Доктор на техническите науки А. ГОЛУБЕВ.
В средата на миналата година в списанията се появи сензационен репортаж. Група американски изследователи са открили, че много къс лазерен импулс се движи стотици пъти по-бързо в специално подбрана среда, отколкото във вакуум. Това явление изглеждаше абсолютно 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 мощни къси светлинни импулси чрез преминаване на лазерна светкавица през квантов усилвател (среда с инверсна населеност).
В усилващата среда началната област на светлинния импулс предизвиква стимулирано излъчване на атоми в усилващата среда, а крайната му област предизвиква поглъщане на енергия от тях. В резултат на това на наблюдателя ще изглежда, че импулсът се движи по-бързо от светлината.
Експеримент Лиджун Уонг.
Светлинен лъч, преминаващ през призма от прозрачен материал (като стъкло), се пречупва, т.е. изпитва дисперсия.
Светлинният импулс е набор от трептения с различни честоти.
Вероятно всички - дори хора, далеч от физиката - знаят, че максималната възможна скорост на движение на материални обекти или разпространение на всякакви сигнали е скоростта на светлината във вакуум. Отбелязва 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. Невъзможността за постигане на превишаване на скоростта с, следва от специалната теория на относителността (СТО) на Айнщайн. Ако беше възможно да се докаже, че предаването на сигнали със свръхсветлинна скорост 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. Въпреки това, в експериментални изследванияНаскоро бяха открити много интересни явления, които показват, че при специално създадени условия е възможно 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 изпревари причината. Никой никога не е наблюдавал, че например мечка първо е паднала мъртва, а след това ловецът е бил застрелян. При скорости над споследователността от събития се обръща, лентата за време се превърта назад. Това може лесно да се види от следните прости разсъждения.
Да приемем, че сме на определен космически кораб-чудо, движещ се по-бързо от светлината. Тогава постепенно щяхме да наваксаме светлината, излъчвана от източника във все по-ранни и по-ранни точки във времето. Първо бихме наваксали фотони, излъчени, да речем, вчера, след това - излъчени завчера, след това - преди 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 причината и следствието ще бъдат обърнати.
Въпреки че този аргумент напълно игнорира техническите детайли на процеса на наблюдение на светлината, от фундаментална гледна точка той ясно показва, че движението със свръхсветлинна скорост води до ситуация, която е невъзможна в нашия свят. Природата обаче е поставила още по-строги условия: непостижимо е да се движите не само със свръхсветлинна скорост, но и със скорост еднаква скоростсветлина, - можете само да се приближите до него. От теорията на относителността следва, че с увеличаване на скоростта на движение възникват три обстоятелства: масата на движещ се обект се увеличава, размерът му намалява в посоката на движение и протичането на времето върху този обект се забавя (от гледната 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 с, - масата става безкрайно голяма, обектът напълно губи размера си по посока на движение и времето спира върху него. Следователно нито едно материално тяло не може да достигне скоростта на светлината. Такава скорост има само самата светлина! (А също и "всепроникващата" частица - неутриното, която подобно на фотона 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. Идеален електромагнитна вълна- това 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, с която се движи фазата на синусоидата - така наречената фазова скорост - може да надвиши скоростта на светлината във вакуум при определени условия. 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" на 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 синусоидални вълни с различни амплитуди, честоти и начални фази - група от вълни. Скоростта на движение на марката в модулираната вълна е скоростта на сигнала. При разпространение в среда тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, характеризираща разпространението на горната група вълни като цяло (виж "Наука и живот" № 2, 2000 г.). При нормални условия груповата скорост, а оттам и 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 надвишава и сили дори губи смисъл, но тогава не се отнася за разпространението на сигнала. В SRT е установено, че е невъзможно да се предава сигнал със скорост, по-голяма от с.
