Доктор на техническите науки А. ГОЛУБЕВ.
В средата на миналата година в списанията се появи сензационен репортаж. Група американски изследователи откриха, че много кратък 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 - е открит за първи път не през 2000 г., а 35 години по-рано, през 1965 г., и възможността за свръхсветлинно движение е 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 на миналия век късите светлинни импулси с висока мощност започват да се получават чрез преминаване на лазерна светкавица през квантов усилвател (среда с обратна популация).
В усилваща среда началната област на светлинния импулс предизвиква стимулирано излъчване на атоми в усилвателната среда, а крайната й област причинява поглъщане на енергия от тях. В резултат на това на наблюдателя ще изглежда, че пулсът се движи по-бързо от светлината.
Експеримент на Лиджун Вонг.
Светлинен лъч, преминаващ през призма от прозрачен материал (като стъкло), се пречупва, тоест изпитва дисперсия.
Светлинният импулс е набор от трептения с различни честоти.
Вероятно всеки - дори хората, далеч от физиката - знае, че максималната възможна скорост на движение на материални обекти или разпространение на всякакви сигнали е скоростта на светлината във вакуум. Той е отбелязан 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 физически константи. Невъзможността за постигане на превишаване на скоростта С, 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 С. Въпреки това, в експериментални изследванияНапоследък бяха открити 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 причинността, според който следствието не може да изпревари причината. Никой никога не е забелязал, че например мечка първо падна мъртва, а след това ловец се простреля. При скорости надвишаващи С, последователността на събитията е обърната, лентата за време се пренавива. Това може лесно да се види от следните прости разсъждения.
Да предположим, че се намираме на определено космическо чудо, движещо се по-бързо от светлината. След това постепенно ще настигнем светлината, излъчвана от източника в по-ранни и по-ранни моменти във времето. Първо, ще настигнем фотони, излъчени, да речем, вчера, след това - 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 завчера и т.н. Можехме да видим, да речем, старец, който постепенно се превръща в мъж на средна възраст, после в млад мъж, в младеж, в дете... Тоест времето ще се върне назад, ще се преместим от настоящето в 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 демонстрира, че движението със свръхсветлинна скорост води до ситуация, която е невъзможна в нашия свят. Природата обаче е поставила още по-строги условия: не е постижимо да се движиш не само със свръхсветлинна скорост, но и със скорост еднаква скоростсветлина, - можете само да се приближите. От теорията на относителността следва, че с увеличаване на скоростта на движение възникват три обстоятелства: масата на движещия 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 когато се приближаваме до скоростта на светлината, те стават все по-забележими, а в границата - при скорост, равна на С, - масата става безкрайно голяма, обектът напълно губи размера си в посока на движение и времето спира върху него. Следователно никое материално тяло не може да достигне скоростта на светлината. Само светлината има такава скорост! (А също и „всепроникващата“ частица – неутриното, което, 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 някаква информация, която трябва да се предаде. Идеален електромагнитна вълна- това е безкрайна синусоида със строго една честота и не може да носи никаква информация, тъй като всеки период от такава синусоида точно повтаря предишния. Скоростта, с която се движи фазата на синусоидата - така наречената фазова скорост - може да надвишава 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" върху вълната. Такъв знак може да бъде например промяна в някой от параметрите на вълната - амплитуда, честота или начална фаза. Но щом се направи белегът, вълната губи своята синусоидност. Тя става модулирана, състояща се от набор от прости синусоидални вълни с различни амплитуди, честоти и начални фази - група вълни. Скоростта на движение на марката в модулираната вълна е скоростта на сигнала. Когато се разпространява в среда, тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, характеризираща разпространението на горната група вълни като цяло (виж "Наука и живот" № 2, 2000). При нормални условия груповата скорост, а оттам и 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 надвишава и Сили дори губят смисъл, но тогава това 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 предаването на всеки сигнал със скорост по-голяма от Ссе прилага същият закон за причинно-следствената връзка. Нека си представим такава ситуация. В даден момент А светлинна светкавица (събитие 1) включва устройство, което изпраща определен радиосигнал, а в отдалечена точка В под действието на този радиосигнал се получава експлозия (събитие 2). Ясно е, че събитие 1 (светкавица) е причината, а събитие 2 (експлозия) е следствието, което настъпва по-късно от причината. Но ако радиосигналът се разпространяваше със свръхсветлинна скорост, наблюдател близо до точка B първо ще види експлозия и едва след това - тя достигна 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 ефектът би предхождал причината.
