив схожий вимір, але тоді у них та величина, яку вони виміряли, і похибка були зрівнянні один з одним. Їхня ключова проблема полягала в тому, що у них не було точної відстані.

730 кілометрів між джерелом та детектором складно виміряти з абсолютною точністю, а "Опера" нещодавно зуміла геодезичними методами виміряти цю відстань аж до 20 сантиметрів. "Мінус" намагатиметься зробити те саме і тоді зможе перевірити дані цього експерименту.

Бі-бі-сі: Якщо результат експерименту підтвердиться, як це вплине на традиційні уявлення про світ?

Р.С.: Якщо це підтвердиться, результат буде серйозний. Нині існують дві теорії, які пояснюють з наукового погляду весь світ, що оточує нас: квантова теорія мікросвіту і теорія відносності Ейнштейна.

Результат експерименту (нейтрино рухаються зі швидкістю, що перевищує швидкість світла) прямо суперечать теорії відносності Ейнштейна, яка стверджує, що у будь-якій точці відліку швидкість світла постійна і ніщо не може обігнати швидкість світла.

Існує безліч запаморочливих наслідків, зокрема, можливість подорожі в часі (для частинок).

Http://www.bbc.co.uk/russian/science/2011/09/110923_interview_expert_neutrino_discovery.shtml

0 0

Публікацій буде багато, але обговорювати їх безглуздо на 10, тому що ти навіть не уявляєш собі, напевно - наскільки фізика пішла вперед з 1905 року:), коли Ейнштейн тільки сформулював принципи теорії віднос. Існує маса абсолютно несподіваних аспектів всього цього, і якщо ними нехтувати, то легко висмоктувати сенсації. Експериментатори нічого не висмоктували, мабуть, але тільки характерно, що ні самі вони, ні вчені, які займаються цими проблемами, жодних криків не видають - вони просто зафіксували ось такий результат і пропонують тепер його перевірити і чи спростувати, чи підтвердити, і "Підтвердити" - ще не означає, що теорія відносності повинна бути скоригована, так як можуть бути різні пояснення цих даних в умовах існуючої моделі.
Наприклад уяви собі - якась частка так розігнана, що її швидкість майже дорівнює швидкості світла - дуже близько. при цьому, якщо її координата буде досить слабо невизначена, то згідно з принципом невизначеності гейзенберга невизначеність її швидкості стає такою, що існує ненульова ймовірність того, що частка рухається швидше за швидкість світла. Це відомий парадокс, з якого зокрема випливає гіпотеза існування антиматерії, яка все чудово в результаті пояснює в рамках існуючої моделі.
Ну і згадай таку охрененную штуку, як вакуум Казимира - ваккум це не порожнеча, це облатся простору, яка кишить незліченними кількостями віртуальних частинок, що народжуються і вмирають. Віртуальні вони названі тому, що народжуються та анігілюють вони швидше, ніж ти можеш це виявити, щоб зафіксувати порушення законів збереження. Тим не менш, при певних уявних дослідах можна хіба що "розсунути" пари віртуальних частинок, і вони не зможуть схлопнутися. Крім того, якщо взяти виключно малий розмір області простору, то в ньому з'явиться лише одна частка, а друга буде з іншого боку стіни. Ефект Казимира експериментально вже доведено, але його вивчення варто практично не зрушуючи через те, що вкрай складно проводити експерименти в таких малих областях простору.
Я вже не кажу про теорію тахіонів, яка теж спокійно може бути покликана до підтримки теорії відносності (якщо її пристосувати до пояснення таємничих перетворень нейтрино з одного типу в інший і можливої ось цієї гтуки з перевищенням швидкості світла
Загалом, там деталей стільки, що до рис можливостей зберегти теорію відносності в незайманому вигляді. Але деякі з можливих інтерпретацій можуть істотно зрушити фізику вперед.

0 0

Мені ще ось що не ясно: з того що я прочитав і побачив слід, що вчені запустили пучок нейтрино на відстань 700км на реєструючий пристрій. Але ж землю постійно, щомиті пронизують хуеліони нейтрино, які ніяк не взаємодіють з матерією. Як вони визначили, що на реєстраторі зафіксовано саме "їхнє" нейтрино, а не той, що прилетів із космосу?

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.

Мал. 1.