Защо е така? Тъй като препятствието за предаване на всеки сигнал със скорост, по-голяма от сважи същият закон за причинно-следствената връзка. Нека си представим такава ситуация. В дадена точка А светлинен проблясък (събитие 1) включва устройство, което изпраща определен радиосигнал, а в отдалечена точка Б под действието на този радиосигнал възниква експлозия (събитие 2). Ясно е, че събитие 1 (пламване) е причината, а събитие 2 (експлозия) е следствието, което настъпва по-късно от причината. Но ако радиосигналът се разпространяваше със свръхсветлинна скорост, наблюдателят в близост до точка Б първо би видял експлозия и едва след това - достигнала до него със скорост спроблясък на светлина, причината за експлозията. С други думи, за този наблюдател събитие 2 би се случило преди събитие 1, тоест следствието 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 да се движите с всякаква скорост, но това ще бъде движението на нематериални обекти и 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, пресечната точка на линиите може да се накара да се движи произволно бързо, но тази точка не е материално тяло. Друг пример: ако вземете фенерче (или, да речем, лазер, който дава 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 надхвърли с.Светлинното петно ще се движи между точките 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 въпросът за 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: те са теоретично възможни, но за да се избегнат противоречия с теорията на относителността, трябваше да им бъде приписана въображаема маса на покой. Физически имагинерна маса не съществува, тя е чисто математическа абстракция. Това обаче не предизвика особено безпокойство, 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 беше, както се очакваше, да се съгласува тахионната хипотеза със закона за причинно-следствената връзка. Опитите 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 частиципостепенно изчезна.
Въпреки това, през 60-те години експериментално е открит феномен, който първоначално хвърли физиците в объркване. Това е описано подробно в статията на А. Н. Ораевски "Свръхсветлинни вълни в усилващи среди" (UFN № 12, 1998 г.). Тук обобщаваме накратко същността на въпроса, като препращаме интересуващия се от подробности читател към споменатата статия.
Малко след откриването на лазерите, в началото на 60-те години, възниква проблемът за получаване на кратки (с продължителност от порядъка на 1 ns = 10 -9 s) светлинни импулси с голяма мощност. За да направите това, кратък лазерен импулс беше прекаран през оптичен квантов усилвател. Импулсът беше разделен от огледало, разделящо лъча, на две части. Единият от тях, по-мощен, беше изпратен към усилвателя, а другият се разпространи във въздуха и послужи като референтен импулс, с който беше възможно да се сравни импулсът, преминал 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. Какво беше 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-голяма 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 именно това 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 отбелязваме, че подробният 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 поради промяна в усилването на средата до отрицателна стойност по време на преминаването на задната част на импулса, когато средата вече е абсорбираща енергия, тъй като собственият й резерв вече е изразходван поради прехвърлянето й към светлинния импулс. Абсорбцията не предизвиква повишаване, а намаляване на импулса, като по този начин импулсът се засилва в предната му част и отслабва в задната му част. Нека си представим, че наблюдаваме пулса с помощта на инструмент, движещ се със скоростта на светлината в средата на усилвател. Ако средата беше прозрачна, щяхме да видим импулс, застинал в неподвижност. В средата, в която протича процесът, споменат по-горе, усилването на предния ръб и отслабването на задния ръб на импулса ще изглеждат на наблюдателя по такъв начин, че средата сякаш 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: просто процесът на усилване е 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 осцилоскопа.
По този начин, докато в обикновените среди винаги има отслабване на светлината и намаляване на нейната скорост, определяна от индекса на пречупване, в активните лазерни среди се наблюдава не само усилване на светлината, но и разпространение на импулс със свръхсветлинна скорост.
Някои физици се опитаха експериментално да докажат наличието на свръхсветлинно движение в тунелния ефект - едно от най-удивителните явления в квантова механика. Този ефект се състои в това, че микрочастица (по-точно микрообект, в различни условияпроявяващ 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 следната ситуация би била аналогична: топка, хвърлена в стена ще бъде от другата страна на стената или вълнообразно движение, дадено въже, завързано за стената, ще бъде предадено на въжето, завързано за стената от другата страна). Същността на тунелния ефект в квантовата механика е следната. Ако микрообект с определена енергия срещне по пътя си зона с потенциална енергия, по-голяма от 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 предоставя от добре познатата зависимост на неопределеността на Хайзенберг, написана за енергията и времето на взаимодействие. Ако взаимодействието на микрообекта с бариерата се случи за достатъчно определено време, тогава енергията на микрообекта, напротив, ще се характеризира с несигурност и ако тази несигурност е от порядъка на височината на бариерата, то последното престава да бъде непреодолима пречка за микрообекта. Именно скоростта на проникване през потенциалната бариера е станала обект на изследване от редица физици, които смятат, че тя може да надхвърли с.
