Doktor tehničkih znanosti A. GOLUBEV.
Sredinom prošle godine u časopisima se pojavila senzacionalna poruka. Skupina američkih istraživača otkrila je da se vrlo kratki laserski puls kreće u posebno odabranom mediju stotinama puta brže nego u vakuumu. Taj se fenomen činio potpuno nevjerojatnim (brzina svjetlosti u mediju uvijek je manja nego u vakuumu) i čak je pobudio sumnju u valjanost posebne teorije relativnosti. U međuvremenu, superluminalni fizički objekt - laserski puls u mediju za pojačanje - prvi put je otkriven ne 2000., već 35 godina ranije, 1965., a o mogućnosti superluminalnog gibanja naširoko se raspravljalo sve do ranih 70-ih. Danas se rasprava oko ovog čudnog fenomena rasplamsala novom snagom.
Primjeri "superluminalnog" kretanja.
Početkom 60-ih godina počeli su se dobivati kratki svjetlosni impulsi velike snage prolaskom laserskog bljeska kroz kvantno pojačalo (medij s invertiranom naseljenošću).
U mediju za pojačalo početno područje svjetlosnog impulsa uzrokuje stimuliranu emisiju atoma u mediju za pojačalo, a njegovo završno područje uzrokuje njihovu apsorpciju energije. Kao rezultat toga, promatraču će se činiti da se puls kreće brže od svjetlosti.
Eksperiment Lijuna Wonga.
Zraka svjetlosti prolazeći kroz prizmu od prozirnog materijala (npr. stakla) se lomi, odnosno doživljava disperziju.
Svjetlosni puls je skup titraja različitih frekvencija.
Vjerojatno svi - čak i ljudi koji su daleko od fizike - znaju da je najveća moguća brzina kretanja materijalnih objekata ili širenja bilo kojeg signala brzina svjetlosti u vakuumu. Označava se slovom S i iznosi gotovo 300 tisuća kilometara u sekundi; točna vrijednost S= 299,792,458 m/s. Brzina svjetlosti u vakuumu jedna je od temeljnih fizikalnih konstanti. Nemogućnost postizanja prekoračenja brzina S, proizlazi iz Einsteinove posebne teorije relativnosti (STR). Kada bi se moglo dokazati da je prijenos signala superluminalnim brzinama moguć, teorija relativnosti bi pala. Do sada se to nije dogodilo, unatoč brojnim pokušajima da se opovrgne zabrana postojanja brzina većih od S. Međutim, u eksperimentalne studije Nedavno su otkriveni vrlo zanimljivi fenomeni koji pokazuju da je u posebno stvorenim uvjetima moguće promatrati superluminalne brzine, a da se pritom ne krše principi teorije relativnosti.
Za početak, prisjetimo se glavnih aspekata vezanih uz problem brzine svjetlosti. Prije svega: zašto je nemoguće (u normalnim uvjetima) prekoračiti svjetlosnu granicu? Jer tada se krši temeljni zakon našeg svijeta – zakon uzročnosti, prema kojem posljedica ne može prethoditi uzroku. Nitko nikada nije primijetio da je, primjerice, medvjed prvo pao mrtav, a zatim lovac pucao. Pri brzinama koje prelaze S, slijed događaja postaje obrnut, vremenska traka se premotava unatrag. To je lako provjeriti iz sljedećeg jednostavnog razmišljanja.
Pretpostavimo da smo na nekoj vrsti svemirskog čudesnog broda koji se kreće brže od svjetlosti. Tada bismo postupno sustigli svjetlo koje emitira izvor u sve ranijim vremenima. Prvo bismo sustigli fotone emitirane, recimo, jučer, zatim one emitirane prekjučer, zatim tjedan, mjesec, prije godinu dana, i tako dalje. Kad bi izvor svjetlosti bio zrcalo u kojem se odražava život, tada bismo prvo vidjeli događaje od jučer, zatim prekjučer, i tako dalje. Mogli bismo vidjeti, recimo, starca koji se postepeno pretvara u sredovječnog čovjeka, pa u mladića, u mladića, u dijete... Odnosno, vrijeme bi se vratilo unazad, iz sadašnjosti bismo prešli u prošlost. Uzroci i posljedice tada bi zamijenili mjesta.
Iako ova rasprava potpuno zanemaruje tehničke detalje procesa promatranja svjetlosti, s fundamentalne točke gledišta jasno pokazuje da kretanje nadsvjetlosnim brzinama dovodi do situacije koja je nemoguća u našem svijetu. Međutim, priroda je postavila još strože uvjete: kretanje je nedostižno ne samo nadsvjetlosnom brzinom, već i brzinom jednaka brzina svjetlo – samo mu se možeš približiti. Iz teorije relativnosti proizlazi da pri povećanju brzine gibanja nastaju tri okolnosti: povećava se masa tijela koje se kreće, smanjuje se njegova veličina u smjeru gibanja i usporava se tijek vremena na tom objektu (od točke pogleda vanjskog “odmarajućeg” promatrača). Pri običnim brzinama te su promjene zanemarive, ali kako se približavaju brzini svjetlosti postaju sve uočljivije, au granici - pri brzini jednakoj S, - masa postaje beskonačno velika, objekt potpuno gubi veličinu u smjeru kretanja i vrijeme se na njemu zaustavlja. Stoga niti jedno materijalno tijelo ne može postići brzinu svjetlosti. Samo svjetlost sama po sebi ima takvu brzinu! (I također "sveprodiruća" čestica - neutrino, koja se, poput fotona, ne može kretati brzinom manjom od S.)
Sada o brzini prijenosa signala. Ovdje je prikladno koristiti prikaz svjetlosti u obliku elektromagnetskih valova. Što je signal? Ovo su neke informacije koje treba prenijeti. Savršen elektromagnetski val- ovo je beskonačna sinusoida strogo jedne frekvencije i ne može nositi nikakvu informaciju, jer svaki period takve sinusoide točno ponavlja prethodni. Brzina kretanja faze sinusnog vala - tzv. fazna brzina - može u mediju pod određenim uvjetima premašiti brzinu svjetlosti u vakuumu. Ovdje nema ograničenja, budući da fazna brzina nije brzina signala - ona još ne postoji. Da biste stvorili signal, morate napraviti neku vrstu "oznake" na valu. Takva oznaka može biti, na primjer, promjena bilo kojeg od parametara vala - amplitude, frekvencije ili početne faze. Ali čim se označi, val gubi svoju sinusoidalnost. Postaje moduliran, sastoji se od skupa jednostavnih sinusnih valova s različitim amplitudama, frekvencijama i početnim fazama - skupina valova. Brzina kojom se oznaka kreće u moduliranom valu je brzina signala. Kod širenja u mediju ta se brzina obično poklapa s grupnom brzinom, koja karakterizira širenje gore spomenute skupine valova u cjelini (vidi "Znanost i život" br. 2, 2000.). U normalnim uvjetima, grupna brzina, a time i brzina signala, manja je od brzine svjetlosti u vakuumu. Nije slučajnost da se ovdje koristi izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima grupna brzina može premašiti S ili čak izgubiti svoje značenje, ali tada se ne odnosi na širenje signala. Servis utvrđuje da je nemoguće odašiljati signal brzinom većom od S.
Zašto je to tako? Budući da postoji prepreka za prijenos bilo kakvog signala brzinom većom od S Isti zakon uzročnosti služi. Zamislimo takvu situaciju. U nekoj točki A svjetlosni bljesak (događaj 1) uključuje uređaj koji šalje određeni radio signal, a u udaljenoj točki B pod utjecajem tog radio signala dolazi do eksplozije (događaj 2). Jasno je da je događaj 1 (baklja) uzrok, a događaj 2 (eksplozija) posljedica, koja se javlja kasnije od uzroka. Ali kad bi se radijski signal širio nadsvjetlosnom brzinom, promatrač u blizini točke B prvo bi vidio eksploziju, a tek onda bi do njega stigla brzinom S bljesak svjetla, uzrok eksplozije. Drugim riječima, za ovog promatrača događaj 2 dogodio bi se ranije od događaja 1, odnosno posljedica bi prethodila uzroku.