Уместно е да се подчертае, че „свръхсветалната 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 линийки, 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 бъде накарана да върви 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 увеличава с разстоянието и на достатъчно голямо разстояние, ще надхвърли С.Светлинното петно ще се движи между точки А и В със свръхсветлинна скорост, но това няма да бъде предаване на сигнал от А до Б, тъй като такова светлинно петно не носи никаква информация за точка А.
Изглежда, че въпросът за свръхсветлинните скорости е разрешен. Но през 60-те години на ХХ век физиците-теоретици излагат хипотезата за съществуването на свръхсветлинни частици, наречени тахиони. Това са много странни частици: теоретично са възможни, но за да се избегнат противоречия с теорията на относителността, трябваше да им бъде приписана въображаема маса на покой. Физически въображаема маса не съществува, тя е чисто математическа абстракция. Това обаче не предизвика голямо безпокойство, тъй като тахионите не могат да бъдат в покой - те съществуват (ако съществуват!) само при скорости, надвишаващи 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 хипотезата за тахион със закона за причинността. Опитите, направени в тази посока, макар и доста гениални, не доведоха до очевиден успех. Никой също не е успял да регистрира експериментално тахиони. В резултат на това интересът към тахионите като свръхсветлинни елементарни частиципостепенно избледня.
Въпреки това, през 60-те години експериментално е открито явление, което отначало доведе физиците в объркване. Това е описано подробно в статията на A. N. Oraevsky "Свръхсветлинни вълни в усилващи среди" (UFN № 12, 1998 г.). Тук накратко обобщаваме същността на въпроса, като препращаме читателя, който се интересува от подробностите, към споменатата статия.
Малко след откриването на лазерите, в началото на 60-те години на миналия век, възниква проблемът за получаване на къси (с продължителност от порядъка на 1 ns = 10 -9 s) светлинни импулси с висока мощност. За да направите това, кратък лазерен импулс беше прекаран през оптичен квантов усилвател. Импулсът беше разделен от огледало за разделяне на лъча на две части. Единият от тях, по-мощен, беше изпратен към усилвателя, а другият се разпространяваше във въздуха и служи като референтен импулс, с който беше възможно да се сравни импулсът, който преминава през усилвателя. И двата импулса се подават на фотодетектори и техните изходни сигнали могат да се наблюдават визуално на екрана на осцилоскопа. Очакваше се светлинният импулс, преминаващ през усилвателя, да има известно забавяне в сравнение с еталонния 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 и най-малко съмнение относно принципите на специалната теория на относителността и точно 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 подробен анализ на механизма на действие на усилващата среда напълно изясни ситуацията. Въпросът беше промяна в концентрацията на фотоните 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 поглъщаща енергия, тъй като собственият му резерв вече е изразходван поради прехвърлянето му към светлинния импулс. Поглъщането не предизвиква увеличаване, а намаляване на импулса и по този начин импулсът се засилва отпред 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, замръзнал в неподвижност. В средата, в която протича процесът, споменат по-горе, усилването на предния фронт и отслабването на задния фронт на импулса ще се появят на наблюдателя по такъв начин, че средата като че ли е преместила импулса напред . Но тъй като устройството (наблюдателят) се движи със скоростта на светлината и 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 фотоните, 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, която се наблюдава на осцилоскопа.
По този начин, докато в обикновените среди винаги има отслабване на светлината и намаляване на нейната скорост, определено от коефициента на пречупване, в активните лазерни среди се наблюдава не само усилване на светлината, но и разпространение на импулс със свръхсветлинна скорост.