През юни 1998 г. в Кьолн се проведе международен симпозиум по проблемите на свръхсветлинните движения, където бяха обсъдени резултатите, получени в четири лаборатории - в Бъркли, Виена, Кьолн и Флоренция.
И накрая, през 2000 г. бяха докладвани два нови експеримента, в които се появи ефектът от свръхсветлинното разпространение. Една от тях беше изпълнена от Lijun Wong със служители в изследователски институтв Принстън (САЩ). Неговият резултат е, че светлинен импулс, влизащ в камера, пълна с цезиеви пари, увеличава скоростта си с коефициент 300. Оказа се, че Главна частимпулсът напуска далечната стена на камерата дори преди импулсът да влезе в камерата през предната стена. Такава ситуация противоречи не само на здравия разум, но по същество и на теорията на относителността.
Докладът на Л. Вонг предизвика бурна дискусия сред физиците, повечето от които не са склонни да видят в получените резултати нарушение на принципите на относителността. 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 бъдат в шестнадесет възможни квантово-механични състояния, наречени „свръхфини магнитни поднива на основното състояние“. Използвайки оптично лазерно изпомпване, почти всички атоми бяха доведени само до 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 с 62 ns по-кратко, отколкото във вакуум. С други думи, времето за преминаване на импулс през цезиева среда има знак "минус"! Наистина, ако извадим 62 ns от 0,2 ns, получаваме "отрицателно" време. Това "отрицателно забавяне" в средата - неразбираем скок във времето - е равно на времето, през което импулсът би направил 310 преминавания през камерата във вакуум. Последствието от това "обръщане на времето" беше, че импулсът, напускащ камерата, успя да се отдалечи от нея с 19 метра, преди входящият импулс да достигне близката стена на камерата. Как може да се обясни такава невероятна ситуация (освен ако, разбира се, няма съмнение 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 вълната на светлината l. При нормална дисперсия индексът 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, курсът на индекса на пречупване се обръща с промяна на дължината на вълната и става много по-стръмен: с намаляване на l (увеличаване на честотата w), индексът на пречупване рязко намалява и в определен диапазон от дължини на вълните става по-малко от единица (фазовата скорост V f > с). Това е аномалната дисперсия, при която моделът на разпространение на светлината в дадено вещество се променя радикално. групова скорост V cp 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. Все пак трябва да се отбележи, че състоянието V gr > 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 областите на аномална дисперсия обаче 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, докато 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 запазва точно 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, признавайки, че много остава неясно, вярва, че това, което се случва в неговата експериментална настройка, може да бъде ясно обяснено като първо приближение, както следва.
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. Тъй като вълните се разпространяват по-нататък в пространството, те са извън фаза и по този начин се "гасят" 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 също се променят съответно. Когато вълните преминат през цезиевата клетка, техните вълнови фронтове се възстановяват. След като са претърпели необичайна фазова модулация в вещество с аномална дисперсия, трите разглеждани 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 наистина във всяка нормално диспергираща се прозрачна среда светлинният импулс не може точно да поддържа формата си, когато се разпространява на отдалечено разстояние, тоест всичките му компоненти не могат да бъдат във фаза в която и да е отдалечена точка по пътя на разпространение. И при нормални условия след известно време се появява светлинен импулс в такава отдалечена точка. Въпреки това, поради аномалните свойства на средата, използвана в експеримента, импулсът в отдалечената 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 отдалечена точка, тоест би пристигнал в нея не по-късно, а по-рано, отколкото е преминал средата!
Повечето физици са склонни да свързват този резултат с появата на прекурсор с ниска интензивност в диспергиращата среда на камерата. Факт е, че при спектралното разлагане на импулса спектърът съдържа компоненти на произволно високи честоти с незначителна амплитуда, така нареченият прекурсор, който върви пред "главната част" на импулса. Характерът на установяването 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, "опъваща" 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 до далечната стена и се отразява от нея, образувайки "обратна вълна". Тази вълна се разпространява 300 пъти по-бързо с, достига близката стена и среща настъпващата вълна. Върховете на една вълна срещат падините на друга, така че взаимно се компенсират и нищо не остава. Оказва се, че прииждащата вълна „връща дълга“ на цезиевите атоми, които са й „заели“ енергия в другия край на камерата. Някой, 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, е приложимо 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, нула. Следователно скоростта на светлината във вакуум, според Вонг, не е границата. Въпреки това Вонг признава, че откритият от него ефект не позволява предаването на информация със скорост, по-голяма от с.