Prikladno je naglasiti da se “superluminalna zabrana” teorije relativnosti nameće samo kretanju materijalnih tijela i prijenosu signala. U mnogim je situacijama moguće kretanje bilo kojom brzinom, ali to neće biti kretanje materijalnih objekata ili signala. Na primjer, zamislite dva prilično duga ravnala koja leže u istoj ravnini, od kojih je jedan vodoravno, a drugi ga siječe pod malim kutom. Ako se prvo ravnalo pomiče prema dolje (u smjeru označenom strelicom) velikom brzinom, točka sjecišta ravnala se može natjerati da trči željenom brzinom, ali ta točka nije materijalno tijelo. Drugi primjer: ako uzmete svjetiljku (ili, recimo, laser koji daje uski snop) i brzo njome opišete luk u zraku, tada će linearna brzina svjetlosne točke rasti s udaljenošću i na dovoljno velikoj udaljenosti će premašiti S. Svjetlosna točka će se kretati između točaka A i B superluminalnom brzinom, ali to neće biti prijenos signala od A do B, budući da takva svjetlosna točka ne nosi nikakvu informaciju o točki A.
Čini se da je pitanje superluminalnih brzina riješeno. No 60-ih godina dvadesetog stoljeća teorijski fizičari iznijeli su hipotezu o postojanju superluminalnih čestica zvanih tahioni. To su vrlo čudne čestice: teoretski su moguće, ali da bi se izbjegle kontradikcije s teorijom relativnosti, morala im se pripisati zamišljena masa mirovanja. Fizički, imaginarna masa ne postoji; ona je čisto matematička apstrakcija. No, to nije izazvalo veliku uzbunu, budući da tahioni ne mogu mirovati - oni postoje (ako postoje!) samo pri brzinama većim od brzine svjetlosti u vakuumu, au ovom slučaju masa tahiona se pokazuje stvarnom. Ovdje postoji određena analogija s fotonima: foton ima nultu masu mirovanja, ali to jednostavno znači da foton ne može mirovati - svjetlost se ne može zaustaviti.
Najteže se pokazalo, kao što se i očekivalo, pomiriti tahionsku hipotezu sa zakonom uzročnosti. Pokušaji u tom smjeru, iako prilično domišljati, nisu doveli do očitog uspjeha. Nitko nije uspio eksperimentalno registrirati tahione. Kao rezultat, interes za tahione kao superluminalne elementarne čestice postupno nestajao.
Međutim, 60-ih godina eksperimentalno je otkriven fenomen koji je isprva zbunio fizičare. To je detaljno opisano u članku A. N. Oraevskog "Superluminalni valovi u medijima za pojačavanje" (UFN br. 12, 1998.). Ovdje ćemo ukratko sažeti bit stvari, upućujući čitatelja zainteresiranog za detalje na navedeni članak.
Ubrzo nakon otkrića lasera - početkom 60-ih godina - pojavio se problem dobivanja kratkih (trajanja oko 1 ns = 10 -9 s) svjetlosnih impulsa velike snage. Da bi se to postiglo, kratki laserski impuls je prošao kroz optičko kvantno pojačalo. Puls je podijeljen na dva dijela zrcalom za dijeljenje snopa. Jedan od njih, jači, bio je poslan u pojačalo, a drugi se širio u zraku i služio kao referentni impuls s kojim se mogao usporediti impuls koji prolazi kroz pojačalo. Oba su impulsa dovedena do fotodetektora, a njihovi izlazni signali mogli su se vizualno promatrati na ekranu osciloskopa. Očekivalo se da će svjetlosni impuls koji prolazi kroz pojačalo doživjeti određeno kašnjenje u odnosu na referentni impuls, odnosno da će brzina širenja svjetlosti u pojačalu biti manja nego u zraku. Zamislite iznenađenje istraživača kada su otkrili da se puls širi kroz pojačalo brzinom ne samo većom nego u zraku, već i nekoliko puta većom od brzine svjetlosti u vakuumu!
Nakon što su se oporavili od prvog šoka, fizičari su počeli tražiti razlog za tako neočekivani rezultat. Nitko nije imao ni najmanju sumnju u principe specijalne teorije relativnosti, a upravo je to pomoglo da se pronađe ispravno objašnjenje: ako su principi SRT-a očuvani, onda odgovor treba tražiti u svojstvima medija za pojačanje.
Ne ulazeći ovdje u detalje, samo ćemo istaknuti da je detaljna analiza mehanizma djelovanja pojačivača potpuno razjasnila situaciju. Poanta je bila promjena u koncentraciji fotona tijekom širenja impulsa - promjena uzrokovana promjenom pojačanja medija do negativne vrijednosti tijekom prolaska stražnjeg dijela impulsa, kada medij već apsorbira energije, jer je vlastita rezerva već potrošena zbog njenog prijenosa u svjetlosni impuls. Apsorpcija ne uzrokuje povećanje, već slabljenje impulsa, pa se tako impuls pojačava u prednjem dijelu, a slabi u stražnjem dijelu. Zamislimo da promatramo puls pomoću uređaja koji se kreće brzinom svjetlosti u mediju pojačala. Kad bi medij bio proziran, vidjeli bismo impuls zaleđen u nepomičnosti. U okolini u kojoj se odvija gore navedeni proces, pojačanje prednjeg i slabljenje zadnjeg ruba pulsa će se promatraču pojaviti na takav način da se čini da je medij pomaknuo puls naprijed. Ali budući da se uređaj (promatrač) kreće brzinom svjetlosti, a impuls ga sustiže, tada je brzina impulsa veća od brzine svjetlosti! Upravo su taj učinak zabilježili eksperimentatori. I tu zapravo nema proturječja s teorijom relativnosti: proces pojačanja je jednostavno takav da se koncentracija fotona koji su izašli ranije pokazuje većom od onih koji su izašli kasnije. Nisu fotoni ti koji se kreću superluminalnim brzinama, već omotnica pulsa, posebice njegov maksimum, koji se promatra na osciloskopu.
Dakle, dok u običnim medijima uvijek dolazi do slabljenja svjetlosti i smanjenja njezine brzine, određene indeksom loma, u aktivnim laserskim medijima dolazi ne samo do pojačanja svjetlosti, već i do širenja impulsa superluminalnom brzinom.
Neki su fizičari pokušali eksperimentalno dokazati prisutnost superluminalnog gibanja tijekom efekta tunela - jednog od najčudesnijih fenomena u kvantna mehanika. Taj se učinak sastoji u tome što mikročestica (točnije mikroobjekt, u različitim uvjetima pokazujući i svojstva čestice i svojstva vala) sposoban je prodrijeti kroz tzv. potencijalnu barijeru - pojavu potpuno nemoguću u klasičnoj mehanici (kojoj bi analogija bila sljedeća situacija: lopta bačena na zid završio s druge strane zida, ili bi se valovito kretanje užeta vezanog za zid prenijelo na uže privezano za zid s druge strane). Suština efekta tunela u kvantnoj mehanici je sljedeća. Ako mikroobjekt s određenom energijom na svom putu naiđe na područje s potencijalnom energijom većom od energije mikroobjekta, to područje je za njega barijera čija je visina određena energetskom razlikom. Ali mikroobjekt “procuri” kroz barijeru! Tu mogućnost daje mu dobro poznata Heisenbergova relacija nesigurnosti, zapisana za energiju i vrijeme međudjelovanja. Ako se međudjelovanje mikroobjekta s barijerom odvija tijekom relativno određenog vremena, tada će energija mikroobjekta, naprotiv, biti obilježena nesigurnošću, a ako je ta nesigurnost reda visine barijere, tada potonji prestaje biti nepremostiva prepreka za mikroobjekt. Brzina prolaska kroz potencijalnu barijeru postala je predmetom istraživanja niza fizičara, koji smatraju da ona može premašiti S.
