Американски астрофизици са разработили математически модел на хиперпространствено задвижване, което позволява да се преодолеят космически разстояния със скорост, по-висока от скоростта на светлината с 10³² пъти, което позволява да се лети до съседна галактика и да се върне обратно в рамките на няколко часа.
Когато летят, хората няма да усетят претоварванията, които се усещат в съвременните самолети, въпреки че такъв двигател може да се появи в метал само след няколкостотин години.
Задвижващият механизъм се основава на принципа на двигателя за пространствена деформация (Warp Drive), предложен през 1994 г. от мексиканския физик Мигел Алкубиер. Американците просто трябва да прецизират модела и да направят по-подробни изчисления.
„Ако компресирате пространството пред кораба и, напротив, го разширите зад него, тогава около кораба ще се появи пространствено-времеви балон“, казва един от авторите на изследването Ричард Обуси обгръща кораба и го изтегля от обикновения свят в неговата координатна система, поради разликата в пространствено-времевия натиск, този балон е способен да се движи във всяка посока, преодолявайки светлинния праг с хиляди порядъци."
Предполага се, че пространството около кораба ще може да се деформира поради слабо проучения поток от тъмна енергия. „Тъмната енергия е много слабо проучена субстанция, открита сравнително наскоро и обясняваща защо изглежда, че галактиките летят една от друга“, каза Сергей Попов, старши изследовател в отдела по релативистка астрофизика в Държавния астрономически институт „Щернберг“ на Московския държавен университет. Има няколко модела, но няма общоприет модел, базиран на допълнителни измерения, и те казват, че е възможно да се променят свойствата на тези размери че може да има различни космологични константи в различни посоки и тогава корабът в балона ще започне да се движи.
Това „поведение“ на Вселената може да се обясни с „теорията на струните“, според която цялото ни пространство е пронизано от много други измерения. Тяхното взаимодействие помежду си генерира отблъскваща сила, която е в състояние да разшири не само материята, като галактиките, но и самото космическо тяло. Този ефект се нарича "раздуване на Вселената".
„От първите секунди на своето съществуване Вселената се разтяга“, обяснява Руслан Мецаев, доктор на физико-математическите науки, служител на Астрокосмическия център на Физическия институт „Лебедев“, „И този процес продължава и до днес“. Знаейки всичко това, можете да опитате да разширите или стесните пространството изкуствено. За да направите това, се предлага да се повлияе на други измерения, като по този начин част от пространството в нашия свят ще започне да се движи в правилната посока.
В този случай законите на теорията на относителността не са нарушени. Вътре в балона ще останат същите закони на физическия свят и скоростта на светлината ще бъде максимална. Тази ситуация не се отнася за така наречения ефект на близнаците, който ни казва, че по време на космическото пътуване със скоростта на светлината времето вътре в кораба се забавя значително и астронавтът, връщайки се на земята, ще срещне своя брат близнак като много стар мъж. Двигателят Warp Dreve елиминира този проблем, защото избутва пространството, а не кораба.
Американците вече са намерили цел за бъдещия полет. Това е планетата Глизе 581 (Gliese 581), на която климатичните условия и гравитацията се доближават до тези на Земята. Разстоянието до него е 20 светлинни години и дори ако Warp Drive работи на трилиони пъти по-слаба от максималната си мощност, времето за пътуване до него ще бъде само няколко секунди.
Редакционен екип rian.ru
http://ria.ru/science/20080823/150618337.html
| Коментари: 1 |
Както знаете, човек живее в 3 измерения - дължина, ширина и височина. Въз основа на „теорията на струните“ във Вселената има 10 измерения, първите шест от които са взаимосвързани. Това видео говори за всички тези измерения, включително последните 4, в рамките на идеите за Вселената.
Мичио Каку
Тази книга със сигурност не е забавно четиво. Това е, което се нарича „интелектуален бестселър“. Какво точно прави съвременната физика? Какъв е настоящият модел на Вселената? Как да разберем „многоизмерността“ на пространството и времето? Какво представляват паралелните светове? С какво тези концепции като обект на научно изследване се различават от религиозните и езотеричните представи?
Андрю Понтцен, Том Винти
Концепцията за пространство отговаря на въпроса "къде?" Концепцията за времето отговаря на въпроса "кога?" Понякога, за да видите правилната картина на Вселената, трябва да вземете тези две концепции и да ги комбинирате.
Мичио Каку
Съвсем наскоро ни беше трудно дори да си представим днешния свят на познати неща. Какви смели предсказания на писатели на научна фантастика и филмови автори за бъдещето имат шанс да се сбъднат пред очите ни? На този въпрос се опитва да отговори американският физик от японски произход Мичио Каку, един от авторите на струнната теория. Говорейки на прост език за най-сложните явления и най-новите постижения на съвременната наука и технологии, той се стреми да обясни основните закони на Вселената.
През 1994 г. самата кралица докосна с меча си рамото на този срамежлив мъж, посвещавайки го в рицар. Малко хора вярват в парадоксалната логика на Роджър Пенроуз – толкова е невероятна. Малко хора спорят с нея - толкова е безупречна. В тази публикация рицарят на физиката ще говори за Вселената, Бог и човешкия ум. И най-накрая всичко си дойде на мястото.
В продължение на хиляди години астрономите разчитаха единствено на видимата светлина за своите изследвания. През 20 век тяхната визия обхваща целия електромагнитен спектър - от радиовълни до гама лъчи. Космическият кораб, достигнал до други небесни тела, дарява астрономите с усещане за докосване. И накрая, наблюденията на заредени частици и неутрино, излъчвани от далечни космически обекти, дадоха на астрономите аналог на обонянието. Но пак нямат слух. Звукът не се разпространява през вакуума на пространството. Но не е пречка за вълни от друг вид - гравитационни, които също водят до вибрации на обекти. Но все още не е възможно да се регистрират тези призрачни вълни. Но астрономите са уверени, че ще получат „слух“ през следващото десетилетие.
Шон Карол, Уилям Крейг
„Телеологичният аргумент относно фината настройка на фундаменталните константи е най-добрият аргумент, който теистите имат, когато става дума за космология. Защото това е игра на правила: имате феномен, имате параметрите на физиката на елементарните частици и космологията и имате два различни модела: теизъм и натурализъм, и искате да сравните кой модел отговаря на данните по-добре. Шон Карол в дебат с философа Уилям Крейг показва, че аргументът за фина настройка не е никак убедителен и дава пет причини, поради които теизмът не предлага решение на предполагаемия проблем с фината настройка.
За да възникне живот, е необходима основа. Нашата Вселена е синтезирала атомни ядра в началния етап от своята история. Ядрата улавят електрони, за да образуват атоми. Клъстери от атоми образуват галактики, звезди и планети. Най-накрая живите същества имаха място, което да нарекат дом. Приемаме за даденост, че законите на физиката позволяват появата на такива структури, но нещата може да са различни.
25 март 2017 г
FTL пътуването е една от основите на космическата научна фантастика. Вероятно обаче всеки - дори хора, далеч от физиката - знае, че максималната възможна скорост на движение на материални обекти или разпространение на всякакви сигнали е скоростта на светлината във вакуум. Обозначава се с буквата c и е почти 300 хиляди километра в секунда; точна стойност c = 299 792 458 m/s.
Скоростта на светлината във вакуум е една от основните физични константи. Невъзможността за постигане на скорости, надвишаващи c, следва от специалната теория на относителността (STR) на Айнщайн. Ако можеше да се докаже, че предаването на сигнали със свръхсветлинни скорости е възможно, теорията на относителността би паднала. Досега това не се е случило, въпреки многобройните опити да се опровергае забраната за съществуване на скорости, по-големи от c. Неотдавнашни експериментални изследвания обаче разкриха някои много интересни явления, които показват, че при специално създадени условия могат да се наблюдават свръхсветлинни скорости, без да се нарушават принципите на теорията на относителността.
Като начало нека си припомним основните аспекти, свързани с проблема за скоростта на светлината.
Първо: защо е невъзможно (при нормални условия) да се превиши границата на светлината? Защото тогава се нарушава основният закон на нашия свят – законът за причинно-следствената връзка, според който следствието не може да предхожда причината. Никой не е забелязал например първо да падне мъртва мечка, а след това ловецът да стреля. При скорости, надвишаващи c, последователността от събития се обръща, лентата за време се превърта назад. Това е лесно да се провери от следните прости разсъждения.
Да предположим, че сме на някакъв космически кораб-чудо, който се движи по-бързо от светлината. Тогава постепенно щяхме да наваксаме светлината, излъчвана от източника във все по-ранни и по-ранни моменти. Първо, ще наваксаме фотони, излъчени, да речем, вчера, след това тези, излъчени завчера, след това седмица, месец, година и т.н. Ако източникът на светлина беше огледало, отразяващо живота, тогава първо щяхме да видим събитията от вчера, след това от завчера и т.н. Можем да видим, да речем, старец, който постепенно се превръща в мъж на средна възраст, след това в млад мъж, в младеж, в дете... Тоест времето ще се върне назад, ще преминем от настоящето към миналото. Тогава причините и следствията ще сменят местата си.
