Călătoria superluminală este unul dintre fundamentele științei ficțiunii spațiale. Cu toate acestea, probabil toată lumea - chiar și persoane departe de fizică - știe că viteza maximă posibilă de mișcare a obiectelor materiale sau propagarea oricăror semnale este viteza luminii în vid. Este notat cu litera c și este de aproape 300 de mii de kilometri pe secundă; valoarea exactă este c = 299 792 458 m / s.
Viteza luminii într-un vid este una dintre constantele fizice fundamentale. Imposibilitatea obținerii unor viteze care depășesc c rezultă din teoria specială a relativității (SRT) a lui Einstein. Dacă s-ar putea dovedi că semnalele pot fi transmise cu viteze superluminale, teoria relativității ar cădea. Până acum, acest lucru nu s-a întâmplat, în ciuda numeroaselor încercări de a respinge interdicția existenței unor viteze mai mari decât c. Cu toate acestea, în studiile experimentale recente, au fost descoperite unele fenomene foarte interesante, care indică faptul că, în condiții special create, se pot observa viteze superluminale și nu sunt încălcate principiile teoriei relativității.
Pentru început, să reamintim principalele aspecte legate de problema vitezei luminii.
În primul rând: de ce este imposibil (în condiții normale) să depășești limita de lumină? Pentru că atunci legea fundamentală a lumii noastre este încălcată - legea cauzalității, conform căreia efectul nu poate depăși cauza. Nimeni nu a urmărit vreodată, de exemplu, mai întâi un urs a căzut mort, iar apoi un vânător a tras. La viteze care depășesc s, secvența evenimentelor este inversată, banda timpului este redusă. Acest lucru este ușor de verificat din următoarele raționamente simple.
Să presupunem că suntem pe un fel de navă miracolă spațială, care se mișcă mai repede decât lumina. Apoi ne vom trezi treptat cu lumina emisă de sursă la momentele anterioare și anterioare. În primul rând, am fi la curent cu fotonii emiți, să zicem, ieri, apoi cu cei emiți cu o zi înainte ieri, apoi cu o săptămână, o lună, un an în urmă și așa mai departe. Dacă sursa de lumină ar fi o oglindă care reflectă viața, atunci am vedea mai întâi evenimentele de ieri, apoi cu o zi înainte de ieri și așa mai departe. Am putea vedea, să spunem, un bătrân care se transformă treptat într-un bărbat de vârstă mijlocie, apoi într-un tânăr, într-o tinerețe, într-un copil … Adică, timpul s-ar întoarce înapoi, ne-am muta din prezent în trecut. Cauzele și efectele ar fi inversate.
Deși acest raționament ignoră complet detaliile tehnice ale procesului de observare a luminii, din punct de vedere fundamental, demonstrează clar că mișcarea cu viteză superluminală duce la o situație imposibilă în lumea noastră. Cu toate acestea, natura a stabilit condiții și mai stricte: este de neatins să te miști nu numai cu viteza superluminală, ci și cu o viteză egală cu viteza luminii - poți doar să te apropii de ea. Din teoria relativității rezultă că, odată cu creșterea vitezei de mișcare, apar trei circumstanțe: masa unui obiect în mișcare crește, dimensiunea acestuia scade în direcția mișcării, iar fluxul de timp asupra acestui obiect încetinește (din punctul de vedere al unui observator extern „în repaus”). La viteze obișnuite, aceste schimbări sunt neglijabile, dar pe măsură ce se apropie de viteza luminii, acestea devin mai vizibile,iar în limită - cu o viteză egală cu c - masa devine infinit de mare, obiectul își pierde complet dimensiunea în direcția mișcării și timpul se oprește asupra lui. Prin urmare, niciun corp material nu poate atinge viteza luminii. Doar lumina însăși are o asemenea viteză! (Și, de asemenea, particula "atotputernică" - neutrino, care, la fel ca un foton, nu se poate mișca cu o viteză mai mică decât s.)