U lipnju 1998. godine u Kölnu je održan međunarodni simpozij o problemima superluminalnog gibanja, na kojem se raspravljalo o rezultatima dobivenim u četiri laboratorija - na Berkeleyu, Beču, Kölnu i Firenci.
I konačno, 2000. godine pojavila su se izvješća o dva nova eksperimenta u kojima su se pojavili učinci superluminalnog širenja. Jednu od njih izveli su Lijun Wong i njegovi kolege u Institut za istraživanja u Princetonu (SAD). Njegov rezultat je da svjetlosni puls koji ulazi u komoru ispunjenu cezijevim parama povećava svoju brzinu 300 puta. Pokazalo se da glavni dio Puls napušta udaljeni zid komore čak i ranije nego što puls ulazi u komoru kroz prednji zid. Ova situacija proturječi ne samo zdravom razumu, već, u biti, i teoriji relativnosti.
Poruka L. Wonga izazvala je intenzivnu raspravu među fizičarima, od kojih većina nije bila sklona vidjeti kršenje načela relativnosti u dobivenim rezultatima. Vjeruju da je izazov ispravno objasniti ovaj eksperiment.
U eksperimentu L. Wonga, svjetlosni impuls koji je ulazio u komoru s cezijevim parama imao je trajanje od oko 3 μs. Atomi cezija mogu postojati u šesnaest mogućih kvantno mehaničkih stanja, koja se nazivaju "hiperfini magnetski podrazini osnovnog stanja". Korištenjem optičkog laserskog pumpanja, gotovo svi atomi su dovedeni u samo jedno od ovih šesnaest stanja, što odgovara gotovo apsolutnoj nultoj temperaturi na Kelvinovoj ljestvici (-273,15 o C). Duljina cezijeve komore bila je 6 centimetara. U vakuumu svjetlost prijeđe 6 centimetara za 0,2 ns. Kao što su mjerenja pokazala, svjetlosni je puls prošao kroz komoru s cezijem u vremenu koje je bilo 62 ns manje nego u vakuumu. Drugim riječima, vrijeme potrebno da impuls prođe kroz medij cezija ima predznak minus! Doista, ako oduzmemo 62 ns od 0,2 ns, dobivamo "negativno" vrijeme. Ovo "negativno kašnjenje" u mediju - neshvatljivi vremenski skok - jednako je vremenu u kojem bi puls napravio 310 prolaza kroz komoru u vakuumu. Posljedica ovog "vremenskog preokreta" bila je da se puls koji je napuštao komoru uspio odmaknuti 19 metara od nje prije nego što je nadolazeći puls dosegao bliži zid komore. Kako se može objasniti takva nevjerojatna situacija (osim, naravno, ako ne sumnjamo u čistoću eksperimenta)?
Sudeći po raspravi koja je u tijeku, točno objašnjenje još nije pronađeno, ali nema sumnje da neobična disperzijska svojstva medija ovdje igraju ulogu: cezijeva para, koja se sastoji od atoma pobuđenih laserskom svjetlošću, medij je s anomalnom disperzijom . Podsjetimo se ukratko o čemu se radi.
Raspršenost tvari je ovisnost faznog (običnog) indeksa loma n na valnoj duljini svjetlosti l. Kod normalne disperzije indeks loma raste sa smanjenjem valne duljine, a to je slučaj kod stakla, vode, zraka i svih drugih tvari prozirnih za svjetlost. U tvarima koje jako apsorbiraju svjetlost, tijek indeksa loma s promjenom valne duljine je obrnut i postaje mnogo strmiji: sa smanjenjem l (povećanje frekvencije w) indeks loma naglo opada i u određenom području valne duljine postaje manji od jedinice (fazna brzina V f > S). Ovo je anomalna disperzija, u kojoj se obrazac širenja svjetlosti u tvari radikalno mijenja. Grupna brzina V gr postaje veća od fazne brzine valova i može premašiti brzinu svjetlosti u vakuumu (i također postati negativna). L. Wong ukazuje na ovu okolnost kao razlog koji leži u osnovi mogućnosti objašnjenja rezultata njegovog eksperimenta. Treba ipak napomenuti da stanje V gr > S je čisto formalan, jer je koncept grupne brzine uveden za slučaj male (normalne) disperzije, za prozirne medije, kada skupina valova gotovo ne mijenja svoj oblik tijekom širenja. U područjima anomalne disperzije, svjetlosni puls se brzo deformira i koncept grupne brzine gubi smisao; u ovom slučaju uvode se pojmovi brzine signala i brzine širenja energije, koje se u prozirnim medijima poklapaju s grupnom brzinom, a u medijima s apsorpcijom ostaju manje od brzine svjetlosti u vakuumu. Ali evo što je zanimljivo u Wongovom eksperimentu: svjetlosni puls, koji prolazi kroz medij s anomalnom disperzijom, nije deformiran - on točno zadržava svoj oblik! A to odgovara pretpostavci da se impuls širi grupnom brzinom. Ali ako je tako, onda ispada da u mediju nema apsorpcije, iako je anomalna disperzija medija posljedica upravo apsorpcije! Sam Wong, iako priznaje da mnogo toga ostaje nejasno, vjeruje da se ono što se događa u njegovoj eksperimentalnoj postavci može, u prvoj aproksimaciji, jasno objasniti na sljedeći način.
Svjetlosni puls sastoji se od mnogih komponenti različitih valnih duljina (frekvencija). Slika prikazuje tri od ovih komponenti (valovi 1-3). U nekom su trenutku sva tri vala u fazi (njihovi maksimumi se podudaraju); ovdje se oni, zbrajajući, međusobno pojačavaju i tvore impuls. Kako se dalje šire u prostoru, valovi postaju defazni i time se međusobno "poništavaju".
U području anomalne disperzije (unutar cezijeve ćelije), val koji je bio kraći (val 1) postaje duži. Suprotno tome, val koji je bio najdulji od ta tri (val 3) postaje najkraći.
Posljedično, faze valova se mijenjaju u skladu s tim. Nakon što valovi prođu kroz cezijevu ćeliju, njihove se valne fronte obnavljaju. Nakon što su prošli neobičnu faznu modulaciju u tvari s anomalnom disperzijom, tri dotična vala ponovno se nađu u fazi u nekom trenutku. Ovdje se ponovno zbrajaju i tvore puls potpuno istog oblika kao onaj koji ulazi u medij cezija.
Tipično u zraku, a zapravo u bilo kojem prozirnom mediju s normalnom disperzijom, svjetlosni impuls ne može točno zadržati svoj oblik kada se širi na udaljenu udaljenost, to jest, sve njegove komponente ne mogu se fazno rasporediti ni na jednu udaljenu točku duž putanje širenja. I pod normalnim uvjetima, svjetlosni puls se nakon nekog vremena pojavljuje na tako udaljenoj točki. Međutim, zbog anomalnih svojstava medija korištenog u eksperimentu, pokazalo se da je puls na udaljenoj točki fazni na isti način kao i pri ulasku u ovaj medij. Dakle, svjetlosni impuls se ponaša kao da ima negativno vremensko kašnjenje na putu do udaljene točke, odnosno da bi do nje stigao ne kasnije, nego ranije nego što je prošao kroz medij!
Većina fizičara sklona je ovaj rezultat povezati s pojavom prekursora niskog intenziteta u disperzivnom mediju komore. Činjenica je da tijekom spektralne dekompozicije impulsa spektar sadrži komponente proizvoljno visokih frekvencija zanemarivo male amplitude, tzv. prekursor, koji ide ispred “glavnog dijela” impulsa. Priroda uspostavljanja i oblik prekursora ovise o zakonu disperzije u mediju. Imajući ovo na umu, slijed događaja u Wongovom eksperimentu predlaže se tumačiti na sljedeći način. Nadolazeći val, "istežući" vjesnika ispred sebe, približava se kameri. Prije nego vrh nadolazećeg vala pogodi bliži zid komore, prekursor inicira pojavu pulsa u komori, koji doseže udaljeni zid i reflektira se od njega, tvoreći "obrnuti val". Ovaj val se širi 300 puta brže S, stiže do obližnjeg zida i susreće nadolazeći val. Vrhovi jednog vala susreću se s padovima drugog, tako da se međusobno uništavaju i kao rezultat toga ne ostaje ništa. Ispostavilo se da nadolazeći val "otplaćuje dug" atomima cezija, koji su mu "posudili" energiju na drugom kraju komore. Svatko tko je gledao samo početak i kraj eksperimenta vidio bi samo puls svjetlosti koji je "skakao" naprijed u vremenu, krećući se brže S.