„Информацията тук вече се съдържа в предния ръб на импулса“, казва П. Милони, физик от Националната лаборатория в Лос Аламос в САЩ.
Повечето физици смятат, че новата работа не нанася съкрушителен удар на фундаменталните принципи. Но не всички физици вярват, че проблемът е решен. Професор А. Ранфани от италианския изследователски екип, който проведе друг интересен експеримент през 2000 г., казва, че въпросът все още е отворен. Този експеримент, проведен от Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni и Rocco Ruggeri, установи, че радиовълните от сантиметрови вълни се разпространяват в обикновен въздух със скорост над сс 25%.
Обобщавайки, можем да кажем следното. Върши работа последните годинипоказват, че при определени условия наистина може да има свръхсветлинна скорост. Но какво точно се движи със свръхсветлинна скорост? Теорията на относителността, както вече споменахме, забранява такава скорост за материалните тела и за сигналите, носещи информация. Въпреки това някои изследователи са много упорити в опитите си 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 електромагнитно поле) невъзможността за предаване на сигнали със скорост, по-голяма от с. Такава невъзможност в SRT е установена, може да се каже, чисто аритметично, въз основа на формулата на Айнщайн за добавяне на скорости, но по фундаментален начин това се потвърждава 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 сигнал, при използване на който постигнатото действие предшества причината. Но, въпреки че това е резултат от чисто логически гледната точка не съдържа, по мое мнение, никакви противоречия, тя все пак противоречи на характера на целия ни опит толкова много, че невъзможността да се предположи, V > cизглежда достатъчно доказан."Принципът на причинно-следствената връзка е крайъгълният камък, който стои в основата на невъзможността за предаване на свръхсветлинни сигнали. И този камък, очевидно, ще препъне всички търсения на свръхсветлинни сигнали, без изключение, без значение колко много експериментаторите искат да открият такива сигнали, защото това 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. Такава уговорка беше направена, тъй като напоследък в астрофизиката и космологията се появиха нови хипотези, които допускат 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 белязани от аномални гравитационни полета, подобни на черни дупки. Движенията в такива тунели, както предполагат авторите на хипотезите, ще позволят да се заобиколи ограничението на скоростта, наложено в обикновеното пространство от скоростта на светлината, и следователно да се реализира идеята за създаване на машина на времето. , неща. И въпреки че засега подобни хипотези твърде много напомнят сюжети от научната фантастика, едва ли трябва категорично да се отхвърля фундаменталната 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 опитващи се да намерят затворените за нас светове със силата на своите мисли...
Вижте в стая на същата тема
Както знаете, фотоните, частиците светлина, от които се състои, се движат със скоростта на светлината. Специалната теория на относителността ще ни помогне по този въпрос.
В научнофантастичните филми междузвездните космически кораби летят почти със скоростта на светлината без изключение. Обикновено това е така наречената хиперскорост от писателите на научна фантастика. И писателите, и режисьорите ни го описват и показват по почти един и същи начин. художествено устройство. Най-често, за да може корабът да направи бърз удар, героите дърпат или натискат контролния бутон и превозното средство моментално се ускорява, ускорявайки почти до скоростта на светлината с оглушително пукане. Звездите, които зрителят вижда над борда на кораба, първо трептят, а след това напълно се простират в линии. Но така ли наистина изглеждат звездите в прозорците на космически кораб със свръхскорост? Изследователите казват, че не. В действителност, вместо звездите, опънати в една линия, пътниците на кораба ще видят само ярък диск.
Ако обектът се движи почти със скоростта на светлината, тогава той може да види ефекта на Доплер в действие. Във физиката това е името, дадено на промяната в честотата и дължината на вълната поради бързото движение на приемника. Честотата на светлината на звездите, мигащи пред зрителя от кораба, ще се увеличи толкова много, че ще се измести от видимия диапазон към рентгеновата част на спектъра. Звездите сякаш изчезват! В същото време дължината на реликтовото електромагнитно излъчване, останало след Големия взрив, ще намалее. Фоновата радиация ще стане видима и ще изглежда като ярък диск, избледняващ по краищата.