Някои физици са се опитали да докажат експериментално наличието на свръхсветлинно движение в тунелния ефект - едно от най-удивителните явления в квантова механика. Този ефект се състои във факта, че микрочастица (по-точно микрообект, в различни условияпроявяващ както свойствата на частица, така и свойствата на вълната), е в състояние да проникне през така наречената потенциална бариера - явление, което е напълно невъзможно в класическата механика (при която следната ситуация би била аналогична: топка, хвърлена в стена ще бъде от другата страна на стената, или вълнообразно движение, дадено въже, вързано за стената, ще бъде предадено на въжето, вързано за стената от другата страна). Същността на тунелния ефект в квантовата механика е следната. Ако микрообект с определена енергия срещне по пътя си участък с потенциална енергия, превишаваща енергията на микрообекта, тази зона за него е бариера, чиято височина се определя от енергийната разлика. Но микрообектът „пропуска“ през бариерата! Тази възможност му се дава от добре известното отношение на неопределеността на Хайзенберг, написано 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, тогава последната 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 провежда международен симпозиум по проблемите на свръхсветлинните движения, на който се обсъждат резултатите, получени в четири лаборатории – в Бъркли, Виена, Кьолн и Флоренция.
И накрая, през 2000 г. са докладвани два нови експеримента, в които се появяват ефектите от свръхсветлинното разпространение. Едно от тях е извършено от Лиджун Вонг 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 Главна частимпулсът напуска далечната стена на камерата дори преди импулсът да влезе в камерата през предната стена. Подобна ситуация противоречи не само на здравия разум, но по същество и на теорията на относителността.
Докладът на Л. Вонг предизвика интензивна дискусия сред физиците, повечето от които не са склонни да видят в получените резултати нарушение на принципите на относителността. Предизвикателството, според тях, 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. Цезиевите атоми могат да бъдат в шестнадесет възможни квантово механични състояния, наречени "хиперфини магнитни поднива основно състояние". Използвайки оптично лазерно изпомпване, почти всички атоми бяха доведени само до едно от тези шестнадесет състояния, съответстващи на почти абсолютна нулева температура по скалата на Келвин (-273,15 o C). Дължината на цезиевата камера беше 6 сантиметра. Във вакуум светлината пътува 6 сантиметра за 0,2 ns. Както показаха измерванията, светлинният импулс преминава 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"! Всъщност, 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 ще направи 310 преминава през камерата във вакуум. Последствието от това „обръщане на времето“ е, че импулсът, напускащ камерата, успява 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 разгорялата се дискусия, все още не е намерено точно обяснение, но няма съмнение, че необичайните дисперсионни свойства на средата играят роля тук: цезиевата пара, състояща се от атоми, възбудени от лазерна светлина, е среда с аномална дисперсия. Нека си припомним накратко какво представлява.
Дисперсията на веществото е зависимостта на фазовия (обикновен) показател на пречупване нвърху дължината на вълната на светлината l. При нормална дисперсия коефициентът на пречупване се увеличава с намаляване на дължината на вълната и това е така в стъклото, водата, въздуха и всички други вещества, прозрачни за светлина. При вещества, които силно абсорбират светлината, ходът на индекса на пречупване се обръща с промяна на дължината на вълната и става много по-стръмен: с намаляване на l (честотата w се увеличава), коефициентът на пречупване рязко намалява и в определен диапазон на дължина на вълната става по-малък от единица (фаза скорост V f > С). Това е аномалната дисперсия, при която моделът на разпространение на светлината в веществото се променя радикално. групова скорост V cp става по-голямо от фазовата скорост на вълните и може да надвиши скоростта на светлината във вакуум (и също така да стане отрицателна). Л. Вонг посочва това обстоятелство като причина, лежаща в основата на възможността за обяснение на резултатите от неговия експеримент. Трябва обаче да се отбележи, че условието Vгр > Се чисто формален, тъй като концепцията за групова скорост е въведена за случай на малка (нормална) дисперсия, за прозрачни среди, когато група вълни почти не променя формата си по време на разпространение. В области с 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 поглъщане остават по-малки от скоростта на светлината във вакуум. Но ето какво е интересното в експеримента на Уонг: светлинният импулс, преминаващ през среда с аномална дисперсия, не се деформира – той запазва формата си точно! И това съответства на предположението, че импулсът се разпространява с груповата скорост. Но ако е така, тогава се оказва, че няма поглъщане в средата, въпреки че аномалната дисперсия на средата се дължи именно на абсорбцията! Самият Вонг, 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 вълната (честоти). Фигурата показва три от тези компонента (вълни 1-3). В даден момент и трите вълни са във фаза (техните максимуми 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 някакъв момент. Тук те се събират отново и образуват импулс с точно същата форма като този, влизащ 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 всички негови компоненти не могат да бъдат във фаза в която и да е отдалечена точка по пътя на разпространение. И при нормални условия светлинен импулс в такава отдалечена точка се появява след известно време. 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. По този начин светлинният импулс се държи така, сякаш има отрицателно време закъснение по пътя си към отдалечена точка, тоест би стигнал до него не по-късно, а по-рано, отколкото е преминал средата!
