Podróże ponadświetlne to jeden z fundamentów kosmicznej fantastyki naukowej. Jednak chyba wszyscy - nawet ludzie dalecy od fizyki - wiedzą, że maksymalna możliwa prędkość ruchu obiektów materialnych lub propagacji jakichkolwiek sygnałów to prędkość światła w próżni. Jest oznaczony literą c i wynosi prawie 300 tysięcy kilometrów na sekundę; dokładna wartość to c = 299 792 458 m / s.
Prędkość światła w próżni jest jedną z podstawowych stałych fizycznych. Niemożność osiągnięcia prędkości przekraczających c wynika ze specjalnej teorii względności Einsteina (SRT). Gdyby można było udowodnić, że sygnały mogą być przesyłane z prędkością ponadświetlną, teoria względności upadłaby. Jak dotąd tak się nie stało, pomimo licznych prób obalenia zakazu istnienia prędkości większych niż c. Jednak w ostatnich badaniach eksperymentalnych odkryto kilka bardzo interesujących zjawisk, wskazujących na to, że w specjalnie stworzonych warunkach można zaobserwować prędkości ponadświetlne i nie narusza się zasad teorii względności.
Na początek przypomnijmy główne aspekty związane z problemem prędkości światła.
Po pierwsze: dlaczego nie można (w normalnych warunkach) przekroczyć limitu światła? Bo wtedy naruszane jest podstawowe prawo naszego świata - prawo przyczynowości, zgodnie z którym skutek nie może wyprzedzić przyczyny. Nikt nigdy nie widział, na przykład, najpierw padł martwy niedźwiedź, a potem strzelał myśliwy. Przy prędkościach powyżej s następuje odwrócenie kolejności zdarzeń, przewijanie taśmy czasu. Łatwo to zweryfikować z następującego prostego rozumowania.
Załóżmy, że jesteśmy na jakimś cudownym statku kosmicznym, poruszającym się szybciej niż światło. Wtedy stopniowo doganialiśmy światło emitowane przez źródło we wcześniejszych i wcześniejszych momentach. Najpierw dogoniliśmy fotony wyemitowane powiedzmy wczoraj, potem te wyemitowane przedwczoraj, potem tydzień, miesiąc, rok temu i tak dalej. Gdyby źródłem światła było lustro odbijające życie, to najpierw widzielibyśmy wydarzenia z dnia wczorajszego, potem przedwczorajszego i tak dalej. Moglibyśmy zobaczyć, powiedzmy, starca, który stopniowo zmienia się w mężczyznę w średnim wieku, potem w młodego mężczyznę, w młodzieńca, w dziecko… To znaczy, że czas cofałby się, przenosilibyśmy się z teraźniejszości do przeszłości. Przyczyny i skutki zostałyby odwrócone.
Chociaż rozumowanie to całkowicie pomija techniczne szczegóły procesu obserwacji światła, z fundamentalnego punktu widzenia jasno pokazuje, że ruch z prędkością ponadświetlną prowadzi do niemożliwej sytuacji w naszym świecie. Jednak natura postawiła jeszcze ostrzejsze warunki: nieosiągalne jest poruszanie się nie tylko z prędkością ponadświetlną, ale także z prędkością równą prędkości światła - można się do niej tylko zbliżyć. Z teorii względności wynika, że wraz ze wzrostem prędkości ruchu powstają trzy okoliczności: masa poruszającego się obiektu rośnie, jego rozmiar maleje w kierunku ruchu, a upływ czasu na tym obiekcie zwalnia (z punktu widzenia zewnętrznego obserwatora „spoczywającego”). Przy zwykłych prędkościach zmiany te są pomijalne, ale gdy zbliżają się do prędkości światła, stają się bardziej zauważalne,aw granicy - przy prędkości równej c - masa staje się nieskończenie duża, obiekt całkowicie traci swoje rozmiary w kierunku ruchu i czas zatrzymuje się na nim. Dlatego żadne materialne ciało nie może osiągnąć prędkości światła. Tylko samo światło ma taką prędkość! (A także „wszechprzenikająca” cząstka - neutrino, które podobnie jak foton nie może poruszać się z prędkością mniejszą niż s.)