Acum despre viteza de transmisie a semnalului. Aici este cazul să utilizăm reprezentarea luminii sub formă de unde electromagnetice. Ce este un semnal? Acesta este un fel de informații care trebuie transmise. O undă electromagnetică ideală este un sinusoid infinit cu o frecvență strictă și nu poate transporta nicio informație, deoarece fiecare perioadă a unui astfel de sinusoid repetă exact precedenta. Viteza de mișcare a fazei unei unde sinusoidale - așa-numita viteză de fază - poate într-un mediu, în anumite condiții, să depășească viteza luminii în vid. Nu există restricții aici, deoarece viteza de fază nu este viteza semnalului - încă nu există. Pentru a crea un semnal, trebuie să faceți un fel de "marcaj" pe val. O astfel de marcă poate fi, de exemplu, o schimbare în oricare dintre parametrii de undă - amplitudine, frecvență sau faza inițială. Dar odată ce marca este făcută,valul pierde sinusoidalitatea. Acesta devine modulat, constând dintr-un set de unde sinusoidale simple cu diferite amplitudini, frecvențe și faze inițiale - un grup de unde. Viteza cu care se deplasează marcajul în unda modulată este viteza semnalului. Când se propagă într-un mediu, această viteză coincide, de obicei, cu viteza grupului, care caracterizează propagarea grupului de unde menționat mai sus ca un întreg (vezi Știința și Viața nr. 2, 2000). În condiții normale, viteza grupului și, prin urmare, viteza semnalului este mai mică decât viteza luminii în vid. Nu este întâmplător că se folosește expresia „în condiții normale”, deoarece, în unele cazuri, viteza grupului poate depăși și c sau chiar își poate pierde sensul, dar atunci nu se aplică propagării semnalului. În SRT se stabilește că este imposibil să se transmită un semnal cu o viteză mai mare decât s. Acesta devine modulat, constând dintr-un set de unde sinusoidale simple cu diferite amplitudini, frecvențe și faze inițiale - un grup de unde. Viteza cu care se deplasează marcajul în unda modulată este viteza semnalului. Când se propagă într-un mediu, această viteză coincide, de obicei, cu viteza grupului, care caracterizează propagarea grupului de unde menționat mai sus ca un întreg (vezi Știința și Viața nr. 2, 2000). În condiții normale, viteza grupului și, prin urmare, viteza semnalului este mai mică decât viteza luminii în vid. Nu este întâmplător că se folosește expresia „în condiții normale”, deoarece, în unele cazuri, viteza grupului poate depăși și c sau chiar își poate pierde sensul, dar atunci nu se aplică propagării semnalului. În SRT se stabilește că este imposibil să se transmită un semnal cu o viteză mai mare decât s. Acesta devine modulat, constând dintr-un set de unde sinusoidale simple cu diferite amplitudini, frecvențe și faze inițiale - un grup de unde. Viteza cu care se deplasează marcajul în unda modulată este viteza semnalului. Când se propagă într-un mediu, această viteză coincide, de obicei, cu viteza grupului, care caracterizează propagarea grupului de unde menționat mai sus ca un întreg (vezi Știința și Viața nr. 2, 2000). În condiții normale, viteza grupului și, prin urmare, viteza semnalului este mai mică decât viteza luminii în vid. Nu este întâmplător că se folosește expresia „în condiții normale”, deoarece, în unele cazuri, viteza grupului poate depăși și c sau chiar își poate pierde sensul, dar atunci nu se aplică propagării semnalului. În SRT se stabilește că este imposibil să se transmită un semnal cu o viteză mai mare decât s.constând dintr-un set de unde sinusoidale simple cu amplitudini, frecvențe și faze inițiale diferite - un grup de unde. Viteza cu care se deplasează marcajul în unda modulată este viteza semnalului. Când se propagă într-un mediu, această viteză coincide de obicei cu viteza grupului, care caracterizează propagarea grupului de unde menționat mai sus ca un întreg (vezi Știința și viața nr. 2, 2000). În condiții normale, viteza grupului și, prin urmare, viteza semnalului este mai mică decât viteza luminii în vid. Nu este întâmplător că se folosește expresia „în condiții normale”, deoarece, în unele cazuri, viteza grupului poate depăși și c sau chiar își poate pierde semnificația, dar atunci nu se aplică propagării semnalului. În SRT se stabilește că este imposibil să se transmită un semnal cu o viteză mai mare decât s.constând dintr-un set de unde sinusoidale simple cu amplitudini, frecvențe și faze inițiale diferite - un grup de unde. Viteza cu care se deplasează marcajul în unda modulată este viteza semnalului. Când se propagă într-un mediu, această viteză coincide de obicei cu viteza grupului, ceea ce caracterizează propagarea grupului de unde menționat mai sus ca un întreg (vezi Știința și viața nr. 2, 2000). În condiții normale, viteza grupului și, prin urmare, viteza semnalului este mai mică decât viteza luminii în vid. Nu este întâmplător că se folosește expresia „în condiții normale”, deoarece, în unele cazuri, viteza grupului poate depăși și c sau chiar își poate pierde semnificația, dar atunci nu se aplică propagării semnalului. În SRT se stabilește că este imposibil să se transmită un semnal cu o viteză mai mare decât s.frecvențe și faze inițiale - grupuri de unde. Viteza cu care se deplasează marcajul în unda modulată este viteza semnalului. Când se propagă