Повечето физици са склонни да свързват този резултат с появата на прекурсор с нисък интензитет в дисперсионната среда на камерата. Факт е, че при спектралното разлагане на импулса спектърът съдържа компоненти с произволно високи честоти с незначителна амплитуда, така нареченият прекурсор, който изпреварва "основната част" на импулса. Естеството на установяването и формата на прекурсора зависят от закона на дисперсията в средата. Имайки предвид това, се предлага последователността от събития в експеримента на Уонг 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, предшественикът 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 С, достига до близката стена и среща входящата вълна. Върховете на една вълна се срещат с вдлъбнатините на друга, така че се отменят един друг и нищо не остава. Оказва се, че входящата 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, ще види само импулс 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 свръхсветлинната скорост според него е приложимо само за обекти с маса на покой. Светлината може да бъде представена или под формата на вълни, за 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, Уонг признава, че ефектът, който е открил, не прави възможно предаването на информация със скорост, по-голяма от С.
„Информацията тук вече се съдържа в предната част на импулса“, казва П. Милони, физик от Националната лаборатория в Лос Аламос в Съединените щати.
Повечето физици смятат, че новата работа не нанася съкрушителен удар върху 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 открит. Този експеримент, проведен от Даниел Муняи, Анедио Ранфани и Роко Руджери, установи, че радиовълните с сантиметрови вълни се разпространяват в обикновения въздух със скорост, надвишаваща Сс 25%.
Обобщавайки, можем да кажем следното. Върши работа последните годинипоказват, че при определени условия свръхсветлинната скорост наистина може да се осъществи. Но какво точно се движи със свръхсветлинна скорост? Теорията на относителността, както вече споменахме, забранява такава скорост за материални тела и за сигнали, носещи информация. Въпреки това някои изследователи са много упорити в опитите си да демонстрират преодоляването на светлинната бариера специално за сигнали. 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) невъзможността за предаване на сигнали със скорост по-голяма от С. Такава невъзможност в SRT се установява, 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 причинно-следствената връзка. Самият Айнщайн, разглеждайки въпроса за свръхсветлинното предаване на сигнал, пише, че в този случай "... ние сме принудени да считаме за възможен механизъм за предаване на сигнал, при използване на който постигнатото действие предхожда причината. Но въпреки че това е резултат от чисто логически гледната точка не съдържа в себе си, според мен, никакви противоречия, но въпреки това противоречи на характера на целия ни опит дотолкова, че невъзможността да се предположи V > cизглежда е достатъчно доказан." Принципът на причинно-следствената връзка е крайъгълният камък, който стои в основата на невъзможността за предаване на свръхсветлинен сигнал. И този камък, очевидно, ще препъне всички търсения на свръхсветлинни сигнали, без изключение, без значение колко експериментаторите биха искали да открият такива сигнали, защото това е природата на нашия свят.
В заключение трябва да се подчертае, че всичко по-горе се отнася конкретно за нашия свят, за нашата Вселена. Такава резервация беше направена, защото напоследък в астрофизика и космология се появиха нови хипотези, които позволяват съществуването на много скрити от нас Вселени, свързани с топологични тунели – джъмпери. Тази гледна точка споделя например известният астрофизик Н. С. Кардашев. За външен наблюдател входовете на тези тунели са маркирани с аномални гравитационни полета, подобни на черните 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... неща. И въпреки че досега подобни хипотези напомнят твърде много на сюжети от научната фантастика, едва ли трябва категорично да се отхвърля фундаменталната възможност за многоелементен модел на структурата 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 в 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 филмовите режисьори ни го описват и показват почти по същия начин. художествено средство. Най-често, за да може корабът да направи бързо тире, героите дърпат или натискат бутона за управление и превозното средство моментално ускорява, ускорявайки почти до скоростта на светлината с оглушителен пук. Звездите, които зрителят вижда отстрани на кораба, първо трептят, а след това напълно се разтягат в линии. Но така ли изглеждат наистина звездите в прозорците на космически кораб с хиперскорост? Изследователите казват не. В действителност, вместо звездите, изпънати в редица, 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 реликтното електромагнитно излъчване, оставащо след Големия взрив, ще намалее. Фоновото излъчване ще стане видимо и ще изглежда като ярък диск, избледняващ по краищата.