Въпреки че тази дискусия напълно игнорира техническите детайли на процеса на наблюдение на светлината, от фундаментална гледна точка тя ясно демонстрира, че движението със свръхсветлинни скорости води до ситуация, която е невъзможна в нашия свят. Природата обаче е поставила още по-строги условия: движението не само със свръхсветлинна скорост е недостижимо, но и със скорост, равна на скоростта на светлината - човек може само да се приближи до нея. От теорията на относителността следва, че когато скоростта на движение се увеличава, възникват три обстоятелства: масата на движещ се обект се увеличава, размерът му в посоката на движение намалява и протичането на времето върху този обект се забавя (от точката от гледна точка на външен „почиващ” наблюдател). При обикновени скорости тези промени са незначителни, но с приближаването на скоростта на светлината те стават все по-забележими и в границата - при скорост, равна на c - масата става безкрайно голяма, обектът напълно губи размери в посока на движение и времето спира върху него. Следователно нито едно материално тяло не може да достигне скоростта на светлината. Само самата светлина има такава скорост! (А също и „всепроникваща“ частица - неутрино, която подобно на фотон не може да се движи със скорост, по-малка от c.)
Сега за скоростта на предаване на сигнала. Тук е подходящо да се използва представянето на светлината под формата на електромагнитни вълни. Какво е сигнал? Това е информация, която трябва да бъде предадена. Идеалната електромагнитна вълна е безкрайна синусоида със строго една честота и не може да носи никаква информация, тъй като всеки период на такава синусоида точно повтаря предишния. Скоростта на движение на фазата на синусоида - така наречената фазова скорост - може при определени условия да надвишава скоростта на светлината във вакуум в среда. Тук няма ограничения, тъй като фазовата скорост не е скоростта на сигнала - тя все още не съществува. За да създадете сигнал, трябва да направите някакъв вид „маркировка“ върху вълната. Такъв знак може да бъде например промяна на някой от параметрите на вълната - амплитуда, честота или начална фаза. Но веднага щом се постави марката, вълната губи своята синусоидалност. Тя става модулирана, състояща се от набор от прости синусоиди с различни амплитуди, честоти и начални фази - група от вълни. Скоростта, с която марката се движи в модулираната вълна, е скоростта на сигнала. При разпространение в среда тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, която характеризира разпространението на горепосочената група вълни като цяло (виж "Наука и живот" No 2, 2000 г.). При нормални условия груповата скорост и следователно скоростта на сигнала е по-малка от скоростта на светлината във вакуум. Неслучайно тук се използва изразът „при нормални условия“, тъй като в някои случаи груповата скорост може да надвиши c или дори да загуби значението си, но тогава не се отнася за разпространение на сигнала. Сервизът установява, че е невъзможно да се предаде сигнал със скорост по-голяма от c.
защо е така Тъй като препятствието за предаване на всеки сигнал със скорост, по-голяма от c, е същият закон на причинно-следствената връзка. Нека си представим такава ситуация. В дадена точка А светлинен проблясък (събитие 1) включва устройство, изпращащо определен радиосигнал, а в отдалечена точка Б, под въздействието на този радиосигнал, възниква експлозия (събитие 2). Ясно е, че събитие 1 (пламване) е причината, а събитие 2 (експлозия) е следствието, настъпващо по-късно от причината. Но ако радиосигналът се разпространяваше със свръхсветлинна скорост, наблюдател в близост до точка Б първо би видял експлозия и едва след това причината за експлозията, достигнала до него със скоростта на светлинен проблясък. С други думи, за този наблюдател събитие 2 би се случило по-рано от събитие 1, тоест ефектът щеше да предхожда причината.
Уместно е да се подчертае, че „свръхсветлинната забрана” на теорията на относителността се налага само върху движението на материалните тела и предаването на сигнали. В много ситуации е възможно движение с всякаква скорост, но това няма да е движение на материални обекти или сигнали. Например, представете си две доста дълги владетели, лежащи в една и съща равнина, едната от които е разположена хоризонтално, а другата я пресича под малък ъгъл. Ако първата линия се премести надолу (в посоката, посочена от стрелката) с висока скорост, точката на пресичане на линийките може да се накара да се движи толкова бързо, колкото желаете, но тази точка не е материално тяло. Друг пример: ако вземете фенерче (или, да речем, лазер, произвеждащ тесен лъч) и бързо опишете дъга във въздуха, тогава линейната скорост на светлинното петно ще нараства с разстоянието и на достатъчно голямо разстояние ще надвишава c . Светлинното петно ще се движи между точки A и B със свръхсветлинна скорост, но това няма да бъде предаване на сигнал от A към B, тъй като такова светлинно петно не носи никаква информация за точка A.
Изглежда, че проблемът със свръхсветлинните скорости е решен. Но през 60-те години на ХХ век теоретичните физици излагат хипотезата за съществуването на свръхсветлинни частици, наречени тахиони. Това са много странни частици: теоретично те са възможни, но за да се избегнат противоречия с теорията на относителността, трябваше да им бъде приписана въображаема маса на покой. Физически въображаемата маса не съществува; тя е чисто математическа абстракция. Това обаче не предизвика много тревога, тъй като тахионите не могат да бъдат в покой - те съществуват (ако съществуват!) Само при скорости, превишаващи скоростта на светлината във вакуум, и в този случай масата на тахиона се оказва реална. Тук има известна аналогия с фотоните: фотонът има нулева маса на покой, но това просто означава, че фотонът не може да бъде в покой - светлината не може да бъде спряна.
Най-трудното нещо се оказа, както можеше да се очаква, да се съгласува тахионната хипотеза със закона за причинно-следствената връзка. Направените опити в тази посока, макар и доста гениални, не доведоха до очевиден успех. Никой също не е успял експериментално да регистрира тахиони. В резултат на това интересът към тахионите като свръхсветлинни елементарни частици постепенно избледня.
Въпреки това, през 60-те години експериментално е открит феномен, който първоначално обърка физиците. Това е описано подробно в статията на А. Н. Ораевски „Свръхсветлинни вълни в усилващи среди“ (UFN № 12, 1998 г.). Тук ще резюмираме накратко същността на въпроса, като препращаме интересуващия се от подробности читател към посочената статия.
Скоро след откриването на лазерите - в началото на 60-те години - възниква проблемът с получаването на кратки (с продължителност около 1 ns = 10-9 s) мощни светлинни импулси. За да направите това, кратък лазерен импулс беше прекаран през оптичен квантов усилвател. Импулсът беше разделен на две части от огледало за разделяне на лъча. Единият от тях, по-мощен, се изпращаше към усилвателя, а другият се разпространяваше във въздуха и служеше като референтен импулс, с който можеше да се сравни импулсът, преминаващ през усилвателя. И двата импулса бяха подавани към фотодетектори и техните изходни сигнали можеха да се наблюдават визуално на екрана на осцилоскопа. Очакваше се, че светлинният импулс, преминаващ през усилвателя, ще има известно забавяне в сравнение с референтния импулс, тоест скоростта на разпространение на светлината в усилвателя ще бъде по-малка, отколкото във въздуха. Представете си удивлението на изследователите, когато откриха, че импулсът се разпространява през усилвателя със скорост не само по-голяма от тази във въздуха, но и няколко пъти по-висока от скоростта на светлината във вакуум!
След като се възстановиха от първия шок, физиците започнаха да търсят причината за такъв неочакван резултат. Никой не е имал дори най-малкото съмнение относно принципите на специалната теория на относителността и това е, което помогна да се намери правилното обяснение: ако принципите на SRT са запазени, тогава отговорът трябва да се търси в свойствата на усилващата среда.
Без да навлизаме в подробности тук, само ще посочим, че детайлният анализ на механизма на действие на усилващата среда напълно изясни ситуацията. Въпросът беше промяна в концентрацията на фотони по време на разпространението на импулса - промяна, причинена от промяна в усилването на средата до отрицателна стойност по време на преминаването на задната част на импулса, когато средата вече поглъща енергия, тъй като собственият й резерв вече е изразходван поради прехвърлянето й към светлинния импулс. Абсорбцията предизвиква не повишаване, а отслабване на импулса, като по този начин импулсът се засилва в предната част и отслабва в задната част. Нека си представим, че наблюдаваме импулс с помощта на устройство, движещо се със скоростта на светлината в усилвателната среда. Ако средата беше прозрачна, щяхме да видим импулс, застинал в неподвижност. В средата, в която протича горепосоченият процес, усилването на предния ръб и отслабването на задния ръб на импулса ще изглеждат на наблюдателя по такъв начин, че средата изглежда е преместила импулса напред. Но тъй като устройството (наблюдателят) се движи със скоростта на светлината, а импулсът го изпреварва, тогава скоростта на импулса надвишава скоростта на светлината! Именно този ефект е регистриран от експериментаторите. И тук наистина няма противоречие с теорията на относителността: процесът на усилване е просто такъв, че концентрацията на фотони, които са излезли по-рано, се оказва по-голяма от тези, които са излезли по-късно. Не фотоните се движат със свръхсветлинна скорост, а обвивката на импулса, по-специално неговият максимум, който се наблюдава на осцилоскоп.