Подробиці експерименту

Ідея експерименту (див. OPERA experiment) дуже проста. Нейтринний пучок народжується в ЦЕРНі, летить крізь Землю до італійської лабораторії Гран-Сассо і проходить там крізь 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 і 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 всічастинки в цьому згустку летять вперед з навколосвітловою швидкістю, для часу детектування немає ніякої різниці, народилося нейтрино відразу або через кілометр шляху (проте має велике значення, коли саме той вихідний протон, який призвів 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 на Землю (і детектор) наскрізь 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 годинників 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 означає, що нейтрино справді на мікросекунду випереджає світло, а є лише приводом у тому, щоб ретельно переміряти всі довжини кабелів, швидкості спрацьовування апаратури, часи затримки електроніки тощо. 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 у 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. При цьому залежність енергії частинок від швидкості виходить зворотною: 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 частки з великими енергіями. У цій теорії частинки - це точки, 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 величезну 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 тахійної квантової теорії поля, що включає звичайну теорію відносності.

Втім, це теж не останнє слово теоретично. Так само, як експериментатори вимірюють все, що піддається виміру, теоретики також 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 таких теорій поки немає, але вони і 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 те що, 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 більше, ніж на кілька годин, значить швидкості у них дуже близькі і відрізняються не більше ніж на мільярдні частки. Експеримент OPERA показує в тисячі разів сильнішу розбіжність.

Тут, звичайно, можна сказати, що нейтрино, що народжуються при спалахах наднових, і нейтрино з ЦЕРН сильно різняться 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 придумати 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, випливає, 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 всісорти нейтрино - тахіони і мають приблизно таку масу. З іншого боку, прямий вимір маси нейтрино в бета-розпаді ядер тритію показує, що маса нейтрино (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 надто 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 статтю буде надіслано 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.

Фізики виявили, що частинки світла (фотони) можуть жити близько 1 трильйона років, а після розпаду виділяють у свою чергу дуже легкі частки, які можуть рухатися швидше за світло! З часом багато частинок схильні до природного розпаду. Наприклад, нестійкі радіоактивні атоми у певний момент розпадаються на дрібні частинки та виділяють сплеск енергії.

Буквально нещодавно вчені були впевнені, що фотони не розпадаються, оскільки вважалося, що вони не мають багато. Тим не менш, в даний час вчені припускають, що фотони мають масу, просто вона настільки мала, що не може бути виміряна за допомогою сучасних приладів.

Нинішня верхня межа маси фотона настільки мала, що становить менше однієї мільярдної, мільярдної, мільярдної частки маси протона. На підставі цього показника вчені підрахували, що фотон у видимому спектрі може жити близько 1 трильйона років. Однак цей надзвичайно тривалий термін життя поширений не на всі фотони, він розрахований у середньому. Існує ймовірність, що деякі фотони живуть дуже мало. Наш Всесвіт, що з'явився в результаті Великого Вибуху, в даний час близько 13,7 мільярда років. І наукові проекти, що проводяться в даний час, призначені не тільки для вимірювання післясвітіння Великого Вибуху, але і для можливого виявлення ознак раннього розпаду фотонів.

Якщо фотон зламати, в результаті розпаду повинні виділитися ще більш легкі частинки, ті, які здатні подорожувати у нашому Всесвіті швидше за швидкість світла. Ці примарні частки (нейтрино) дуже рідко взаємодіють зі звичайною матерією. Численні потоки нейтрино мчать кожну частку секунди не тільки крізь космічні простори, зірки і тіла, але й через кожну людину, що живе на Землі, при цьому не впливаючи на нашу матерію.

При розпаді кожен фотон виділяє два легкі нейтрино, які, будучи легшими, ніж світло, рухаються швидше фотонів. Відкриття нейтрино, здавалося б, порушує закон теорії відносності Ейнштейна про те, що ніщо не може рухатися швидше за світло, проте це не так, оскільки теорія заснована на тому, що фотон не має маси тіла. А теоретично говориться, що ніяка частка не може рухатися швидше, ніж безмасова частка.

Крім того, теорія відносності Ейнштейна припускає, що частки рухаються надзвичайно швидко, перебуваючи у спотвореному часовому просторі. Тобто, якби вони мали свідомість, у них склалося б враження, що всі, що відбуваються навколо них, перебуває в режимі дуже «уповільненої зйомки». Це означає, що в нашому тимчасовому просторі фотони мають жити близько 1 трильйона років, а в їхньому тимчасовому потоці — лише близько трьох років.

Сергій Василенков

У вересні 2011 року фізик Антоніо Ередітато шокував світ. Його заява могла перевернути наше розуміння Всесвіту. Якщо дані, зібрані 160-ма вченими проекту OPERA, були правильними, спостерігалося 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 точними. Навпаки, вони попросили інших вчених допомогти розібратися в 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 в гонці зі світлом? Один із найшвидших штучних об'єктів серед будь-коли побудованих, космічний зонд «Нові горизонти», просвистів повз Плутон і Харон у липні 2015 року. Він досяг швидкості щодо Землі 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 в Массачусетському технологічному інституті експериментував із прискоренням електронів до ще вищих швидкостей.