Но как изглежда светът от страната на обект, който достига скоростта на светлината? Както знаете, фотоните, частиците светлина, от които се състои, се движат с такава скорост. Специалната теория на относителността ще ни помогне в този въпрос. Според него, когато обектът 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 наблюдение, виждане, виждане и т.н. Обект, движещ се със скоростта на светлината, всъщност няма да види нищо.
Фотоните винаги се движат със скоростта на светлината. Те не губят време за 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 съвпаднат, тоест просто нямаше да осъзнаем, че светът изобщо съществува. Струва си да се отбележи, че ако обектът се ускори до скоростта на светлината, тогава неговата скорост във всички референтни системи става равна на скоростта на светлината. Ето една такава снимка физика. 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 случват в един момент.
Физиците са открили, че частиците от светлина (фотоните) могат да живеят около 1 трилион години и след разпадането на свой ред излъчват много леки частици, които могат да пътуват по-бързо от светлината! С течение на времето много частици са обект на естествено разпадане. Например, нестабилните радиоактивни атоми в определен момент се разпадат на малки частици и отделят изблик на енергия.
Съвсем наскоро учените бяха сигурни, че фотоните не се разпадат, защото се смяташе, че нямат маса. Сега обаче учените предполагат, че фотоните наистина имат маса, просто тя е толкова малка, че не може да бъде измерена с днешните инструменти.
Сегашната 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 вероятност някои фотони да живеят много кратък живот. Нашата Вселена, която е възникнала в резултат на Големия взрив, в момента е на около 13,7 милиарда години. А текущите научни проекти са предназначени не само за измерване на следите от Големия взрив, но и за евентуално откриване на признаци на ранния разпад на фотоните.
Ако фотонът е счупен, разпадът трябва да освободи дори по-леки частици, тези, които могат да пътуват по-бързо от скоростта на светлината в нашата вселена. Тези призрачни частици (неутрино) много рядко взаимодействат с обикновената материя. Безброй потоци от неутрино се втурват всяка част от секундата не само през пространството, звездите и телата, но и през всеки човек, живеещ на Земята, без да засягат нашата материя.
При разпадане всеки фотон освобождава две леки неутрино, които, тъй като са по-леки от светлината, се движат по-бързо от фотоните. Откриването на неутриното изглежда нарушава закона за 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 телесна маса. И теорията казва, че нито една 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 много забавен каданс. Това означава, че в нашето времево пространство фотоните трябва да живеят около 1 трилион години, а в техния времеви поток - само около три години.
Сергей Василенков
FTL пътуването е една от основите на космическата научна фантастика. Въпреки това, вероятно всеки - дори хората, 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 физически константи. Невъзможността за постигане на скорости над 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. Въпреки това, последните експериментални изследвания 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 причинността, според който следствието не може да изпревари причината. Никой никога не е забелязал, че например мечка първо падна мъртва, а след това ловец се простреля. При скорости, надвишаващи c, последователността от събития се обръща, лентата с време се пренавива. Това може лесно да се види от следните прости разсъждения.