într-un mediu, această viteză coincide, de obicei, cu viteza grupului, care caracterizează propagarea grupului de unde menționat mai sus, în ansamblu (vezi Știința și viața, nr. 2, 2000). În condiții normale, viteza grupului și, prin urmare, viteza semnalului este mai mică decât viteza luminii în vid. Nu este întâmplător că se folosește expresia „în condiții normale”, deoarece, în unele cazuri, viteza grupului poate depăși și c sau chiar își poate pierde sensul, dar atunci nu se aplică propagării semnalului. În SRT se stabilește că este imposibil să se transmită un semnal cu o viteză mai mare decât s.frecvențe și faze inițiale - grupuri de unde. Viteza cu care se deplasează marcajul în unda modulată este viteza semnalului. Când se propagă într-un mediu, această viteză coincide, de obicei, cu viteza grupului, care caracterizează propagarea grupului de unde menționat mai sus, în ansamblu (vezi Știința și viața, nr. 2, 2000). În condiții normale, viteza grupului și, prin urmare, viteza semnalului este mai mică decât viteza luminii în vid. Nu este întâmplător că se folosește expresia „în condiții normale”, deoarece, în unele cazuri, viteza grupului poate depăși și c sau chiar își poate pierde sensul, dar atunci nu se aplică propagării semnalului. În SRT se stabilește că este imposibil să se transmită un semnal cu o viteză mai mare decât s. Când se propagă într-un mediu, această viteză coincide de obicei cu viteza grupului, care caracterizează propagarea grupului de unde menționat mai sus ca un întreg (vezi Știința și viața nr. 2, 2000). În condiții normale, viteza grupului și, prin urmare, viteza semnalului este mai mică decât viteza luminii în vid. Nu este întâmplător că se folosește expresia „în condiții normale”, deoarece, în unele cazuri, viteza grupului poate depăși și c sau chiar își poate pierde semnificația, dar atunci nu se aplică propagării semnalului. În SRT se stabilește că este imposibil să se transmită un semnal cu o viteză mai mare decât s. Când se propagă într-un mediu, această viteză coincide de obicei cu viteza grupului, ceea ce caracterizează propagarea grupului de unde menționat mai sus ca un întreg (vezi Știința și viața nr. 2, 2000). În condiții normale, viteza grupului și, prin urmare, viteza semnalului este mai mică decât viteza luminii în vid. Nu este întâmplător că se folosește expresia „în condiții normale”, deoarece, în unele cazuri, viteza grupului poate depăși și c sau chiar își poate pierde semnificația, dar atunci nu se aplică propagării semnalului. În SRT se stabilește că este imposibil să se transmită un semnal cu o viteză mai mare decât s. Nu este întâmplător că se folosește expresia „în condiții normale”, deoarece, în unele cazuri, viteza grupului poate depăși și c sau chiar își poate pierde sensul, dar atunci nu se aplică propagării semnalului. În SRT se stabilește că este imposibil să se transmită un semnal cu o viteză mai mare decât s. Nu este întâmplător că se folosește expresia „în condiții normale”, deoarece, în unele cazuri, viteza grupului poate depăși și c sau chiar își poate pierde sensul, dar atunci nu se aplică propagării semnalului. În SRT se stabilește că este imposibil să se transmită un semnal cu o viteză mai mare decât s.
Video promotional:
De ce este așa? Deoarece aceeași lege a cauzalității servește ca un obstacol în calea transmiterii oricărui semnal cu o viteză mai mare decât c. Să ne imaginăm următoarea situație. La un moment dat A, un bliț luminos (evenimentul 1) pornește un dispozitiv care trimite un anumit semnal radio, iar la un punct de la distanță B, o explozie are loc sub acțiunea acestui semnal radio (eveniment 2). Este clar că evenimentul 1 (bliț) este o cauză, iar evenimentul 2 (explozie) este o consecință care apare mai târziu decât cauza. Dar dacă semnalul radio s-ar propaga cu o viteză superluminală, un observator în apropierea punctului B ar vedea mai întâi o explozie, și abia atunci - un flash care l-a atins cu viteza unui bliț luminos, cauza exploziei. Cu alte cuvinte, pentru acest observator, evenimentul 2 ar avea loc mai devreme decât evenimentul 1, adică efectul ar fi în fața cauzei.
Este necesar să subliniem că „interdicția superluminală” a teoriei relativității este impusă numai mișcării corpurilor materiale și transmiterii semnalelor. În multe situații, mișcarea cu orice viteză este posibilă, dar nu va fi mișcarea obiectelor sau semnalelor materiale. De exemplu, imaginați-vă doi conducători destul de lungi care se află în același plan, unul dintre ei fiind orizontal, iar celălalt îl intersectează într-un unghi mic. Dacă prima riglă este deplasată în jos (în direcția indicată de săgeată) la viteză mare, punctul de intersecție al riglelor poate fi făcut să funcționeze cât de repede doriți, dar acest punct nu este un corp material. Un alt exemplu: dacă luați o lanternă (sau, să spunem, un laser care dă un fascicul îngust) și descrieți rapid un arc în aer cu ea, atunci viteza liniară a punctului de lumină va crește cu distanța și la o distanță suficient de mare va depăși c. Punctul luminos se va deplasa între punctele A și B cu o viteză superluminală, dar aceasta nu va fi o transmisie a semnalului de la A la B, deoarece un astfel de punct de lumină nu poartă nicio informație despre punctul A.
