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

У вересні 2011 року фізик Антоніо Ередітато кинув світ в шок. Його заява могла перевернути наше розуміння Всесвіту. Якщо дані, зібрані 160 вченими проекту OPERA, були правильними, спостерігалося неймовірне. Частинки - в цьому випадку нейтрино - рухалися швидше за світло. Відповідно до теорії відносності Ейнштейна, це неможливо. І наслідки такого спостереження були б неймовірними. Можливо, довелося б переглянути самі основи фізики.

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

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

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

Чому припущення - одне тільки припущення - що щось може рухатися швидше за світло, викликало такий шум? Наскільки ми впевнені, що ніщо не може подолати цей бар'єр?

Давайте спочатку розберемо другий з цих питань. Швидкість світла у вакуумі становить 299 792,458 кілометра в секунду - для зручності, це число округлюють до 300 000 кілометрів на секунду. Це досить швидко. Сонце знаходиться в 150 мільйонах кілометрів від Землі, і світло від нього доходить до Землі всього за вісім хвилин і двадцять секунд.

Чи може будь-яке з наших творінь конкурувати в гонці зі світлом? Один з найшвидших штучних об'єктів серед коли-небудь побудованих, космічний зонд «Нові горизонти», просвистів повз Плутона і Харона в липні 2015 року. Він досяг швидкості відносно Землі в 16 км / c. Набагато менше 300 000 км / с.

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

Оскільки електрони мають негативний заряд, їх можна розганяти - точніше, відштовхувати - застосовуючи той же негативний заряд до матеріалу. Чим більше енергії прикладається, тим швидше розганяються електрони.

Можна було б подумати, що потрібно просто збільшувати прикладену енергію, 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 прямо пропорційного збільшення швидкості електронів.

Замість цього потрібно було докладати величезних кількості додаткової енергії, щоб хоч трохи змінити швидкість руху електронів. Вона наближалася до швидкості світла все ближче і ближче, але ніколи її не досягла.

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

Але світло складається з частинок під назвою фотони. Чому ці частинки можуть рухатися зі швидкістю світла, а електрони - ні?

«У міру того як об'єкти рухаються все швидше і швидше, вони стають все важче - чим важче вони стають, тим важче їм розігнатися, тому ви ніколи на наберете швидкість світла», говорить Роджер Рассул, фізик з Університету Мельбурна в Австралії. «У фотона немає маси. Якби у нього була маса, він не міг би рухатися зі швидкістю світла ».

Фотони особливі. У них не тільки відсутній маса, що забезпечує їм повну свободу переміщень в космічному вакуумі, їм ще й розганяти не потрібно. Природна енергія, якою вони володіють, переміщається хвилями, як і вони, тому в момент їх створення вони вже володіють максимальною швидкістю. У певному сенсі простіше думати про світло як про енергії, а не як про потік частинок, хоча, по правді 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 оптоволокне, світло рухається на 40% повільніше в склі цього оптоволокна, ніж у вакуумі.

У реальності, 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 хоча б спробували.

Точно так же, в рамках спеціальних експериментів з окремими фотонами, вдавалося уповільнити їх вельми переконливо. Але для більшості випадків буде справедливо число в 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 іншої наше запитання. Чому так важливо, щоб правило швидкості світла виконувалося суворо?

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

Але з цього випливає кілька концептуальних проблем.

Уявіть собі світ, який падає від ліхтарика на дзеркало на стелі стаціонарного космічного апарату. Світло йде вгору, відбивається від дзеркала і падає на підлогу космічного апарату. Скажімо, він долає дистанцію в 10 метрів.

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

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

І незважаючи на це, хоча дистанція збільшилася, теорії Ейнштейна стверджують, що світло, як і раніше буде рухатися з тією ж швидкістю. Оскільки швидкість - це відстань, поділена на час, 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 швидко рухомому транспорті, 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 відносно Землі, якщо порівнювати з людьми на планеті. Ще цікавіша ситуація з частинками на зразок вищезгаданих електронів, які можуть рухатися близько до швидкості світла. У випадку з цими частками, ступінь уповільнення буде величезною.

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

Мюони нестабільні: вони швидко розпадаються на більш прості частинки. Так швидко, що більшість мюонів, що залишають Сонце, повинні розпадатися до моменту досягнення Землі. Але в реальності мюони прибувають на Землю з Сонця в колосальних обсягах. Фізики довгий час намагалися зрозуміти чому.