Да предположим, че се намираме на определено космическо чудо, движещо се по-бързо от светлината. След това постепенно ще настигнем светлината, излъчвана от източника в по-ранни и по-ранни моменти във времето. Първо, ще настигнем фотони, излъчени, да речем, вчера, след това - 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 завчера и т.н. Можехме да видим, да речем, старец, който постепенно се превръща в мъж на средна възраст, после в млад мъж, в младеж, в дете... Тоест времето ще се върне назад, ще се преместим от настоящето в 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 демонстрира, 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 него. От теорията на относителността следва, че с увеличаване на скоростта на движение възникват три обстоятелства: масата на движещия 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 когато се приближаваме до 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 никое материално тяло не може да достигне скоростта на светлината. Само светлината има такава скорост! (И също така „всепроникваща“ частица – неутрино, което, 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 някаква информация, която трябва да се предаде. 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 синусоидална 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" върху вълната. Такъв знак може да бъде например промяна в някой от параметрите на вълната - амплитуда, честота или начална фаза. Но щом се направи белегът, вълната губи своята синусоидност. Тя става модулирана, състояща се от набор от прости синусоидални вълни с различни амплитуди, честоти и начални фази - група вълни. Скоростта на движение на марката в модулираната вълна е скоростта на сигнала. Когато се разпространява в среда, тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, характеризираща разпространението на горната група вълни като цяло (виж "Наука и живот" № 2, 2000). При нормални условия груповата скорост, а оттам и 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 смисъла 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 предаването на всеки сигнал със скорост по-голяма от c е същият закон за причинно-следствената връзка. Нека си представим такава ситуация. В даден момент А светлинна светкавица (събитие 1) включва устройство, което изпраща определен радиосигнал, а в отдалечена точка В под действието на този радиосигнал се получава експлозия (събитие 2). Ясно е, че събитие 1 (светкавица) е причината, а събитие 2 (експлозия) е следствието, което настъпва по-късно от причината. Но ако радиосигналът се разпространяваше със свръхсветлинна скорост, наблюдател близо до точка B първо ще види експлозия и едва след това - проблясък на светлина, който достигна до него със скорост на светлинна светкавица, причината за експлозията. С други думи, за този наблюдател събитие 2 би се случило преди събитие 1, тоест ефектът би предхождал причината.
Уместно е да се подчертае, че „свръхсветалната 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 линийки, 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 бъде накарана да върви 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 увеличава с разстоянието и на достатъчно голямо разстояние, ще надхвърли c. Светлинното петно ще се движи между точки А и В със свръхсветлинна скорост, но това няма да бъде предаване на сигнал от А до Б, тъй като такова светлинно петно не носи никаква информация за точка А.
Изглежда, че въпросът за свръхсветлинните скорости е разрешен. Но през 60-те години на ХХ век физиците-теоретици излагат хипотезата за съществуването на свръхсветлинни частици, наречени тахиони. Това са много странни частици: теоретично са възможни, но за да се избегнат противоречия с теорията на относителността, трябваше да им бъде приписана въображаема маса на покой. Физически въображаема маса не съществува, тя е чисто математическа абстракция. Това обаче не предизвика голямо безпокойство, тъй като тахионите не могат да бъдат в покой - те съществуват (ако съществуват!) само при скорости, надвишаващи 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 хипотезата за тахион със закона за причинността. Опитите, направени в тази посока, макар и доста гениални, не доведоха до очевиден успех. Никой също не е успял да регистрира експериментално тахиони. В резултат на това интересът към тахионите като свръхсветлинни елементарни частици постепенно избледнява.
Въпреки това, през 60-те години експериментално е открито явление, което отначало доведе физиците в объркване. Това е описано подробно в статията на A. N. Oraevsky "Свръхсветлинни вълни в усилващи среди" (UFN № 12, 1998 г.). Тук накратко обобщаваме същността на въпроса, като препращаме читателя, който се интересува от подробностите, към споменатата статия.
Скоро след откриването на лазерите - в началото на 60-те години - възниква проблемът с получаването на къси (с продължителност от порядъка на 1 ns = 10-9 s) светлинни импулси с висока мощност. За да направите това, кратък лазерен импулс беше прекаран през оптичен квантов усилвател. Импулсът беше разделен от огледало за разделяне на лъча на две части. Единият от тях, по-мощен, беше изпратен към усилвателя, а другият се разпространяваше във въздуха и служи като референтен импулс, с който беше възможно да се сравни импулсът, който преминава през усилвателя. И двата импулса се подават на фотодетектори и техните изходни сигнали могат да се наблюдават визуално на екрана на осцилоскопа. Очакваше се светлинният импулс, преминаващ през усилвателя, да има известно забавяне в сравнение с еталонния 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 и най-малко съмнение относно принципите на специалната теория на относителността и точно 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 подробен анализ на механизма на действие на усилващата среда напълно изясни ситуацията. Въпросът беше промяна в концентрацията на фотоните 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 поглъщаща енергия, тъй като собственият му резерв вече е изразходван поради прехвърлянето му към светлинния импулс. Поглъщането не предизвиква увеличаване, а намаляване на импулса и по този начин импулсът се засилва отпред 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, замръзнал в неподвижност. В средата, в която протича процесът, споменат по-горе, усилването на предния фронт и отслабването на задния фронт на импулса ще се появят на наблюдателя по такъв начин, че средата като че ли е преместила импулса напред . Но тъй като устройството (наблюдателят) се движи със скоростта на светлината и 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 фотоните, 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, която се наблюдава на осцилоскопа.