S-ar părea că problema vitezei superluminale a fost rezolvată. Dar în anii 60 ai secolului XX, fizicienii teoretici au prezentat o ipoteză a existenței particulelor superluminale numite tahicone. Acestea sunt particule foarte ciudate: teoretic sunt posibile, dar pentru a evita contradicțiile cu teoria relativității, au trebuit să atribuie o masă imaginară de odihnă. Masa imaginară fizică nu există, este o abstractizare pur matematică. Totuși, acest lucru nu a provocat prea multă alarmă, deoarece tahionii nu pot fi în repaus - există (dacă există!) Numai la viteze care depășesc viteza luminii în vid, iar în acest caz, masa tahonului se dovedește reală. Există o analogie aici cu fotonii: un foton are o masă de repaus zero, dar asta înseamnă pur și simplu că un foton nu poate fi în repaus - lumina nu poate fi oprită.
Cel mai dificil, așa cum era de așteptat, a fost concilierea ipotezei tachyon cu legea cauzalității. Încercările în această direcție, deși erau destul de ingenioase, nu au dus la un succes evident. Nimeni nu a reușit să înregistreze tahionii în mod experimental. Drept urmare, interesul pentru tahioane ca particule elementare superluminale s-a stins treptat.
Cu toate acestea, în anii 60, un fenomen a fost descoperit experimental care i-a confundat pe fizicieni inițial. Acest lucru este descris în detaliu în articolul lui A. N. Oraevsky „Undele superluminale în mediile de amplificare” (Phys. Phys. No. 12, 1998). Aici vom rezuma pe scurt chestiunea, referind cititorul interesat de detalii la articolul specificat.
La scurt timp după descoperirea laserelor - la începutul anilor 60 - a apărut problema obținerii de impulsuri de lumină de scurtă putere (aproximativ 1 ns = 10-9 s). Pentru aceasta, un scurt impuls laser a fost trecut printr-un amplificator cuantic optic. Pulsul a fost împărțit în două părți printr-o oglindă care împărțea fasciculul. Unul dintre ei, mai puternic, a fost trimis la amplificator, în timp ce celălalt s-a propagat în aer și a servit ca puls de referință cu care se poate compara pulsul care a trecut prin amplificator. Ambele impulsuri au fost alimentate cu fotodetectoare, iar semnalele lor de ieșire au putut fi observate vizual pe ecranul osciloscopului. Era de așteptat ca pulsul de lumină care trece prin amplificator să experimenteze o anumită întârziere în comparație cu impulsul de referință, adică viteza de propagare a luminii în amplificator să fie mai mică decât în aer. Imaginează-ți surpriza cercetătorilor când au descoperit că pulsul propagat prin amplificator la o viteză nu numai mai mare decât în aer, ci depășind de asemenea de câteva ori viteza luminii în vid!
După recuperarea de la primul șoc, fizicienii au început să caute motivul unui rezultat atât de neașteptat. Nimeni nu a avut nici măcar cea mai mică îndoială cu privire la principiile teoriei speciale a relativității și tocmai aceasta a contribuit la găsirea explicației corecte: dacă principiile relativității speciale sunt păstrate, atunci răspunsul trebuie căutat în proprietățile mediului amplificator.
Fără a intra în detalii aici, subliniem doar că o analiză detaliată a mecanismului de acțiune al mediului de amplificare a clarificat complet situația. Punctul a constat într-o schimbare a concentrației fotonilor în timpul propagării pulsului - o schimbare datorată unei modificări a câștigului mediului până la o valoare negativă în timpul trecerii spatelui pulsului, când mediul absoarbe deja energie, deoarece rezerva proprie a fost deja folosită datorită transmiterii sale la impulsul luminii. Absorbția determină nu amplificarea, ci o slăbire a impulsului și, astfel, impulsul este îmbunătățit în față și slăbit în spate. Să ne imaginăm că observăm un puls cu ajutorul unui dispozitiv care se deplasează cu viteza luminii într-un mediu amplificator. Dacă mediul ar fi transparent, am vedea impulsul înghețat în imobilitate. În mediu,în care are loc procesul menționat mai sus, amplificarea marginii de frunte și slăbirea marginii de tracțiune a pulsului vor apărea observatorului, astfel încât mediul a mutat pulsul înainte. Dar, deoarece dispozitivul (observatorul) se mișcă cu viteza luminii, iar pulsul îl depășește, atunci viteza pulsului depășește viteza luminii! Acest efect a fost înregistrat de experimentatori. Și aici nu există nicio contradicție cu teoria relativității: doar procesul de amplificare este astfel încât concentrația fotonilor care au ieșit mai devreme să se dovedească a fi mai mult decât cele care au ieșit mai târziu. Nu fotonii se mișcă cu viteză superluminală, ci învelișul pulsului, în special, maximul său, care este observat pe osciloscop. Dar, deoarece dispozitivul (observatorul) se mișcă cu viteza luminii, iar pulsul îl depășește, atunci viteza pulsului depășește viteza luminii! Acest efect a fost înregistrat de experimentatori. Și aici nu există nicio contradicție cu teoria relativității: doar procesul de amplificare este astfel încât concentrația fotonilor care au ieșit mai devreme să se dovedească a fi mai mult decât cele care au ieșit mai târziu. Nu fotonii se mișcă cu viteză superluminală, ci învelișul pulsului, în special, maximul său, care este observat pe osciloscop. Dar, deoarece dispozitivul (observatorul) se mișcă cu viteza luminii, iar pulsul îl depășește, atunci viteza pulsului depășește viteza luminii! Acest efect a fost înregistrat de experimentatori. Și aici nu există nicio contradicție cu teoria relativității: doar procesul de amplificare este astfel încât concentrația fotonilor care au ieșit mai devreme să se dovedească a fi mai mult decât cele care au ieșit mai târziu. Nu fotonii se mișcă cu viteză superluminală, ci învelișul pulsului, în special, maximul său, care este observat pe osciloscop. Nu fotonii se mișcă cu viteză superluminală, ci învelișul pulsului, în special, maximul său, care este observat pe osciloscop. Nu fotonii se mișcă cu viteză superluminală, ci învelișul pulsului, în special, maximul său, care este observat pe osciloscop.