Teraz o szybkości transmisji sygnału. W tym miejscu należy zastosować reprezentację światła w postaci fal elektromagnetycznych. Co to jest sygnał? To jest rodzaj informacji do przekazania. Idealna fala elektromagnetyczna to nieskończona sinusoida o ściśle jednej częstotliwości i nie może przenosić żadnych informacji, ponieważ każdy okres takiej sinusoidy dokładnie powtarza poprzedni. Prędkość poruszania się fazy fali sinusoidalnej - tzw. Prędkość fazowa - może w ośrodku w określonych warunkach przekraczać prędkość światła w próżni. Nie ma tutaj żadnych ograniczeń, ponieważ prędkość fazowa nie jest prędkością sygnału - jeszcze jej nie ma. Aby stworzyć sygnał, musisz zrobić coś w rodzaju „znaku” na fali. Takim znacznikiem może być np. Zmiana któregokolwiek z parametrów fali - amplitudy, częstotliwości czy fazy początkowej. Ale kiedy znak zostanie zrobiony,fala traci sinusoidalność. Staje się modulowany, składający się z zestawu prostych fal sinusoidalnych o różnych amplitudach, częstotliwościach i fazach początkowych - jest to grupa fal. Szybkość, z jaką znak porusza się w modulowanej fali, to prędkość sygnału. Przy propagacji w ośrodku prędkość ta zwykle pokrywa się z prędkością grupową, która charakteryzuje rozchodzenie się wyżej wymienionej grupy fal jako całości (patrz Science and Life nr 2, 2000). W normalnych warunkach prędkość grupowa, a tym samym prędkość sygnału, jest mniejsza niż prędkość światła w próżni. Nie jest przypadkiem, że używa się wyrażenia „w normalnych warunkach”, ponieważ w niektórych przypadkach prędkość grupowa może również przekroczyć c lub nawet stracić swoje znaczenie, ale wtedy nie dotyczy propagacji sygnału. W SRT ustalono, że niemożliwe jest przesłanie sygnału z prędkością większą niż s. Staje się modulowany, składający się z zestawu prostych fal sinusoidalnych o różnych amplitudach, częstotliwościach i fazach początkowych - jest to grupa fal. Szybkość, z jaką znak porusza się w modulowanej fali, to prędkość sygnału. Przy propagacji w ośrodku prędkość ta zwykle pokrywa się z prędkością grupową, która charakteryzuje rozchodzenie się wyżej wymienionej grupy fal jako całości (patrz Science and Life nr 2, 2000). W normalnych warunkach prędkość grupowa, a tym samym prędkość sygnału, jest mniejsza niż prędkość światła w próżni. Nie jest przypadkiem, że używa się wyrażenia „w normalnych warunkach”, ponieważ w niektórych przypadkach prędkość grupowa może również przekroczyć c lub nawet stracić swoje znaczenie, ale wtedy nie dotyczy propagacji sygnału. W SRT ustalono, że niemożliwe jest przesłanie sygnału z prędkością większą niż s. Staje się modulowany, składający się z zestawu prostych fal sinusoidalnych o różnych amplitudach, częstotliwościach i fazach początkowych - jest to grupa fal. Szybkość, z jaką znak porusza się w modulowanej fali, to prędkość sygnału. Przy propagacji w ośrodku prędkość ta zwykle pokrywa się z prędkością grupową, która charakteryzuje rozchodzenie się wyżej wymienionej grupy fal jako całości (patrz Science and Life nr 2, 2000). W normalnych warunkach prędkość grupowa, a tym samym prędkość sygnału, jest mniejsza niż prędkość światła w próżni. Nie jest przypadkiem, że używa się wyrażenia „w normalnych warunkach”, ponieważ w niektórych przypadkach prędkość grupowa może również przekroczyć c lub nawet stracić swoje znaczenie, ale wtedy nie dotyczy propagacji sygnału. W SRT ustalono, że niemożliwe jest przesłanie sygnału z prędkością większą niż s.składający się z zestawu prostych fal sinusoidalnych o różnych amplitudach, częstotliwościach i fazach początkowych - zespół fal. Szybkość, z jaką znak porusza się w modulowanej fali, to prędkość sygnału. Podczas propagacji w ośrodku prędkość ta zwykle pokrywa się z prędkością grupową, która charakteryzuje propagację wyżej wymienionej grupy fal jako całości (patrz Science and Life nr 2, 2000). W normalnych warunkach prędkość grupowa, a tym samym prędkość sygnału, jest mniejsza niż prędkość światła w próżni. Nie jest przypadkiem, że używa się wyrażenia „w normalnych warunkach”, ponieważ w niektórych przypadkach prędkość grupowa może również przekroczyć c lub nawet stracić swoje znaczenie, ale wtedy nie dotyczy propagacji sygnału. W SRT ustalono, że niemożliwe jest przesłanie sygnału z prędkością większą niż s.składający się z zestawu prostych fal sinusoidalnych o różnych amplitudach, częstotliwościach i fazach początkowych - zespół fal. Szybkość, z jaką znak porusza się w modulowanej fali, to prędkość sygnału. Podczas propagacji w ośrodku prędkość ta zwykle pokrywa się z prędkością grupową, która charakteryzuje propagację wyżej wymienionej grupy fal jako całości (patrz Science and Life nr 2, 2000). W normalnych warunkach prędkość grupowa, a tym samym prędkość sygnału, jest mniejsza niż prędkość światła w próżni. Nie jest przypadkiem, że używa się wyrażenia „w normalnych warunkach”, ponieważ w niektórych przypadkach prędkość grupowa może również przekroczyć c lub nawet stracić swoje znaczenie, ale wtedy nie dotyczy propagacji sygnału. W SRT ustalono, że niemożliwe jest przesłanie sygnału z prędkością większą niż s.częstotliwości i fazy początkowe - grupy fal. Szybkość, z jaką znak porusza się w modulowanej fali, to