Но как изглежда светът от страна на обект, който достига скоростта на светлината? Както знаете, фотоните, частиците светлина, от които се състои, се движат с такива скорости. Специалната теория на относителността ще ни помогне по този въпрос. Според него, когато обект се движи със скоростта на светлината за произволно дълго време, времето, прекарано в движението на този обект, става равно на нула. С прости думи, ако се движите със скоростта на светлината, тогава е невъзможно да извършите каквото и да е действие, като например наблюдение, виждане, виждане и т.н. Обект, пътуващ със скоростта на светлината, всъщност няма да види нищо.
Фотоните винаги се движат със скоростта на светлината. Те не губят време в ускоряване и забавяне, така че целият им живот за тях трае нула време. Ако бяхме фотони, тогава нашите моменти на раждане и смърт щяха да съвпадат, тоест ние просто нямаше да осъзнаваме, че светът изобщо съществува. Струва си да се отбележи, че ако даден обект се ускори до скоростта на светлината, тогава неговата скорост във всички референтни рамки става равна на скоростта на светлината. Ето такава фотофизика. Прилагайки специалната теория на относителността, можем да заключим, че за обект, движещ се със скоростта на светлината, цялата Светътще изглежда безкрайно сплескан и всички събития, случващи се в него, ще се случат в един момент във времето.
Физиците са открили, че частиците светлина (фотони) могат да живеят около 1 трилион години и след разпадане на свой ред да излъчват много леки частици, които могат да пътуват по-бързо от светлината! С течение на времето много частици са обект на естествен разпад. Например нестабилни радиоактивни атоми в определен момент се разпадат на малки частици и освобождават изблик на енергия.
Съвсем наскоро учените бяха сигурни, че фотоните не се разпадат, защото се смяташе, че нямат маса. Сега обаче учените приемат, че фотоните наистина имат маса, но тя е толкова малка, че не може да бъде измерена с днешните инструменти.
Текущата горна граница на масата на фотона е толкова малка, че е по-малко от една милиардна, милиардна, милиардна от масата на протона. Въз основа на този показател учените изчислиха, че един фотон във видимия спектър може да живее около 1 трилион години. Този изключително дълъг живот обаче не се споделя от всички фотони, той се изчислява средно. Има възможност някои фотони да живеят много кратък живот. Нашата вселена, възникнала в резултат на Големия взрив, в момента е на около 13,7 милиарда години. И текущите научни проекти са предназначени не само за измерване на последващото сияние от Големия взрив, но и за евентуално откриване на признаци на ранен разпад на фотони.
Ако фотонът е счупен, разпадът би трябвало да произведе още по-леки частици, тези, които могат да пътуват през нашата вселена по-бързо от скоростта на светлината. Тези призрачни частици (неутрино) много рядко взаимодействат с обикновената материя. Безброй потоци от неутрино преминават всяка част от секундата не само през космоса, звездите и телата, но и през всеки човек, живеещ на Земята, без да засягат нашата материя.
Когато се разпада, всеки фотон освобождава две светлинни неутрино, които, тъй като са по-леки от светлината, се движат по-бързо от фотоните. Откриването на неутриното изглежда нарушава закона на относителността на Айнщайн, че нищо не може да пътува по-бързо от светлината, но това не е така, тъй като теорията се основава на факта, че фотонът няма маса. И теорията казва, че никоя частица не може да се движи по-бързо от безмасова частица.
В допълнение, теорията на относителността на Айнщайн предполага, че частиците се движат изключително бързо, докато са в изкривено времево пространство. Тоест, ако бяха в съзнание, щяха да имат впечатлението, че всичко, което се случва около тях, е в режим на много забавен каданс. Това означава, че в нашето времево пространство фотоните би трябвало да живеят около 1 трилион години, а във времевия си поток – само около три години.
Сергей Василенков
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 (SRT) на Айнщайн. Ако беше възможно да се докаже, че предаването на сигнали със свръхсветлинна скорост 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 е възможно 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 изпревари причината. Никой никога не е наблюдавал, че например мечка първо е паднала мъртва, а след това ловецът е бил застрелян. При скорости, надвишаващи c, последователността от събития се обръща, лентата за време се превърта назад. Това може лесно да се види от следните прости разсъждения.
