Im September 2011 schockierte der Physiker Antonio Ereditato die ganze Welt. Die Ankündigung, die er machte, versprach, das gesamte Verständnis des Universums auf den Kopf zu stellen. Und wenn die Daten, die von den 160 am OPERA-Programm beteiligten Wissenschaftlern gesammelt wurden, korrekt waren, dann bedeutete dies, dass etwas Unglaubliches entdeckt worden war. Die Teilchen, in diesem Fall Neutrinos, bewegten sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit.

Unglaubliche Entdeckung

Nach Einsteins Relativitätstheorien sollte dies nicht der Fall sein. Und die Folgen des Nachweises, dass dies geschehen ist, wären enorm. Viele Punkte in der Physik müssten überarbeitet werden. Und obwohl Ereditato und sein Team berichteten, dass sie ein hohes Maß an Vertrauen in das hatten, was sie fanden, gaben sie nicht an, dass sie sich der Genauigkeit ihrer Beobachtungen hundertprozentig sicher seien. Tatsächlich baten sie andere Wissenschaftler, ihnen zu helfen, zu verstehen, was passiert war.

Ein Fehler im Experiment

Als Ergebnis stellte sich heraus, dass das OPERA-Programm falsch war. Das Problem mit der Zeitablesung lag an der schlechten Verbindung des Kabels, das unglaublich genaue Signale von GPS-Satelliten übertragen sollte. Dementsprechend gab es eine unerwartete Verzögerung bei der Signalübertragung. Daher hatten Messungen, wie lange ein Neutrino eine bestimmte Entfernung brauchte, einen Fehler von etwa 73 Nanosekunden. Dies erweckte den Eindruck, dass sich diese Teilchen schneller bewegten als die Lichtteilchen.

Auswirkungen

Trotz der monatelangen sorgfältigen Überprüfung vor Beginn des Experiments, einer Vielzahl wiederholter Überprüfungen der während des Experiments gewonnenen Informationen, irrten sich die Wissenschaftler diesmal immer noch. Ereditato zog sich zurück, obwohl viele Leute bemerkten, dass solche Fehler in der äußerst komplexen Technologie von Teilchenbeschleunigern ziemlich häufig vorkommen. Aber warum ist selbst der kleinste Hinweis darauf, dass sich etwas schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegen kann, so wichtig? Und glauben die Leute wirklich, dass nichts das kann?

Lichtgeschwindigkeit

Betrachten wir zuerst die zweite dieser Fragen. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt 299792,458 Kilometer pro Sekunde – knapp unter der schönen runden Zahl von 300.000 Kilometern pro Sekunde. Es ist sehr schnell. Die Sonne ist 150 Millionen Kilometer von der Erde entfernt, und Licht benötigt für diese Strecke nur acht Minuten und zwanzig Sekunden. Kann etwas von Menschen Geschaffenes mit Licht konkurrieren? Eines der schnellsten jemals von Menschenhand geschaffenen Objekte ist die Raumsonde New Horizons, die 2015 an Pluto und Charon vorbeiflog. Die Höchstgeschwindigkeit, die er erreichen konnte, beträgt 16 Kilometer pro Sekunde, also viel weniger als 300.000 Kilometer pro Sekunde.

Experimentiere mit Elektronen

Menschen haben es jedoch geschafft, winzige Partikel dazu zu bringen, sich mit viel höheren Geschwindigkeiten zu bewegen. In den frühen sechziger Jahren experimentierte William Bertozzi vom Massachusetts Institute of Technology mit der Beschleunigung von Elektronen. Da die Elektronen eine negative Ladung haben, ist es möglich, sie durch Abstoßung in Bewegung zu versetzen, wenn das Material mit der gleichen Ladung geladen ist. Je mehr Energie verbraucht wurde, desto schneller wurden die Elektronen.

Warum nicht maximale Energie aufwenden?

Man könnte meinen, es reiche aus, die zugeführte Energie so weit zu erhöhen, dass sich die Geschwindigkeit des Teilchens auf die geforderten 300.000 Kilometer pro Sekunde entwickelt. Es stellte sich jedoch heraus, dass sich Elektronen nicht so schnell bewegen können. Bertozzis Experimente zeigten, dass der Einsatz von mehr Energie nicht zu einer proportionalen Erhöhung der Geschwindigkeit der Elektronen führte. Er musste immer mehr Energie aufwenden, um immer geringere Geschwindigkeitssteigerungen der Teilchen zu erreichen. Sie kamen der Lichtgeschwindigkeit immer näher, erreichten sie aber nie.