L. Wong smatra da njegov eksperiment nije u skladu s teorijom relativnosti. Tvrdnja o nedostižnosti superluminalne brzine, smatra on, vrijedi samo za objekte s masom mirovanja. Svjetlost se može prikazati ili u obliku valova, na koje je koncept mase općenito neprimjenjiv, ili u obliku fotona s masom mirovanja, kao što je poznato jednaka nuli. Dakle, brzina svjetlosti u vakuumu, prema Wongu, nije granica. Međutim, Wong priznaje da učinak koji je otkrio ne omogućuje prijenos informacija brzinom većom od S.
„Ovdje su informacije već sadržane u prednjem rubu pulsa", kaže P. Milonni, fizičar iz Nacionalnog laboratorija Los Alamos u Sjedinjenim Državama. „I može ostaviti dojam da šalje informacije brže od svjetlosti, čak i kada ne šalju.”
Većina fizičara vjeruje da novi rad ne zadaje snažan udarac temeljnim principima. Ali ne vjeruju svi fizičari da je problem riješen. Profesor A. Ranfagni, iz talijanske istraživačke skupine koja je 2000. godine izvela još jedan zanimljiv eksperiment, smatra da je to pitanje još uvijek otvoreno. Ovaj eksperiment, koji su izveli Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni i Rocco Ruggeri, otkrio je da centimetarski valovi radiovalova u normalnom zračnom putu putuju brzinama većim od S za 25%.
Ukratko, možemo reći sljedeće. Djela zadnjih godina pokazuju da pod određenim uvjetima doista može doći do supersvjetlosne brzine. Ali što se točno kreće nadsvjetlosnim brzinama? Teorija relativnosti, kao što je već spomenuto, zabranjuje takvu brzinu za materijalna tijela i za signale koji prenose informacije. Ipak, neki istraživači vrlo uporno pokušavaju dokazati prevladavanje svjetlosne barijere posebno za signale. Razlog tome leži u činjenici da specijalna teorija relativnosti nema striktno matematičko opravdanje (temeljeno, recimo, na Maxwellovim jednadžbama za elektromagnetsko polje) nemogućnost prijenosa signala brzinom većom od S. Takva nemogućnost u STR je utvrđena, moglo bi se reći, čisto aritmetički, na temelju Einsteinove formule za zbrajanje brzina, ali to je temeljno potvrđeno načelom kauzaliteta. Sam Einstein je, razmatrajući pitanje superluminalnog prijenosa signala, napisao da u ovom slučaju "... smo prisiljeni smatrati mogućim mehanizam prijenosa signala, u kojem postignuta radnja prethodi uzroku. Ali, iako to proizlazi iz čisto logičke točke gledište ne sadrži samo sebe, po mom mišljenju, nema proturječja; ipak je toliko proturječno prirodi cjelokupnog našeg iskustva da je nemogućnost pretpostavke V > sČini se da je dovoljno dokazano." Načelo uzročnosti kamen je temeljac nemogućnosti prijenosa superluminalnih signala. I, očito, sve potrage za superluminalnim signalima bez iznimke spotaknut će se o ovaj kamen, bez obzira koliko eksperimentatori željeli otkriti takve signale, jer takva je priroda našeg svijeta.
Zaključno treba naglasiti da se sve navedeno odnosi upravo na naš svijet, na naš Svemir. Ova rezerva je napravljena jer su se nedavno pojavile nove hipoteze u astrofizici i kozmologiji, koje dopuštaju postojanje mnogih svemira skrivenih od nas, povezanih topološkim tunelima - skakačima. Ovo gledište dijeli, na primjer, poznati astrofizičar N. S. Kardashev. Za vanjskog promatrača, ulazi u te tunele označeni su anomalnim gravitacijskim poljima, poput crnih rupa. Kretanja u takvim tunelima, kako sugeriraju autori hipoteza, omogućit će zaobilaženje ograničenja brzine kretanja koje u običnom prostoru nameće brzina svjetlosti i, prema tome, ostvariti ideju stvaranja vremeplov... Moguće je da se u takvim svemirima zapravo mogu dogoditi nešto neobično za nas. I premda za sada takve hipoteze previše podsjećaju na priče iz znanstvene fantastike, teško da treba kategorički odbaciti temeljnu mogućnost višeelementnog modela strukture materijalnog svijeta. Druga je stvar što će svi ti drugi svemiri, najvjerojatnije, ostati čisto matematičke konstrukcije teorijskih fizičara koji žive u našem svemiru i snagom svojih misli pokušavaju pronaći nama zatvorene svjetove...
Pogledajte izdanje na istu temu
Kao što znate, fotoni, čestice svjetlosti koje čine svjetlost, kreću se brzinom svjetlosti. U tome će nam pomoći posebna teorija relativnosti.
U filmovima znanstvene fantastike međuzvjezdani svemirski brodovi gotovo uvijek lete brzinom svjetlosti. To je ono što pisci znanstvene fantastike obično nazivaju hiperbrzinom. Gotovo isto nam ga opisuju i prikazuju i pisci i filmski redatelji umjetničko sredstvo. Najčešće, kako bi se brod brzo probio, heroji povuku ili pritisnu tipku na kontrolnom elementu, a vozilo odmah ubrzava, ubrzavajući gotovo do brzine svjetlosti uz zaglušujući prasak. Zvijezde koje gledatelj vidi iznad broda prvo trepere, a zatim se potpuno razvlače u linije. No, izgledaju li zvijezde doista ovako kroz prozore svemirskog broda pri hiperbrzini? Istraživači kažu ne. U stvarnosti bi putnici broda vidjeli samo svijetli disk umjesto zvijezda ispruženih u nizu.
Ako se objekt kreće gotovo brzinom svjetlosti, može vidjeti Dopplerov efekt na djelu. U fizici se tako naziva promjena frekvencije i valne duljine uslijed brzog kretanja prijamnika. Frekvencija svjetlosti zvijezda koje bljeskaju ispred gledatelja s broda toliko će se povećati da će iz vidljivog područja prijeći u rendgenski dio spektra. Zvijezde kao da nestaju! Istovremeno će se smanjiti duljina reliktnog elektromagnetskog zračenja preostalog nakon Velikog praska. Pozadinsko zračenje postat će vidljivo i izgledat će kao svijetli disk koji će blijediti na rubovima.
No, kako izgleda svijet sa strane objekta koji će postići brzinu svjetlosti? Kao što je poznato, takvim se brzinama kreću fotoni, čestice svjetlosti od kojih se ona sastoji. U tome će nam pomoći posebna teorija relativnosti. Prema njemu, kada se neki objekt kreće brzinom svjetlosti bilo koje vrijeme, vrijeme utrošeno na kretanje tog objekta postaje jednako nuli. Jednostavnije rečeno, ako se krećete brzinom svjetlosti, tada je nemoguće izvršiti bilo kakvu radnju, poput promatranja, gledanja, gledanja i tako dalje. Objekt koji putuje brzinom svjetlosti zapravo neće vidjeti ništa.
