Які поширюються зі швидкістю світла. Яким стане світ для об'єкта, що летить зі швидкістю світла? Складні випадки СС руху

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. Частки - 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 у Массачусетському технологічному інститутіекспериментував 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 Бертоцці зіткнувся, розбираючись із 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 випромінюються 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 безліч 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 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 з 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 йдена 0,007 секунди повільніше для астронавтів на Міжнародній космічної станціїяка 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 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 зазначити, що жодна інформація не переміщається швидше швидкостісвітла 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 спосібзробити 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 дослідив ідею «двигуна Алькуб'єрре», 1994 року. Він визначає ситуацію, в якій простір-час стискається перед космічним апаратом, штовхаючи його вперед, і розширюється позаду нього, а також штовхаючи його вперед. «Але потім, – каже Клівер, – виникли проблеми: як це зробити і скільки знадобиться енергії».

2008 року 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 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 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 права 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 телефоніпочинають 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 - в величезних кількостях- які, звісно, ​​утворюють світло, що дає життя 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?

Як відомо, на швидкості світла рухаються фотони, частинки світла, з яких складається. У цьому питанні допоможе спеціальна теорія відносності.

У фантастичних фільмах космічні міжзоряні кораблі літають майже зі швидкістю світла. Зазвичай це так звана фантастами гіпершвидкість. І письменники, і режисери фільмів описують і показують його практично однаковим. художнім прийомом. Найчастіше, щоб корабель зробив стрімкий ривок, герої смикають або натискають кнопку керуючого елемента, і транспортний засібмиттєво прискорюється, розганяючись практично до швидкості світла з оглушливою бавовною. Зірки, які глядач бачить за бортом корабля, спочатку миготять, а потім взагалі витягуються в лінії. Але чи так виглядають зірки в ілюмінаторах космічного корабляна гіпершвидкості насправді? Дослідники запевняють, що ні. Насправді пасажири корабля замість зірок, що витягнулися в лінії, побачили б лише яскравий диск.

Якщо об'єкт рухатиметься майже зі швидкістю світла, він може побачити ефект Доплера. У фізиці так називають зміну частоти та довжини хвиль через швидке пересування приймача. Частота світла зірок, що мелькають перед глядачем з корабля, збільшиться настільки, що зміститься з видимого діапазону рентгенівську частину спектра. Зірки наче зникнуть! Одночасно зменшиться довжина реліктового електромагнітного випромінювання, що залишився після Великого Вибуху. Фонове випромінювання стане видимим і стане світлим диском, що згасає по краях.

А як виглядає світ з боку об'єкта, який досягне швидкості світла? Як відомо, на таких швидкостях рухаються фотони, частинки світла, з яких складається. У цьому питанні допоможе спеціальна теорія відносності. Згідно з нею при русі об'єкта зі швидкістю світла як завгодно довго, час, витрачений на рух цим об'єктом, стає рівним нулю. Простою мовою, якщо рухатися зі швидкістю світла, то неможливо здійснити жодну дію, на зразок спостереження, бачення, зору тощо. Об'єкт, що летить зі швидкістю світла, практично нічого не побачить.

Фотони завжди летять зі швидкістю світла. Вони не витрачають час на розгін і гальмування, тому все їхнє життя для них триває нуль часу. Якби ми були фотонами, то наші моменти народження та смерті збіглися б, тобто ми просто не усвідомили б, що світ взагалі існує. Варто зауважити, що якщо об'єкт розженеться до швидкості світла, то його швидкість у всіх системах відліку стає рівною швидкості світла. Ось така фотографія фізика. Застосовуючи спеціальну теорію відносності, можна дійти невтішного висновку, що з об'єкта, що рухається зі швидкістю світла, весь навколишній світпостане нескінченно сплющеним, а всі події, що відбуваються в ньому, відбудуться в один момент часу.

Лікар технічних наукА. ГОЛУБЄВ.

У середині минулого року у журналах з'явилося сенсаційне повідомлення. Група американських дослідників виявила, що дуже короткий лазерний імпульс рухається в особливо підібраному середовищі в сотні разів швидше, ніж у вакуумі. Це явище здавалося зовсім неймовірним (швидкість світла в середовищі завжди менша, ніж у вакуумі) і навіть породило сумніви у справедливості спеціальної теорії відносності. Тим часом надсвітловий фізичний об'єкт - лазерний імпульс у посилюючому середовищі - був вперше виявлений не 2000 року, а на 35 років раніше, 1965 року, і можливість надсвітлового руху широко обговорювалася до початку 70-х років. Сьогодні дискусія навколо цього дивного явища спалахнула з новою силою.

Приклади "надсвітлового" руху.