Astfel, în timp ce în mediile obișnuite există întotdeauna o atenuare a luminii și o scădere a vitezei sale, determinată de indicele de refracție, în mediile laser active, se observă nu numai amplificarea luminii, ci și propagarea pulsului cu viteză superluminală.
Unii fizicieni au încercat să demonstreze experimental existența mișcării superluminale în efectul de tunel - unul dintre cele mai uimitoare fenomene în mecanica cuantică. Acest efect constă în faptul că o microparticula (mai precis, un microobiect, care prezintă atât proprietățile unei particule, cât și proprietățile unei unde în condiții diferite) este capabilă să pătrundă prin așa-numita barieră potențială - un fenomen care este complet imposibil în mecanica clasică (în care analogul ar fi o astfel de situație): O minge aruncată în perete ar fi de cealaltă parte a peretelui sau mișcarea ondulantă transmisă frânghiei legate de perete ar fi transmisă frânghiei legată de peretele de pe cealaltă parte). Esența efectului de tunelare în mecanica cuantică este următoarea. Dacă un micro-obiect cu o anumită energie întâlnește o zonă cu energie potențială în drum,depășind energia microobiectului, această zonă este pentru ea o barieră, a cărei înălțime este determinată de diferența de energie. Însă micro-obiectul „se strecoară” prin barieră! Această posibilitate îi este dată de cunoscuta relație de incertitudine Heisenberg, scrisă pentru energia și timpul de interacțiune. Dacă interacțiunea microobiectului cu bariera are loc pentru un timp suficient de definit, atunci energia microobiectului va fi, dimpotrivă, caracterizată de incertitudine și dacă această incertitudine este de ordinul înălțimii barierei, aceasta din urmă încetează să mai fie un obstacol insurmontabil pentru microobiect. Aici viteza de penetrare printr-o barieră potențială a devenit obiectul cercetărilor de către unii fizicieni, care cred că poate depăși s. Însă micro-obiectul „se strecoară” prin barieră! Această posibilitate îi este dată de cunoscuta relație de incertitudine Heisenberg, scrisă pentru energia și timpul de interacțiune. Dacă interacțiunea microobiectului cu bariera are loc pentru un timp suficient de definit, atunci energia microobiectului va fi, dimpotrivă, caracterizată de incertitudine și dacă această incertitudine este de ordinul înălțimii barierei, aceasta din urmă încetează să mai fie un obstacol insurmontabil pentru microobiect. Aici viteza de penetrare printr-o barieră potențială a devenit obiectul cercetărilor de către unii fizicieni, care cred că poate depăși s. Însă micro-obiectul „se strecoară” prin barieră! Această posibilitate îi este dată de cunoscuta relație de incertitudine Heisenberg, scrisă pentru energia și timpul de interacțiune. Dacă interacțiunea microobiectului cu bariera are loc pentru un timp suficient de definit, atunci energia microobiectului va fi, dimpotrivă, caracterizată de incertitudine și dacă această incertitudine este de ordinul înălțimii barierei, aceasta din urmă încetează să mai fie un obstacol insurmontabil pentru microobiect. Aici viteza de penetrare printr-o barieră potențială a devenit obiectul cercetărilor de către unii fizicieni, care cred că poate depăși s. Dacă interacțiunea microobiectului cu bariera are loc pentru un timp suficient de definit, atunci energia microobiectului va fi, dimpotrivă, caracterizată de incertitudine și dacă această incertitudine este de ordinul înălțimii barierei, aceasta din urmă încetează să mai fie un obstacol insurmontabil pentru microobiect. Aici viteza de penetrare printr-o barieră potențială a devenit obiectul cercetărilor de către unii fizicieni, care cred că poate depăși s. Dacă interacțiunea microobiectului cu bariera are loc pentru un timp suficient de definit, atunci energia microobiectului va fi, dimpotrivă, caracterizată de incertitudine, iar dacă această incertitudine este de ordinul înălțimii barierei, aceasta din urmă încetează să mai fie un obstacol insurmontabil pentru microobiect. Aici, viteza de penetrare printr-o barieră potențială a devenit obiectul cercetării de către mai mulți fizicieni, care cred că poate depăși s.