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

Мюони «залишаються в живих» довше, ніж очікувалося, щодо нас, завдяки справжньому, природному викривлення часу. Коли об'єкти рухаються швидко щодо інших об'єктів, їх довжина також зменшується, стискається. Ці наслідки, уповільнення часу і зменшення довжини, є приклади того, як змінюється простір-час в залежності від руху речей - мене, тебе або космічного апарату - володіють масою.

Що важливо, як говорив Ейнштейн, на світло це не впливає, оскільки у нього немає маси. Ось чому ці принципи йдуть рука об руку. Якби предмети могли рухатися швидше за світло, вони б підпорядковувалися фундаментальним законам, які описують роботу Всесвіту. Це ключові принципи. Тепер ми можемо поговорити про декілька винятки і відступи.

З одного боку, хоча ми не бачили нічого, що рухалося б швидше за світло, це не означає, що ця межа швидкості не можна теоретично побити в досить 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 ті ж 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 буде точно відбиватися на іншому фотоні де-небудь ще, якщо вони заплутані.

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

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

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

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

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

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

Об'єкт, який мандрує через червоточину, не перевищуватиме швидкість світла, але теоретично може досягти пункту призначення швидше, ніж світло, який йде по «звичайному» шляху. Але червоточини можуть бути взагалі недоступними для космічних подорожей. Чи може бути інший спосіб активно спотворити простір-час, щоб рухатися швидше 300 000 км / c щодо кого-небудь ще?

Клівер також досліджував ідею «двигуна Алькубьерре», в 1994 році. Він описує ситуацію, в якій простір-час стискається перед космічним апаратом, штовхаючи його вперед, і розширюється позаду нього, також штовхаючи його вперед. «Але потім, - каже Клівер, - виникли проблеми: як це зробити і скільки знадобиться енергії».

У 2008 році він і 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, необхідне для початку процесу, буде еквівалентно масі цілого Юпітера».

Після цього, енергія повинна постійно «підливають», щоб процес не завершився. Ніхто не знає, чи стане це коли-небудь 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 я не бачу рішень».

Отже, подорожі швидше за швидкість світла залишаються фантастикою на поточний момент. Поки єдиний спосіб - зануритися в глибокий анабіоз. І все ж не все так погано. У більшості випадків ми говорили про видиме світло. Але в реальності світ - 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 і того ж: фотонів.

Різниця в енергії, а значить - в довжині хвилі. Всі разом, ці промені становлять електромагнітний спектр. Те, що радіохвилі, наприклад, рухаються зі швидкістю світла, неймовірно 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 неймовірній швидкості світла.

«Сам факт того, що ми побудували інфраструктуру Інтернету, наприклад, а до нього і радіо, засновану на світлі, має відношення до легкості, з якою ми можемо його передавати», відзначає він. І додає, що світло виступає 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 Сонце також випускає 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 незмінною. Тим часом, простір і час податливі. Можливо, нам варто замислюватися не про те, як рухатися швидше за світло, а як швидше переміщатися по цьому простору і цього часу? Зріти в корінь, так би мовити?

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

У фантастичних фільмах космічні міжзоряні кораблі поголовно літають майже зі швидкістю світла. Зазвичай це так звана фантастами Гіпершвидкість. І письменники, і режисери фільмів описують і показують його нам практично однаковим художнім прийомом. Найчастіше, що б корабель здійснив стрімкий ривок, герої смикають або натискають кнопку керуючого елемента, і транспортний засіб миттєво прискорюється, розганяючись практично до швидкості світла з оглушливим бавовною. Зірки, які глядач бачить за бортом корабля, спочатку миготять, а потім і зовсім витягуються в лінії. Але так чи виглядають зірки в ілюмінаторі космічного корабля на гіперскорості насправді? Дослідники запевняють, що немає. В реальності пасажири корабля замість вишикувалися в лінії зірок побачили б лише яскравий диск.

Якщо об'єкт буде рухатися майже зі швидкістю світла, то він може побачити в дії ефект Доплера. У фізиці так називають зміну частоти і довжини хвиль через швидке пересування приймача. Частота світла зірок, мерехтливих перед глядачем з корабля, збільшиться настільки, що зміститься з видимого діапазону в рентгенівську частина спектра. Зірки немов зникнуть! Одночасно зменшиться довжина реліктового електромагнітного випромінювання, що залишився після Великого Вибуху. Фонове випромінювання стане видимим і постане світлим диском, загасаючим по краях.