prędkość sygnału. Przy propagacji w ośrodku prędkość ta zwykle pokrywa się z prędkością grupową, która charakteryzuje rozchodzenie się wyżej wymienionej grupy fal jako całości (patrz Science and Life, nr 2, 2000). W normalnych warunkach prędkość grupowa, a tym samym prędkość sygnału, jest mniejsza niż prędkość światła w próżni. Nie jest przypadkiem, że używa się wyrażenia „w normalnych warunkach”, ponieważ w niektórych przypadkach prędkość grupowa może również przekroczyć c lub nawet stracić swoje znaczenie, ale wtedy nie dotyczy propagacji sygnału. W SRT ustalono, że niemożliwe jest przesłanie sygnału z prędkością większą niż s.częstotliwości i fazy początkowe - grupy fal. Szybkość, z jaką znak porusza się na fali modulowanej, jest prędkością sygnału. Przy propagacji w ośrodku prędkość ta zwykle pokrywa się z prędkością grupową, która charakteryzuje rozchodzenie się wyżej wymienionej grupy fal jako całości (patrz Science and Life, nr 2, 2000). W normalnych warunkach prędkość grupowa, a tym samym prędkość sygnału, jest mniejsza niż prędkość światła w próżni. Nie jest przypadkiem, że używa się wyrażenia „w normalnych warunkach”, ponieważ w niektórych przypadkach prędkość grupowa może również przekroczyć c lub nawet stracić swoje znaczenie, ale wtedy nie dotyczy propagacji sygnału. W SRT ustalono, że niemożliwe jest przesłanie sygnału z prędkością większą niż s. Przy propagacji w ośrodku prędkość ta zwykle pokrywa się z prędkością grupową, która charakteryzuje rozchodzenie się wyżej wymienionej grupy fal jako całości (patrz Science and Life nr 2, 2000). W normalnych warunkach prędkość grupowa, a tym samym prędkość sygnału, jest mniejsza niż prędkość światła w próżni. Nie jest przypadkiem, że używa się wyrażenia „w normalnych warunkach”, ponieważ w niektórych przypadkach prędkość grupowa może również przekroczyć c lub nawet stracić swoje znaczenie, ale wtedy nie dotyczy propagacji sygnału. W SRT ustalono, że niemożliwe jest przesłanie sygnału z prędkością większą niż s. Przy propagacji w ośrodku prędkość ta zwykle pokrywa się z prędkością grupową, która charakteryzuje rozchodzenie się wyżej wymienionej grupy fal jako całości (patrz Science and Life nr 2, 2000). W normalnych warunkach prędkość grupowa, a tym samym prędkość sygnału, jest mniejsza niż prędkość światła w próżni. Nie jest przypadkiem, że używa się wyrażenia „w normalnych warunkach”, ponieważ w niektórych przypadkach prędkość grupowa może również przekroczyć c lub nawet stracić swoje znaczenie, ale wtedy nie dotyczy propagacji sygnału. W SRT ustalono, że niemożliwe jest przesłanie sygnału z prędkością większą niż s. Nie jest przypadkiem, że używa się wyrażenia „w normalnych warunkach”, ponieważ w niektórych przypadkach prędkość grupowa może również przekroczyć c lub nawet stracić swoje znaczenie, ale wtedy nie dotyczy propagacji sygnału. W SRT ustalono, że niemożliwe jest przesłanie sygnału z prędkością większą niż s. Nie jest przypadkiem, że używa się wyrażenia „w normalnych warunkach”, ponieważ w niektórych przypadkach prędkość grupowa może również przekroczyć c lub nawet stracić swoje znaczenie, ale wtedy nie dotyczy propagacji sygnału. W SRT ustalono, że niemożliwe jest przesłanie sygnału z prędkością większą niż s.
Film promocyjny:
Dlaczego tak jest? Ponieważ to samo prawo przyczynowości służy jako przeszkoda w transmisji dowolnego sygnału z prędkością większą niż c. Wyobraźmy sobie następującą sytuację. W pewnym momencie A błysk światła (zdarzenie 1) włącza urządzenie, które wysyła określony sygnał radiowy, aw odległym punkcie B następuje eksplozja pod wpływem tego sygnału radiowego (zdarzenie 2). Oczywiste jest, że zdarzenie 1 (błysk) jest przyczyną, a zdarzenie 2 (eksplozja) jest konsekwencją, która występuje później niż przyczyna. Gdyby jednak sygnał radiowy rozchodził się z prędkością ponadświetlną, obserwator w pobliżu punktu B najpierw zobaczyłby eksplozję, a dopiero potem błysk, który dotarłby do niego z prędkością światła, będącego przyczyną wybuchu. Innymi słowy, dla tego obserwatora zdarzenie 2 wystąpiłoby wcześniej niż zdarzenie 1, to znaczy skutek wyprzedziłby przyczynę.
Należy podkreślić, że „ponadświetlny zakaz” teorii względności nakłada się tylko na ruch ciał materialnych i przekazywanie sygnałów. W wielu sytuacjach możliwy jest ruch z dowolną prędkością, ale nie będzie to ruch obiektów materialnych ani sygnałów. Na przykład wyobraź sobie dwie dość długie linijki leżące w tej samej płaszczyźnie, z których jedna jest pozioma, a druga przecina ją pod niewielkim kątem. Jeśli pierwsza linijka zostanie przesunięta w dół (w kierunku wskazanym przez strzałkę) z dużą prędkością, punkt przecięcia linijki może biec tak szybko, jak chcesz, ale ten punkt nie jest ciałem materialnym. Inny przykład: jeśli weźmiesz latarkę (lub powiedzmy laser dający wąską wiązkę) i szybko opiszesz łuk z nią w powietrzu, to prędkość liniowa plamki świetlnej będzie rosła wraz z odległością i na wystarczająco dużej odległości przekroczy c. Plama świetlna będzie przemieszczać się między punktami A i B z prędkością ponadświetlną, ale nie będzie to transmisja sygnału z A do B, ponieważ taka plamka świetlna nie zawiera żadnych informacji o punkcie A.