По този начин, докато в обикновените среди винаги има отслабване на светлината и намаляване на скоростта й, определяща се от индекса на пречупване, в активните лазерни среди има не само усилване на светлината, но и разпространение на импулс със свръхсветлинна скорост.
Някои физици се опитаха експериментално да докажат наличието на свръхсветлинно движение по време на тунелния ефект - едно от най-удивителните явления в квантовата механика. Този ефект се състои в това, че една микрочастица (по-точно микрообект, който при различни условия проявява както свойствата на частица, така и свойствата на вълна) е в състояние да проникне през така наречената потенциална бариера - явление, което е напълно невъзможно в класическата механика (в която подобна ситуация би била аналог: топка, хвърлена в стена, ще се окаже от другата страна на стената или вълнообразното движение, придадено на въже, завързано за стената, ще бъде прехвърлено на въже, завързано за стената от другата страна). Същността на тунелния ефект в квантовата механика е следната. Ако микрообект с определена енергия срещне по пътя си област с потенциална енергия, превишаваща енергията на микрообекта, тази област е бариера за него, чиято височина се определя от енергийната разлика. Но микрообектът "изтича" през бариерата! Тази възможност му се дава от добре познатата зависимост на неопределеността на Хайзенберг, написана за енергията и времето на взаимодействие. Ако взаимодействието на микрообект с бариера се случи за доста определено време, тогава енергията на микрообекта, напротив, ще се характеризира с несигурност и ако тази несигурност е от порядъка на височината на бариерата, тогава последното престава да бъде непреодолима пречка за микрообекта. Именно скоростта на проникване през потенциалната бариера стана обект на изследване от редица физици, които смятат, че тя може да надхвърли c.
През юни 1998 г. в Кьолн се провежда международен симпозиум по проблемите на свръхсветлинното движение, където се обсъждат резултатите, получени в четири лаборатории - в Бъркли, Виена, Кьолн и Флоренция.
И накрая, през 2000 г. се появиха съобщения за два нови експеримента, в които се появи ефектът от свръхсветлинното разпространение. Една от тях е извършена от Lijun Wong и колегите му от Принстънския изследователски институт (САЩ). Резултатът е, че светлинен импулс, влизащ в камера, пълна с цезиеви пари, увеличава скоростта си 300 пъти. Оказа се, че основната част от импулса напусна далечната стена на камерата дори по-рано, отколкото импулсът влезе в камерата през предната стена. Тази ситуация противоречи не само на здравия разум, но по същество и на теорията на относителността.
Съобщението на Л. Вонг предизвика бурна дискусия сред физиците, повечето от които не бяха склонни да видят нарушение на принципите на относителността в получените резултати. Те смятат, че предизвикателството е да се обясни правилно този експеримент.
В експеримента на L. Wong светлинният импулс, влизащ в камерата с цезиеви пари, е с продължителност около 3 μs. Атомите на цезия могат да съществуват в шестнадесет възможни квантово-механични състояния, наречени „хиперфини магнитни поднива на основното състояние“. Използвайки оптично лазерно изпомпване, почти всички атоми бяха приведени само в едно от тези шестнадесет състояния, съответстващо на почти абсолютна нулева температура по скалата на Келвин (-273,15 ° C). Дължината на цезиевата камера беше 6 сантиметра. Във вакуум светлината изминава 6 сантиметра за 0,2 ns. Както показаха измерванията, светлинният импулс премина през камерата с цезий за време, което беше с 62 ns по-малко, отколкото във вакуум. С други думи, времето, необходимо на импулса да премине през цезиева среда, има знак минус! Наистина, ако извадим 62 ns от 0,2 ns, получаваме „отрицателно“ време. Това "отрицателно забавяне" в средата - неразбираем времеви скок - е равно на времето, през което импулсът би направил 310 преминавания през камерата във вакуум. Последствието от това „времево обръщане“ беше, че импулсът, напускащ камерата, успя да се отдалечи на 19 метра от нея, преди входящият импулс да достигне близката стена на камерата. Как може да се обясни такава невероятна ситуация (освен, разбира се, ако не се съмняваме в чистотата на експеримента)?
Съдейки по продължаващата дискусия, все още не е намерено точно обяснение, но няма съмнение, че необичайните дисперсионни свойства на средата играят роля тук: цезиевите пари, състоящи се от атоми, възбудени от лазерна светлина, са среда с аномална дисперсия . Нека си припомним накратко какво представлява.
Дисперсията на веществото е зависимостта на фазовия (обикновен) показател на пречупване n от дължината на светлинната вълна l. При нормална дисперсия коефициентът на пречупване се увеличава с намаляване на дължината на вълната и това е случаят със стъкло, вода, въздух и всички други вещества, прозрачни за светлина. При вещества, които силно абсорбират светлина, ходът на индекса на пречупване с промяна на дължината на вълната се обръща и става много по-стръмен: с намаляване на l (увеличаване на честотата w), индексът на пречупване рязко намалява и в определена област на дължина на вълната става по-малко от единица ( фазова скорост Vf > s ). Това е аномална дисперсия, при която моделът на разпространение на светлината в дадено вещество се променя радикално. Груповата скорост Vgr става по-голяма от фазовата скорост на вълните и може да надвиши скоростта на светлината във вакуум (и също да стане отрицателна). Л. Вонг посочва това обстоятелство като причина, залегнала в основата на възможността за обяснение на резултатите от неговия експеримент. Трябва обаче да се отбележи, че условието Vgr > c е чисто формално, тъй като понятието групова скорост е въведено за случая на малка (нормална) дисперсия, за прозрачни среди, когато група от вълни почти не променя формата си по време на размножаване. В области с аномална дисперсия светлинният импулс бързо се деформира и концепцията за групова скорост губи своето значение; в този случай се въвеждат понятията скорост на сигнала и скорост на разпространение на енергията, които в прозрачни среди съвпадат с груповата скорост, а в среди с абсорбция остават по-малки от скоростта на светлината във вакуум. Но ето какво е интересно в експеримента на Вонг: светлинният импулс, преминавайки през среда с аномална дисперсия, не се деформира - той точно запазва формата си! И това съответства на предположението, че импулсът се разпространява с групова скорост. Но ако е така, тогава се оказва, че в средата няма абсорбция, въпреки че аномалната дисперсия на средата се дължи именно на абсорбцията! Самият Уонг, въпреки че признава, че много остава неясно, вярва, че това, което се случва в неговата експериментална настройка, може, в първо приближение, да бъде ясно обяснено по следния начин.
Светлинният импулс се състои от много компоненти с различни дължини на вълните (честоти). Фигурата показва три от тези компоненти (вълни 1-3). В даден момент и трите вълни са във фаза (максимумите им съвпадат); тук те, събирайки се, се подсилват взаимно и образуват импулс. Докато се разпространяват по-нататък в пространството, вълните стават дефазирани и по този начин се „отменят“ една друга.
В областта на аномална дисперсия (вътре в цезиевата клетка) вълната, която е била по-къса (вълна 1), става по-дълга. Обратно, вълната, която е била най-дългата от трите (вълна 3), става най-късата.
Следователно фазите на вълните се променят съответно. След като вълните преминат през цезиевата клетка, техните вълнови фронтове се възстановяват. След като са претърпели необичайна фазова модулация в вещество с аномална дисперсия, въпросните три вълни отново се оказват във фаза в даден момент. Тук те се събират отново и образуват импулс с точно същата форма като този, който влиза в цезиевата среда.
Обикновено във въздуха и всъщност във всяка прозрачна среда с нормална дисперсия светлинният импулс не може точно да поддържа формата си, когато се разпространява на отдалечено разстояние, тоест всички негови компоненти не могат да бъдат фазирани в която и да е отдалечена точка по пътя на разпространение. И при нормални условия светлинен импулс се появява в толкова отдалечена точка след известно време. Въпреки това, поради аномалните свойства на средата, използвана в експеримента, импулсът в отдалечена точка се оказа фазиран по същия начин, както при влизане в тази среда. Така светлинният импулс се държи така, сякаш има отрицателно времезакъснение по пътя си към далечна точка, тоест ще стигне до нея не по-късно, а по-рано, отколкото е преминал през средата!