А як же виглядає світ з боку об'єкта, який досягне швидкості світла? Як відомо, на таких швидкостях рухаються фотони, частинки світла, з яких він складається. У цьому питанні нам допоможе спеціальна теорія відносності. Відповідно до неї 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 зробити ніяка дія, на кшталт спостереження, бачення, зору і так далі. Об'єкт, що летить зі швидкістю світла, фактично нічого не побачить.

Фотони завжди летять зі швидкістю світла. Вони не витрачають час на розгін і гальмування, тому вся їх життя для них тривати нуль часу. Якби ми були фотонами, то наші моменти народження і смерті збіглися б, тобто ми б просто не усвідомили, 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 фот фізика. Застосовуючи спеціальну теорію відносності, можна зробити висновок, що для об'єкта, що рухається зі швидкістю світла, весь навколишній світ постане нескінченно сплющеним, а все що відбуваються в ньому події відбудуться в один момент часу.

Доктор технічних наук А. ГОЛУБЄВ.

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

Приклади "сверхсветового" руху.

На початку 60-х років короткі світлові імпульси великої потужності стали отримувати, пропускаючи через квантовий підсилювач (середу з інверсної заселеністю) лазерну спалах.

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

Експеримент Ліджуна Вонга.

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

Світловий імпульс являє собою набір коливань різної частоти.

Напевно, всім - навіть людям, далеким від фізики, - відомо, що гранично можливою швидкістю руху матеріальних об'єктів або розповсюдження будь-яких сигналів є швидкість світла у вакуумі. Вона позначається літерою з і становить майже 300 тисяч кілометрів на секунду; точна величина з \u003d 299 792 458 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 з надсвітовою швидкістю, теорія відносності впала б. Поки що цього не сталося, незважаючи на численні спроби спростувати заборона на існування швидкостей, великих з. Однак в експериментальних дослідженнях останнього часу було виявлено окремі вельми цікаві явища, які свідчать про те, що при спеціально створених умовах можна спостерігати сверхсветовие швидкості і при цьому принципи теорії відносності не порушуються.

Для початку нагадаємо основні аспекти, що стосуються проблеми швидкості світла. Перш за все: чому не можна (при звичайних умовах) перевищити світловий межа? Тому, що тоді порушується фундаментальний закон нашого світу - закон причинності, відповідно до якого слідство не може випереджати причину. Ніхто ніколи не чув од, щоб, наприклад, спочатку замертво впав ведмідь, а потім вистрілив мисливець. При швидкостях ж, що перевищують з, Послідовність подій стає зворотним, стрічка часу відмотується назад. У цьому легко переконатися з наступного простого міркування.

Припустимо, що ми знаходимося на якомусь космічному чудо-кораблі, що рухається швидше за світло. Тоді ми поступово наздоганяли б світло, випущений джерелом у все більш і більш ранні моменти часу. Спочатку ми наздогнали б фотони, випущені, скажімо, вчора, потім - випущені позавчора, потім - тиждень, місяць, рік назад і так далі. Якби джерелом світла було дзеркало, що відбиває життя, то ми спочатку побачили б події вчорашнього дня, потім позавчорашнього і так далі. Ми могли б побачити, скажімо, старого, який поступово перетворюється в людини середнього віку, потім в молодого, в юнака, в дитини ... Тобто час повернуло б назад, ми рухалися б із сьогодення в минуле. Причини і наслідки при цьому помінялися б місцями.

Хоча в цьому міркуванні повністю ігноруються технічні деталі процесу спостереження за світлом, з принципової точки зору воно наочно демонструє, що рух зі сверхсветовой швидкістю призводить до неможливою в нашому світі ситуації. Однак природа поставила ще більш жорсткі умови: недосяжно рух не тільки з надсвітовою швидкістю, але і зі швидкістю, яка дорівнює швидкості світла, - до неї можна тільки наближатися. З теорії відносності випливає, що при збільшенні швидкості руху виникають три обставини: зростає маса рухомого об'єкту, зменшується його розмір у напрямку руху і сповільнюється протягом часу на цьому об'єкті (з точки зору зовнішнього "покоїться" спостерігача). При звичайних швидкостях ці зміни дуже малі, але в міру наближення до швидкості світла вони стають все відчутніше, а в межі - при швидкості, що дорівнює з, - маса стає нескінченно великою, об'єкт повністю втрачає розмір в напрямку руху і час на ньому зупиняється. Тому ніяке матеріальне тіло не може досягти швидкості світла. Такий швидкістю володіє тільки сам світло! (А також "всепроникна" частка - нейтрино, яка, як і фотон, не може рухатися зі швидкістю, меншою с.)