Да приемем, че сме на определен космически кораб-чудо, движещ се по-бързо от светлината. Тогава постепенно щяхме да наваксаме светлината, излъчвана от източника във все по-ранни и по-ранни точки във времето. Първо бихме наваксали фотони, излъчени, да речем, вчера, след това - излъчени завчера, след това - преди 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 причината и следствието ще бъдат обърнати.
Въпреки че този аргумент напълно игнорира техническите детайли на процеса на наблюдение на светлината, от фундаментална гледна точка той 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 е недостижимо не само със свръхсветлинна скорост, но и със скорост, равна на скоростта на светлината - можете само да се приближите до нея. От теорията на относителността следва, че с увеличаване на скоростта на движение възникват три обстоятелства: масата на движещ се обект се увеличава, размерът му намалява в посоката на движение и протичането на времето върху този обект се забавя (от гледната 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 размера си в посоката на движение и времето спира на него. Следователно нито едно материално тяло не може да достигне скоростта на светлината. Такава скорост има само самата светлина! (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 синусоидалната вълна - 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" на 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 синусоидални вълни с различни амплитуди, честоти и начални фази - група от вълни. Скоростта на движение на марката в модулираната вълна е скоростта на сигнала. При разпространение в среда тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, характеризираща разпространението на горната група вълни като цяло (виж "Наука и живот" № 2, 2000 г.). При нормални условия груповата скорост, а оттам и 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 надвиши c или дори да загуби значението си, но тогава това не се отнася за разпространението на сигнала. В SRT е установено, 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, което изпраща определен радиосигнал, а в отдалечена точка Б под действието на този радиосигнал възниква експлозия (събитие 2). Ясно е, че събитие 1 (пламване) е причината, а събитие 2 (експлозия) е следствието, което настъпва 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 - проблясък светлина, достигнал до него със скорост на светлинен проблясък, причината за експлозията. С други думи, за този наблюдател събитие 2 би се случило преди събитие 1, тоест следствието 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 да се движите с всякаква скорост, но това ще бъде движението на нематериални обекти и 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, пресечната точка на линиите може да се накара да се движи произволно бързо, но тази точка не е материално тяло. Друг пример: ако вземете фенерче (или, да речем, лазер, който дава 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 надхвърли c. Светлинното петно ще се движи между точките 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 въпросът за 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: те са теоретично възможни, но за да се избегнат противоречия с теорията на относителността, трябваше да им бъде приписана въображаема маса на покой. Физически имагинерна маса не съществува, тя е чисто математическа абстракция. Това обаче не предизвика особено безпокойство, 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 беше, както се очакваше, да се съгласува тахионната хипотеза със закона за причинно-следствената връзка. Опитите 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 хвърли физиците в объркване. Това е описано подробно в статията на А. Н. Ораевски "Свръхсветлинни вълни в усилващи среди" (UFN № 12, 1998 г.). Тук обобщаваме накратко същността на въпроса, като препращаме интересуващия се от подробности читател към споменатата статия.
Малко след откриването на лазерите - в началото на 60-те години на миналия век - възниква проблемът за получаване на кратки (с продължителност от порядъка на 1 ns = 10-9 s) светлинни импулси с голяма мощност. За да направите това, кратък лазерен импулс беше прекаран през оптичен квантов усилвател. Импулсът беше разделен от огледало, разделящо лъча, на две части. Единият от тях, по-мощен, беше изпратен към усилвателя, а другият се разпространи във въздуха и послужи като референтен импулс, с който беше възможно да се сравни импулсът, преминал 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. Какво беше 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-голяма 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 именно това 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 отбелязваме, че подробният 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 поради промяна в усилването на средата до отрицателна стойност по време на преминаването на задната част на импулса, когато средата вече е абсорбираща енергия, тъй като собственият й резерв вече е изразходван поради прехвърлянето й към светлинния импулс. Абсорбцията не предизвиква повишаване, а намаляване на импулса, като по този начин импулсът се засилва в предната му част и отслабва в задната му част. Нека си представим, че наблюдаваме пулса с помощта на инструмент, движещ се със скоростта на светлината в средата на усилвател. Ако средата беше прозрачна, щяхме да видим импулс, застинал в неподвижност. В средата, в която протича процесът, споменат по-горе, усилването на предния ръб и отслабването на задния ръб на импулса ще изглеждат на наблюдателя по такъв начин, че средата сякаш 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: просто процесът на усилване е 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 осцилоскопа.