Fotoni uvijek putuju brzinom svjetlosti. Ne gube vrijeme na ubrzavanje i kočenje, pa im cijeli život traje nula vremena. Da smo fotoni, onda bi se naši trenuci rođenja i smrti poklopili, odnosno jednostavno ne bismo shvatili da svijet uopće postoji. Vrijedno je napomenuti da ako se objekt ubrza do brzine svjetlosti, tada njegova brzina u svim referentnim sustavima postaje jednaka brzini svjetlosti. Ovo je fizika fotografije. Koristeći specijalnu teoriju relativnosti, možemo zaključiti da za objekt koji se kreće brzinom svjetlosti cijeli svijet izgledat će beskonačno spljošteno, a svi događaji koji se u njemu odvijaju odvijat će se u jednom trenutku u vremenu.
Fizičari su otkrili da čestice svjetlosti (fotoni) mogu živjeti oko 1 trilijun godina, a nakon raspadanja oslobađaju vrlo lagane čestice koje mogu putovati brže od svjetlosti! S vremenom mnoge čestice podliježu prirodnom raspadanju. Na primjer, nestabilni radioaktivni atomi u nekom trenutku se raspadnu na male čestice i oslobode nalet energije.
Nedavno su znanstvenici bili sigurni da se fotoni ne raspadaju, jer se vjerovalo da nemaju masu. Međutim, znanstvenici trenutno pretpostavljaju da fotoni imaju masu; ona je toliko mala da se ne može izmjeriti modernim instrumentima.
Trenutna gornja granica mase fotona toliko je mala da je manja od jedne milijarde, milijardite, milijardite mase protona. Na temelju ovog pokazatelja znanstvenici su izračunali da foton u vidljivom spektru može živjeti oko 1 bilijun godina. Međutim, ovaj iznimno dug životni vijek ne odnosi se na sve fotone; izračunava se u prosjeku. Postoji mogućnost da neki fotoni imaju vrlo kratak život. Naš svemir, koji je nastao kao rezultat Velikog praska, trenutno je star oko 13,7 milijardi godina. A trenutni znanstveni projekti osmišljeni su ne samo za mjerenje naknadnog sjaja Velikog praska, već i za moguće otkrivanje znakova ranog raspada fotona.
Ako se foton razbije, kao rezultat raspada trebale bi se osloboditi još lakše čestice, one koje mogu putovati našim Svemirom brže od brzine svjetlosti. Ove sablasne čestice (neutrini) vrlo rijetko stupaju u interakciju s običnom materijom. Bezbrojni tokovi neutrina jure svakog djelića sekunde ne samo kroz svemir, zvijezde i tijela, već i kroz svaku osobu koja živi na Zemlji, ne utječući na našu materiju.
Kako se svaki foton raspada, oslobađa dva svjetlosna neutrina, koji, budući da su lakši od svjetlosti, putuju brže od fotona. Čini se da otkriće neutrina krši Einsteinov zakon relativnosti da ništa ne može putovati brže od svjetlosti, ali to nije slučaj jer se teorija temelji na činjenici da foton nema masu. A teorija kaže da se nijedna čestica ne može kretati brže od čestice bez mase.
Osim toga, Einsteinova teorija relativnosti sugerira da se čestice kreću iznimno brzo dok su u iskrivljenom vremenskom prostoru. Odnosno, da imaju svijest, imali bi dojam da se sve oko njih događa u vrlo “usporenom” modu. To znači da bi u našem vremenu svemirski fotoni trebali živjeti oko 1 bilijun godina, ali u svom vremenskom toku - samo oko tri godine.
Sergej Vasilenkov
FTL putovanje jedan je od temelja svemirske znanstvene fantastike. Međutim, vjerojatno svi - čak i ljudi daleko od fizike - znaju da je najveća moguća brzina kretanja materijalnih objekata ili širenja bilo kojeg signala brzina svjetlosti u vakuumu. Označava se slovom c i iznosi gotovo 300 tisuća kilometara u sekundi; točna vrijednost c = 299 792 458 m/s.
Brzina svjetlosti u vakuumu jedna je od temeljnih fizikalnih konstanti. Nemogućnost postizanja brzina većih od c proizlazi iz Einsteinove posebne teorije relativnosti (STR). Kada bi se moglo dokazati da je prijenos signala superluminalnim brzinama moguć, teorija relativnosti bi pala. Do sada se to nije dogodilo, unatoč brojnim pokušajima da se opovrgne zabrana postojanja brzina većih od c. Međutim, nedavne eksperimentalne studije otkrile su neke vrlo zanimljive fenomene, koji pokazuju da se u posebno stvorenim uvjetima mogu promatrati superluminalne brzine bez kršenja načela teorije relativnosti.
Za početak, prisjetimo se glavnih aspekata vezanih uz problem brzine svjetlosti.
Prije svega: zašto je nemoguće (u normalnim uvjetima) prekoračiti svjetlosnu granicu? Jer tada se krši temeljni zakon našeg svijeta – zakon uzročnosti, prema kojem posljedica ne može prethoditi uzroku. Nitko nikada nije primijetio da je, primjerice, medvjed prvo pao mrtav, a zatim lovac pucao. Pri brzinama većim od c, slijed događaja postaje obrnut, vremenska traka se premotava unatrag. To je lako provjeriti iz sljedećeg jednostavnog razmišljanja.
Pretpostavimo da smo na nekoj vrsti svemirskog čudesnog broda koji se kreće brže od svjetlosti. Tada bismo postupno sustigli svjetlo koje emitira izvor u sve ranijim vremenima. Prvo bismo sustigli fotone emitirane, recimo, jučer, zatim one emitirane prekjučer, zatim tjedan, mjesec, prije godinu dana, i tako dalje. Kad bi izvor svjetlosti bio zrcalo u kojem se odražava život, tada bismo prvo vidjeli događaje od jučer, zatim prekjučer, i tako dalje. Mogli bismo vidjeti, recimo, starca koji se postepeno pretvara u sredovječnog čovjeka, pa u mladića, u mladića, u dijete... Odnosno, vrijeme bi se vratilo unazad, iz sadašnjosti bismo prešli u prošlost. Uzroci i posljedice tada bi zamijenili mjesta.
Iako ova rasprava potpuno zanemaruje tehničke detalje procesa promatranja svjetlosti, s fundamentalne točke gledišta jasno pokazuje da kretanje nadsvjetlosnim brzinama dovodi do situacije koja je nemoguća u našem svijetu. No, priroda je postavila još strože uvjete: nedostižno je kretanje ne samo nadsvjetlosnom brzinom, već i brzinom koja je jednaka brzini svjetlosti - može joj se samo približiti. Iz teorije relativnosti proizlazi da pri povećanju brzine gibanja nastaju tri okolnosti: povećava se masa tijela koje se kreće, smanjuje se njegova veličina u smjeru gibanja i usporava se tijek vremena na tom objektu (od točke pogleda vanjskog “odmarajućeg” promatrača). Pri običnim brzinama te su promjene zanemarive, ali kako se približavaju brzini svjetlosti postaju sve uočljivije, a na granici - pri brzini jednakoj c - masa postaje beskonačno velika, objekt potpuno gubi veličinu u smjeru kretanja i vrijeme na njemu staje. Stoga niti jedno materijalno tijelo ne može postići brzinu svjetlosti. Samo svjetlost sama po sebi ima takvu brzinu! (I također "sveprodiruća" čestica - neutrino, koja se, poput fotona, ne može kretati brzinom manjom od c.)