На початку 60-х років короткі світлові імпульси великої потужності стали одержувати, пропускаючи через квантовий підсилювач (середовище з інверсною заселеністю) лазерний спалах.

У посилюючому середовищі початкова область світлового імпульсу викликає вимушене випромінювання атомів середовища підсилювача, а кінцева область - поглинання ними енергії. В результаті спостерігачеві здаватиметься, що імпульс рухається швидше за світло.

Експеримент Ліджуна Вонґа.

Промінь світла, що проходить крізь призму з прозорого матеріалу (наприклад, скла), переломлюється, тобто відчуває дисперсію.

Світловий імпульс є набір коливань різної частоти.

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 зі 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 з, Випливає зі спеціальної теорії відносності (СТО) Ейнштейна. Якби вдалося довести, що можлива передача сигналів зі надсвітловою швидкістю, Теорія відносності впала б. Поки що цього не трапилося, незважаючи на численні спроби спростувати заборону на існування великих, великих з. Однак в експериментальних дослідженнях останнього часу виявились деякі дуже цікаві явища, які свідчать, що за спеціально створених умов можна спостерігати надсвітлові швидкості і навіть 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 замертве впав ведмідь, а потім вистрілив мисливець. При швидкостях, що перевищують з, 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 з, - 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 "всепроникаюча" частка - нейтрино, яка, як і фотон, не може рухатися зі швидкістю, меншою с.)

Тепер про швидкість передачі сигналу. Тут доречно скористатися уявленням світла як електромагнітних хвиль. Що таке сигнал? Це якась 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 при певних умовперевищувати 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 забо взагалі втрачати сенс, але тоді вона не відноситься до поширення сигналу. У СТО встановлюється, що неможлива передача сигналу зі швидкістю більшою з.

Чому це так? Тому що перешкодою для передачі будь-якого сигналу зі швидкістю більше зслужить 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 із надсвітловою швидкістю, спостерігач поблизу точки В побачив би спочатку вибух, а вже потім - швидку, що дійшла до нього. зсвітловий спалах, причина вибуху. 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 двадцятого століття фізиками-теоретиками було висунуто гіпотезу 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 було 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, обумовленій 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 та ослаблення заднього фронту імпульсу буде представлятися спостерігачеві так, що середовище як би посунуло імпульс уперед. Але якщо прилад (спостерігач) рухається зі швидкістю світла, а імпульс обганяє його, то швидкість імпульсу перевищує швидкість світла! Саме цей ефект і було зареєстровано 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 при тунельному ефекті - одному з найбільш дивовижних явищв квантової механіки. Цей ефект полягає в тому, що мікрочастинка (точніше кажучи, мікрооб'єкт, що в різних умовах виявляє як властивості частинки, так і властивості хвилі) здатна проникати через так званий потенційний бар'єр - явище, абсолютно неможливе в класичної механіки(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 з.

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 проявилися ефекти надсвітлового поширення. Один з них виконав Ліджун Вонг зі співробітниками дослідному інститутіу 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 (-273,15 о C). 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 nвід 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 > з). Це і є аномальна дисперсія, коли картина поширення світла в речовині змінюється радикальним чином. Групова швидкість Vгр стає більше фазової швидкості 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 зазначити, що умова Vгр > зє суто формальним, оскільки поняття груповий швидкості введено 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 у 300 разів швидше з, досягає ближньої стінки і зустрічається з хвилею, що приходить. 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, що "стрибнув" уперед у часі, рухаючись швидше 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. з.

"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 роботане 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 в звичайному повітріпоширюються зі швидкістю, що перевищує зна 25%.

Резюмуючи, можна сказати таке. Роботи останніх роківпоказують, що за певних умов надсвітлова швидкість може мати місце. Але що саме рухається із надсвітловою швидкістю? Теорія відносності, як згадувалося, забороняє таку швидкість для матеріальних тіл й у сигналів, несуть інформацію. Проте деякі дослідники дуже наполегливо намагаються продемонструвати подолання світлового бар'єру саме для сигналів. Причина цього полягає в тому, що в спеціальній теорії відносності немає суворого математичного обґрунтування (базується, скажімо, на рівняннях Максвелла електромагнітного поля) неможливості передачі сигналів зі швидкістю більше з. 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 все ж настільки суперечить характеру всього нашого досвіду, що неможливість припущення V > зпредставляється в достатній мірі доведеною". Принцип причинності - ось той наріжний камінь, який лежить в основі 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.