По този начин, докато в обикновените среди винаги има отслабване на светлината и намаляване на нейната скорост, определено от коефициента на пречупване, в активните лазерни среди се наблюдава не само усилване на светлината, но и разпространение на импулс със свръхсветлинна скорост.
Някои физици са се опитали да докажат експериментално наличието на свръхсветлинно движение в тунелния ефект, едно от най-удивителните явления в квантовата механика. Този ефект се състои във факта, че 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 стената, ще се окаже от другата страна на стената или вълнообразното движение, дадено от въже, завързано за стената, ще се предаде 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 участък с потенциална енергия, превишаваща енергията на микрообекта, тази зона за него е бариера, чиято височина се определя от енергийната разлика. Но микрообектът „пропуска“ през бариерата! Тази възможност му се дава от добре известното отношение на неопределеността на Хайзенберг, написано 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, тогава последната 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 провежда международен симпозиум по проблемите на свръхсветлинните движения, на който се обсъждат резултатите, получени в четири лаборатории – в Бъркли, Виена, Кьолн и Флоренция.
И накрая, през 2000 г. са докладвани два нови експеримента, в които се появяват ефектите от свръхсветлинното разпространение. Едно от тях е извършено от Лиджун Вонг 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. Подобна ситуация противоречи не само на здравия разум, но по същество и на теорията на относителността.
Докладът на Л. Вонг предизвика интензивна дискусия сред физиците, повечето от които не са склонни да видят в получените резултати нарушение на принципите на относителността. Предизвикателството, според тях, 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. Цезиевите атоми могат да бъдат в шестнадесет възможни квантово механични състояния, наречени "хиперфини магнитни поднива основно състояние". Използвайки оптично лазерно изпомпване, почти всички атоми бяха доведени само до едно от тези шестнадесет състояния, съответстващи на почти абсолютна нулева температура по скалата на Келвин (-273,15 ° C). Дължината на цезиевата камера беше 6 сантиметра. Във вакуум светлината пътува 6 сантиметра за 0,2 ns. Както показаха измерванията, светлинният импулс преминава 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"! Всъщност, 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 ще направи 310 преминава през камерата във вакуум. Последствието от това „обръщане на времето“ е, че импулсът, напускащ камерата, успява 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 разгорялата се дискусия, все още не е намерено точно обяснение, но няма съмнение, че необичайните дисперсионни свойства на средата играят роля тук: цезиевата пара, състояща се от атоми, възбудени от лазерна светлина, е среда с аномална дисперсия. Нека си припомним накратко какво представлява.
Дисперсията на веществото е зависимостта на фазовия (обикновен) коефициент на пречупване n от дължината на вълната на светлината l. При нормална дисперсия коефициентът на пречупване се увеличава с намаляване на дължината на вълната и това е така в стъклото, водата, въздуха и всички други вещества, прозрачни за светлина. При вещества, които силно абсорбират светлината, ходът 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) коефициентът на пречупване рязко намалява и в определен диапазон от дължини на вълната става по-малък отколкото единица (фазова скорост Vf > s ). Това е аномалната дисперсия, при която моделът на разпространение на светлината в веществото 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 така да стане отрицателна). Л. Вонг посочва това обстоятелство като причина, лежаща 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 концепцията за групова скорост е въведена за случай на малка (нормална) дисперсия, за прозрачни среди, когато група вълни почти не променя формата си по време на размножаване. В области с 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 поглъщане остават по-малки от скоростта на светлината във вакуум. Но ето какво е интересното в експеримента на Уонг: светлинният импулс, преминаващ през среда с аномална дисперсия, не се деформира – той запазва формата си точно! И това съответства на предположението, че импулсът се разпространява с груповата скорост. Но ако е така, тогава се оказва, че няма поглъщане в средата, въпреки че аномалната дисперсия на средата се дължи именно на абсорбцията! Самият Вонг, 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 вълната (честоти). Фигурата показва три от тези компонента (вълни 1-3). В даден момент и трите вълни са във фаза (техните максимуми 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 някакъв момент. Тук те се събират отново и образуват импулс с точно същата форма като този, влизащ 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 всички негови компоненти не могат да бъдат във фаза в която и да е отдалечена точка по пътя на разпространение. И при нормални условия светлинен импулс в такава отдалечена точка се появява след известно време. 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. По този начин светлинният импулс се държи така, сякаш има отрицателно време закъснение по пътя си към отдалечена точка, тоест би стигнал до него не по-късно, а по-рано, отколкото е преминал средата!