Оскільки електрони мають негативний заряд, їх можна розганяти - точніше відштовхувати - застосовуючи той же 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 з 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 немає маси, що забезпечує їм повну свободу переміщень у космічному вакуумі, їм ще й розганятися не потрібно. 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, правду кажучи, світло є і 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 вгору, відбивається від дзеркала та падає на підлогу космічного апарату. Скажімо, він долає дистанцію за 10 метрів.

Тепер уявімо, що цей космічний апарат починає рух із колосальною швидкістю в багато тисяч кілометрів на секунду. Коли ви вмикаєте 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, рухатиметься з тією ж швидкістю. Оскільки швидкість - це відстань, поділена на час, раз 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 планети. 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 близької 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 казав 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 цю межу швидкості не можна теоретично побити в вельми специфічних умовах. Наприклад, візьмемо розширення самого Всесвіту. Галактики у Всесвіті віддаляються один від одного 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 вчені, 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 ніяка інформація не переміщується швидше за швидкість світла між двома об'єктами. Ми можемо обчислити розширення Всесвіту, але не можемо спостерігати об'єкти швидше світла 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 якось 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», 1994 року. 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 має постійно «підливатись», щоб процес не завершився. Ніхто не знає, чи це стане колись можливо, або на що будуть схожі необхідні технології. «Я не хочу, щоб мене потім століттями цитували, ніби я передбачав 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 того самого: фотонів.

Різниця в енергії, а значить – у довжині хвилі. Всі разом ці промені складають електромагнітний спектр. Те, що радіохвилі, наприклад, рухаються зі швидкістю світла, дуже 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 на право прокоментувати корисність неймовірної швидкості світла.

«Сам факт того, що ми збудували 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 за світло, а як швидше пересуватися цим простором і цим часом? Зріти в корінь, так би мовити?

Подорож на надсвітловій швидкості одна з основ космічної наукової фантастики. Однак, напевно, всім – навіть людям, далеким від фізики, – відомо, що гранично можливою швидкістю руху матеріальних об'єктів чи поширення будь-яких сигналів є швидкість світла у вакуумі. Вона позначається буквою с і становить майже 300 тисяч кілометрів на секунду; точна величина з = 299792458 м/с.

Швидкість світла у вакуумі – одна з фундаментальних фізичних констант. Неможливість досягнення швидкостей, що перевищують с, випливає із спеціальної теорії відносності (СТО) Ейнштейна. Якби вдалося довести, що можлива передача сигналів із надсвітловою швидкістю, теорія відносності впала б. Поки що цього не трапилося, незважаючи на численні спроби спростувати заборону на існування швидкостей великих с. Проте в експериментальних дослідженнях останнього часу виявилися деякі дуже цікаві явища, що свідчать про те, що за спеціально створених умов можна спостерігати надсвітлову швидкість і при цьому принципи теорії відносності не порушуються.

Для початку нагадаємо основні аспекти, що стосуються проблеми швидкості світла.

Насамперед: чому не можна (за звичайних умов) перевищити світлову межу? Тому що тоді порушується фундаментальний закон нашого світу – закон причинності, відповідно до якого слідство не може випереджати причину. Ніхто ніколи не спостерігав, щоб, наприклад, спочатку замертво впав ведмідь, а потім вистрілив мисливець. При швидкостях же, що перевищують, послідовність подій стає зворотною, стрічка часу відмотується назад. У цьому легко переконатись з наступного простого міркування.

Припустимо, що ми знаходимося на якомусь космічному диво-кораблі, що рухається швидше за світло. Тоді ми поступово наздоганяли б світло, випущене джерелом у дедалі більш ранні моменти часу. Спочатку ми наздогнали б фотони, випущені, скажімо, вчора, потім - випущені позавчора, потім - тиждень, місяць, рік тому і таке інше. Якби джерелом світла було дзеркало, що відображає життя, то ми спочатку побачили б події вчорашнього дня, потім позавчорашнього і таке інше. Ми могли б побачити, скажімо, старого, який поступово перетворюється на людину середніх років, потім на молоду, на юнака, на дитину... Тобто час повернув би назад, ми рухалися б із сьогодення в минуле. Причини і наслідки у своїй змінилися б місцями.