Тепер про швидкість передачі сигналу. Тут доречно скористатися поданням світла у вигляді електромагнітних хвиль. Що таке сигнал? Це якась інформація, що підлягає передачі. Ідеальна електромагнітна хвиля - це нескінченна синусоїда строго однієї частоти, і вона не може нести ніякої інформації, бо кожен період такої синусоїди в точності повторює попередній. Швидкість переміщення фази cінусоідальной хвилі - так звана фазова швидкість - може в середовищі при певних умовах перевищувати швидкість світла у вакуумі. Тут обмеження відсутні, так як фазова швидкість не є швидкістю сигналу - його ще немає. Щоб створити сигнал, треба зробити якусь "позначку" на хвилі. Такий відміткою може бути, наприклад, зміна будь-якого з параметрів хвилі - амплітуди, частоти або початкової фази. Але як тільки відмітка зроблена, хвиля втрачає синусоидальность. Вона стає модульованим, що складається з набору простих синусоїдальних хвиль з різними амплітудами, частотами і початковими фазами - групи хвиль. Швидкість переміщення позначки в модульованої хвилі і є швидкістю сигналу. При поширенні в середовищі ця швидкість зазвичай збігається з груповою швидкістю, що характеризує поширення вищезгаданої групи хвиль в цілому (див. "Наука і життя" № 2, 2000 г.). При звичайних умовах групова швидкість, а отже, і швидкість сигналу менше швидкості світла у вакуумі. Тут не випадково вжито вислів "при звичайних умовах", бо в деяких випадках і групова швидкість може перевищувати з або взагалі втрачати сенс, але тоді вона не відноситься до поширення сигналу. В 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 все той же закон причинності. Уявімо собі таку ситуацію. В деякій точці А світлова спалах (подія 1) включає пристрій, що посилає якийсь радіосигнал, а у віддаленій точці В під дією цього сигналу відбувається вибух (подія 2). Зрозуміло, що подія 1 (спалах) - причина, а подія 2 (вибух) - наслідок, наступає пізніше причини. Але якби радіосигнал поширювався з надсвітовою швидкістю, спостерігач поблизу точки В побачив би спочатку вибух, а вже потім - дійшла до нього зі швидкістю з світловий спалах, причину вибуху. Іншими словами, для цього спостерігача подія 2 зроблю її раніше, ніж подія 1, тобто наслідок випередило б причину.

Доречно підкреслити, що "надсвітовою заборона" теорії відносності накладається тільки на рух матеріальних тіл і передачу сигналів. У багатьох ситуаціях можливий рух з будь-якою швидкістю, але це буде рух нематеріальних об'єктів і не сигналів. Наприклад, уявімо собі дві лежать 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 стрілки) з великою швидкістю, точку перетину лінійок можна змусити бігти як завгодно швидко, проте ту саму точку - не матеріальне тіло. Інший приклад: якщо взяти ліхтарик (або, скажімо, лазер, що дає вузький промінь) і швидко описати їм в повітрі дугу, то лінійна швидкість світлового зайчика буде збільшуватися з відстанню і на досить великій відстані перевищить с.Світлове пляма переміститься між точками А і В з надсвітовою швидкістю, але це не буде передачею сигналу з А в В, так як такий світловий зайчик не несе ніякої інформації про точку А.

Здавалося б, питання про сверхсветових швидкостях вирішене. Але в 60-х роках двадцятого століття фізиками-теоретиками була висунута гіпотеза існування сверхсветових частинок, названих ТАХІОН. Це дуже дивні частинки: теоретично вони можливі, але щоб уникнути протиріч з теорією відносності їм довелося приписати уявну масу спокою. Фізично уявна маса не існує, це чисто математична абстракція. Однак це не викликало особливої \u200b\u200bтривоги, оскільки тахіони не можуть перебувати в спокої - вони існують (якщо існують!) Тільки при швидкостях, що перевищують швидкість світла у вакуумі, а в цьому випадку маса ТАХІОН виявляється речової. Тут є деяка аналогія з фотонами: у фотона маса спокою дорівнює нулю, але це просто означає, що фотон не може перебувати в спокої - світло не можна зупинити.

Найбільш складним виявилося, як і слід було очікувати, примирити ТАХІОН гіпотезу з законом причинності. Спроби, що вживали в цьому напрямку, хоча і були досить дотепними, не привели до явного успіху. Експериментально зарегистриро вать тахіони також нікому не вдалося. У підсумку інтерес до ТАХІОН як до сверхсветовое елементарних частинок поступово зійшов нанівець.