Повечето физици са склонни да свързват този резултат с появата на прекурсор с ниска интензивност в диспергиращата среда на камерата. Факт е, че по време на спектралното разлагане на импулса спектърът съдържа компоненти на произволно високи честоти с пренебрежимо малка амплитуда, така нареченият прекурсор, който върви пред „основната част“ на импулса. Характерът на установяване и формата на прекурсора зависят от закона за дисперсия в средата. Като се има предвид това, последователността от събития в експеримента на Вонг се предлага да се тълкува по следния начин. Входящата вълна, „разтягайки“ предвестника пред себе си, се приближава към камерата. Преди пикът на входящата вълна да удари близката стена на камерата, прекурсорът инициира появата на импулс в камерата, който достига далечната стена и се отразява от нея, образувайки „обратна вълна“. Тази вълна, разпространяваща се 300 пъти по-бързо от c, достига близката стена и среща настъпващата вълна. Върховете на една вълна срещат падините на друга, така че те се унищожават един друг и в резултат на това не остава нищо. Оказва се, че прииждащата вълна „връща дълга“ към цезиевите атоми, които са й „отдали“ енергия в другия край на камерата. Всеки, който наблюдаваше само началото и края на експеримента, би видял само импулс от светлина, който „скочи“ напред във времето, движейки се по-бързо от c.
Л. Вонг смята, че неговият експеримент не е в съответствие с теорията на относителността. Твърдението за недостижимостта на свръхсветлинна скорост, според него, се отнася само за обекти с маса на покой. Светлината може да бъде представена или под формата на вълни, към които понятието маса по принцип е неприложимо, или под формата на фотони с маса на покой, както е известно, равна на нула. Следователно скоростта на светлината във вакуум, според Вонг, не е границата. Уонг обаче признава, че откритият от него ефект не прави възможно предаването на информация със скорости, по-големи от c.
„Информацията тук вече се съдържа в предния ръб на импулса“, казва П. Милони, физик от Националната лаборатория в Лос Аламос в Съединените щати, „и може да създаде впечатлението, че изпраща информация по-бързо от светлината, дори когато вие не го изпращат."
Повечето физици смятат, че новата работа не нанася съкрушителен удар на фундаменталните принципи. Но не всички физици смятат, че проблемът е решен. Професор А. Ранфани от италианската изследователска група, която проведе друг интересен експеримент през 2000 г., смята, че въпросът все още е открит. Този експеримент, извършен от Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni и Rocco Ruggeri, откри, че радиовълните от сантиметрови вълни при нормално въздушно пътуване се разпространяват със скорости, 25% по-бързи от c.
За да обобщим, можем да кажем следното.
Работата през последните години показва, че при определени условия действително може да възникне свръхсветлинна скорост. Но какво точно се движи със свръхсветлинни скорости? Теорията на относителността, както вече споменахме, забранява такава скорост за материални тела и за сигнали, носещи информация. Въпреки това някои изследователи много упорито се опитват да демонстрират преодоляването на светлинната бариера специално за сигналите. Причината за това се крие във факта, че в специалната теория на относителността няма строга математическа обосновка (въз основа, да речем, на уравненията на Максуел за електромагнитното поле) на невъзможността за предаване на сигнали със скорости, по-големи от c. Такава невъзможност в STR е установена, може да се каже, чисто аритметично, въз основа на формулата на Айнщайн за добавяне на скорости, но това се потвърждава фундаментално от принципа на причинността. Самият Айнщайн, разглеждайки въпроса за свръхсветлинното предаване на сигнала, пише, че в този случай „... ние сме принудени да считаме за възможен механизъм за предаване на сигнала, при който постигнатото действие предшества причината Но, въпреки че това е резултат от чисто логическа гледна точка гледната точка не съдържа сама по себе си, според мен няма противоречия; въпреки това тя толкова противоречи на естеството на целия ни опит, че невъзможността на предположението V > c изглежда достатъчно доказана. Принципът на причинно-следствената връзка е крайъгълният камък, който стои в основата на невъзможността за предаване на свръхсветлинен сигнал. И очевидно всички търсения на свръхсветлинни сигнали без изключение ще се спънат в този камък, независимо колко много експериментаторите биха искали да открият такива сигнали, тъй като такава е природата на нашия свят.
Но все пак, нека си представим, че математиката на относителността все още ще работи при свръхсветлинни скорости. Това означава, че теоретично все още можем да разберем какво би се случило, ако едно тяло превиши скоростта на светлината.
Нека си представим два космически кораба, които се насочват от Земята към звезда, която е на 100 светлинни години от нашата планета. Първият кораб напуска Земята със скорост 50% от скоростта на светлината, така че ще отнеме 200 години, за да завърши пътуването. Вторият кораб, оборудван с хипотетично варп задвижване, ще пътува с 200% скорост на светлината, но 100 години след първия. Какво ще се случи?
Според теорията на относителността правилният отговор зависи до голяма степен от гледната точка на наблюдателя. От Земята ще изглежда, че първият кораб вече е изминал значително разстояние, преди да бъде изпреварен от втория кораб, който се движи четири пъти по-бързо. Но от гледна точка на хората на първия кораб всичко е малко по-различно.
Кораб № 2 се движи по-бързо от светлината, което означава, че може дори да изпревари светлината, която самият той излъчва. Това води до вид „светлинна вълна“ (подобна на звукова вълна, но вместо въздушни вибрации има вибриращи светлинни вълни), което поражда няколко интересни ефекта. Спомнете си, че светлината от кораб №2 се движи по-бавно от самия кораб. Резултатът ще бъде визуално удвояване. С други думи, първо екипажът на кораб №1 ще види, че вторият кораб се е появил до тях сякаш от нищото. Тогава светлината от втория кораб ще достигне първия с малко закъснение и резултатът ще бъде видимо копие, което ще се движи в същата посока с леко забавяне.
Нещо подобно може да се види в компютърните игри, когато в резултат на повреда на системата енджинът зарежда модела и неговите алгоритми в крайната точка на движението по-бързо, отколкото самата анимация на движението завършва, така че се получават множество дубли. Вероятно затова нашето съзнание не възприема този хипотетичен аспект на Вселената, в който телата се движат със свръхсветлинни скорости – може би това е за добро.
P.S. ... но в последния пример нещо не разбрах, защо истинската позиция на кораба се свързва с „светлината, излъчвана от него“? Е, дори и да го видят на грешното място, реално той ще изпревари първия кораб!
източници
Доктор на техническите науки А. ГОЛУБЕВ.
В средата на миналата година в списанията се появи сензационно съобщение. Група американски изследователи откриха, че много къс лазерен импулс се движи в специално подбрана среда стотици пъти по-бързо, отколкото във вакуум. Това явление изглеждаше напълно невероятно (скоростта на светлината в среда винаги е по-малка от тази във вакуум) и дори породи съмнения относно валидността на специалната теория на относителността. Междувременно свръхсветлинен физически обект - лазерен импулс в усилваща среда - беше открит за първи път не през 2000 г., а 35 години по-рано, през 1965 г., и възможността за свръхсветлинно движение беше широко обсъждана до началото на 70-те години. Днес дискусията около това странно явление се разгоря с нова сила.
Примери за "свръхсветлинно" движение.
В началото на 60-те години започнаха да се получават къси светлинни импулси с висока мощност чрез преминаване на лазерна светкавица през квантов усилвател (среда с обърната населеност).
В усилващата среда началната област на светлинния импулс предизвиква стимулирано излъчване на атоми в усилващата среда, а крайната му област причинява тяхното поглъщане на енергия. В резултат на това на наблюдателя ще изглежда, че импулсът се движи по-бързо от светлината.
Експериментът на Lijun Wong.
Лъч светлина, преминаващ през призма, изработена от прозрачен материал (например стъкло), се пречупва, т.е. изпитва дисперсия.
Светлинният импулс е набор от трептения с различни честоти.
Вероятно всеки - дори хора, далеч от физиката - знае, че максималната възможна скорост на движение на материални обекти или разпространение на всякакви сигнали е скоростта на светлината във вакуум. Означава се с буквата си е почти 300 хиляди километра в секунда; точна стойност с= 299,792,458 m/s. Скоростта на светлината във вакуум е една от основните физични константи. Невъзможност за постигане на превишени скорости с, следва от специалната теория на относителността (СТО) на Айнщайн. Ако можеше да се докаже, че предаването на сигнали със свръхсветлинни скорости е възможно, теорията на относителността би паднала. Досега това не се е случило, въпреки многобройните опити да се опровергае забраната за съществуване на скорости, по-големи от с. Неотдавнашни експериментални изследвания обаче разкриха някои много интересни явления, които показват, че при специално създадени условия могат да се наблюдават свръхсветлинни скорости, без да се нарушават принципите на теорията на относителността.
Като начало нека си припомним основните аспекти, свързани с проблема за скоростта на светлината. Първо: защо е невъзможно (при нормални условия) да се превиши границата на светлината? Защото тогава се нарушава основният закон на нашия свят – законът за причинно-следствената връзка, според който следствието не може да предхожда причината. Никой не е забелязал например първо да падне мъртва мечка, а след това ловецът да стреля. При скорости над с, последователността от събития се обръща, лентата на времето се превърта назад. Това е лесно да се провери от следните прости разсъждения.
Да предположим, че сме на някакъв космически кораб-чудо, който се движи по-бързо от светлината. Тогава постепенно щяхме да наваксаме светлината, излъчвана от източника във все по-ранни и по-ранни моменти. Първо, ще наваксаме фотони, излъчени, да речем, вчера, след това тези, излъчени завчера, след това седмица, месец, година и т.н. Ако източникът на светлина беше огледало, отразяващо живота, тогава първо щяхме да видим събитията от вчера, след това от завчера и т.н. Можем да видим, да речем, старец, който постепенно се превръща в мъж на средна възраст, след това в млад мъж, в младеж, в дете... Тоест времето ще се върне назад, ще преминем от настоящето към миналото. Тогава причините и следствията ще сменят местата си.