În iunie 1998, la Colonia a avut loc un simpozion internațional cu privire la problemele FTL, unde au fost discutate rezultatele obținute în patru laboratoare - la Berkeley, Viena, Köln și Florența.
Și în final, în 2000, au fost raportate două experimente noi în care au apărut efectele propagării superluminale. Una dintre ele a fost interpretată de Lijun Wong și colaboratori la un institut de cercetare din Princeton (SUA). Rezultatul său este că pulsul de lumină care intră în camera plină cu vapori de cesiu își mărește viteza de 300 de ori. S-a dovedit că partea principală a pulsului părăsește peretele îndepărtat al camerei chiar mai devreme decât pulsul intră în cameră prin peretele frontal. Această situație contrazice nu numai bunul simț, ci, în esență, teoria relativității.
Mesajul lui L. Wong a provocat o discuție intensă între fizicieni, cei mai mulți dintre ei nu sunt înclinați să vadă în rezultatele obținute o încălcare a principiilor relativității. Provocarea, cred ei, este de a explica corect acest experiment.
În experimentul lui L. Wong, pulsul de lumină care intră în cameră cu vapori de cesiu a avut o durată de aproximativ 3 μs. Atomii de cesiu pot fi în șaisprezece stări posibile cuantice-mecanice, numite „sub-niveluri de stare solă hiperfină magnetice”. Cu ajutorul pompării cu laser optic, aproape toți atomii au fost aduși într-unul din aceste șaisprezece stări, ceea ce corespunde temperaturii zero aproape absolute pe scara Kelvin (-273,15 ° C). Camera de cesiu avea o lungime de 6 centimetri. În vid, lumina călătorește 6 centimetri în 0,2 ns. Măsurătorile au arătat că pulsul de lumină a trecut prin cameră cu cesiu în 62 ns mai puțin timp decât în vid. Cu alte cuvinte, timpul de tranzit al pulsului prin mediul de cesiu are un semn minus! Într-adevăr, dacă 62 ns este scăzut de la 0,2 ns, obținem un timp „negativ”. Această „întârziere negativă” a mediului - un salt de timp de neînțeles - este egală cu timpul în care pulsul ar fi făcut ca 310 să treacă prin cameră în vid. Consecința acestei „răsturnări temporare” a fost că impulsul care ieșea din cameră avea timp să se îndepărteze de ea cu 19 metri înainte ca impulsul de intrare să ajungă la peretele apropiat al camerei. Cum poate fi explicată o astfel de situație incredibilă (dacă, desigur, nu există nicio îndoială cu privire la puritatea experimentului)?să nu mă îndoiesc de puritatea experimentului)?să nu mă îndoiesc de puritatea experimentului)?
Judecând după discuția desfășurată, nu s-a găsit încă o explicație exactă, dar nu există nici o îndoială că proprietățile neobișnuite de dispersie ale mediului joacă un rol aici: vaporii de cesiu, constând din atomi excitați de lumina laser, sunt un mediu cu dispersie anomală. Să ne amintim pe scurt despre ce este vorba.
Dispersia unei substanțe este dependența indicelui de refracție fazic (convențional) n de lungimea de undă a luminii l. Odată cu dispersia normală, indicele de refracție crește odată cu scăderea lungimii de undă, iar acest lucru apare în sticlă, apă, aer și toate celelalte substanțe transparente pentru lumină. În substanțele care absorb puternic lumina, cursul indicelui de refracție se schimbă în sens opus, cu o modificare a lungimii de undă și devine mult mai abrupt: cu o scădere a l (o creștere a frecvenței w), indicele de refracție scade brusc și într-o anumită regiune de lungimi de undă devine mai mică decât unitatea (viteza de fază Vph> s). Aceasta este dispersia anomală, în care imaginea propagării luminii în materie se schimbă radical. Viteza grupului Vgr devine mai mare decât viteza de fază a undelor și poate depăși viteza luminii în vid (și, de asemenea, devine negativă). L. Wong subliniază această circumstanță drept motivul care stă la baza posibilității de a explica rezultatele experimentului său. Trebuie menționat, însă, că starea Vgr> c este pur formală, deoarece conceptul de viteză a grupului a fost introdus în cazul dispersiei scăzute (normale), pentru medii transparente, când un grup de unde aproape nu își schimbă forma în timpul propagării. În regiunile de dispersie anomală, pe de altă parte, impulsul luminii se deformează rapid și conceptul de viteză a grupului își pierde semnificația; în acest caz, sunt introduse conceptele de viteză a semnalului și viteza de propagare a energiei, care în medii transparente coincid cu viteza de grup, iar în mediile cu absorbție rămân mai mici decât viteza luminii în vid. Dar iată ce este interesant în experimentul lui Wong: un impuls de lumină, trecând printr-un mediu cu dispersie anomală, nu este deformat - își păstrează forma exactă!Iar acest lucru corespunde presupunerii despre propagarea pulsului cu viteza grupului. Dar dacă da, atunci se dovedește că nu există absorbție în mediu, deși dispersia anomală a mediului se datorează tocmai absorbției! Însuși Wong, recunoscând că multe sunt încă neclare, consideră că ceea ce se întâmplă în configurația sa experimentală poate fi, într-o primă aproximare, clar explicată după cum urmează.