На закінчення слід підкреслити, що все вищевикладене стосується саме нашого світу, нашого Всесвіту. Таке застереження зроблено тому, що в Останнім часомв астрофізиці та космології з'являються нові гіпотези, що допускають існування безлічі прихованих від нас Всесвітів, з'єднаних топологічними тунелями-перемичками. Такий погляд дотримується, наприклад, відомий астрофізик М. З. Кардашев. Для зовнішнього спостерігача входи в ці тунелі позначаються аномальними полями тяжіння, подібно до чорних дірок. Переміщення в таких тунелях, як припускають автори гіпотез, дозволять обійти обмеження швидкості руху, що накладається у звичайному просторі швидкістю світла, і, отже, реалізувати ідею про створення машини часу... Не виключено, що в подібних Всесвітах справді можуть відбуватися незвичайні для нас речі. І хоча поки що такі гіпотези надто вже нагадують сюжети з наукової фантастики, навряд чи слід категорично відкидати принципову можливість багатоелементної моделі устрою матеріального світу. Інша річ, що всі ці інші Всесвіти, швидше за все, залишаться суто математичними побудовами фізиків-теоретиків, які живуть у нашому Всесвіті і силою своєї думки намагаються намацати закриті для нас світи.

Див. у номері на ту саму тему

Група вчених з експерименту OPERA у співпраці з Європейською організацієюядерних 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 часткине можуть рухатися швидше за швидкість 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 із 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 у Гран-Сассо. У ній стоїть спеціальний детектор, що фіксує швидкість пучка нейтрино.

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 керівникІнституту загального 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 обивателів. Взагалі, спеціальну теорію відносності змінювати, звичайно, можна, але зробити це вкрай 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. Однак позитивних результатів жодна з них досі не давала.

Астрофізики з Університету Бейлора (США) розробили математичну модель гіперпросторового приводу, що дозволяє долати космічні відстані зі швидкістю вище за швидкість світла в 10³ раз, що дозволяє протягом декількох годин злітати в сусідню галактику і повернутися назад.

При польоті люди не відчуватимуть перевантажень, які відчуваються в сучасних авіалайнерах, щоправда, у металі такий двигун зможе з'явитися хіба що за кілька сотень років.

Механізм дії приводу заснований на принципі двигуна деформації простору (Warp Drive), який запропонував 1994 р. мексиканський фізик Мігель Алькубієрре. Американцям залишилося лише доопрацювати модель і зробити детальніші підрахунки.
"Якщо перед кораблем стискати простір, а позаду нього, навпаки, розширювати, то навколо корабля з'являється просторово-часовий міхур, - каже один із авторів дослідження, Річард Обоусі. - Він огортає корабель і вириває його зі звичайного світу у свою систему координат. рахунок різниці тиску простору-часу цей міхур здатний рухатися в будь-якому напрямку, долаючи світловий поріг на тисячі порядків".

Імовірно, деформуватися простір навколо корабля зможе за рахунок маловивченої поки що темної енергії. "Темна енергія - дуже погано вивчена субстанція, відкрита порівняно недавно і яка пояснює, чому галактики ніби розлітаються одна від одної, - розповів старший науковий співробітник відділу релятивістської астрофізики Державного астрономічного інституту ім. Штернберга МДУ Сергій Попов. - Існує кілька її моделей, але який -то загальноприйнятої поки немає. Американці взяли за основу модель, засновану на додаткових вимірах, і кажуть, що можна локально змінювати властивості цих вимірів.

Пояснити таку "поведінку" Всесвіту може "теорія струн", згідно з якою весь наш простір пронизано безліччю інших вимірів. Їх взаємодія породжує відштовхуючу силу, яка здатна розширювати як речовина, як, наприклад, галактики, а й саме тіло простору. Цей ефект отримав назву "інфляція Всесвіту".

"З перших секунд свого існування Всесвіт розтягується, - пояснює доктор фізико-математичних наук, співробітник Астро-космічного центру Фізичного інституту ім. Лебедєва Руслан Мецаєв. - І цей процес триває досі". Знаючи все це, можна спробувати розширювати чи звужувати простір штучно. І тому передбачається впливати інші виміри, цим шматок простору нашого світу почне рух у потрібному напрямі під впливом сил темної енергії.

У цьому закони теорії відносності не порушуються. Усередині міхура залишаться ті самі закони фізичного світу, а швидкість світла буде граничною. На цю ситуацію не поширюється і так званий ефект близнюків, що розповідає про те, що при космічних подорожахзі світловими швидкостями час усередині корабля значно сповільнюється і космонавт, повернувшись Землю, зустріне свого брата-близнюка вже старим. Двигун Warp Drive позбавляє цієї неприємності, тому що штовхає простір, а не корабель.

Американці вже підшукали й мету для майбутнього польоту. Це планета Gliese 581 (Глізе 581), на якій кліматичні умовиі сила тяжіння наближається до земних. Відстань до неї становить 20 світлових років, і навіть за умови, що Warp Drive працюватиме в трильйони разів слабше максимальної потужності, час у дорозі до неї складе всього кілька секунд.