Wydawałoby się, że kwestia prędkości ponadświetlnych została rozwiązana. Jednak w latach 60. XX wieku fizycy teoretyczni wysunęli hipotezę o istnieniu cząstek nadświetlnych zwanych tachionami. Są to bardzo dziwne cząstki: teoretycznie są możliwe, ale aby uniknąć sprzeczności z teorią względności, musieli przypisać wyimaginowaną masę spoczynkową. Fizycznie urojona masa nie istnieje, jest to czysto matematyczna abstrakcja. Nie wzbudziło to jednak większego niepokoju, ponieważ tachiony nie mogą być w spoczynku - istnieją (jeśli istnieją!) Tylko przy prędkościach przekraczających prędkość światła w próżni iw tym przypadku masa tachionu okazuje się rzeczywista. Jest tu pewna analogia z fotonami: foton ma zerową masę spoczynkową, ale to po prostu oznacza, że foton nie może być w spoczynku - światła nie można zatrzymać.
Najtrudniejsze, zgodnie z oczekiwaniami, było pogodzenie hipotezy tachionu z prawem przyczynowości. Próby w tym kierunku, choć były dość pomysłowe, nie przyniosły oczywistego sukcesu. Nikomu też nie udało się zarejestrować eksperymentalnie tachionów. W rezultacie zainteresowanie tachionami jako nadświetlnymi cząstkami elementarnymi stopniowo zanikało.
Jednak w latach 60. odkryto eksperymentalnie zjawisko, które początkowo zdezorientowało fizyków. Jest to szczegółowo opisane w artykule A. N. Oraevsky'ego „Superluminal waves in amplifying media” (Phys. Phys. No. 12, 1998). Tutaj pokrótce podsumujemy sprawę, odsyłając zainteresowanego szczegółami czytelnika do podanego artykułu.
Wkrótce po odkryciu laserów - na początku lat 60. - pojawił się problem uzyskania krótkich (ok. 1 ns = 10-9 s) impulsów świetlnych o dużej mocy. W tym celu przez optyczny wzmacniacz kwantowy przepuszczono krótki impuls laserowy. Impuls został podzielony na dwie części przez lustro rozszczepiające wiązkę. Jeden z nich, mocniejszy, trafił do wzmacniacza, a drugi rozchodził się w powietrzu i służył jako impuls odniesienia, z którym można było porównać impuls przechodzący przez wzmacniacz. Oba impulsy doprowadzono do fotodetektorów, a ich sygnały wyjściowe można było wizualnie obserwować na ekranie oscyloskopu. Oczekiwano, że impuls świetlny przechodzący przez wzmacniacz doświadczy w nim pewnego opóźnienia w porównaniu z impulsem odniesienia, to znaczy prędkość propagacji światła we wzmacniaczu będzie mniejsza niż w powietrzu. Wyobraźcie sobie zdziwienie badaczy, gdy odkryli, że impuls rozchodzi się przez wzmacniacz z prędkością nie tylko większą niż w powietrzu, ale także kilkakrotnie przekraczającą prędkość światła w próżni!
Po odzyskaniu sił po pierwszym szoku fizycy zaczęli szukać przyczyny tak nieoczekiwanego wyniku. Nikt nie miał najmniejszych wątpliwości co do zasad szczególnej teorii względności i to właśnie pomogło znaleźć prawidłowe wyjaśnienie: jeśli zachowane są zasady szczególnej teorii względności, to odpowiedzi należy szukać we właściwościach ośrodka wzmacniającego.
Nie wchodząc tutaj w szczegóły, zwracamy tylko uwagę, że szczegółowa analiza mechanizmu działania medium wzmacniającego całkowicie wyjaśniła sytuację. Chodziło o zmianę koncentracji fotonów w czasie propagacji impulsu - zmianę spowodowaną zmianą wzmocnienia ośrodka do wartości ujemnej w trakcie przejścia tylnej części impulsu, gdy ośrodek już absorbuje energię, gdyż jego własna rezerwa została już zużyta w wyniku przeniesienia na impuls świetlny. Absorpcja powoduje nie wzmocnienie, ale osłabienie impulsu, a co za tym idzie, impuls jest wzmocniony z przodu i osłabiony z tyłu. Wyobraźmy sobie, że obserwujemy impuls za pomocą urządzenia poruszającego się z prędkością światła w ośrodku wzmacniacza. Gdyby medium było przezroczyste, impuls zatrzymałby się w bezruchu. W otoczeniu,w którym zachodzi proces wspomniany powyżej, wzmocnienie krawędzi natarcia i osłabienie zbocza opadającego impulsu pojawi się obserwatorowi w taki sposób, że ośrodek jakby przesunął impuls do przodu. Ale ponieważ urządzenie (obserwator) porusza się z prędkością światła, a impuls go wyprzedza, to prędkość impulsu przekracza prędkość światła! To właśnie ten efekt został zarejestrowany przez eksperymentatorów. I tu naprawdę nie ma sprzeczności z teorią względności: po prostu proces wzmacniania jest taki, że koncentracja fotonów, które wyszły wcześniej, okazuje się być większa niż tych, które wyszły później. To nie fotony poruszają się z prędkością ponadświetlną, ale obwiednia impulsu, w szczególności jej maksimum, które obserwuje się na oscyloskopie. Ale ponieważ urządzenie (obserwator) porusza się z prędkością światła, a impuls go wyprzedza, to prędkość impulsu przekracza prędkość światła! To właśnie ten efekt został zarejestrowany przez eksperymentatorów. I tu naprawdę nie ma sprzeczności z teorią względności: po prostu proces wzmacniania jest taki, że koncentracja fotonów, które wyszły wcześniej, okazuje się być większa niż tych, które wyszły później. To nie fotony poruszają się z prędkością ponadświetlną, ale obwiednia impulsu, w szczególności jej maksimum, które obserwuje się na oscyloskopie. Ale ponieważ urządzenie (obserwator) porusza się z prędkością światła, a impuls go wyprzedza, to prędkość impulsu przekracza prędkość światła! To właśnie ten efekt został zarejestrowany przez eksperymentatorów. I tutaj naprawdę nie ma sprzeczności z teorią względności: po prostu proces wzmacniania jest taki, że koncentracja fotonów, które wyszły wcześniej, okazuje się być większa niż tych, które wyszły później. To nie fotony poruszają się z prędkością ponadświetlną, ale obwiednia impulsu, w szczególności jej maksimum, które obserwuje się na oscyloskopie. To nie fotony poruszają się z prędkością ponadświetlną, ale obwiednia impulsu, w szczególności jej maksimum, które obserwuje się na oscyloskopie. To nie fotony poruszają się z prędkością ponadświetlną, ale obwiednia impulsu, w szczególności jej maksimum, które obserwuje się na oscyloskopie.