Однак в 60-х же роках було експериментально виявлено явище, спочатку призвело фізиків в замішання. Про це докладно розказано в статті А. Н. Ораевскій "сверхсветовое хвилі в підсилюють середовищах" (УФН № 12, 1998 г.). Тут ми коротко наведемо суть справи, відсилаючи читача, який цікавиться подробицями, до зазначеної статті.

Незабаром після відкриття лазерів - на початку 60-х років - виникла проблема отримання коротких (тривалістю близько 1 нс \u003d 10 -9 с) імпульсів світла великої потужності. Для цього короткий лазерний імпульс пропускався через оптичний квантовий підсилювач. Імпульс розщеплювався светоделі тельним дзеркалом на дві частини. Одна з них, більш потужна, прямувала в підсилювач, а інша поширювалася в повітрі і служила опорним імпульсом, з яким можна було порівнювати імпульс, який пройшов через підсилювач. Обидва імпульсу подавалися на фотоприймачі, а їх вихідні сигнали могли візуально спостерігатися на екрані осцилографа. Очікувалося, що світловий імпульс, що проходить через підсилювач, зазнає в ньому деяку затримку в порівнянні з опорним імпульсом, тобто швидкість поширення світла в підсилювачі буде менше, ніж в повітрі. Яке ж було здивування дослідників, коли вони виявили, що імпульс поширювався через підсилювач зі швидкістю не тільки більшою, ніж в повітрі, а й перевищує швидкість світла у вакуумі в кілька разів!

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

Не вдаючись тут у деталі, зазначимо лише, що детальний аналіз механізму дії підсилює середовища повністю прояснив ситуацію. Справа полягала в зміні концентрації фотонів при поширенні імпульсу - зміні, обумовленому зміною коефіцієнта посилення середовища аж до від'ємного значення при проходженні задньої частини імпульсу, коли середовище вже поглинає енергію, бо її власний запас вже витрачено внаслідок передачі її світловому імпульсу. Поглинання викликає не посилення, а ослаблення імпульсу, і, таким чином, імпульс виявляється посиленим в передній і ослабленим в задній його частині. Уявімо собі, що ми спостерігаємо за імпульсом за допомогою приладу, що рухається зі швидкістю світла в середовищі підсилювача. Якби середовище було прозорою, ми бачили б застиглий в нерухомості імпульс. У середовищі ж, в якій відбувається згаданий вище процес, посилення переднього і ослаблення заднього фронту імпульсу буде представлятися спостерігачеві так, що навколишнє середовище як би посунула імпульс вперед. Але раз прилад (спостерігач) рухається зі швидкістю світла, а імпульс обганяє його, то швидкість імпульсу перевищує швидкість світла! Саме цей ефект і був зареєстрований експериментаторами. І тут дійсно немає протиріччя з теорією відносності: просто процес посилення такий, що концентрація фотонів, які вийшли раніше, виявляється більше, ніж вийшли пізніше. З надсвітовою швидкістю переміщаються НЕ фотони, а огинає імпульсу, зокрема його максимум, який і спостерігається на осцилографі.

Таким чином, в той час як в звичайних середовищах завжди відбувається ослаблення світла і зменшення його швидкості, яке визначається показником заломлення, в активних лазерних середовищах спостерігається не тільки посилення світла, а й поширення імпульсу з надсвітовою швидкістю.

Деякі фізики намагалися експериментально довести наявність сверхсветового руху при тунельному ефекті - одному з найбільш дивовижних явищ в квантовій механіці. Цей ефект полягає в тому, що мікрочастинка (точніше кажучи, мікрооб'єкт, в різних умовах виявляє як властивості частинки, 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 в стіну м'яч опинився б за іншу сторону стіни або ж хвилеподібний рух, придане прив'язаною до стіни мотузці, передавалося б мотузці, прив'язаної до стіни з іншого боку). Сутність тунельного ефекту в квантовій механіці полягає в наступному. Якщо мікрооб'єкт, що володіє певною енергією, зустрічає на своєму шляху область з потенційною енергією, що перевищує енергію мікрооб'єкту, 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 Гейзенбер га, записане для енергії і часу взаємодії. Якщо взаємодія мікрооб'єкту з бар'єром відбувається протягом досить певного часу, то енергія мікрооб'єкту буде, навпаки, характеризуватися невизначеністю, і якщо ця невизначений ність буде порядку висоти бар'єру, то останній перестає бути для мікрооб'єкту непереборною перешкодою. Ось швидкість проникнення через потенційний бар'єр і стала предметом досліджень ряду фізиків, які вважають, що вона може перевищувати з.