Sada o brzini prijenosa signala. Ovdje je prikladno koristiti prikaz svjetlosti u obliku elektromagnetskih valova. Što je signal? Ovo su neke informacije koje treba prenijeti. Idealni elektromagnetski val je beskonačna sinusoida strogo jedne frekvencije i ne može nositi nikakvu informaciju, jer svaka perioda takve sinusoide točno ponavlja prethodnu. Brzina kretanja faze sinusnog vala - tzv. fazna brzina - može pod određenim uvjetima premašiti brzinu svjetlosti u vakuumu u mediju. Ovdje nema ograničenja, budući da fazna brzina nije brzina signala - ona još ne postoji. Da biste stvorili signal, morate napraviti neku vrstu "oznake" na valu. Takva oznaka može biti, na primjer, promjena bilo kojeg od parametara vala - amplitude, frekvencije ili početne faze. Ali čim se označi, val gubi svoju sinusoidalnost. Postaje moduliran, sastoji se od skupa jednostavnih sinusnih valova s različitim amplitudama, frekvencijama i početnim fazama - skupina valova. Brzina kojom se oznaka kreće u moduliranom valu je brzina signala. Kod širenja u mediju ta se brzina obično poklapa s grupnom brzinom, koja karakterizira širenje gore spomenute skupine valova u cjelini (vidi "Znanost i život" br. 2, 2000.). U normalnim uvjetima, grupna brzina, a time i brzina signala, manja je od brzine svjetlosti u vakuumu. Nije slučajno što se ovdje koristi izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima grupna brzina može premašiti c ili čak izgubiti svoje značenje, ali se tada ne odnosi na širenje signala. Servisna postaja utvrđuje da je nemoguće odašiljati signal brzinom većom od c.
Zašto je to tako? Budući da je prepreka prijenosu bilo kojeg signala brzinom većom od c isti zakon uzročnosti. Zamislimo takvu situaciju. U nekoj točki A svjetlosni bljesak (događaj 1) uključuje uređaj koji šalje određeni radio signal, a u udaljenoj točki B pod utjecajem tog radio signala dolazi do eksplozije (događaj 2). Jasno je da je događaj 1 (baklja) uzrok, a događaj 2 (eksplozija) posljedica, koja se javlja kasnije od uzroka. No kad bi se radijski signal širio nadsvjetlosnom brzinom, promatrač u blizini točke B prvo bi vidio eksploziju, a tek onda uzrok eksplozije koji je do njega stigao brzinom svjetlosnog bljeska. Drugim riječima, za ovog promatrača događaj 2 dogodio bi se ranije od događaja 1, odnosno posljedica bi prethodila uzroku.
Prikladno je naglasiti da se “superluminalna zabrana” teorije relativnosti nameće samo kretanju materijalnih tijela i prijenosu signala. U mnogim je situacijama moguće kretanje bilo kojom brzinom, ali to neće biti kretanje materijalnih objekata ili signala. Na primjer, zamislite dva prilično duga ravnala koja leže u istoj ravnini, od kojih je jedan vodoravno, a drugi ga siječe pod malim kutom. Ako se prvo ravnalo pomiče prema dolje (u smjeru označenom strelicom) velikom brzinom, točka sjecišta ravnala se može natjerati da trči željenom brzinom, ali ta točka nije materijalno tijelo. Drugi primjer: ako uzmete svjetiljku (ili, recimo, laser koji proizvodi uski snop) i brzo opišete luk u zraku, tada će linearna brzina svjetlosne točke rasti s udaljenošću i na dovoljno velikoj udaljenosti premašit će c . Svjetlosna točka će se kretati između točaka A i B superluminalnom brzinom, ali to neće biti prijenos signala od A do B, budući da takva svjetlosna točka ne nosi nikakvu informaciju o točki A.
Čini se da je pitanje superluminalnih brzina riješeno. No 60-ih godina dvadesetog stoljeća teorijski fizičari iznijeli su hipotezu o postojanju superluminalnih čestica zvanih tahioni. To su vrlo čudne čestice: teoretski su moguće, ali da bi se izbjegle kontradikcije s teorijom relativnosti, morala im se pripisati zamišljena masa mirovanja. Fizički, imaginarna masa ne postoji; ona je čisto matematička apstrakcija. No, to nije izazvalo veliku uzbunu, budući da tahioni ne mogu mirovati - oni postoje (ako postoje!) samo pri brzinama većim od brzine svjetlosti u vakuumu, au ovom slučaju masa tahiona se pokazuje stvarnom. Ovdje postoji određena analogija s fotonima: foton ima nultu masu mirovanja, ali to jednostavno znači da foton ne može mirovati - svjetlost se ne može zaustaviti.
Najteže se pokazalo, kao što se i očekivalo, pomiriti tahionsku hipotezu sa zakonom uzročnosti. Pokušaji u tom smjeru, iako prilično domišljati, nisu doveli do očitog uspjeha. Nitko nije uspio eksperimentalno registrirati tahione. Kao rezultat toga, interes za tahione kao superluminalne elementarne čestice postupno je nestao.
Međutim, 60-ih godina eksperimentalno je otkriven fenomen koji je isprva zbunio fizičare. To je detaljno opisano u članku A. N. Oraevskog "Superluminalni valovi u medijima za pojačavanje" (UFN br. 12, 1998.). Ovdje ćemo ukratko sažeti bit stvari, upućujući čitatelja zainteresiranog za detalje na navedeni članak.
Ubrzo nakon otkrića lasera - početkom 60-ih godina - pojavio se problem dobivanja kratkih (trajanja oko 1 ns = 10-9 s) svjetlosnih impulsa velike snage. Da bi se to postiglo, kratki laserski impuls je prošao kroz optičko kvantno pojačalo. Puls je podijeljen na dva dijela zrcalom za dijeljenje snopa. Jedan od njih, jači, bio je poslan u pojačalo, a drugi se širio u zraku i služio kao referentni impuls s kojim se mogao usporediti impuls koji prolazi kroz pojačalo. Oba su impulsa dovedena do fotodetektora, a njihovi izlazni signali mogli su se vizualno promatrati na ekranu osciloskopa. Očekivalo se da će svjetlosni impuls koji prolazi kroz pojačalo doživjeti određeno kašnjenje u odnosu na referentni impuls, odnosno da će brzina širenja svjetlosti u pojačalu biti manja nego u zraku. Zamislite iznenađenje istraživača kada su otkrili da se puls širi kroz pojačalo brzinom ne samo većom nego u zraku, već i nekoliko puta većom od brzine svjetlosti u vakuumu!
Nakon što su se oporavili od prvog šoka, fizičari su počeli tražiti razlog za tako neočekivani rezultat. Nitko nije imao ni najmanju sumnju u principe specijalne teorije relativnosti, a upravo je to pomoglo da se pronađe ispravno objašnjenje: ako su principi SRT-a očuvani, onda odgovor treba tražiti u svojstvima medija za pojačanje.
Ne ulazeći ovdje u detalje, samo ćemo istaknuti da je detaljna analiza mehanizma djelovanja pojačivača potpuno razjasnila situaciju. Poanta je bila promjena u koncentraciji fotona tijekom širenja impulsa - promjena uzrokovana promjenom pojačanja medija do negativne vrijednosti tijekom prolaska stražnjeg dijela impulsa, kada medij već apsorbira energije, jer je vlastita rezerva već potrošena zbog njenog prijenosa u svjetlosni impuls. Apsorpcija ne uzrokuje povećanje, već slabljenje impulsa, pa se tako impuls pojačava u prednjem dijelu, a slabi u stražnjem dijelu. Zamislimo da promatramo puls pomoću uređaja koji se kreće brzinom svjetlosti u mediju pojačala. Kad bi medij bio proziran, vidjeli bismo impuls zaleđen u nepomičnosti. U okolini u kojoj se odvija gore navedeni proces, pojačanje prednjeg i slabljenje zadnjeg ruba pulsa će se promatraču pojaviti na takav način da se čini da je medij pomaknuo puls naprijed. Ali budući da se uređaj (promatrač) kreće brzinom svjetlosti, a impuls ga sustiže, tada je brzina impulsa veća od brzine svjetlosti! Upravo su taj učinak zabilježili eksperimentatori. I tu zapravo nema proturječja s teorijom relativnosti: proces pojačanja je jednostavno takav da se koncentracija fotona koji su izašli ranije pokazuje većom od onih koji su izašli kasnije. Nisu fotoni ti koji se kreću superluminalnim brzinama, već omotnica pulsa, posebice njegov maksimum, koji se promatra na osciloskopu.
Dakle, dok u običnim medijima uvijek dolazi do slabljenja svjetlosti i smanjenja njezine brzine, određene indeksom loma, u aktivnim laserskim medijima dolazi ne samo do pojačanja svjetlosti, već i do širenja impulsa superluminalnom brzinom.