По този начин, докато в обикновените среди винаги има отслабване на светлината и намаляване на нейната скорост, определяна от индекса на пречупване, в активните лазерни среди се наблюдава не само усилване на светлината, но и разпространение на импулс със свръхсветлинна скорост.
Някои физици се опитаха експериментално да докажат наличието на свръхсветлинно движение в тунелния ефект, едно от най-удивителните явления в квантовата механика. Този ефект се състои в това, че една микрочастица (по-точно микрообект, който проявява както свойствата на частица, така и свойствата на вълна при различни условия) е в състояние да проникне през така наречената потенциална бариера - явление, което е напълно невъзможно в класическата механика (в която подобна ситуация би била аналогична: топка, хвърлена в стена, би се озовала от другата страна на стената или вълнообразното движение, дадено от въже, завързано за стената, би било предадено 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 зона с потенциална енергия, по-голяма от 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 предоставя от добре познатата зависимост на неопределеността на Хайзенберг, написана за енергията и времето на взаимодействие. Ако взаимодействието на микрообекта с бариерата се случи за достатъчно определено време, тогава енергията на микрообекта, напротив, ще се характеризира с несигурност и ако тази несигурност е от порядъка на височината на бариерата, то последното престава да бъде непреодолима пречка за микрообекта. Именно скоростта на проникване през потенциалната бариера е станала обект на изследване от редица физици, които смятат, че тя може да надхвърли c.
През юни 1998 г. в Кьолн се проведе международен симпозиум по проблемите на свръхсветлинните движения, където бяха обсъдени резултатите, получени в четири лаборатории - в Бъркли, Виена, Кьолн и Флоренция.
И накрая, през 2000 г. бяха докладвани два нови експеримента, в които се появи ефектът от свръхсветлинното разпространение. Една от тях е извършена от Lijun Wong и сътрудници в изследователски институт в Принстън (САЩ). Неговият резултат е, че светлинен импулс, влизащ в камера, пълна с цезиеви пари, увеличава скоростта си с коефициент 300. Оказа се, че основната част от импулса напуска далечната стена на камерата още преди импулсът да влезе в камерата през предната стена. Такава ситуация противоречи не само на здравия разум, но по същество и на теорията на относителността.
Докладът на Л. Вонг предизвика бурна дискусия сред физиците, повечето от които не са склонни да видят в получените резултати нарушение на принципите на относителността. 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 бъдат в шестнадесет възможни квантово-механични състояния, наречени „свръхфини магнитни поднива на основното състояние“. Използвайки оптично лазерно изпомпване, почти всички атоми бяха доведени само до 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 с 62 ns по-кратко, отколкото във вакуум. С други думи, времето за преминаване на импулс през цезиева среда има знак "минус"! Наистина, ако извадим 62 ns от 0,2 ns, получаваме "отрицателно" време. Това "отрицателно забавяне" в средата - неразбираем скок във времето - е равно на времето, през което импулсът би направил 310 преминавания през камерата във вакуум. Последствието от това "обръщане на времето" беше, че импулсът, напускащ камерата, успя да се отдалечи от нея с 19 метра, преди входящият импулс да достигне близката стена на камерата. Как може да се обясни такава невероятна ситуация (освен ако, разбира се, няма съмнение 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 n от дължината на вълната на светлината l. При нормална дисперсия индексът 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, курсът на индекса на пречупване се обръща с промяна в дължината на вълната и става много по-стръмен: с намаляване на l (увеличаване на честотата w), индексът на пречупване рязко намалява и в определен диапазон от дължини на вълните става по-малък отколкото единица (фазова скорост Vf > s). Това е аномалната 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. Все пак трябва 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 областите на аномална дисперсия обаче 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, докато 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 запазва точно 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, признавайки, че много остава неясно, вярва, че това, което се случва в неговата експериментална настройка, може да бъде ясно обяснено като първо приближение, както следва.