У червні 1998 року в КЈльне відбувся міжнародний симпозіум з проблем сверхсветових рухів, де обговорювалися результати, отримані в чотирьох лабораторіях - в Берклі, Відні, КЈльне і у Флоренції.

І, нарешті, у 2000 році з'явилися повідомлення про двох нових експериментах, в яких проявилися ефекти сверхсветового поширення. Один з них виконав Ліджун Вонг з співробітниками в дослідницькому інституті в Прінстоні (США). Його результат полягає в тому, що світловий імпульс, що входить в камеру, наповнену парами цезію, збільшує свою швидкість в 300 разів. Виходило, що головна частина імпульсу виходить з дальньої стінки камери навіть раніше, ніж імпульс входить в камеру через передню стінку. Така ситуація суперечить не тільки здоровому глузду, але, по суті, і теорії щодо відповідності ності.

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

В експерименті Л.Вонга світловий імпульс, що входить в камеру з парами цезію, мав тривалість близько 3 мкс. Атоми цезію можуть перебувати в шістнадцяти можливих квантовомеханических станах, званих "надтонкі магнітні підрівні основного стану". За допомогою оптичної лазерної накачування майже всі атоми наводилися лише в одне з цих шістнадцяти станів, відповідне майже абсолютного нуля температури за шкалою Кельвіна (-273,15 про C). Довжина цезієвої камери становила 6 сантиметрів. У вакуумі світло проходить 6 сантиметрів за 0,2 нс. Через камеру же з цезієм, як показали виконані вимірювання, світловий імпульс проходив за час на 62 нс менше, ніж у вакуумі. Іншими словами, час проходження імпульсу через цезієві середу має знак "мінус"! Дійсно, якщо з 0,2 нс відняти 62 нс, отримаємо "негативний" час. Ця "негативна затримка" в середовищі - незбагненний тимчасової стрибок - дорівнює часу, протягом якого імпульс зробив би 310 проходів через камеру в вакуумі. Наслідком цього "тимчасового перевороту" стало те, що виходить з камери імпульс встиг віддалитися від неї на 19 метрів, перш ніж приходить імпульс досяг ближньої стінки камери. Як же можна пояснити таку неймовірну ситуацію (якщо, звичайно, не сумніватися в чистоті експерименту)?

Судячи з розгорнутої дискусії, точне пояснення ще не знайдено, але безсумнівно, що тут грають роль незвичайні дисперсійні властивості середовища: пари цезію, що складаються з порушених лазерним світлом атомів, представляють собою 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 зі зменшенням довжини хвилі, і це має місце в склі, воді, повітрі та всіх інших прозорих для світла речовинах. У речовинах ж, сильно поглинають світло, хід показника заломлення зі зміною довжини хвилі змінюється на зворотний і стає набагато крутіше: при зменшенні l (збільшенні частоти w) показник заломлення різко зменшується і в деякій області довжин хвиль стає менше одиниці (фазова швидкість V ф\u003e з). Це і є аномальна дисперсія, при якій картина поширення світла в речовині змінюється радикально. групова швидкість V гр стає більше фазової швидкості хвиль і може перевищити швидкість світла у вакуумі (а також стати негативною). Л. Вонг вказує на цю обставину як на причину, що лежить в основі можливості пояснення результатів його експерименту. Слід, однак, зауважити, що умова V гр\u003e зє чисто формальним, так як поняття групової швидкості введено для випадку малої (нормальної) дисперсії, для прозорих середовищ, коли група хвиль при поширенні майже не змінює своєї форми. В областях же аномальної дисперсії світловий імпульс швидко деформується і поняття групової швидкості втрачає сенс; в цьому випадку вводяться поняття швидкості сигналу і 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 в точності зберігає свою форму! А це відповідає допущенню про поширення імпульсу з груповий швидкістю. Але якщо так, то виходить, що в середовищі відсутня поглинання, хоча аномальна дисперсія середовища обумовлена \u200b\u200bсаме поглинанням! Сам Вонг, визнаючи, що багато ще залишається неясним, вважає, що те, що відбувається в його експериментальній установці можна в першому наближенні наочно пояснити наступним чином.

Світловий імпульс складається з безлічі складових з різними довжинами хвиль (частотами). На малюнку показані три з цих складових (хвилі 1-3). В деякій точці всі три хвилі перебувають у фазі (їх максимуми збігаються); тут вони, складаючись, підсилюють один одного і утворюють імпульс. У міру подальшого поширення в просторі хвилі расфазіруются і тим самим "гасять" один одного.