Un impuls de lumină este format din mai multe componente cu lungimi de undă diferite (frecvențe). Figura arată trei dintre aceste componente (undele 1-3). La un moment dat, toate cele trei valuri sunt în fază (maxima lor coincide); aici, adăugându-se, se consolidează reciproc și formează un impuls. Pe măsură ce undele se propagă mai departe în spațiu, undele sunt în faza și astfel se „umezesc” reciproc.
În regiunea de dispersie anomală (în interiorul celulei de cesiu), unda care a fost mai scurtă (unda 1) devine mai lungă. În schimb, valul care a fost cel mai lung dintre cele trei (valul 3) devine cel mai scurt.
În consecință, fazele undelor se schimbă în consecință. Când undele au trecut prin celula de cesiu, fronturile lor de undă sunt restabilite. După ce a suferit o modulare de fază neobișnuită într-o substanță cu dispersie anomală, cele trei unde luate în considerare sunt din nou în fază la un anumit punct. Aici se pliază din nou și formează un puls de exact aceeași formă cu intrarea în mediul de cesiu.
De obicei în aer și în aproape orice mediu transparent cu dispersie normală, un impuls de lumină nu își poate menține cu exactitate forma atunci când se propagă la o distanță îndepărtată, adică toate componentele sale nu pot fi introduse în trepte în niciun punct îndepărtat de-a lungul căii de propagare. Și în condiții normale, apare un impuls de lumină într-un punct atât de îndepărtat. Cu toate acestea, datorită proprietăților anomale ale mediului utilizat în experiment, pulsul dintr-un punct îndepărtat s-a dovedit etapizat în același mod ca la intrarea în acest mediu. Astfel, pulsul de lumină se comportă ca și cum ar fi avut o întârziere negativă în timp spre un drum îndepărtat, adică ar ajunge la el nu mai târziu, ci mai devreme decât a trecut mediul!
Majoritatea fizicienilor sunt înclinați să asocieze acest rezultat cu apariția unui precursor de intensitate mică în mediul dispersiv al camerei. Cert este că, în descompunerea spectrală a unui impuls, spectrul conține componente ale frecvențelor arbitrar înalte, cu amplitudine neglijabilă, așa-numitul precursor, care merge înaintea „părții principale” a pulsului. Natura instituției și forma precursorului depind de legea dispersiei în mediu. Având în vedere acest lucru, se propune ca succesiunea evenimentelor din experimentul lui Wong să fie interpretată după cum urmează. Valul de intrare, care „întinde” arbitorul în fața sa, se apropie de aparatul foto. Înainte ca vârful valului de intrare să lovească peretele apropiat al camerei, precursorul inițiază un impuls în cameră, care ajunge la peretele îndepărtat și se reflectă din acesta, formând un „val înapoi”. Acest valrăspândindu-se de 300 de ori mai rapid decât c, ajunge la peretele apropiat și întâlnește valul de intrare. Vârfurile unui val se întâlnesc în jgheaburile altuia, astfel încât se distrug reciproc și nu mai rămâne nimic. Se pare că valul de intrare „restituie datoria” atomilor de cesiu, care i-au „împrumutat” energie la celălalt capăt al camerei. Oricine ar observa doar începutul și sfârșitul experimentului, va vedea doar un impuls de lumină care „a sărit” înainte în timp, mișcându-se mai repede cu. Aș vedea doar un impuls de lumină care „a sărit” înainte în timp, mișcându-se mai repede cu. Aș vedea doar un impuls de lumină care „a sărit” înainte în timp, mișcându-se mai repede cu.
L. Wong consideră că experimentul său nu este de acord cu teoria relativității. Declarația despre neatacabilitatea vitezei superluminale, crede el, este aplicabilă numai obiectelor cu masă de repaus. Lumina poate fi reprezentată fie sub formă de unde, la care conceptul de masă este în general inaplicabil, fie sub formă de fotoni cu o masă de repaus, după cum se știe, egală cu zero. Prin urmare, viteza luminii în vid, crede Wong, nu este limita. Cu toate acestea, Wong admite că efectul pe care l-a descoperit nu face posibilă transferul informațiilor cu o viteză mai mare decât s.
„Informațiile de aici sunt deja în marginea de frunte a pulsului”, spune P. Milonny, fizician la Laboratorul Național Los Alamos din SUA. „Și puteți avea impresia că trimiteți informații mai repede decât lumina, chiar și atunci când nu o trimiteți.”