Въпреки че тази дискусия напълно игнорира техническите детайли на процеса на наблюдение на светлината, от фундаментална гледна точка тя ясно демонстрира, че движението със свръхсветлинни скорости води до ситуация, която е невъзможна в нашия свят. Природата обаче е поставила още по-строги условия: движението не само със свръхсветлинна скорост е недостижимо, но и със скорост, равна на скоростта на светлината - човек може само да се приближи до нея. От теорията на относителността следва, че когато скоростта на движение се увеличава, възникват три обстоятелства: масата на движещ се обект се увеличава, размерът му в посоката на движение намалява и протичането на времето върху този обект се забавя (от точката от гледна точка на външен „почиващ” наблюдател). При обикновени скорости тези промени са незначителни, но с приближаването на скоростта на светлината те стават все по-осезаеми и в границата - при скорост, равна на с, - масата става безкрайно голяма, обектът напълно губи размери в посоката на движение и времето спира върху него. Следователно нито едно материално тяло не може да достигне скоростта на светлината. Само самата светлина има такава скорост! (А също и „всепроникваща“ частица - неутрино, която подобно на фотон не може да се движи със скорост по-малка от с.)
Сега за скоростта на предаване на сигнала. Тук е подходящо да се използва представянето на светлината под формата на електромагнитни вълни. Какво е сигнал? Това е информация, която трябва да бъде предадена. Идеалната електромагнитна вълна е безкрайна синусоида със строго една честота и не може да носи никаква информация, тъй като всеки период на такава синусоида точно повтаря предишния. Скоростта на движение на фазата на синусоида - така наречената фазова скорост - може в среда при определени условия да надвишава скоростта на светлината във вакуум. Тук няма ограничения, тъй като фазовата скорост не е скоростта на сигнала - тя все още не съществува. За да създадете сигнал, трябва да направите някакъв вид „маркировка“ върху вълната. Такъв знак може да бъде например промяна на някой от параметрите на вълната - амплитуда, честота или начална фаза. Но веднага щом се постави марката, вълната губи своята синусоидалност. Тя става модулирана, състояща се от набор от прости синусоиди с различни амплитуди, честоти и начални фази - група от вълни. Скоростта, с която марката се движи в модулираната вълна, е скоростта на сигнала. При разпространение в среда тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, която характеризира разпространението на горепосочената група вълни като цяло (виж "Наука и живот" No 2, 2000 г.). При нормални условия груповата скорост и следователно скоростта на сигнала е по-малка от скоростта на светлината във вакуум. Тук неслучайно се използва изразът „при нормални условия“, тъй като в някои случаи груповата скорост може да надхвърли сили изобщо губи значението си, но тогава не е свързано с разпространението на сигнала. Сервизът установява, че е невъзможно да се предава сигнал със скорост, по-голяма от с.
защо е така Тъй като има пречка за предаване на всеки сигнал със скорост, по-голяма от сСъщият закон за причинно-следствената връзка служи. Нека си представим такава ситуация. В дадена точка А светлинен проблясък (събитие 1) включва устройство, изпращащо определен радиосигнал, а в отдалечена точка Б, под въздействието на този радиосигнал, възниква експлозия (събитие 2). Ясно е, че събитие 1 (пламване) е причината, а събитие 2 (експлозия) е следствието, настъпващо по-късно от причината. Но ако радиосигналът се разпространяваше със свръхсветлинна скорост, наблюдател близо до точка B първо би видял експлозия и едва след това тя щеше да го достигне със скоростта спроблясък на светлина, причината за експлозията. С други думи, за този наблюдател събитие 2 би се случило по-рано от събитие 1, тоест ефектът щеше да предхожда причината.
Уместно е да се подчертае, че „свръхсветлинната забрана” на теорията на относителността се налага само върху движението на материалните тела и предаването на сигнали. В много ситуации е възможно движение с всякаква скорост, но това няма да е движение на материални обекти или сигнали. Например, представете си две доста дълги владетели, лежащи в една и съща равнина, едната от които е разположена хоризонтално, а другата я пресича под малък ъгъл. Ако първата линия се премести надолу (в посоката, посочена от стрелката) с висока скорост, точката на пресичане на линийките може да се накара да се движи толкова бързо, колкото желаете, но тази точка не е материално тяло. Друг пример: ако вземете фенерче (или, да речем, лазер, даващ тесен лъч) и бързо опишете с него дъга във въздуха, тогава линейната скорост на светлинното петно ще се увеличи с разстоянието и на достатъчно голямо разстояние ще надхвърлям с.Светлинното петно ще се движи между точки A и B със свръхсветлинна скорост, но това няма да бъде предаване на сигнал от A към B, тъй като такова светлинно петно не носи никаква информация за точка A.
Изглежда, че проблемът със свръхсветлинните скорости е решен. Но през 60-те години на ХХ век теоретичните физици излагат хипотезата за съществуването на свръхсветлинни частици, наречени тахиони. Това са много странни частици: теоретично те са възможни, но за да се избегнат противоречия с теорията на относителността, трябваше да им бъде приписана въображаема маса на покой. Физически въображаемата маса не съществува; тя е чисто математическа абстракция. Това обаче не предизвика много тревога, тъй като тахионите не могат да бъдат в покой - те съществуват (ако съществуват!) Само при скорости, превишаващи скоростта на светлината във вакуум, и в този случай масата на тахиона се оказва реална. Тук има известна аналогия с фотоните: фотонът има нулева маса на покой, но това просто означава, че фотонът не може да бъде в покой - светлината не може да бъде спряна.
Най-трудното нещо се оказа, както можеше да се очаква, да се съгласува тахионната хипотеза със закона за причинно-следствената връзка. Направените опити в тази посока, макар и доста гениални, не доведоха до очевиден успех. Никой също не е успял експериментално да регистрира тахиони. В резултат на това интересът към тахионите като свръхсветлинни елементарни частици постепенно избледня.
Въпреки това, през 60-те години експериментално е открит феномен, който първоначално обърка физиците. Това е описано подробно в статията на А. Н. Ораевски „Свръхсветлинни вълни в усилващи среди“ (UFN № 12, 1998 г.). Тук ще резюмираме накратко същността на въпроса, като препращаме интересуващия се от подробности читател към посочената статия.
Скоро след откриването на лазерите - в началото на 60-те години - възниква проблемът за получаване на кратки (с продължителност около 1 ns = 10 -9 s) мощни светлинни импулси. За да направите това, кратък лазерен импулс беше прекаран през оптичен квантов усилвател. Импулсът беше разделен на две части от огледало за разделяне на лъча. Единият от тях, по-мощен, се изпращаше към усилвателя, а другият се разпространяваше във въздуха и служеше като референтен импулс, с който можеше да се сравни импулсът, преминаващ през усилвателя. И двата импулса бяха подавани към фотодетектори и техните изходни сигнали можеха да се наблюдават визуално на екрана на осцилоскопа. Очакваше се, че светлинният импулс, преминаващ през усилвателя, ще има известно забавяне в сравнение с референтния импулс, тоест скоростта на разпространение на светлината в усилвателя ще бъде по-малка, отколкото във въздуха. Представете си удивлението на изследователите, когато откриха, че импулсът се разпространява през усилвателя със скорост не само по-голяма от тази във въздуха, но и няколко пъти по-висока от скоростта на светлината във вакуум!
След като се възстановиха от първия шок, физиците започнаха да търсят причината за такъв неочакван резултат. Никой не е имал дори най-малкото съмнение относно принципите на специалната теория на относителността и това е, което помогна да се намери правилното обяснение: ако принципите на SRT са запазени, тогава отговорът трябва да се търси в свойствата на усилващата среда.
Без да навлизаме в подробности тук, само ще посочим, че детайлният анализ на механизма на действие на усилващата среда напълно изясни ситуацията. Въпросът беше промяна в концентрацията на фотони по време на разпространението на импулса - промяна, причинена от промяна в усилването на средата до отрицателна стойност по време на преминаването на задната част на импулса, когато средата вече поглъща енергия, тъй като собственият й резерв вече е изразходван поради прехвърлянето й към светлинния импулс. Абсорбцията предизвиква не повишаване, а отслабване на импулса, като по този начин импулсът се засилва в предната част и отслабва в задната част. Нека си представим, че наблюдаваме импулс с помощта на устройство, движещо се със скоростта на светлината в усилвателната среда. Ако средата беше прозрачна, щяхме да видим импулс, застинал в неподвижност. В средата, в която протича горепосоченият процес, усилването на предния ръб и отслабването на задния ръб на импулса ще изглеждат на наблюдателя по такъв начин, че средата изглежда е преместила импулса напред. Но тъй като устройството (наблюдателят) се движи със скоростта на светлината, а импулсът го изпреварва, тогава скоростта на импулса надвишава скоростта на светлината! Именно този ефект е регистриран от експериментаторите. И тук наистина няма противоречие с теорията на относителността: процесът на усилване е просто такъв, че концентрацията на фотони, които са излезли по-рано, се оказва по-голяма от тези, които са излезли по-късно. Не фотоните се движат със свръхсветлинна скорост, а обвивката на импулса, по-специално неговият максимум, който се наблюдава на осцилоскоп.