Повечето физици са склонни да свързват този резултат с появата на прекурсор с нисък интензитет в дисперсионната среда на камерата. Факт е, че при спектралното разлагане на импулса спектърът съдържа компоненти с произволно високи честоти с незначителна амплитуда, така нареченият прекурсор, който изпреварва "основната част" на импулса. Естеството на установяването и формата на прекурсора зависят от закона на дисперсията в средата. Имайки предвид това, се предлага последователността от събития в експеримента на Уонг 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, предшественикът 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 се среща с входящата вълна. Върховете на една вълна се срещат с вдлъбнатините на друга, така че се отменят един друг и нищо не остава. Оказва се, че входящата вълна "връща дълга" на цезиевите атоми, които са й "заели" енергия в другия край на камерата. Всеки, който наблюдава само началото и края на експеримента, ще види само импулс от светлина, който „скача“ 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 свръхсветлинната скорост според него е приложимо само за обекти с маса на покой. Светлината може да бъде представена или под формата на вълни, за 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-голяма от c.
„Информацията тук вече се съдържа в предната част на импулса“, казва П. Милони, физик от Националната лаборатория в Лос Аламос в Съединените щати.
Повечето физици смятат, че новата работа не нанася съкрушителен удар върху 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 открит. Този експеримент, проведен от Даниел Муняи, Анедио Ранфани и Роко Руджери, установи, че радиовълните с сантиметрови вълни се разпространяват в нормален въздух със скорост 25% по-бърза от c.
Обобщавайки, можем да кажем следното.
Произведенията от последните години показват, че при определени условия свръхсветлинната скорост наистина може да се осъществи. Но какво точно се движи със свръхсветлинна скорост? Теорията на относителността, както вече споменахме, забранява такава скорост за материални тела и за сигнали, носещи информация. Въпреки това някои изследователи са много упорити в опитите си да демонстрират преодоляването на светлинната бариера специално за сигнали. 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 се установява, 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 причинно-следствената връзка. Самият Айнщайн, разглеждайки въпроса за свръхсветлинното предаване на сигнал, пише, че в този случай "... ние сме принудени да считаме за възможен механизъм за предаване на сигнал, при използване на който постигнатото действие предхожда причината. Но въпреки че това е резултат от чисто логически гледната точка не съдържа, според мен, никакви противоречия, но въпреки това 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, независимо колко 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 със 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 корабнасочвайки 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 са необходими 200 години, за да завърши пътуването. Вторият кораб, оборудван с хипотетично варп задвижване, ще отпътува със скорост от 200% от 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. Припомнете си, че светлината от кораб #2 пътува по-бавно от самия кораб. Резултатът ще бъде визуално удвояване. С други думи, отначало екипажът на кораб №1 ще види, че вторият кораб се е появил до тях сякаш от нищото. След това светлината от втория кораб ще достигне до първия с леко закъснение и резултатът ще бъде видимо копие, което ще се движи в същата посока с леко закъснение.
Нещо подобно може да се види в компютърните игри, когато в резултат на системна повреда двигателят зарежда модела и неговите алгоритми в крайната точка на движението по-бързо, отколкото завършва самата анимация на движение, така че да се получат множество дубли. Вероятно затова нашето съзнание не възприема онзи хипотетичен аспект на Вселената, в който телата се движат със свръхсветлинна скорост - може би това е за най-доброто.
P.S. ... но в последния пример не разбрах нещо, защо истинското положение на кораба е свързано със "излъчената от него светлина"? Е, въпреки че ще го видят някак на грешното място, но в действителност той ще изпревари първия кораб!
източници