Neki fizičari pokušali su eksperimentalno dokazati prisutnost superluminalnog gibanja tijekom efekta tunela - jednog od najčudesnijih fenomena u kvantnoj mehanici. Taj učinak sastoji se u činjenici da je mikročestica (točnije mikroobjekt koji pod različitim uvjetima pokazuje i svojstva čestice i svojstva vala) sposobna prodrijeti kroz tzv. potencijalnu barijeru - pojavu koja je potpuno nemoguće u klasičnoj mehanici (u kojoj bi takva situacija bila analogna: lopta bačena na zid završila bi s druge strane zida ili bi se valovito gibanje priopćeno užetu vezanom za zid prenijelo na uže privezano za zid s druge strane). Suština efekta tunela u kvantnoj mehanici je sljedeća. Ako mikroobjekt s određenom energijom na svom putu naiđe na područje s potencijalnom energijom većom od energije mikroobjekta, to područje je za njega barijera čija je visina određena energetskom razlikom. Ali mikroobjekt “procuri” kroz barijeru! Tu mogućnost daje mu dobro poznata Heisenbergova relacija nesigurnosti, zapisana za energiju i vrijeme međudjelovanja. Ako se međudjelovanje mikroobjekta s barijerom odvija tijekom relativno određenog vremena, tada će energija mikroobjekta, naprotiv, biti obilježena nesigurnošću, a ako je ta nesigurnost reda visine barijere, tada potonji prestaje biti nepremostiva prepreka za mikroobjekt. Upravo je brzina prodiranja kroz potencijalnu barijeru postala predmetom istraživanja niza fizičara, koji smatraju da ona može premašiti c.
U lipnju 1998. godine u Kölnu je održan međunarodni simpozij o problemima superluminalnog gibanja, na kojem se raspravljalo o rezultatima dobivenim u četiri laboratorija - na Berkeleyu, Beču, Kölnu i Firenci.
I konačno, 2000. godine pojavila su se izvješća o dva nova eksperimenta u kojima su se pojavili učinci superluminalnog širenja. Jednu od njih izveli su Lijun Wong i njegovi kolege s Princeton Research Institute (SAD). Njegov rezultat je da svjetlosni puls koji ulazi u komoru ispunjenu cezijevim parama povećava svoju brzinu 300 puta. Ispostavilo se da je glavni dio pulsa izašao iz udaljene stijenke komore čak i prije nego što je puls ušao u komoru kroz prednju stijenku. Ova situacija proturječi ne samo zdravom razumu, već, u biti, i teoriji relativnosti.
Poruka L. Wonga izazvala je intenzivnu raspravu među fizičarima, od kojih većina nije bila sklona vidjeti kršenje načela relativnosti u dobivenim rezultatima. Vjeruju da je izazov ispravno objasniti ovaj eksperiment.
U eksperimentu L. Wonga, svjetlosni impuls koji je ulazio u komoru s cezijevim parama imao je trajanje od oko 3 μs. Atomi cezija mogu postojati u šesnaest mogućih kvantno mehaničkih stanja, koja se nazivaju "hiperfini magnetski podrazini osnovnog stanja". Korištenjem optičkog laserskog pumpanja, gotovo svi atomi su dovedeni u samo jedno od ovih šesnaest stanja, što odgovara gotovo apsolutnoj nultoj temperaturi na Kelvinovoj ljestvici (-273,15 °C). Duljina cezijeve komore bila je 6 centimetara. U vakuumu svjetlost prijeđe 6 centimetara za 0,2 ns. Kao što su mjerenja pokazala, svjetlosni je puls prošao kroz komoru s cezijem u vremenu koje je bilo 62 ns manje nego u vakuumu. Drugim riječima, vrijeme potrebno da impuls prođe kroz medij cezija ima predznak minus! Doista, ako oduzmemo 62 ns od 0,2 ns, dobivamo "negativno" vrijeme. Ovo "negativno kašnjenje" u mediju - neshvatljivi vremenski skok - jednako je vremenu u kojem bi puls napravio 310 prolaza kroz komoru u vakuumu. Posljedica ovog "vremenskog preokreta" bila je da se puls koji je napuštao komoru uspio odmaknuti 19 metara od nje prije nego što je nadolazeći puls dosegao bliži zid komore. Kako se može objasniti takva nevjerojatna situacija (osim, naravno, ako ne sumnjamo u čistoću eksperimenta)?
Sudeći po raspravi koja je u tijeku, točno objašnjenje još nije pronađeno, ali nema sumnje da neobična disperzijska svojstva medija ovdje igraju ulogu: cezijeva para, koja se sastoji od atoma pobuđenih laserskom svjetlošću, medij je s anomalnom disperzijom . Podsjetimo se ukratko o čemu se radi.
Disperzija tvari je ovisnost faznog (običnog) indeksa loma n o valnoj duljini svjetlosti l. Kod normalne disperzije indeks loma raste sa smanjenjem valne duljine, a to je slučaj kod stakla, vode, zraka i svih drugih tvari prozirnih za svjetlost. U tvarima koje jako apsorbiraju svjetlost, tijek indeksa loma s promjenom valne duljine je obrnut i postaje mnogo strmiji: sa smanjenjem l (povećanje frekvencije w), indeks loma naglo opada i u određenom području valne duljine postaje manji od jedinice ( fazna brzina Vf > s ). Ovo je anomalna disperzija, u kojoj se obrazac širenja svjetlosti u tvari radikalno mijenja. Grupna brzina Vgr postaje veća od fazne brzine valova i može premašiti brzinu svjetlosti u vakuumu (i također postati negativna). L. Wong ukazuje na ovu okolnost kao razlog koji leži u osnovi mogućnosti objašnjenja rezultata njegovog eksperimenta. Treba, međutim, napomenuti da je uvjet Vgr > c čisto formalan, budući da je koncept grupne brzine uveden za slučaj male (normalne) disperzije, za prozirne medije, kada skupina valova gotovo ne mijenja svoj oblik tijekom razmnožavanja. U područjima anomalne disperzije, svjetlosni puls se brzo deformira i koncept grupne brzine gubi smisao; u ovom slučaju uvode se pojmovi brzine signala i brzine širenja energije, koje se u prozirnim medijima poklapaju s grupnom brzinom, a u medijima s apsorpcijom ostaju manje od brzine svjetlosti u vakuumu. Ali evo što je zanimljivo u Wongovom eksperimentu: svjetlosni puls, koji prolazi kroz medij s anomalnom disperzijom, nije deformiran - on točno zadržava svoj oblik! A to odgovara pretpostavci da se impuls širi grupnom brzinom. Ali ako je tako, onda ispada da u mediju nema apsorpcije, iako je anomalna disperzija medija posljedica upravo apsorpcije! Sam Wong, iako priznaje da mnogo toga ostaje nejasno, vjeruje da se ono što se događa u njegovoj eksperimentalnoj postavci može, u prvoj aproksimaciji, jasno objasniti na sljedeći način.
Svjetlosni puls sastoji se od mnogih komponenti različitih valnih duljina (frekvencija). Slika prikazuje tri od ovih komponenti (valovi 1-3). U nekom su trenutku sva tri vala u fazi (njihovi maksimumi se podudaraju); ovdje se oni, zbrajajući, međusobno pojačavaju i tvore impuls. Kako se dalje šire u prostoru, valovi postaju defazni i time se međusobno "poništavaju".
U području anomalne disperzije (unutar cezijeve ćelije), val koji je bio kraći (val 1) postaje duži. Suprotno tome, val koji je bio najdulji od ta tri (val 3) postaje najkraći.
Posljedično, faze valova se mijenjaju u skladu s tim. Nakon što valovi prođu kroz cezijevu ćeliju, njihove se valne fronte obnavljaju. Nakon što su prošli neobičnu faznu modulaciju u tvari s anomalnom disperzijom, tri dotična vala ponovno se nađu u fazi u nekom trenutku. Ovdje se ponovno zbrajaju i tvore puls potpuno istog oblika kao onaj koji ulazi u medij cezija.