Tak więc, podczas gdy w zwykłych mediach zawsze występuje tłumienie światła i spadek jego prędkości, określony przez współczynnik załamania światła, w aktywnych mediach laserowych obserwuje się nie tylko wzmocnienie światła, ale także propagację impulsów z prędkością ponadświetlną.
Niektórzy fizycy próbowali eksperymentalnie udowodnić istnienie ruchu ponadświetlnego w efekcie tunelowania - jednym z najbardziej niesamowitych zjawisk w mechanice kwantowej. Efekt ten polega na tym, że mikrocząstka (a dokładniej mikroobiekt, wykazujący zarówno właściwości cząstki, jak i właściwości fali w różnych warunkach) jest w stanie przebić się przez tzw. Barierę potencjału - zjawisko całkowicie niemożliwe w mechanice klasycznej (w której analog byłby taką sytuacją): Piłka wrzucona w ścianę znajdowałaby się po drugiej stronie ściany lub falisty ruch nadany liny przywiązanej do ściany byłby przenoszony na linę przywiązaną do ściany po drugiej stronie). Istota efektu tunelowania w mechanice kwantowej jest następująca. Jeśli mikroobiekt o określonej energii napotyka na swojej drodze obszar z energią potencjalną,przekraczając energię mikroobiektu, obszar ten jest dla niego barierą, której wysokość określa różnica energii. Ale mikro-obiekt „przesiąka” przez barierę! Tę możliwość daje mu dobrze znana relacja niepewności Heisenberga, zapisana dla energii i czasu interakcji. Jeżeli oddziaływanie mikroprzedmiotu z barierą zachodzi przez wystarczająco określony czas, to energia mikroprzedmiotu będzie natomiast charakteryzować się niepewnością, a jeśli ta niepewność będzie rzędu wysokości bariery, to ta ostatnia przestanie być przeszkodą nie do pokonania dla mikroobiektu. Tutaj prędkość przenikania przez potencjalną barierę stała się przedmiotem badań wielu fizyków, którzy uważają, że może przekroczyć s. Ale mikro-obiekt „przesiąka” przez barierę! Tę możliwość daje mu dobrze znana relacja niepewności Heisenberga, zapisana dla energii i czasu interakcji. Jeżeli oddziaływanie mikroprzedmiotu z barierą zachodzi przez wystarczająco określony czas, to energia mikroprzedmiotu będzie natomiast charakteryzować się niepewnością, a jeśli ta niepewność będzie rzędu wysokości bariery, to ta ostatnia przestanie być przeszkodą nie do pokonania dla mikroobiektu. Tutaj prędkość przenikania przez potencjalną barierę stała się przedmiotem badań wielu fizyków, którzy uważają, że może przekroczyć s. Ale mikro-obiekt „przesiąka” przez barierę! Tę możliwość daje mu dobrze znana relacja niepewności Heisenberga, zapisana dla energii i czasu interakcji. Jeżeli oddziaływanie mikroprzedmiotu z barierą zachodzi przez wystarczająco określony czas, to energia mikroprzedmiotu będzie natomiast charakteryzować się niepewnością, a jeśli ta niepewność będzie rzędu wysokości bariery, to ta ostatnia przestanie być przeszkodą nie do pokonania dla mikroobiektu. Tutaj prędkość przenikania przez potencjalną barierę stała się przedmiotem badań wielu fizyków, którzy uważają, że może przekroczyć s. Jeżeli oddziaływanie mikroprzedmiotu z barierą zachodzi przez wystarczająco określony czas, to energia mikroprzedmiotu będzie natomiast charakteryzować się niepewnością, a jeśli ta niepewność będzie rzędu wysokości bariery, to ta ostatnia przestanie być przeszkodą nie do pokonania dla mikroobiektu. Tutaj prędkość przenikania przez potencjalną barierę stała się przedmiotem badań wielu fizyków, którzy uważają, że może przekroczyć s. Jeżeli oddziaływanie mikroprzedmiotu z barierą zachodzi przez wystarczająco określony czas, to energia mikroprzedmiotu będzie natomiast charakteryzować się niepewnością, a jeśli ta niepewność będzie rzędu wysokości bariery, to ta ostatnia przestanie być przeszkodą nie do pokonania dla mikroobiektu. Tutaj prędkość przenikania przez potencjalną barierę stała się przedmiotem badań wielu fizyków, którzy uważają, że może przekroczyć s.