Хоча в цьому міркуванні повністю ігноруються технічні деталі процесу спостереження за світлом, з принципової точки зору воно наочно демонструє, що рух із надсвітловою швидкістю призводить до неможливої ситуації в нашому світі. Проте природа поставила ще жорсткіші умови: недосяжний рух як із надсвітловою швидкістю, а й зі швидкістю, рівної швидкості світла, - до неї можна лише наближатися. З теорії відносності випливає, що при збільшенні швидкості руху виникають три обставини: зростає маса об'єкта, що рухається, зменшується його розмір у напрямку руху і сповільнюється плин часу на цьому об'єкті (з точки зору зовнішнього "спочиваючого" спостерігача). При звичайних швидкостях ці зміни мізерно малі, але в міру наближення до швидкості світла вони стають все відчутнішими, а в межі - при швидкості, що дорівнює, - маса стає нескінченно великий, об'єкт повністю втрачає розмір у напрямку руху і час на ньому зупиняється. Тому ніяке матеріальне тіло не може досягти швидкості світла. Таку швидкість має тільки саме світло! (А також "всепроникна" частка - нейтрино, яка, як і фотон, не може рухатися зі швидкістю, меншою за с.)

Тепер про швидкість передачі сигналу. Тут доречно скористатися уявленням світла як електромагнітних хвиль. Що таке сигнал? Це певна інформація, яка підлягає передачі. Ідеальна електромагнітна хвиля - це нескінченна синусоїда строго однієї частоти, і вона не може нести жодної інформації, бо кожен період такої синусоїди точно повторює попередній. Швидкість переміщення фази синусоїдальної хвилі - так звана фазова швидкість - може в середовищі за певних умов перевищувати швидкість світла у вакуумі. Тут обмеження відсутні, оскільки фазова швидкість перестав бути швидкістю сигналу - його ще немає. Щоб створити сигнал, треба зробити якусь відмітку на хвилі. Такою відміткою може бути, наприклад, зміна будь-якого параметра хвилі - амплітуди, частоти або початкової фази. Але як тільки відмітка зроблена, хвиля втрачає синусоїдальність. Вона стає модульованою, що складається з набору простих синусоїдальних хвиль з різними амплітудами, частотами та початковими фазами - групи хвиль. Швидкість переміщення позначки у модульованій хвилі і є швидкістю сигналу. При поширенні в середовищі ця швидкість зазвичай збігається з груповою швидкістю, що характеризує поширення вищезгаданої групи хвиль як цілого (див. "Наука і життя" № 2, 2000). За звичайних умов групова швидкість, отже, і швидкість сигналу менше швидкості світла у вакуумі. Тут не випадково вжито вираз "за звичайних умов", бо в деяких випадках і групова швидкість може перевищувати або взагалі втрачати сенс, але тоді вона не відноситься до поширення сигналу. У СТО встановлюється, що неможлива передача сигналу зі швидкістю більшою за с.

Чому це так? Тому, що перешкодою для передачі будь-якого сигналу зі швидкістю більше з служить той самий закон причинності. Уявімо таку ситуацію. У деякій точці А світловий спалах (подія 1) включає пристрій, що посилає якийсь радіосигнал, а у віддаленій точці під дією цього радіосигналу відбувається вибух (подія 2). Зрозуміло, що подія 1 (спалах) – причина, а подія 2 (вибух) – наслідок, що настає пізніше причини. Але якби радіосигнал поширювався з надсвітловою швидкістю, спостерігач поблизу точки В побачив би спочатку вибух, а вже потім - причину вибуху, що дійшла до нього зі швидкістю зі світловим спалахом. Іншими словами, для цього спостерігача подія 2 відбулася б раніше, ніж подія 1, тобто слідство випередило причину.

Доречно підкреслити, що "надсвітла заборона" теорії відносності накладається тільки на рух матеріальних тіл і передачу сигналів. У багатьох ситуаціях можливий рух із будь-якою швидкістю, але це буде рух не матеріальних об'єктів і не сигналів. Наприклад, уявимо дві лежачі в одній площині досить довгі лінійки, одна з яких розташована горизонтально, а інша перетинає її під малим кутом. Якщо першу лінійку рухати вниз (в напрямку, вказаному стрілкою) з великою швидкістю, точку перетину лінійок можна змусити бігти як завгодно швидко, але ця точка - не матеріальне тіло. Інший приклад: якщо взяти ліхтарик (або, скажімо, лазер, що дає вузький промінь) і швидко описати їм у повітрі дугу, то лінійна швидкість світлового зайчика збільшуватиметься з відстанню і на досить великому видаленні перевищить с. Світлова пляма переміститься між точками А і В з надсвітловою швидкістю, але це не буде передачею сигналу А в В, так як такий світловий зайчик не несе ніякої інформації про точку А.

Здавалося б, питання надсвітлових швидкостей вирішене. Але в 60-х роках ХХ століття фізиками-теоретиками була висунута гіпотеза існування надсвітлових частинок, названих тахіонами. Це дуже дивні частки: теоретично вони можливі, але, щоб уникнути протиріч із теорією відносності, їм довелося приписати уявну масу спокою. Фізично уявна маса немає, це суто математична абстракція. Однак це не викликало особливої тривоги, оскільки тахіони не можуть перебувати у спокої - вони існують (якщо існують!) тільки при швидкостях, що перевищують швидкість світла у вакуумі, а в цьому випадку маса тахіону виявляється речовою. Тут є деяка аналогія з фотонами: у фотона маса спокою дорівнює нулю, але це просто означає, що фотон не може бути спокій - світло не можна зупинити.