Tipično u zraku, a zapravo u bilo kojem prozirnom mediju s normalnom disperzijom, svjetlosni impuls ne može točno zadržati svoj oblik kada se širi na udaljenu udaljenost, to jest, sve njegove komponente ne mogu se fazno rasporediti ni na jednu udaljenu točku duž putanje širenja. I pod normalnim uvjetima, svjetlosni puls se nakon nekog vremena pojavljuje na tako udaljenoj točki. Međutim, zbog anomalnih svojstava medija korištenog u eksperimentu, pokazalo se da je puls na udaljenoj točki fazni na isti način kao i pri ulasku u ovaj medij. Dakle, svjetlosni impuls se ponaša kao da ima negativno vremensko kašnjenje na putu do udaljene točke, odnosno da bi do nje stigao ne kasnije, nego ranije nego što je prošao kroz medij!
Većina fizičara sklona je ovaj rezultat povezati s pojavom prekursora niskog intenziteta u disperzivnom mediju komore. Činjenica je da tijekom spektralne dekompozicije impulsa spektar sadrži komponente proizvoljno visokih frekvencija zanemarivo male amplitude, tzv. prekursor, koji ide ispred “glavnog dijela” impulsa. Priroda uspostavljanja i oblik prekursora ovise o zakonu disperzije u mediju. Imajući ovo na umu, slijed događaja u Wongovom eksperimentu predlaže se tumačiti na sljedeći način. Nadolazeći val, "istežući" vjesnika ispred sebe, približava se kameri. Prije nego vrh nadolazećeg vala pogodi bliži zid komore, prekursor inicira pojavu pulsa u komori, koji doseže udaljeni zid i reflektira se od njega, tvoreći "obrnuti val". Ovaj val, koji se širi 300 puta brže od c, doseže bliži zid i susreće se s nadolazećim valom. Vrhovi jednog vala susreću se s padovima drugog, tako da se međusobno uništavaju i kao rezultat toga ne ostaje ništa. Ispostavilo se da nadolazeći val "otplaćuje dug" atomima cezija, koji su mu "posudili" energiju na drugom kraju komore. Svatko tko je promatrao samo početak i kraj eksperimenta vidio bi samo puls svjetlosti koji je "skočio" naprijed u vremenu, krećući se brže od c.
L. Wong smatra da njegov eksperiment nije u skladu s teorijom relativnosti. Tvrdnja o nedostižnosti superluminalne brzine, smatra on, vrijedi samo za objekte s masom mirovanja. Svjetlost se može prikazati ili u obliku valova, na koje je koncept mase općenito neprimjenjiv, ili u obliku fotona s masom mirovanja, kao što je poznato, jednakom nuli. Dakle, brzina svjetlosti u vakuumu, prema Wongu, nije granica. Međutim, Wong priznaje da učinak koji je otkrio ne omogućuje prijenos informacija brzinama većim od c.
„Ovdje su informacije već sadržane u prednjem rubu pulsa", kaže P. Milonni, fizičar iz Nacionalnog laboratorija Los Alamos u Sjedinjenim Državama. „I može ostaviti dojam da šalje informacije brže od svjetlosti, čak i kada ne šalju.”
Većina fizičara vjeruje da novi rad ne zadaje snažan udarac temeljnim principima. Ali ne vjeruju svi fizičari da je problem riješen. Profesor A. Ranfagni, iz talijanske istraživačke skupine koja je 2000. godine izvela još jedan zanimljiv eksperiment, smatra da je to pitanje još uvijek otvoreno. Ovaj pokus, koji su izveli Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni i Rocco Ruggeri, otkrio je da centimetarski radiovalovi u normalnom zračnom prometu putuju brzinama 25% većim od c.
Ukratko, možemo reći sljedeće.
Radovi posljednjih godina pokazuju da se, pod određenim uvjetima, može stvarno dogoditi superluminalna brzina. Ali što se točno kreće nadsvjetlosnim brzinama? Teorija relativnosti, kao što je već spomenuto, zabranjuje takvu brzinu za materijalna tijela i za signale koji prenose informacije. Ipak, neki istraživači vrlo uporno pokušavaju dokazati prevladavanje svjetlosne barijere posebno za signale. Razlog tome leži u činjenici da u specijalnoj teoriji relativnosti ne postoji striktno matematičko opravdanje (temeljeno, recimo, na Maxwellovim jednadžbama za elektromagnetsko polje) nemogućnosti prijenosa signala brzinama većim od c. Takva nemogućnost u STR je utvrđena, moglo bi se reći, čisto aritmetički, na temelju Einsteinove formule za zbrajanje brzina, ali to je temeljno potvrđeno načelom kauzaliteta. Sam Einstein je, razmatrajući pitanje superluminalnog prijenosa signala, napisao da u ovom slučaju "... smo prisiljeni smatrati mogućim mehanizam prijenosa signala, u kojem postignuta radnja prethodi uzroku. Ali, iako to proizlazi iz čisto logičke točke gledište ne sadrži samo sebe, po mom mišljenju, nema proturječja; ipak je toliko proturječno prirodi našeg cjelokupnog iskustva da se čini da je nemogućnost pretpostavke V > c dovoljno dokazana." Načelo kauzaliteta kamen je temeljac nemogućnosti superluminalnog prijenosa signala. I, očito, sve potrage za superluminalnim signalima bez iznimke će se spotaknuti o ovaj kamen, koliko god eksperimentatori željeli otkriti takve signale, jer takva je priroda našeg svijeta.
Ali ipak, zamislimo da će matematika relativnosti i dalje raditi na superluminalnim brzinama. To znači da teoretski još uvijek možemo saznati što bi se dogodilo kada bi tijelo premašilo brzinu svjetlosti.
Zamislimo dvoje svemirski brod, krećući se od Zemlje prema zvijezdi koja je 100 svjetlosnih godina udaljena od našeg planeta. Prvi brod napušta Zemlju 50% brzine svjetlosti, tako da će trebati 200 godina da dovrši putovanje. Drugi brod, opremljen hipotetskim warp pogonom, putovat će 200% brzinom svjetlosti, ali 100 godina nakon prvog. Što će se dogoditi?
Prema teoriji relativnosti, točan odgovor uvelike ovisi o perspektivi promatrača. Sa Zemlje će se činiti da je prvi brod već prevalio znatnu udaljenost prije nego što ga je sustigao drugi brod, koji se kreće četiri puta brže. Ali sa stajališta ljudi na prvom brodu, sve je malo drugačije.
Brod br. 2 kreće se brže od svjetlosti, što znači da čak može nadmašiti svjetlost koju sam emitira. To rezultira svojevrsnim "svjetlosnim valom" (slično zvučnom valu, ali umjesto vibracija zraka vibriraju svjetlosni valovi) što dovodi do nekoliko zanimljivih efekata. Prisjetite se da se svjetlost s broda #2 kreće sporije od samog broda. Rezultat će biti vizualno udvostručenje. Drugim riječima, prvo će posada broda broj 1 vidjeti da se drugi brod pojavio pored njih kao niotkuda. Tada će svjetlost s drugog broda doći do prvog s malim zakašnjenjem, a rezultat će biti vidljiva kopija koja će se kretati u istom smjeru s malim odmakom.
Nešto slično možemo vidjeti u računalnim igrama, kada kao rezultat kvara sustava motor učitava model i njegove algoritme na krajnjoj točki kretanja brže nego što završava sama animacija pokreta, tako da dolazi do višestrukih snimanja. Vjerojatno zato naša svijest ne percipira onaj hipotetski aspekt Svemira u kojem se tijela kreću superluminalnim brzinama – možda je tako i najbolje.
p.s. ... ali u zadnjem primjeru nešto nisam razumio, zašto se pravi položaj broda povezuje sa "svjetlom koje on emitira"? Pa, čak i ako ga vide na krivom mjestu, u stvarnosti će prestići prvi brod!
izvori