W czerwcu 1998 r. W Kolonii odbyło się międzynarodowe sympozjum poświęcone problemom FTL, na którym omówiono wyniki uzyskane w czterech laboratoriach - w Berkeley, Wiedniu, Kolonii i we Florencji.
I wreszcie, w 2000 roku pojawiły się doniesienia o dwóch nowych eksperymentach, w których pojawiły się efekty propagacji ponadświetlnej. Jedną z nich wykonał Lijun Wong i współpracownicy instytutu badawczego w Princeton (USA). W rezultacie impuls świetlny wchodzący do komory wypełnionej parami cezu zwiększa swoją prędkość 300-krotnie. Okazało się, że główna część impulsu opuszcza dalszą ścianę komory nawet wcześniej niż impuls wchodzi do komory przez przednią ścianę. Taka sytuacja jest sprzeczna nie tylko ze zdrowym rozsądkiem, ale w istocie z teorią względności.
Przesłanie L. Wonga wywołało intensywną dyskusję wśród fizyków, z których większość nie jest skłonna dostrzec w uzyskanych wynikach naruszenia zasad względności. Uważają, że wyzwaniem jest prawidłowe wyjaśnienie tego eksperymentu.
W eksperymencie L. Wonga, impuls świetlny wchodzący do komory z parami cezu trwał około 3 μs. Atomy cezu mogą znajdować się w szesnastu możliwych stanach mechaniki kwantowej, zwanych „magnetycznymi nadsubtelnymi podpoziomami stanu podstawowego”. Za pomocą optycznego pompowania laserowego prawie wszystkie atomy zostały doprowadzone tylko do jednego z tych szesnastu stanów, odpowiadających niemal zerowej temperaturze w skali Kelvina (-273,15 ° C). Komora cezowa miała 6 centymetrów długości. W próżni światło przemieszcza się 6 centymetrów w 0,2 ns. Pomiary wykazały, że impuls świetlny przeszedł przez komorę z cezem w czasie o 62 ns krótszym niż w próżni. Innymi słowy, czas przejścia impulsu przez medium cezowe ma znak minus! Rzeczywiście, jeśli 62 ns odejmie się od 0,2 ns, otrzymamy czas „ujemny”. To „ujemne opóźnienie” w ośrodku - niezrozumiały skok w czasie - jest równe czasowi, w którym impuls wykonałby 310 przejść przez komorę w próżni. Konsekwencją tego "chwilowego przewrócenia" było to, że impuls wychodzący z komory zdążył oddalić się od niej o 19 metrów zanim napływający impuls dotarł do najbliższej ściany komory. Jak można wyjaśnić tak niesamowitą sytuację (jeśli oczywiście nie ma wątpliwości co do czystości eksperymentu)?nie wątpić w czystość eksperymentu)?nie wątpić w czystość eksperymentu)?
Sądząc po toczącej się dyskusji, nie znaleziono jeszcze dokładnego wyjaśnienia, ale nie ma wątpliwości, że rolę odgrywają tutaj niezwykłe właściwości dyspersyjne ośrodka: opary cezu, składające się z atomów wzbudzonych światłem lasera, są ośrodkiem o anomalnej dyspersji. Przypomnijmy pokrótce, co to jest.
Dyspersja substancji to zależność fazowego (konwencjonalnego) współczynnika załamania światła n od długości fali światła l. Przy normalnej dyspersji współczynnik załamania światła rośnie wraz ze spadkiem długości fali, a dzieje się to w szkle, wodzie, powietrzu i wszystkich innych substancjach przezroczystych dla światła. W substancjach silnie pochłaniających światło przebieg współczynnika załamania zmienia się na przeciwny wraz ze zmianą długości fali i staje się znacznie bardziej stromy: wraz ze spadkiem l (wzrost częstotliwości w) współczynnik załamania gwałtownie spada iw pewnym obszarze długości fal staje się mniejszy niż jedność (prędkość fazowa Vph> s). To jest anomalna dyspersja, w której obraz propagacji światła w materii zmienia się radykalnie. Prędkość grupowa Vgr staje się większa niż prędkość fazowa fal i może przekraczać prędkość światła w próżni (a także stać się ujemna). L. Wong wskazuje na tę okoliczność jako przyczynę leżącą u podstaw możliwości wyjaśnienia wyników swojego eksperymentu. Należy jednak zauważyć, że warunek Vgr> c ma charakter czysto formalny, ponieważ pojęcie prędkości grupowej zostało wprowadzone dla przypadku małej (normalnej) dyspersji, dla ośrodków przezroczystych, kiedy grupa fal prawie nie zmienia swojego kształtu podczas propagacji. Z drugiej strony, w obszarach o anomalnej dyspersji impuls świetlny ulega szybkiej deformacji, a pojęcie prędkości grupowej traci znaczenie; w tym przypadku wprowadza się pojęcia prędkości sygnału i prędkości propagacji energii, które w ośrodkach przezroczystych pokrywają się z prędkością grupową, aw ośrodkach z absorpcją pozostają mniejsze niż prędkość światła w próżni. Ale oto, co jest interesujące w eksperymencie Wonga: impuls świetlny, przechodząc przez ośrodek o anomalnej dyspersji, nie jest zdeformowany - dokładnie zachowuje swój kształt!A to odpowiada założeniu o propagacji impulsu z prędkością grupową. Ale jeśli tak, to okazuje się, że w ośrodku nie ma absorpcji, chociaż anomalna dyspersja ośrodka wynika właśnie z absorpcji! Sam Wong, przyznając, że nadal wiele jest niejasnych, uważa, że to, co dzieje się w jego układzie eksperymentalnym, można, w pierwszym przybliżeniu, jasno wyjaśnić w następujący sposób.