Найбільш складним виявилося, як і слід очікувати, примирити тахіонну гіпотезу із законом причинності. Спроби, що робилися в цьому напрямку, хоч і були дотепними, не призвели до явного успіху. Експериментально зареєструвати тахіони також нікому не вдалося. У результаті інтерес до тахіонів як до надсвітлових елементарних частинок поступово зійшов нанівець.

Проте в 60-х роках було експериментально виявлено явище, що спочатку привело фізиків у замішання. Про це докладно розказано у статті А. Н. Ораєвського "Надсвітлові хвилі в посилювальних середовищах" (УФН № 12, 1998). Тут ми коротко наведемо суть справи, надсилаючи читача, який цікавиться подробицями, до цієї статті.

Незабаром після відкриття лазерів – на початку 60-х років – виникла проблема отримання коротких (тривалістю порядку 1 нс = 10-9 с) імпульсів світла великої потужності. Для цього короткий лазерний імпульс пропускався через квантовий оптичний підсилювач. Імпульс розщеплювався світлоробним дзеркалом на дві частини. Одна з них, сильніша, прямувала в підсилювач, а інша поширювалася в повітрі і служила опорним імпульсом, з яким можна було порівнювати імпульс через підсилювач. Обидва імпульси подавалися на фотоприймачі, які вихідні сигнали могли візуально спостерігатися на екрані осцилографа. Очікувалося, що світловий імпульс, що проходить через підсилювач, зазнає в ньому деякої затримки порівняно з опорним імпульсом, тобто швидкість поширення світла в підсилювачі буде меншою, ніж у повітрі. Яке ж було здивування дослідників, коли вони виявили, що імпульс поширювався через підсилювач зі швидкістю не тільки більшою, ніж у повітрі, а й перевищує швидкість світла у вакуумі у кілька разів!

Оговтавшись від першого шоку, фізики стали шукати причину такого несподіваного результату. Ні в кого не виникло навіть найменшого сумніву в принципах спеціальної теорії відносності, і саме це допомогло знайти правильне пояснення: якщо принципи СТО зберігаються, відповідь слід шукати у властивостях посилюючого середовища.

Не вдаючись тут до деталей, вкажемо лише, що докладний аналіз механізму дії середовища, що посилює, повністю прояснив ситуацію. Справа полягала у зміні концентрації фотонів при поширенні імпульсу - зміні, обумовленому зміною коефіцієнта посилення середовища аж до негативного значення при проходженні задньої частини імпульсу, коли середовище вже поглинає енергію, бо її власний запас вже витрачено внаслідок передачі світлового імпульсу. Поглинання викликає не посилення, а ослаблення імпульсу, і, таким чином, імпульс виявляється посиленим у передній та ослабленим у задній його частині. Уявімо, що ми спостерігаємо за імпульсом за допомогою приладу, що рухається зі швидкістю світла серед підсилювача. Якби середовище було прозорим, ми бачили б застиглий у нерухомості імпульс. У середовищі ж, у якій відбувається згаданий вище процес, посилення переднього і ослаблення заднього фронту імпульсу буде представлятися спостерігачеві отже середовище хіба що посунула імпульс вперед. Але якщо прилад (спостерігач) рухається зі швидкістю світла, а імпульс обганяє його, то швидкість імпульсу перевищує швидкість світла! Саме цей ефект був зареєстрований експериментаторами. І тут справді немає протиріччя з теорією відносності: просто процес посилення такий, що концентрація фотонів, що вийшли раніше, виявляється більшою, ніж пізніше. З надсвітловою швидкістю переміщуються не фотони, а загальна імпульсу, зокрема його максимум, який і спостерігається на осцилографі.

Таким чином, у той час як у звичайних середовищах завжди відбувається ослаблення світла та зменшення його швидкості, що визначається показником заломлення, в активних лазерних середовищах спостерігається не тільки посилення світла, але й поширення імпульсу з надсвітловою швидкістю.