Unmöglichkeit der Leistung

Stellen Sie sich vor, Sie müssen zur Tür gehen und Schritte unternehmen, aber jeder nachfolgende Schritt ist die Hälfte des vorherigen. Einfach gesagt, Sie werden die Tür nie erreichen, weil bei jedem weiteren Schritt immer noch ein gewisser Abstand zwischen Ihnen und der Tür bleibt. Genau auf dieses Problem stieß Bertozzi bei seinem Experiment mit Elektronen. Licht besteht jedoch aus Teilchen, die Photonen genannt werden. Warum können sich diese Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, wenn die Elektronen die Arbeit nicht erledigen können?

Eigenschaften von Photonen

Wenn sich ein Objekt immer schneller bewegt, wird es schwerer und schwerer, und so wird es für sie schwieriger, Geschwindigkeit aufzunehmen, weshalb sie niemals die Lichtgeschwindigkeit erreichen können. Photonen haben keine Masse. Wenn sie Masse hätten, könnten sie sich nicht mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Photonen sind einzigartige Teilchen. Sie haben keine Masse, was ihnen unbegrenzte Möglichkeiten gibt, während sie sich im Vakuum bewegen, sie müssen nicht beschleunigt werden. Die natürliche Energie, die sie besitzen, wenn sie sich in Wellen bewegen, sorgt dafür, dass Photonen zum Zeitpunkt ihrer Entstehung bereits ihre Geschwindigkeitsbegrenzung haben.

Von der Schule wurde uns beigebracht, dass es unmöglich ist, die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten, und daher ist die Bewegung einer Person im Weltraum ein großes unlösbares Problem (wie fliegt man zum nächsten Sonnensystem, wenn Licht diese Entfernung nur in wenigen überwinden kann tausend Jahre?). Vielleicht haben amerikanische Wissenschaftler einen Weg gefunden, mit Supergeschwindigkeiten zu fliegen, nicht nur ohne zu schummeln, sondern auch nach den Grundgesetzen von Albert Einstein. Jedenfalls sagt das Harold White, der Autor des Projekts der Space Deformation Engine.

Wir in der Redaktion fanden die Nachricht absolut fantastisch, deshalb veröffentlichen wir heute, am Vorabend des Kosmonautiktages, einen Bericht von Konstantin Kakaes für das Magazin Popular Science über ein phänomenales NASA-Projekt, bei dessen Erfolg eine Person darüber hinausgehen kann das Sonnensystem.

Im September 2012 kamen mehrere hundert Wissenschaftler, Ingenieure und Weltraumbegeisterte zum zweiten öffentlichen Treffen der Gruppe namens 100 Year Starship zusammen. Die Gruppe wird von der ehemaligen Astronautin May Jemison geleitet und von DARPA gegründet. Ziel der Konferenz ist es, "innerhalb der nächsten hundert Jahre menschliche Reisen über das Sonnensystem hinaus zu anderen Sternen zu ermöglichen". Die meisten Konferenzteilnehmer räumen ein, dass die Fortschritte in der bemannten Weltraumforschung zu gering sind. Trotz der Milliarden von Dollar, die in den letzten Quartalen ausgegeben wurden, können die Raumfahrtagenturen fast so viel tun wie in den 1960er Jahren. Eigentlich wird 100 Year Starship einberufen, um all dies zu beheben.

Aber mehr auf den Punkt. Nach ein paar Tagen der Konferenz erreichten ihre Teilnehmer die fantastischsten Themen: Organregeneration, das Problem der organisierten Religion an Bord des Schiffes und so weiter. Eine der faszinierenderen Präsentationen beim 100 Year Starship Meeting hieß Warp Field Mechanics 102 und wurde von Harold „Sonny“ White von der NASA gehalten. White, ein Veteran der Agentur, leitet das Advanced Pulse Program am Johnson Space Center (JSC). Zusammen mit fünf Kollegen erstellte er die „Space Propulsion Systems Roadmap“, die die Ziele der NASA für die zukünftige Raumfahrt umreißt. Der Plan listet alle Arten von Antriebsprojekten auf, von fortschrittlichen chemischen Raketen bis hin zu weitreichenden Entwicklungen wie Antimaterie- oder Nuklearmaschinen. Doch Whites Forschungsgebiet ist das futuristischste von allen: Es geht um die Space-Warp-Engine.