По този начин, докато в обикновените среди винаги има отслабване на светлината и намаляване на скоростта й, определяща се от индекса на пречупване, в активните лазерни среди има не само усилване на светлината, но и разпространение на импулс със свръхсветлинна скорост.
Някои физици се опитаха експериментално да докажат наличието на свръхсветлинно движение по време на тунелния ефект - едно от най-удивителните явления в квантовата механика. Този ефект се състои в това, че една микрочастица (по-точно микрообект, който при различни условия проявява както свойствата на частица, така и свойствата на вълна) е в състояние да проникне през така наречената потенциална бариера - явление, което е напълно невъзможно в класическата механика (в която подобна ситуация би била аналог: топка, хвърлена в стена, ще се окаже от другата страна на стената или вълнообразното движение, придадено на въже, завързано за стената, ще бъде прехвърлено на въже, завързано за стената от другата страна). Същността на тунелния ефект в квантовата механика е следната. Ако микрообект с определена енергия срещне по пътя си област с потенциална енергия, превишаваща енергията на микрообекта, тази област е бариера за него, чиято височина се определя от енергийната разлика. Но микрообектът "изтича" през бариерата! Тази възможност му се дава от добре познатата зависимост на неопределеността на Хайзенберг, написана за енергията и времето на взаимодействие. Ако взаимодействието на микрообект с бариера се случи за доста определено време, тогава енергията на микрообекта, напротив, ще се характеризира с несигурност и ако тази несигурност е от порядъка на височината на бариерата, тогава последното престава да бъде непреодолима пречка за микрообекта. Скоростта на проникване през потенциална бариера е станала обект на изследване от редица физици, които смятат, че тя може да надхвърли с.
През юни 1998 г. в Кьолн се провежда международен симпозиум по проблемите на свръхсветлинното движение, където се обсъждат резултатите, получени в четири лаборатории - в Бъркли, Виена, Кьолн и Флоренция.
И накрая, през 2000 г. се появиха съобщения за два нови експеримента, в които се появи ефектът от свръхсветлинното разпространение. Една от тях е извършена от Lijun Wong и колегите му от Принстънския изследователски институт (САЩ). Резултатът е, че светлинен импулс, влизащ в камера, пълна с цезиеви пари, увеличава скоростта си 300 пъти. Оказа се, че основната част от импулса напусна далечната стена на камерата дори по-рано, отколкото импулсът влезе в камерата през предната стена. Тази ситуация противоречи не само на здравия разум, но по същество и на теорията на относителността.
Съобщението на Л. Вонг предизвика бурна дискусия сред физиците, повечето от които не бяха склонни да видят нарушение на принципите на относителността в получените резултати. Те смятат, че предизвикателството е да се обясни правилно този експеримент.
В експеримента на L. Wong светлинният импулс, влизащ в камерата с цезиеви пари, е с продължителност около 3 μs. Атомите на цезия могат да съществуват в шестнадесет възможни квантово-механични състояния, наречени „хиперфини магнитни поднива на основното състояние“. Използвайки оптично лазерно изпомпване, почти всички атоми бяха приведени само в едно от тези шестнадесет състояния, съответстващо на почти абсолютна нулева температура по скалата на Келвин (-273,15 o C). Дължината на цезиевата камера беше 6 сантиметра. Във вакуум светлината изминава 6 сантиметра за 0,2 ns. Както показаха измерванията, светлинният импулс премина през камерата с цезий за време, което беше с 62 ns по-малко, отколкото във вакуум. С други думи, времето, необходимо на импулса да премине през цезиева среда, има знак минус! Наистина, ако извадим 62 ns от 0,2 ns, получаваме „отрицателно“ време. Това "отрицателно забавяне" в средата - неразбираем времеви скок - е равно на времето, през което импулсът би направил 310 преминавания през камерата във вакуум. Последствието от това „времево обръщане“ беше, че импулсът, напускащ камерата, успя да се отдалечи на 19 метра от нея, преди входящият импулс да достигне близката стена на камерата. Как може да се обясни такава невероятна ситуация (освен, разбира се, ако не се съмняваме в чистотата на експеримента)?
Съдейки по продължаващата дискусия, все още не е намерено точно обяснение, но няма съмнение, че необичайните дисперсионни свойства на средата играят роля тук: цезиевите пари, състоящи се от атоми, възбудени от лазерна светлина, са среда с аномална дисперсия . Нека си припомним накратко какво представлява.
Дисперсията на веществото е зависимостта на фазовия (обикновен) индекс на пречупване нвърху дължината на светлинната вълна l. При нормална дисперсия коефициентът на пречупване се увеличава с намаляване на дължината на вълната и това е случаят със стъкло, вода, въздух и всички други вещества, прозрачни за светлина. При вещества, които силно абсорбират светлина, ходът на индекса на пречупване с промяна на дължината на вълната се обръща и става много по-стръмен: с намаляване на l (увеличаване на честотата w), индексът на пречупване рязко намалява и в определена област на дължина на вълната става по-малък от единица (фазова скорост V f > с). Това е аномална дисперсия, при която моделът на разпространение на светлината в дадено вещество се променя радикално. Групова скорост V gr става по-голяма от фазовата скорост на вълните и може да надвиши скоростта на светлината във вакуум (и също да стане отрицателна). Л. Вонг посочва това обстоятелство като причина, залегнала в основата на възможността за обяснение на резултатите от неговия експеримент. Трябва да се отбележи обаче, че условието Vгр > се чисто формално, тъй като понятието групова скорост е въведено за случай на малка (нормална) дисперсия, за прозрачни среди, когато група от вълни почти не променя формата си по време на разпространение. В области с аномална дисперсия светлинният импулс бързо се деформира и концепцията за групова скорост губи своето значение; в този случай се въвеждат понятията скорост на сигнала и скорост на разпространение на енергията, които в прозрачни среди съвпадат с груповата скорост, а в среди с абсорбция остават по-малки от скоростта на светлината във вакуум. Но ето какво е интересно в експеримента на Вонг: светлинният импулс, преминавайки през среда с аномална дисперсия, не се деформира - той точно запазва формата си! И това съответства на предположението, че импулсът се разпространява с групова скорост. Но ако е така, тогава се оказва, че в средата няма абсорбция, въпреки че аномалната дисперсия на средата се дължи именно на абсорбцията! Самият Уонг, въпреки че признава, че много остава неясно, вярва, че това, което се случва в неговата експериментална настройка, може, в първо приближение, да бъде ясно обяснено по следния начин.
Светлинният импулс се състои от много компоненти с различни дължини на вълните (честоти). Фигурата показва три от тези компоненти (вълни 1-3). В даден момент и трите вълни са във фаза (максимумите им съвпадат); тук те, събирайки се, се подсилват взаимно и образуват импулс. Докато се разпространяват по-нататък в пространството, вълните стават дефазирани и по този начин се „отменят“ една друга.
В областта на аномална дисперсия (вътре в цезиевата клетка) вълната, която е била по-къса (вълна 1), става по-дълга. Обратно, вълната, която е била най-дългата от трите (вълна 3), става най-късата.
Следователно фазите на вълните се променят съответно. След като вълните преминат през цезиевата клетка, техните вълнови фронтове се възстановяват. След като са претърпели необичайна фазова модулация в вещество с аномална дисперсия, въпросните три вълни отново се оказват във фаза в даден момент. Тук те се събират отново и образуват импулс с точно същата форма като този, който влиза в цезиевата среда.
Обикновено във въздуха и всъщност във всяка прозрачна среда с нормална дисперсия светлинният импулс не може точно да поддържа формата си, когато се разпространява на отдалечено разстояние, тоест всички негови компоненти не могат да бъдат фазирани в която и да е отдалечена точка по пътя на разпространение. И при нормални условия светлинен импулс се появява в толкова отдалечена точка след известно време. Въпреки това, поради аномалните свойства на средата, използвана в експеримента, импулсът в отдалечена точка се оказа фазиран по същия начин, както при влизане в тази среда. Така светлинният импулс се държи така, сякаш има отрицателно времезакъснение по пътя си към далечна точка, тоест ще стигне до нея не по-късно, а по-рано, отколкото е преминал през средата!