Деякі фізики намагалися експериментально довести наявність надсвітлового руху за тунельного ефекту - одного з найдивовижніших явищ у квантовій механіці. Цей ефект полягає в тому, що мікрочастинка (точніше кажучи, мікрооб'єкт, що в різних умовах виявляє як властивості частки, так і властивості хвилі) здатна проникати через так званий потенційний бар'єр - явище, абсолютно неможливе в класичній механіці (в якій аналогом була б така ситуація : кинутий у стіну м'яч виявився б по інший бік стіни або хвилеподібний рух, приданий прив'язаної до стіни мотузці, передавалося б мотузці, прив'язаної до стіни з іншого боку). Сутність тунельного ефекту в квантовій механіці полягає у наступному. Якщо мікрооб'єкт, що має певну енергію, зустрічає на своєму шляху область з потенційною енергією, що перевищує енергію мікрооб'єкта, ця область є для нього бар'єром, висота якого визначається різницею енергій. Але мікрооб'єкт "просочується" через бар'єр! Таку можливість дає йому відоме співвідношення невизначеностей Гейзенберга, записане для енергії та часу взаємодії. Якщо взаємодія мікрооб'єкта з бар'єром відбувається протягом досить певного часу, то енергія мікрооб'єкта, навпаки, характеризуватиметься невизначеністю, і якщо ця невизначеність буде порядку висоти бар'єру, то останній перестає бути для мікрооб'єкта непереборною перешкодою. Ось швидкість проникнення через потенційний бар'єр і стала предметом досліджень низки фізиків, які вважають, що вона може перевищувати с.

У червні 1998 року у Кельні відбувся міжнародний симпозіум з проблем надсвітлових рухів, де обговорювалися результати, отримані у чотирьох лабораторіях - у Берклі, Відні, Кельні та Флоренції.

І, нарешті, у 2000 році з'явилися повідомлення про два нові експерименти, в яких виявились ефекти надсвітлового поширення. Один із них виконав Ліджун Вонг із співробітниками в дослідному інституті в Прінстоні (США). Його результат полягає в тому, що світловий імпульс, що входить до камери, наповненої парами цезію, збільшує свою швидкість у 300 разів. Виходило, що головна частина імпульсу виходить із дальньої стінки камери навіть раніше, ніж імпульс входить у камеру через передню стінку. Така ситуація суперечить не тільки здоровому глузду, але, по суті, і теорії відносності.

Повідомлення Л. Вонга викликало інтенсивне обговорення у колі фізиків, більшість яких не схильні бачити в отриманих результатах порушення принципів відносності. Завдання полягає в тому, чи вважають вони, щоб правильно пояснити цей експеримент.

В експерименті Л.Вонга світловий імпульс, що входить до камери з парами цезію, мав тривалість близько 3 мкс. Атоми цезію можуть бути в шістнадцяти можливих квантовомеханічних станах, званих "надтонкі магнітні підрівні основного стану". За допомогою оптичного лазерного накачування майже всі атоми наводилися тільки в один із цих шістнадцяти станів, що відповідає майже абсолютному нулю температури за шкалою Кельвіна (-273,15оC). Довжина цезієвої камери складала 6 сантиметрів. У вакуумі світло проходить 6 см за 0,2 нс. Через камеру з цезієм, як показали виконані вимірювання, світловий імпульс проходив за час на 62 нс менше, ніж у вакуумі. Іншими словами, час проходження імпульсу через цезієве середовище має знак "мінус"! Справді, якщо з 0,2 нс відняти 62 нс, отримаємо "негативний" час. Ця "негативна затримка" в середовищі - незбагненний тимчасовий стрибок - дорівнює часу, протягом якого імпульс зробив би 310 проходів через камеру у вакуумі. Наслідком цього "тимчасового перевороту" стало те, що імпульс, що виходить з камери, встиг піти від неї на 19 метрів, перш ніж імпульс, що приходить, досяг ближньої стінки камери. Як можна пояснити таку неймовірну ситуацію (якщо, звичайно, не сумніватися в чистоті експерименту)?

Судячи з дискусії, що розгорнулася, точне пояснення ще не знайдено, але безсумнівно, що тут грають роль незвичайні дисперсійні властивості середовища: пари цезію, що складаються з збуджених лазерним світлом атомів, є середовище з аномальною дисперсією. Нагадаємо коротко, що це таке.