So wird die Blase von Alcubierre normalerweise dargestellt

Laut dem Plan wird ein solcher Motor eine Bewegung im Weltraum mit einer Geschwindigkeit ermöglichen, die die Lichtgeschwindigkeit übersteigt. Es ist allgemein anerkannt, dass dies unmöglich ist, da es einen klaren Verstoß gegen Einsteins Relativitätstheorie darstellt. Aber Weiß argumentiert anders. Als Bestätigung seiner Worte beruft er sich auf die sogenannten Alcubierre-Blasen (aus Einsteins Theorie abgeleitete Gleichungen, nach denen ein Körper im Weltraum im Gegensatz zu einem Körper unter normalen Bedingungen Überlichtgeschwindigkeiten erreichen kann). In der Präsentation erzählte er, wie es ihm kürzlich gelang, theoretische Ergebnisse zu erzielen, die direkt zur Schaffung eines echten Space Warp-Motors führten.

Es ist klar, dass das alles absolut fantastisch klingt: Solche Entwicklungen sind eine echte Revolution, die allen Astrophysikern auf der Welt die Hände binden wird. Anstatt 75.000 Jahre damit zu verbringen, nach Alpha Centauri zu reisen, dem uns am nächsten gelegenen Sternensystem, könnten Astronauten auf einem Schiff mit einem solchen Motor die Reise in ein paar Wochen antreten.

Angesichts der Einstellung des Shuttle-Programms und der wachsenden Rolle von Privatflügen in die erdnahe Umlaufbahn konzentriert sich die NASA nach eigenen Angaben wieder auf weitreichende, viel mutigere Pläne, die weit über die Reise zum Mond hinausgehen. Diese Ziele können nur durch die Entwicklung neuer Antriebssysteme erreicht werden – je früher, desto besser. Wenige Tage nach der Konferenz wiederholte NASA-Chef Charles Bolden die Worte von White: „Wir wollen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit reisen und ohne Unterbrechung auf dem Mars.“

WOHER WISSEN WIR VON DIESEM MOTOR

Die erste populäre Verwendung des Begriffs „Space Warp Drive“ geht auf das Jahr 1966 zurück, als Star Trek von Jen Roddenberry veröffentlicht wurde. Die nächsten 30 Jahre existierte dieser Motor nur als Teil dieser Fantasy-Serie. Ein Physiker namens Miguel Alcubierre sah sich eine Episode der Serie an, als er gerade an seiner Doktorarbeit in der Allgemeinen Relativitätstheorie arbeitete, und fragte sich, ob es möglich sei, in der Realität einen Space Warp-Antrieb zu bauen. 1994 veröffentlichte er ein Papier, in dem er diese Position darlegte.

Alcubierre stellte sich eine Blase im Weltraum vor. An der Vorderseite der Blase schrumpft der Zeit-Raum und an der Rückseite dehnt er sich aus (wie es laut Physikern beim Urknall war). Die Verformung wird dazu führen, dass das Schiff trotz der Umgebungsgeräusche sanft durch den Weltraum gleitet, als würde es auf einer Welle surfen. Eine deformierte Blase kann sich im Prinzip beliebig schnell bewegen; die Beschränkungen der Lichtgeschwindigkeit gelten nach Einsteins Theorie nur im Zusammenhang mit der Raumzeit, nicht aber bei solchen Verzerrungen der Raumzeit. Innerhalb der Blase, sagte Alcubierre voraus, würde sich die Raumzeit nicht ändern und Raumreisende würden nicht verletzt.

Einsteins Gleichungen in der Allgemeinen Relativitätstheorie sind schwierig in eine Richtung zu lösen, um herauszufinden, wie Materie den Raum krümmt, aber es ist machbar. Mit ihnen stellte Alcubierre fest, dass die Verteilung der Materie eine notwendige Bedingung für die Entstehung einer deformierten Blase ist. Das einzige Problem ist, dass die Lösungen zu einer unbestimmten Form von Materie führten, die als negative Energie bezeichnet wird.

Schwerkraft ist vereinfacht gesagt die Anziehungskraft zwischen zwei Objekten. Jedes Objekt, unabhängig von seiner Größe, übt eine gewisse Anziehungskraft auf die umgebende Materie aus. Diese Kraft ist nach Einstein eine Krümmung der Raumzeit. Negative Energie ist jedoch gravitativ negativ, das heißt abstoßend. Anstatt Zeit und Raum zu verbinden, stößt negative Energie sie ab und trennt sie. Damit dieses Modell funktioniert, benötigt Alcubierra grob gesagt negative Energie, um die Raumzeit hinter dem Schiff zu erweitern.