Повечето физици са склонни да свързват този резултат с появата на прекурсор с ниска интензивност в диспергиращата среда на камерата. Факт е, че по време на спектралното разлагане на импулса спектърът съдържа компоненти на произволно високи честоти с пренебрежимо малка амплитуда, така нареченият прекурсор, който върви пред „основната част“ на импулса. Характерът на установяване и формата на прекурсора зависят от закона за дисперсия в средата. Като се има предвид това, последователността от събития в експеримента на Вонг се предлага да се тълкува по следния начин. Входящата вълна, „разтягайки“ предвестника пред себе си, се приближава към камерата. Преди пикът на входящата вълна да удари близката стена на камерата, прекурсорът инициира появата на импулс в камерата, който достига далечната стена и се отразява от нея, образувайки „обратна вълна“. Тази вълна се разпространява 300 пъти по-бързо с, достига близката стена и посреща настъпващата вълна. Върховете на една вълна срещат падините на друга, така че те се унищожават един друг и в резултат на това не остава нищо. Оказва се, че прииждащата вълна „връща дълга“ към цезиевите атоми, които са й „отдали“ енергия в другия край на камерата. Всеки, който наблюдаваше само началото и края на експеримента, би видял само импулс от светлина, който „скача“ напред във времето, движейки се по-бързо с.
Л. Вонг смята, че неговият експеримент не е в съответствие с теорията на относителността. Твърдението за недостижимостта на свръхсветлинна скорост, според него, се отнася само за обекти с маса на покой. Светлината може да бъде представена или под формата на вълни, към които понятието маса по принцип е неприложимо, или под формата на фотони с маса на покой, както е известно, равна на нула. Следователно скоростта на светлината във вакуум, според Вонг, не е границата. Уонг обаче признава, че ефектът, който е открил, не прави възможно предаването на информация със скорост, по-висока от с.
„Информацията тук вече се съдържа в предния ръб на импулса“, казва П. Милони, физик от Националната лаборатория в Лос Аламос в Съединените щати, „и може да създаде впечатлението, че изпраща информация по-бързо от светлината, дори когато вие не го изпращат."
Повечето физици смятат, че новата работа не нанася съкрушителен удар на фундаменталните принципи. Но не всички физици смятат, че проблемът е решен. Професор А. Ранфани от италианската изследователска група, която проведе друг интересен експеримент през 2000 г., смята, че въпросът все още е открит. Този експеримент, проведен от Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni и Rocco Ruggeri, открива, че радиовълните от сантиметрови вълни при нормално пътуване по въздуха при скорости надвишават сс 25%.
За да обобщим, можем да кажем следното. Работата през последните години показва, че при определени условия действително може да възникне свръхсветлинна скорост. Но какво точно се движи със свръхсветлинни скорости? Теорията на относителността, както вече споменахме, забранява такава скорост за материални тела и за сигнали, носещи информация. Въпреки това някои изследователи много упорито се опитват да демонстрират преодоляването на светлинната бариера специално за сигналите. Причината за това се крие във факта, че в специалната теория на относителността няма строго математическо оправдание (базирано, да речем, на уравненията на Максуел за електромагнитното поле) на невъзможността за предаване на сигнали със скорости, по-големи от с. Такава невъзможност в STR е установена, може да се каже, чисто аритметично, въз основа на формулата на Айнщайн за добавяне на скорости, но това се потвърждава фундаментално от принципа на причинността. Самият Айнщайн, разглеждайки въпроса за свръхсветлинното предаване на сигнала, пише, че в този случай „... ние сме принудени да считаме за възможен механизъм за предаване на сигнала, при който постигнатото действие предшества причината Но, въпреки че това е резултат от чисто логическа гледна точка гледната точка не съдържа себе си, по мое мнение, няма противоречия; въпреки това тя противоречи на природата на целия ни опит, че е невъзможно да се предположи V > sизглежда достатъчно доказано." Принципът на причинно-следствената връзка е крайъгълният камък, който стои в основата на невъзможността за предаване на свръхсветлинни сигнали. И очевидно всички търсения на свръхсветлинни сигнали без изключение ще се спънат в този камък, независимо колко много експериментаторите искат да открият такива сигнали, защото такава е природата на нашия свят.
В заключение трябва да се подчертае, че всичко казано по-горе се отнася конкретно за нашия свят, за нашата Вселена. Тази уговорка е направена, тъй като напоследък в астрофизиката и космологията се появиха нови хипотези, допускащи съществуването на много скрити от нас вселени, свързани с топологични тунели - джъмпери. Тази гледна точка се споделя например от известния астрофизик Н. С. Кардашев. За външен наблюдател входовете на тези тунели са обозначени с аномални гравитационни полета, като черни дупки. Движенията в такива тунели, както предполагат авторите на хипотезите, ще позволят да се заобиколи ограничението на скоростта на движение, наложено в обикновеното пространство от скоростта на светлината, и следователно да се реализира идеята за създаване на машина на времето... Възможно е в такива вселени наистина да се случват нещо необичайно за нас. И въпреки че засега подобни хипотези твърде много напомнят на истории от научната фантастика, едва ли трябва категорично да се отхвърля принципната възможност за многоелементен модел на устройството на материалния свят. Друго нещо е, че всички тези други вселени най-вероятно ще останат чисто математически конструкции на физици-теоретици, живеещи в нашата Вселена и със силата на своите мисли, опитващи се да намерят светове, затворени за нас...
Вижте изданието по същата тема
Вероятно всеки - дори хора, далеч от физиката - знае, че максималната възможна скорост на движение на материални обекти или разпространение на всякакви сигнали е скоростта на светлината във вакуум.
Обозначава се с буквата c и е почти 300 хиляди километра в секунда; точна стойност c = 299 792 458 m/s.
Скоростта на светлината във вакуум е една от основните физични константи.
Невъзможността за постигане на скорости, надвишаващи c, следва от специалната теория на относителността (STR) на Айнщайн.
Ако можеше да се докаже, че предаването на сигнали със свръхсветлинни скорости е възможно, теорията на относителността би паднала. Досега това не се е случило, въпреки многобройните опити да се опровергае забраната за съществуване на скорости, по-големи от c.
Неотдавнашни експериментални изследвания обаче разкриха някои много интересни явления, които показват, че при специално създадени условия могат да се наблюдават свръхсветлинни скорости, без да се нарушават принципите на теорията на относителността.
Като начало нека си припомним основните аспекти, свързани с проблема за скоростта на светлината. Преди всичко: Защо е невъзможно (при нормални условия) да се превиши границата на светлината?
Защото тогава се нарушава основният закон на нашия свят – законът за причинно-следствената връзка, според който следствието не може да предхожда причината.
Никой не е забелязал например първо да падне мъртва мечка, а след това ловецът да стреля. При скорости, надвишаващи c, последователността от събития се обръща, лентата за време се превърта назад. Това е лесно да се провери от следните прости разсъждения.
Да предположим, че сме на някакъв космически кораб-чудо, който се движи по-бързо от светлината. Тогава постепенно щяхме да наваксаме светлината, излъчвана от източника във все по-ранни и по-ранни моменти.
Първо, ще наваксаме фотони, излъчени, да речем, вчера, след това тези, излъчени завчера, след това седмица, месец, година и т.н. Ако източникът на светлина беше огледало, отразяващо живота, тогава първо щяхме да видим събитията от вчера, след това от завчера и т.н. Можем да видим, да речем, старец, който постепенно се превръща в мъж на средна възраст, после в млад мъж, в младеж, в дете...
Тоест времето би се върнало назад, щяхме да се пренесем от настоящето в миналото. Тогава причините и следствията ще сменят местата си.
Въпреки че тази дискусия напълно игнорира техническите детайли на процеса на наблюдение на светлината, от фундаментална гледна точка тя ясно показва, че движението със свръхсветлинна скорост води до ситуация, която е невъзможна в нашия свят.
Природата обаче е поставила още по-строги условия: движението не само със свръхсветлинна скорост е недостижимо, но и със скорост, равна на скоростта на светлината - човек може само да се приближи до нея.
От теорията на относителността следва, че когато скоростта на движение се увеличава, възникват три обстоятелства: масата на движещ се обект се увеличава, размерът му в посоката на движение намалява и протичането на времето върху този обект се забавя (от точката от гледна точка на външен „почиващ” наблюдател).
При обикновени скорости тези промени са незначителни, но с приближаването на скоростта на светлината те стават все по-забележими и в границата - при скорост, равна на c - масата става безкрайно голяма, обектът напълно губи размери в посока на движение и времето спира върху него.
Следователно нито едно материално тяло не може да достигне скоростта на светлината. Само самата светлина има такава скорост! (А също и „всепроникваща“ частица - неутрино, която подобно на фотон не може да се движи със скорост, по-малка от c.)
Сега относно скоростта на предаване на сигнала. Тук е подходящо да се използва представянето на светлината под формата на електромагнитни вълни.
Какво е сигнал? Това е информация, която трябва да бъде предадена.
Идеалната електромагнитна вълна е безкрайна синусоида със строго една честота и не може да носи никаква информация, тъй като всеки период на такава синусоида точно повтаря предишния.
Скоростта на движение на фазата на синусоида - така наречената фазова скорост - може при определени условия да надвишава скоростта на светлината във вакуум в среда.