Дисперсією речовини називається залежність фазового (звичайного) показника заломлення від довжини хвилі світла l. При нормальній дисперсії показник заломлення збільшується із зменшенням довжини хвилі, і це має місце у склі, воді, повітрі та всіх інших прозорих для світла речовинах. У речовинах, що сильно поглинають світло, хід показника заломлення зі зміною довжини хвилі змінюється на зворотний і стає набагато крутішим: при зменшенні l (збільшенні частоти w) показник заломлення різко зменшується і в деякій області довжин хвиль стає менше одиниці (фазова швидкість Vф > с ). Це і є аномальна дисперсія, коли картина поширення світла в речовині змінюється радикальним чином. Групова швидкість Vгр стає більшою за фазову швидкість хвиль і може перевищити швидкість світла у вакуумі (а також стати негативною). Л. Вонг свідчить про цю обставину як у причину, лежачу основу можливості пояснення результатів його експерименту. Слід, проте, зауважити, що умова Vгр > з є суто формальним, оскільки поняття груповий швидкості введено для випадку малої (нормальної) дисперсії, для прозорих середовищ, коли група хвиль при поширенні майже змінює своєї форми. У областях аномальної дисперсії світловий імпульс швидко деформується і поняття груповий швидкості втрачає сенс; в цьому випадку вводяться поняття швидкості сигналу та швидкості поширення енергії, які в прозорих середовищах збігаються з груповою швидкістю, а в середовищах з поглинанням залишаються менше швидкості світла у вакуумі. Але ось що цікаво в експерименті Вонга: світловий імпульс, пройшовши через середовище з аномальною дисперсією, не деформується – він точно зберігає свою форму! І це відповідає припущенню поширення імпульсу з груповий швидкістю. Але якщо так, то виходить, що в середовищі немає поглинання, хоча аномальна дисперсія середовища зумовлена саме поглинанням! Сам Вонг, визнаючи, що багато що залишається незрозумілим, вважає, що у його експериментальної установці можна у першому наближенні наочно пояснити так.

Світловий імпульс складається з безлічі складових із різними довжинами хвиль (частотами). На малюнку показано три з цих складових (хвилі 1-3). У певній точці всі три хвилі знаходяться у фазі (їх максимуми збігаються); тут вони, складаючись, посилюють один одного і утворюють імпульс. У міру подальшого поширення у просторі хвилі розфазуються і тим самим "гасять" один одного.

В області аномальної дисперсії (всередині цезієвої комірки) хвиля, яка була коротшою (хвиля 1), стає довшою. І навпаки, хвиля, що була найдовшою з трьох (хвиля 3), стає найкоротшою.

Отже, відповідно змінюються фази хвиль. Коли хвилі пройшли через цезієвий осередок, їх хвильові фронти відновлюються. Зазнавши незвичайну фазову модуляцію в речовині з аномальною дисперсією, три хвилі, що розглядаються, знову опиняються у фазі в деякій точці. Тут вони знову складаються і утворюють імпульс такої ж форми, як і входить в цезієве середовище.

Зазвичай у повітрі і фактично в будь-якому прозорому середовищі з нормальною дисперсією світловий імпульс не може точно зберігати свою форму при поширенні на віддалену відстань, тобто всі його складові не можуть бути сфазовані в будь-якій віддаленій точці уздовж шляху розповсюдження. І в звичайних умовах світловий імпульс у такій віддаленій точці з'являється через деякий час. Однак внаслідок аномальних властивостей використаного в експерименті середовища імпульс у віддаленій точці виявився сфазований так само, як і при вході до цього середовища. Таким чином, світловий імпульс веде себе так, ніби він мав негативну тимчасову затримку на шляху до віддаленої точки, тобто прийшов би в неї не пізніше, а раніше ніж пройшов середу!

Більшість фізиків схильна пов'язувати цей результат із виникненням низькоінтенсивного провісника в диспергуючому середовищі камери. Справа в тому, що при спектральному розкладанні імпульсу в спектрі присутні складові скільки завгодно високих частот з мізерно малою амплітудою, так званий провісник, що йде попереду "головної частини" імпульсу. Характер встановлення та форма провісника залежить від закону дисперсії серед. Маючи це на увазі, послідовність подій в експерименті Вонга пропонується інтерпретувати так. Приходить хвиля, "простираючи" передвісник перед собою, наближається до камери. Перш ніж пік хвилі потрапить на ближню стінку камери, провісник ініціює виникнення імпульсу в камері, який доходить до дальньої стінки і відбивається від неї, утворюючи "зворотну хвилю". Ця хвиля, поширюючись в 300 разів швидше, досягає ближньої стінки і зустрічається з хвилею. Піки однієї хвилі зустрічаються з западинами іншої, тому вони знищують один одного і в результаті нічого не залишається. Виходить, що хвиля, що приходить, "повертає борг" атомам цезію, які "позичали" їй енергію на іншому кінці камери. Той, хто спостерігав би тільки початок і кінець експерименту, побачив би лише імпульс світла, який "стрибнув" уперед у часі, рухаючись швидше за с.

Л. Вонг вважає, що його експеримент не узгоджується з теорією відносності. Твердження про недосяжність надсвітлової швидкості, вважає він, застосовується тільки до об'єктів, що мають масу спокою. Світло може бути представлене або у вигляді хвиль, до яких взагалі не застосовується поняття маси, або у вигляді фотонів з масою спокою, як відомо, що дорівнює нулю. Тому швидкість світла у вакуумі, вважає Вонг, не межа. Тим не менш, Вонг визнає, що виявлений ним ефект не дає можливості передавати інформацію зі швидкістю більше с.