Impuls świetlny składa się z wielu składników o różnych długościach fal (częstotliwościach). Rysunek przedstawia trzy z tych składowych (fale 1-3). W pewnym momencie wszystkie trzy fale są w fazie (ich maksima pokrywają się); tutaj sumują się, wzmacniają się nawzajem i tworzą impuls. Gdy fale rozchodzą się dalej w przestrzeni, są one poza fazą i tym samym „wygaszają się” nawzajem.
W rejonie anomalnej dyspersji (wewnątrz komórki cezowej) krótsza fala (1) wydłuża się. I odwrotnie, fala, która była najdłuższa z trzech (fala 3), staje się najkrótsza.
W konsekwencji fazy fal odpowiednio się zmieniają. Kiedy fale przejdą przez ogniwo cezowe, ich czoła fali zostaje przywrócona. Po przejściu niezwykłej modulacji fazy w substancji o nietypowej dyspersji, trzy rozważane fale są ponownie w fazie w pewnym momencie. Tutaj ponownie się składają i tworzą impuls o dokładnie takim samym kształcie, jak wchodzący do ośrodka cezowego.
Zwykle w powietrzu i praktycznie w każdym przezroczystym ośrodku o normalnej dyspersji impuls światła nie może dokładnie zachować swojego kształtu, gdy rozchodzi się na dużą odległość, to znaczy, że wszystkie jego składniki nie mogą być fazowane w jakimkolwiek odległym punkcie wzdłuż ścieżki propagacji. W normalnych warunkach po pewnym czasie pojawia się impuls świetlny w tak odległym punkcie. Jednak ze względu na anomalne właściwości medium użytego w eksperymencie, impuls w odległym punkcie okazał się być fazowany w taki sam sposób, jak przy wejściu do tego ośrodka. Zatem impuls świetlny zachowuje się tak, jakby miał ujemne opóźnienie w drodze do odległego punktu, to znaczy dotarłby do niego nie później, ale wcześniej niż minął otoczenie!
Większość fizyków jest skłonna kojarzyć ten wynik z pojawieniem się prekursora o niskiej intensywności w ośrodku dyspersyjnym komory. Faktem jest, że w rozkładzie widmowym impulsu widmo zawiera składowe o dowolnie wysokich częstotliwościach o pomijalnej amplitudzie, tak zwany prekursor, który wyprzedza „główną część” impulsu. Charakter powstania i forma prekursora zależą od prawa dyspersji w medium. Mając to na uwadze, proponuje się następującą interpretację sekwencji wydarzeń w eksperymencie Wonga. Nadchodząca fala „rozciągająca” przed sobą zwiastun zbliża się do kamery. Zanim szczyt nadchodzącej fali uderzy w najbliższą ścianę komory, prekursor inicjuje w komorze impuls, który dociera do odległej ściany i odbija się od niej, tworząc „falę wsteczną”. Ta falarozprzestrzeniając się 300 razy szybciej niż c, dociera do najbliższej ściany i napotyka nadchodzącą falę. Szczyty jednej fali stykają się z dolinami drugiej, więc niszczą się nawzajem iw rezultacie nic nie pozostaje. Okazuje się, że nadchodząca fala „zwraca dług” atomom cezu, które „pożyczyły” mu energię na drugim końcu komory. Każdy, kto obserwowałby tylko początek i koniec eksperymentu, widziałby tylko impuls światła, który „przeskoczył” do przodu w czasie, poruszając się szybciej. Widziałbym tylko impuls światła, który „przeskakiwał” do przodu w czasie, poruszając się szybciej. Widziałbym tylko impuls światła, który „przeskakiwał” do przodu w czasie, poruszając się szybciej.
L. Wong uważa, że jego eksperyment nie zgadza się z teorią względności. Jego zdaniem stwierdzenie o nieosiągalności prędkości ponadświetlnej ma zastosowanie tylko do obiektów z masą spoczynkową. Światło można przedstawić w postaci fal, do których pojęcie masy jest generalnie nie do zastosowania, lub w postaci fotonów o masie spoczynkowej, jak wiadomo, równej zeru. Dlatego Wong uważa, że prędkość światła w próżni nie jest granicą. Niemniej Wong przyznaje, że efekt, który odkrył, nie pozwala na przesyłanie informacji z prędkością większą niż s.
„Informacje zawarte w tym miejscu są już na początku impulsu” - mówi P. Milonny, fizyk z amerykańskiego Los Alamos National Laboratory. „I możesz odnieść wrażenie, że wysyłasz informacje szybciej niż światło, nawet jeśli ich nie wysyłasz”.