Тук няма ограничения, тъй като фазовата скорост не е скоростта на сигнала - все още не съществува. За да създадете сигнал, трябва да направите някакъв вид „маркировка“ върху вълната. Такъв знак може да бъде например промяна на някой от параметрите на вълната - амплитуда, честота или начална фаза. Но веднага щом се постави марката, вълната губи своята синусоидалност. Тя става модулирана, състояща се от набор от прости синусоиди с различни амплитуди, честоти и начални фази - група от вълни.
Скоростта, с която марката се движи в модулираната вълна, е скоростта на сигнала. При разпространение в среда тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, която характеризира разпространението на горепосочената група вълни като цяло (виж "Наука и живот" No 2, 2000 г.). При нормални условия груповата скорост и следователно скоростта на сигнала е по-малка от скоростта на светлината във вакуум. Неслучайно тук се използва изразът „при нормални условия“, тъй като в някои случаи груповата скорост може да надвиши c или дори да загуби значението си, но тогава не се отнася за разпространение на сигнала. Сервизът установява, че е невъзможно да се предаде сигнал със скорост по-голяма от c.
защо е така защото препятствието за предаване на всеки сигнал със скорост, по-голяма от c, е същият закон на причинно-следствената връзка.
Нека си представим такава ситуация. В дадена точка А светлинен проблясък (събитие 1) включва устройство, изпращащо определен радиосигнал, а в отдалечена точка Б, под въздействието на този радиосигнал, възниква експлозия (събитие 2). Ясно е, че събитие 1 (пламване) е причината, а събитие 2 (експлозия) е следствието, настъпващо по-късно от причината. Но ако радиосигналът се разпространяваше със свръхсветлинна скорост, наблюдател в близост до точка Б първо би видял експлозия и едва след това причината за експлозията, достигнала до него със скоростта на светлинен проблясък. С други думи, за този наблюдател събитие 2 би се случило по-рано от събитие 1, тоест ефектът щеше да предхожда причината.
Уместно е да се подчертае, че „свръхсветлинната забрана” на теорията на относителността се налага само върху движението на материалните тела и предаването на сигнали.
В много ситуации е възможно движение с всякаква скорост, но това няма да е движение на материални обекти или сигнали. Например, ако вземете фенерче (или, да речем, лазер, произвеждащ тесен лъч) и бързо опишете дъга във въздуха, тогава линейната скорост на светлинното петно ще се увеличи с разстоянието и на достатъчно голямо разстояние ще надвиши c . Светлинното петно ще се движи между точки A и B със свръхсветлинна скорост, но това няма да бъде предаване на сигнал от A към B, тъй като такова светлинно петно не носи никаква информация за точка A.
Изглежда, че проблемът със свръхсветлинните скорости е решен. Но през 60-те години на ХХ век теоретичните физици излагат хипотезата за съществуването на свръхсветлинни частици, наречени тахиони. Това са много странни частици: теоретично те са възможни, но за да се избегнат противоречия с теорията на относителността, трябваше да им бъде приписана въображаема маса на покой. Физически въображаемата маса не съществува; тя е чисто математическа абстракция. Това обаче не предизвика много тревога, тъй като тахионите не могат да бъдат в покой - те съществуват (ако съществуват!) Само при скорости, превишаващи скоростта на светлината във вакуум, и в този случай масата на тахиона се оказва реална. Тук има известна аналогия с фотоните: фотонът има нулева маса на покой, но това просто означава, че фотонът не може да бъде в покой - светлината не може да бъде спряна.
Най-трудното нещо се оказа, както можеше да се очаква, да се съгласува тахионната хипотеза със закона за причинно-следствената връзка. Направените опити в тази посока, макар и доста гениални, не доведоха до очевиден успех. Никой също не е успял експериментално да регистрира тахиони. В резултат на това интересът към тахионите като свръхсветлинни елементарни частици постепенно избледня.
Работата през последните години показва, че при определени условия действително може да възникне свръхсветлинна скорост. Но какво точно се движи със свръхсветлинни скорости? Теорията на относителността, както вече споменахме, забранява такава скорост за материални тела и за сигнали, носещи информация. Въпреки това някои изследователи много упорито се опитват да демонстрират преодоляването на светлинната бариера специално за сигналите.
Причината за това се крие във факта, че в специалната теория на относителността няма строга математическа обосновка (въз основа, да речем, на уравненията на Максуел за електромагнитното поле) на невъзможността за предаване на сигнали със скорости, по-големи от c. Такава невъзможност в STR е установена, може да се каже, чисто аритметично, въз основа на формулата на Айнщайн за добавяне на скорости, но това се потвърждава фундаментално от принципа на причинността.
Самият Айнщайн, разглеждайки въпроса за свръхсветлинното предаване на сигнала, пише, че в този случай „... ние сме принудени да считаме за възможен механизъм за предаване на сигнала, при който постигнатото действие предшества причината Но, въпреки че това е резултат от чисто логическа гледна точка гледната точка не съдържа сама по себе си, според мен няма противоречия; въпреки това тя толкова противоречи на естеството на целия ни опит, че невъзможността на предположението V > c изглежда достатъчно доказана.
Принципът на причинно-следствената връзка е крайъгълният камък, който стои в основата на невъзможността за предаване на свръхсветлинен сигнал.
И очевидно всички търсения на свръхсветлинни сигнали без изключение ще се спънат в този камък, независимо колко много експериментаторите биха искали да открият такива сигнали, тъй като такава е природата на нашия свят.
Дадено със съкращения -
Скоростта на разпространение на светлината е 299 792 458 метра в секунда, но отдавна вече не е гранична стойност. “Futurist” събра 4 теории, в които светлината вече не е Михаел Шумахер.
Американски учен от японски произход, експерт в областта на теоретичната физика, Мичио Каку, е уверен, че скоростта на светлината може лесно да бъде преодоляна.
Голям взрив
Мичио Каку нарича най-известния пример, когато светлинната бариера е преодоляна Големия взрив - ултра бърз "взрив", който се превърна в началото на разширяването на Вселената, преди което тя беше в уникално състояние.
„Нито един материален обект не може да преодолее светлинната бариера. Но празното пространство със сигурност може да пътува по-бързо от светлината. Нищо не може да бъде по-празно от вакуума, което означава, че може да се разширява по-бързо от скоростта на светлината“, сигурен е ученият.
Фенерче в нощното небе
Ако светите с фенерче в нощното небе, тогава по принцип лъч, който преминава от една част на Вселената в друга, намираща се на разстояние много светлинни години, може да пътува по-бързо от скоростта на светлината. Проблемът е, че в този случай няма да има материален обект, който действително да се движи по-бързо от светлината. Представете си, че сте заобиколени от гигантска сфера с диаметър една светлинна година. Изображението на светлинен лъч ще се втурне през тази сфера за секунди, въпреки размера си. Но само изображението на лъча може да се движи по нощното небе по-бързо от светлината, а не информацията или материален обект.
Квантово заплитане
По-бърза от скоростта на светлината може да не е някакъв обект, а цяло явление или по-скоро връзка, наречена квантово заплитане. Това е квантово-механичен феномен, при който квантовите състояния на два или повече обекта са взаимозависими. За да произведете двойка квантово заплетени фотони, можете да осветите лазер с определена честота и интензитет върху нелинеен кристал. В резултат на разсейването на лазерен лъч фотоните ще се появят в два различни конуса на поляризация, връзката между които ще се нарече квантово заплитане. И така, квантовото заплитане е един от начините, по които субатомните частици си взаимодействат и процесът на тази комуникация може да се случи по-бързо от светлината.
„Ако два електрона се съберат, те ще вибрират в унисон, според квантовата теория. Но ако след това разделите тези електрони на много светлинни години, те пак ще комуникират един с друг. Ако разклатите един електрон, другият ще усети тази вибрация и това ще се случи по-бързо от скоростта на светлината. Алберт Айнщайн смяташе, че това явление ще опровергае квантовата теория, защото нищо не може да се движи по-бързо от светлината, но всъщност той греши“, казва Мичио Каку.
червееви дупки
Темата за нарушаването на скоростта на светлината се играе в много научнофантастични филми. Сега дори тези, които са далеч от астрофизиката, са чули фразата „червеева дупка“, благодарение на филма „Интерстелар“. Това е специална кривина в пространствено-времевата система, тунел в пространството, който ви позволява да преодолеете огромни разстояния за пренебрежимо кратко време.
За подобни изкривявания говорят не само филмови сценаристи, но и учени. Мичио Каку вярва, че червеевата дупка или, както още я наричат, червеева дупка, е един от двата най-реалистични начина за предаване на информация по-бързо от скоростта на светлината.
Вторият метод, също свързан с промени в материята, е компресиране на пространството пред вас и разширяване зад вас. В това деформирано пространство възниква вълна, която се движи по-бързо от скоростта на светлината, ако се контролира от тъмната материя.
Така единственият реален шанс човек да се научи да преодолява светлинната бариера може да се крие в общата теория на относителността и кривината на пространството и времето. Всичко обаче зависи от тази много тъмна материя: никой не знае дали тя съществува със сигурност и дали дупките на червеи са стабилни.