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. Тъй като вълните се разпространяват по-нататък в пространството, те са извън фаза и по този начин се "гасят" 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 също се променят съответно. Когато вълните преминат през цезиевата клетка, техните вълнови фронтове се възстановяват. След като са претърпели необичайна фазова модулация в вещество с аномална дисперсия, трите разглеждани 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 наистина във всяка нормално диспергираща се прозрачна среда светлинният импулс не може точно да поддържа формата си, когато се разпространява на отдалечено разстояние, тоест всичките му компоненти не могат да бъдат във фаза в която и да е отдалечена точка по пътя на разпространение. И при нормални условия след известно време се появява светлинен импулс в такава отдалечена точка. Въпреки това, поради аномалните свойства на средата, използвана в експеримента, импулсът в отдалечената 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 отдалечена точка, тоест би пристигнал в нея не по-късно, а по-рано, отколкото е преминал средата!
Повечето физици са склонни да свързват този резултат с появата на прекурсор с ниска интензивност в диспергиращата среда на камерата. Факт е, че при спектралното разлагане на импулса спектърът съдържа компоненти на произволно високи честоти с незначителна амплитуда, така нареченият прекурсор, който върви пред "главната част" на импулса. Характерът на установяването 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, "опъваща" 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 до 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 взаимно се компенсират и нищо не остава. Оказва се, че прииждащата вълна „връща дълга“ на цезиевите атоми, които са й „заели“ 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, е приложимо 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 прави невъзможно предаването на информация по-бързо от c.
„Информацията тук вече се съдържа в предния ръб на импулса“, казва П. Милони, физик от Националната лаборатория в Лос Аламос в САЩ.
Повечето физици смятат, че новата работа не нанася съкрушителен удар на фундаменталните принципи. Но не всички физици вярват, че проблемът е решен. Професор А. Ранфани от италианския изследователски екип, който проведе друг интересен експеримент през 2000 г., казва, че въпросът все още е отворен. Този експеримент, проведен от Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni и Rocco Ruggeri, установи, че радиовълните от сантиметрови вълни се разпространяват в нормален въздух със скорост 25% по-бърза от c.
Обобщавайки, можем да кажем следното.
Работите от последните години показват, че при определени условия наистина може да има свръхсветлинна скорост. Но какво точно се движи със свръхсветлинна скорост? Теорията на относителността, както вече споменахме, забранява такава скорост за материалните тела и за сигналите, носещи информация. Въпреки това някои изследователи са много упорити в опитите си 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 (базирана, да речем, на уравненията на Максуел за електромагнитно поле) за невъзможността за предаване на сигнали със скорост, по-голяма от c. Такава невъзможност в SRT е установена, може да се каже, чисто аритметично, въз основа на формулата на Айнщайн за добавяне на скорости, но по фундаментален начин това се потвърждава 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 сигнал, при използване на който постигнатото действие предшества причината. Но, въпреки че това е резултат от чисто логически гледната точка не съдържа, според мен, никакви противоречия, тя все пак противоречи на характера на целия ни опит до такава степен, че невъзможността на допускането V > c изглежда достатъчно доказана. Принципът на причинно-следствената връзка е крайъгълният камък, който стои в основата на невъзможността за свръхсветлинно сигнализиране. И, очевидно, всички търсения на свръхсветлинни сигнали, без изключение, ще се спънат в този камък, без значение колко много експериментаторите биха искали да открият такива сигнали, защото 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 тялото превиши скоростта на светлината.
Представете си две космически кораб, насочвайки се 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 излети със скорост 200% от скоростта на светлината, но 100 години след първия. Какво ще се случи?
Според теорията на относителността правилният отговор до голяма степен зависи 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 да изпревари дори светлината, която излъчва. Това води до един вид "светлинна вълна" (аналогично на звука, тук вибрират само светлинни вълни вместо въздушни вибрации), 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 кораб 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 свръхсветлинна скорост – може би това е за добро.
P.S. ... но в последния пример нещо не разбрах, защо истинската позиция на кораба е свързана със "светлината, излъчвана от него"? Е, въпреки че ще го видят някак си на грешното място, но в действителност той ще изпревари първия кораб!
източници