В області аномальної дисперсії (всередині цезієвої осередки) хвиля, яка була коротшою (хвиля 1), стає довшим. І навпаки, хвиля, колишня найдовшою з трьох (хвиля 3), стає найкоротшою.

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

Зазвичай в повітрі і фактично в будь-який прозорому середовищі з нормальною дисперсією світловий імпульс не може точно зберігати свою форму при поширенні на віддалене відстань, тобто всі його складові не можуть бути сфазіровани в будь-якої віддаленої точки вздовж шляху поширення. І в звичайних умовах світловий імпульс в такий віддаленій точці з'являється через деякий час. Однак внаслідок аномальних властивостей використаної в експерименті середовища імпульс в віддаленій точці виявився сфазіровать так само, як і при вході в цю середу. Таким чином, світловий імпульс поводиться так, як якщо б він мав негативну тимчасову затримку на шляху до віддаленої точки, тобто прийшов би в неї не пізніше, а раніше, ніж пройшов середу!

Велика частина фізиків схильна пов'язувати цей результат з виникненням низкоинтенсивного передвісника в диспергирующей середовищі камери. Справа в тому, що при спектральному розкладанні імпульсу в спектрі присутні складові як завгодно високих частот з мізерно малою амплітудою, так званий провісник, що йде попереду "головної частини" імпульсу. Характер встановлення і форма передвісника залежать від закону дисперсії в середовищі. Маючи це на увазі, послідовність подій в експерименті Вонга пропонується інтерпретувати в такий спосіб. Приходить хвиля, "простягаючи" провісник перед собою, наближається до камери. Перш ніж пік хвилі, що приходить потрапить на ближню стінку камери, провісник ініціює виникнення імпульсу в камері, який доходить до дальньої стінки і відбивається від неї, утворюючи "зворотний хвилю". Ця хвиля, поширюючись в 300 разів швидше з, Досягає ближньої стінки і зустрічається з приходить хвилею. Піки однієї хвилі зустрічаються з западинами іншої, так що вони знищують один одного і в результаті нічого не залишається. Виходить, що приходить хвиля "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" вперед у часі, рухаючись швидше с.

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

"Інформація тут уже укладена в передньому краї імпульсу, - каже П. Мілонов, фізик з Лос-Аламоської національної лабораторії США. - І може скластися враження про надсвітовою посилці інформації, навіть коли ви її не посилаєте".

Більшість фізиків вважають, що нова робота не завдає нищівного удару по фундаментальним принципам. Але не всі фізики вважають, що проблема залагоджено. Професор А. Ранфагні з італійської дослідницької групи, яка здійснила ще один цікавий експеримент 2000 року, вважає, що питання ще залишається відкритим. Цей експеримент, проведений Даніелом Мугнаі, Анедіо Ранфагні і Рокко Руггері, виявив, що радіохвилі сантиметрового діапазону в звичайному повітрі поширюються зі швидкістю, що перевищує з на 25%.

Резюмуючи, можна сказати наступне. Роботи останніх років показують, що при певних умовах надсвітлова швидкість дійсно може мати місце. Але що саме рухається з надсвітовою швидкістю? Теорія відносності, як уже згадувалося, забороняє таку швидкість для матеріальних тіл і для сигналів, що несуть інформацію. Проте деякі дослідники досить наполегливо намагаються продемонструє ровать подолання світлового бар'єру саме для сигналів. Причина цього криється в тому, що в спеціальній теорії відносності немає строгого математичного обгрунтування (що базується, скажімо, на рівняннях Максвелла для електромагнітного поля) неможливості передачі сигналів зі швидкістю більше з. Така неможливість в СТО встановлюється, можна сказати, чисто арифметично, виходячи з ейнштейнівською формули складання швидкостей, але фундаментальним чином це підтверджується принципом причинності. Сам Ейнштейн, розглядаючи питання про надсвітовою передачі сигналів, писав, що в цьому випадку "... ми змушені вважати можливим механізм передачі сигналу, при використанні якого досягається дію передує причини. Але, хоча цей результат з чисто логічної точки зору і не містить в собі, по-моєму, ніяких протиріч, він все ж настільки суперечить характеру всього нашого досвіду, що неможливість припущення V\u003e з представляється в достатній мірі доведеною ". Принцип причинності - ось той наріжний камінь, який лежить в основі неможливості надсвітовою передачі сигналів. І про цей камінь, мабуть, будуть спотикатися все без винятку пошуки сверхсветових сигналів, як би експериментаторам не хотілося такі сигнали виявити , бо така природа нашого світу.