"Інформація тут вже укладена в передньому краї імпульсу, - каже П. Мілоні, фізик з Лос-Аламоської національної лабораторії США. - І може створитися враження про надсвітлову посилку інформації, навіть коли ви її не посилаєте".

Більшість фізиків вважають, що нова робота не завдає нищівного удару за фундаментальними принципами. Але не всі фізики вважають, що проблему вирішено. Професор А. Ранфагні з італійської дослідницької групи, яка здійснила ще один цікавий експеримент 2000 року, вважає, що питання залишається відкритим. Цей експеримент, проведений Даніелом Мугнаї, Анедіо Ранфагні та Рокко Руггері, виявив, що радіохвилі сантиметрового діапазону у звичайному повітрі поширюються зі швидкістю, що перевищує на 25%.

Резюмуючи, можна сказати таке.

Роботи останніх років показують, що за певних умов надсвітлова швидкість справді може мати місце. Але що саме рухається із надсвітловою швидкістю? Теорія відносності, як згадувалося, забороняє таку швидкість для матеріальних тіл й у сигналів, що несуть інформацію. Проте деякі дослідники дуже наполегливо намагаються продемонструвати подолання світлового бар'єру саме для сигналів. Причина цього у тому, що у спеціальній теорії відносності немає суворого математичного обгрунтування (базується, скажімо, на рівняннях Максвелла для електромагнітного поля) неможливості передачі сигналів зі швидкістю більше с. Така неможливість у СТО встановлюється, можна сказати, суто арифметично, виходячи з ейнштейнівської формули складання швидкостей, але фундаментально це підтверджується принципом причинності. Сам Ейнштейн, розглядаючи питання про надсвітлову передачу сигналів, писав, що в цьому випадку "...ми змушені вважати можливим механізм передачі сигналу, при використанні якого досягнута дія передує причині. Але, хоча цей результат з суто логічної точки зору і не містить собі, на мою думку, ніяких протиріч, він усе-таки настільки суперечить характеру всього нашого досвіду, що неможливість припущення V > з видається достатньою мірою доведеною». Принцип причинності - ось той наріжний камінь, який є основою неможливості надсвітлової передачі сигналів. І про цей камінь, мабуть, спотикатимуться всі без винятку пошуки надсвітлових сигналів, як би експериментаторам не хотілося виявити такі сигнали, бо така природа нашого світу.

Але все ж таки уявімо, що математика відносності, як і раніше, працюватиме на надсвітлових швидкостях. Це означає, що теоретично ми таки можемо дізнатися, що сталося б, якби тілу перевищити швидкість світла.

Уявімо два космічних корабля, що прямують від Землі в бік зірки, яка віддалена від нашої планети на відстані в 100 світлових років. Перший корабель залишає Землю зі швидкістю 50% від швидкості світла, тож на весь шлях у нього піде 200 років. Другий корабель, оснащений гіпотетичним варп-двигуном, вирушить зі швидкістю 200% від швидкості світла, але через 100 років після першого. Що ж станеться?

Відповідно до теорії відносності, правильна відповідь багато в чому залежить від перспективи спостерігача. З Землі здаватиметься, що перший корабель уже пройшов значну відстань, перш ніж його випередив другий корабель, який рухається вчетверо швидше. А ось з точки зору людей, які перебувають на першому кораблі, все не так.

Корабель №2 рухається швидше світла, а значить може обігнати навіть світло, яке саме ж і випромінює. Це призводить до свого роду "світлової хвилі" (аналог звуковий, тільки замість вібрацій повітря тут вібрують світлові хвилі), що породжує кілька цікавих ефектів. Нагадаємо, що світло від корабля №2 рухається повільніше, ніж сам корабель. В результаті станеться візуальне подвоєння. Іншими словами, спочатку екіпаж корабля №1 побачить, що другий корабель виник поряд з ним немов з нізвідки. Потім світло від другого корабля з невеликим запізненням досягне першого, і в результаті вийде видима копія, яка рухатиметься в тому ж напрямку з невеликим відставанням.

Щось подібне можна побачити в комп'ютерних іграх, коли в результаті системного збою двигун провантажує модель і її алгоритми в кінцевій точці руху швидше, ніж закінчується сама анімація руху, тому виникають множинні дублі. Мабуть, саме тому наша свідомість і не сприймає той гіпотетичний аспект Всесвіту, в якому тіла рухаються на надсвітловій швидкості — можливо, це й на краще.

П.С. ... а ось в останньому прикладі я щось не зрозумів, чому реальне становище корабля пов'язується з "випромінюваним ним світлом"? Ну і хай що бачити його будуть як то не там, але реально він обжене перший корабель!

джерела