Majoritatea fizicienilor consideră că noua lucrare nu produce o lovitură zdrobitoare la principiile fundamentale. Dar nu toți fizicienii cred că problema este rezolvată. Profesorul A. Ranfagni al grupului de cercetare italian, care a efectuat un alt experiment interesant în 2000, consideră că întrebarea este încă deschisă. Acest experiment, realizat de Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni și Rocco Ruggeri, a constatat că undele radio cu bandă de centimetri în aerul obișnuit circulă cu o viteză cu 25% mai mare decât c.
În rezumat, putem spune următoarele
Munca din ultimii ani a arătat că în anumite condiții, viteza superluminală poate avea loc de fapt. Dar ce călătorește exact cu viteza superluminală? Teoria relativității, așa cum am menționat deja, interzice o astfel de viteză pentru corpurile materiale și pentru semnalele care poartă informații. Cu toate acestea, unii cercetători încearcă foarte insistent să demonstreze modul de depășire a barierei luminoase pentru semnale. Motivul pentru aceasta constă în faptul că în teoria specială a relativității nu există o justificare matematică riguroasă (bazată, să spunem, pe ecuațiile lui Maxwell pentru câmpul electromagnetic) pentru imposibilitatea de a transmite semnale cu o viteză mai mare decât s. O astfel de imposibilitate în SRT este stabilită, s-ar putea spune, doar aritmetic, pornind de la formula Einstein pentru adăugarea de viteze,dar acest lucru este confirmat fundamental de principiul cauzalității. Însuși Einstein, având în vedere problema transmisiei semnalului superluminal, a scris că în acest caz "… suntem obligați să luăm în considerare un mecanism de transmitere a semnalului, atunci când folosim acțiunea obținută precedă cauza. Dar, deși acest rezultat dintr-un punct de vedere pur logic nu conține, după părerea mea, nu există contradicții, aceasta contrazice în continuare caracterul întregii noastre experiențe atât de mult încât imposibilitatea asumării V> c pare să fie suficient de dovedită. " Principiul cauzalității este piatra de temelie care stă la baza imposibilității transmiterii semnalului FTL. Și această piatră, se pare, va poticni toate, fără excepție, căutările de semnale superluminale, indiferent cât de mult ar dori experimentatorii să găsească astfel de semnale,căci aceasta este natura lumii noastre.
Dar totuși, să ne imaginăm că matematica relativității va funcționa în continuare cu viteze mai repede decât lumina. Aceasta înseamnă că, teoretic, putem afla în continuare ce s-ar întâmpla dacă corpul s-ar întâmpla să depășească viteza luminii.
Imaginează-ți două nave spațiale care se îndreaptă de pe Pământ spre o stea aflată la 100 de ani lumină distanță de planeta noastră. Prima navă părăsește Pământul cu 50% viteza luminii, așa că va dura 200 de ani pentru întreaga călătorie. Cea de-a doua navă, echipată cu o ipotetică acțiune de urzeală, va călători cu 200% viteza luminii, dar la 100 de ani de la prima. Ce se va intampla?
Conform teoriei relativității, răspunsul corect depinde în mare măsură de perspectiva observatorului. De pe Pământ va apărea că prima navă a parcurs deja o distanță considerabilă înainte de a fi depășită de a doua navă, care se mișcă de patru ori mai repede. Dar, din punctul de vedere al oamenilor de pe prima navă, totul este puțin diferit.
Nava nr 2 se mișcă mai repede decât lumina, ceea ce înseamnă că poate chiar depăși lumina pe care o emite ea însăși. Acest lucru duce la un fel de „undă de lumină” (analog cu sunetul, doar în loc de vibrații de aer, undele de lumină vibrează aici), ceea ce generează mai multe efecte interesante. Reamintim că lumina de pe nava # 2 se mișcă mai încet decât nava în sine. Ca urmare, va avea loc o dublare vizuală. Cu alte cuvinte, la început echipajul navei nr. 1 va vedea că cea de-a doua navă a apărut lângă ea, ca și în afara locului. Apoi, lumina de la a doua navă va ajunge la prima cu o ușoară întârziere, iar rezultatul va fi o copie vizibilă care se va deplasa în aceeași direcție cu o ușoară întârziere.
Ceva similar poate fi văzut în jocurile pe calculator, când, ca urmare a unei defecțiuni a sistemului, motorul încarcă modelul și algoritmii săi în punctul final de mișcare mai repede decât se termină animația, astfel încât să apară mai multe. Acesta este probabil motivul pentru care conștiința noastră nu percepe aspectul ipotetic al Universului, în care corpurile se mișcă cu viteză superluminală - poate asta este în bine.
PS … dar în ultimul exemplu nu am înțeles ceva, de ce poziția reală a navei este asociată cu "lumina emisă de ea"? Ei bine, lasă-l să-l vadă ca pe ceva care nu există acolo, dar, în realitate, va depăși prima navă!