На закінчення слід підкреслити, що все вищевикладене відноситься саме до нашого світу, до нашого Всесвіту. Таке застереження зроблено тому, що останнім часом в астрофізиці і космології з'являються нові гіпотези, що допускають існування безлічі прихованих від нас Всесвітів, з'єднаних топологічними тунелями -Перемички. Такої точки зору дотримується, наприклад, відомий астрофізик Н. С. Кардашев. Для зовнішнього спостерігача входи в ці тунелі позначаються аномальними полями тяжіння, подібно чорних дірок. Переміщення в таких тунелях, як припускають автори гіпотез, дозволять обійти обмеження швидкості руху, накладаючи емое в звичайному просторі швидкістю світла, і, отже, реалізувати ідею про створення машини часу ... Не виключено, що в подібних Всесвітів дійсно 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 пристрою матеріального світу. Інша справа, що всі ці інші Всесвіти, швидше за все, залишаться суто математичними побудовами фізиків-теоретиків, які живуть в нашому Всесвіті і силою своєї думки намагаються намацати закриті для нас світи ...

Див. В номері на ту ж тему

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

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

Експеримент проходив наступним чином: протонний пучок розганяли в спеціальному прискорювачі і били їм в центр спеціальної мішені. Так народжувалися мезони - частинки, що складаються з кварків.

При розпаді мезонів народжуються нейтрино, - роз'яснив «Известиям» академік РАН Валерій Рубаков, головний науковий співробітник Інституту ядерних досліджень РАН. - Пучок розташований так, щоб нейтрино пролітало 732 км і потрапляло в італійську підземну лабораторію в Гран-Сассо. У ній стоїть спеціальний детектор, який фіксує швидкість пучка нейтрино.

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

Те, що зробили в CERN, з сучасних позицій фізики неможливо, - заявив «Известиям» академік РАН Спартак Бєляєв, науковий керівник Інституту загальної та ядерної фізики. - Необхідно перевірити цей експеримент і його результати - можливо, вони просто помилилися. Усі проведені до цього експерименти вкладалися в існуючу теорію, а через одного раз проведеного експерименту піднімати паніку не варто.

Академік Бєляєв в той же час 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 міняти, звичайно, можна, але зробити це вкрай складно і яка в результаті викристалізується теорія, не зовсім зрозуміло.

Рубаков звернув увагу, що в звіті говориться, що за три роки експерименту зафіксовано і виміряно 15 тис. Подій.

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

Академіки підкреслили, що світі регулярно робляться спроби експериментально спростувати спеціальну теорію відносності. Однак позитивних результатів жодна з них до цих пір не давала.

Астрофізики з Університету Бейлора (США) розробили математичну модель гіперпросторового приводу, що дозволяє долати космічні відстані зі швидкістю вище швидкості світла в 10³² раз, що дозволяє протягом пари годин злітати в сусідню галактику і повернутися назад.

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

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

Імовірно, деформуватися простір навколо корабля зможе за рахунок маловивченою поки темної енергії. "Темна енергія - дуже погано вивчена субстанція, відкрита порівняно недавно і пояснює, чому галактики як би розлітаються одна від одної, - розповів старший науковий співробітник відділу релятивістської астрофізики Державного астрономічного інституту ім. Штернберга МГУ Сергій Попов. - Існує кілька її моделей, але який -то загальноприйнятою поки немає. Американці взяли за основу модель, засновану на додаткових вимірах, і кажуть, що можна локально змінювати властивості цих вимірювань. тоді вийде, що в різних напрямках можуть бути різні космологічні константи. і тоді корабель в міхурі почне рухатися ".

Пояснити таке "поведінку" Всесвіту може "теорія струн", згідно з якою все наше простір пронизаний безліччю інших вимірів. Їх взаємодія між собою породжує відразливу силу, яка здатна розширювати не тільки речовина, як, наприклад, галактики, але і 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 або звужувати простір штучно. Для цього передбачається впливати на інші виміри, тим самим шматок простору нашого світу почне рух в потрібному напрямку під дією сил темної енергії.

При цьому закони теорії відносності не порушуються. Усередині міхура залишаться ті ж самі закони фізичного світу, а швидкість світла буде граничною. На цю ситуацію не поширюється і так званий ефект близнюків, що оповідає про те, що при космічні подорожі зі світловими швидкостями час усередині корабля значно сповільнюється і космонавт, повернувшись на Землю, зустріне свого брата-близнюка вже глибоким старцем. Двигун Warp Drive позбавляє від цієї неприємності, тому як штовхає простір, а не корабель.

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