Większość fizyków uważa, że nowa praca nie zadaje miażdżącego ciosu fundamentalnym zasadom. Ale nie wszyscy fizycy uważają, że problem został rozwiązany. Profesor A. Ranfagni z włoskiej grupy badawczej, która w 2000 roku przeprowadziła kolejny ciekawy eksperyment, uważa, że kwestia ta pozostaje otwarta. Eksperyment ten, przeprowadzony przez Daniela Mugnai, Anedio Ranfagni i Rocco Ruggeri, wykazał, że fale radiowe w paśmie centymetrowym podczas zwykłego lotu powietrznego z prędkością o 25% większą niż c.
Podsumowując, możemy powiedzieć, co następuje
Prace ostatnich lat pokazały, że w pewnych warunkach rzeczywiście może mieć miejsce prędkość ponadświetlna. Ale co dokładnie porusza się z prędkością ponadświetlną? Teoria względności, jak już wspomniano, zabrania takiej prędkości ciałom materialnym i sygnałom przenoszącym informacje. Niemniej jednak niektórzy badacze bardzo wytrwale próbują zademonstrować, jak pokonać barierę świetlną dla sygnałów. Przyczyna tego polega na tym, że w szczególnej teorii względności nie ma ścisłego uzasadnienia matematycznego (opartego, powiedzmy, na równaniach Maxwella dla pola elektromagnetycznego) niemożności transmitowania sygnałów z prędkością większą niż s. Taka niemożność w SRT jest stwierdzona, można powiedzieć, czysto arytmetycznie, wychodząc z wzoru Einsteina na dodawanie prędkości,ale jest to zasadniczo potwierdzone przez zasadę przyczynowości. Sam Einstein, rozważając kwestię transmisji sygnału ponadświetlnego, pisał, że w tym przypadku „… zmuszeni jesteśmy rozważyć mechanizm transmisji sygnału, przy użyciu którego osiągnięte działanie poprzedza przyczynę. Ale choć wynik ten z czysto logicznego punktu widzenia nie zawiera, moim zdaniem żadnych sprzeczności, nadal zaprzecza charakterowi całego naszego doświadczenia do tego stopnia, że niemożliwość założenia V> c wydaje się dostatecznie udowodniona. " Zasada przyczynowości jest kamieniem węgielnym leżącym u podstaw niemożności transmisji sygnału FTL. I ten kamień najwyraźniej potknie się o wszystkich, bez wyjątku, poszukujących sygnałów ponadświetlnych, bez względu na to, jak bardzo eksperymentatorzy chcieliby znaleźć takie sygnały,bo taka jest natura naszego świata.
Mimo wszystko wyobraźmy sobie, że matematyka względności będzie nadal działać z prędkością szybszą niż światło. Oznacza to, że teoretycznie nadal możemy dowiedzieć się, co by się stało, gdyby ciało przekroczyło prędkość światła.
Wyobraź sobie dwa statki kosmiczne zmierzające z Ziemi w kierunku gwiazdy odległej o 100 lat świetlnych od naszej planety. Pierwszy statek opuszcza Ziemię z 50% prędkością światła, więc cała podróż potrwa 200 lat. Drugi statek, wyposażony w hipotetyczny napęd warp, będzie podróżował z 200% prędkością światła, ale 100 lat po pierwszym. Co się stanie?
Zgodnie z teorią względności prawidłowa odpowiedź w dużej mierze zależy od perspektywy obserwatora. Z Ziemi okaże się, że pierwszy statek przebył już znaczną odległość, zanim został wyprzedzony przez drugi statek, który porusza się cztery razy szybciej. Ale z punktu widzenia ludzi na pierwszym statku wszystko jest trochę inne.
Statek nr 2 porusza się szybciej niż światło, co oznacza, że może nawet wyprzedzić emitowane przez siebie światło. Prowadzi to do swego rodzaju „fali świetlnej” (analogicznie do dźwięku, tylko zamiast drgań powietrza wibrują fale świetlne), która generuje kilka ciekawych efektów. Przypomnij sobie, że światło ze statku nr 2 porusza się wolniej niż sam statek. W rezultacie nastąpi wizualne podwojenie. Innymi słowy, na początku załoga statku # 1 zauważy, że obok niej pojawił się drugi statek, jakby znikąd. Następnie światło z drugiego statku dotrze do pierwszego z niewielkim opóźnieniem, a rezultatem będzie widoczna kopia, która będzie poruszać się w tym samym kierunku z niewielkim opóźnieniem.
Coś podobnego można zobaczyć w grach komputerowych, gdy w wyniku awarii systemu silnik wczytuje model i jego algorytmy w punkcie końcowym ruchu szybciej niż kończy się sama animacja, przez co następuje wielokrotne dublowanie. Prawdopodobnie dlatego nasza świadomość nie dostrzega hipotetycznego aspektu Wszechświata, w którym ciała poruszają się z prędkością ponadświetlną - być może tak jest najlepiej.
PS… ale w ostatnim przykładzie czegoś nie rozumiałem, dlaczego rzeczywiste położenie statku wiąże się z „emitowanym przez niego światłem”? Cóż, niech widzą go jako coś, czego tam nie ma, ale w rzeczywistości wyprzedzi pierwszy statek!