Trotz der Tatsache, dass noch nie jemand negative Energie spezifisch gemessen hat, existiert sie laut Quantenmechanik, und Wissenschaftler haben gelernt, wie man sie im Labor erzeugt. Eine Möglichkeit, dies nachzubilden, ist der Kazimirov-Effekt: Zwei parallele leitfähige Platten, die nahe beieinander liegen, erzeugen eine gewisse Menge an negativer Energie. Der Schwachpunkt des Alcubierre-Modells besteht darin, dass seine Implementierung eine riesige Menge an negativer Energie erfordert, die um mehrere Größenordnungen höher ist, als Wissenschaftler schätzen, dass sie erzeugt werden kann.

White sagt, er habe einen Weg gefunden, diese Einschränkung zu umgehen. In einer Computersimulation änderte White die Geometrie des Warpfelds so, dass es theoretisch eine deformierte Blase erzeugen könnte, die millionenfach weniger negative Energie benötigte, als Alcubierra für erforderlich hielt, und vielleicht wenig genug, damit ein Raumschiff seine Produktionsmittel tragen könnte . "Die Entdeckungen", sagt White, "ändern Alcubierres Methode von unpraktisch zu ziemlich plausibel."

BERICHT VON WHITE'S LAB

Das Johnson Space Center befindet sich neben den Lagunen von Houston, von wo aus sich der Weg zur Galveston Bay öffnet. Das Zentrum ist ein bisschen wie ein vorstädtischer College-Campus, der nur darauf ausgerichtet ist, Astronauten auszubilden. Am Tag meines Besuchs trifft mich White in Gebäude 15, einem mehrstöckigen Labyrinth aus Korridoren, Büros und Motortestlabors. White trägt ein Eagleworks-Poloshirt, wie er seine Motorenexperimente nennt, bestickt mit einem Adler, der über einem futuristischen Raumschiff schwebt.

White begann seine Karriere als Ingenieur und forschte als Teil einer Robotergruppe. Im Laufe der Zeit übernahm er das Kommando über den gesamten ISS-Roboterflügel, während er seine Promotion in Plasmaphysik abschloss. Erst 2009 verlagerte er seinen Fokus auf das Studium der Bewegung, und dieses Thema fesselte ihn so sehr, dass es der Hauptgrund dafür wurde, dass er zur NASA ging.

"Er ist eine ziemlich ungewöhnliche Person", sagt sein Chef John Applewhite, der die Abteilung für Antriebssysteme leitet. - Er ist definitiv ein großer Träumer, aber gleichzeitig ein talentierter Ingenieur. Er weiß, wie er seine Fantasien in ein echtes technisches Produkt umwandeln kann.“ Etwa zur gleichen Zeit, als er zur NASA kam, bat White um Erlaubnis, sein eigenes Labor für fortschrittliche Antriebssysteme zu eröffnen. Er selbst kam auf den Namen Eagleworks und bat sogar die NASA, ein Logo für seine Spezialisierung zu erstellen. Dann begann diese Arbeit.

White führt mich zu seinem Büro, das er mit einem Kollegen teilt, der auf dem Mond nach Wasser sucht, und führt mich dann hinunter zu Eagleworks. Unterwegs erzählt er mir von seiner Bitte, ein Labor zu eröffnen, und nennt es „einen langen und schwierigen Prozess, um eine fortschrittliche Bewegung zu finden, die dem Menschen hilft, den Weltraum zu erforschen“.

White zeigt mir das Objekt und seine zentrale Funktion, etwas, das er „Quantum Vacuum Plasma Thruster“ (QVPT) nennt. Dieses Gerät sieht aus wie ein riesiger Donut aus rotem Samt mit fest um den Kern geflochtenen Drähten. Dies ist eine von zwei Eagleworks-Initiativen (die andere ist die Warp-Engine). Es ist auch eine geheime Entwicklung. Als ich frage, was es ist, antwortet White, dass er nur sagen kann, dass diese Technologie noch cooler ist als der Warp-Motor). Laut einem von White verfassten NASA-Bericht aus dem Jahr 2011 nutzt das Fahrzeug Quantenfluktuationen im leeren Raum als Treibstoffquelle, was bedeutet, dass ein QVPT-angetriebenes Raumschiff keinen Treibstoff benötigt.

Der Motor nutzt Quantenfluktuationen im leeren Raum als Treibstoffquelle,
was Raumschiff bedeutet
powered by QVPT, benötigt keinen Kraftstoff.

Wenn das Gerät funktioniert, sieht Whites System filmisch perfekt aus: Die Farbe des Lasers ist rot, und die beiden Strahlen sind wie Säbel gekreuzt. Im Inneren des Rings befinden sich vier Keramikkondensatoren aus Bariumtitanat, die White auf bis zu 23.000 Volt auflädt. White hat die letzten zweieinhalb Jahre damit verbracht, das Experiment zu entwickeln, und er sagt, dass Kondensatoren eine enorme potenzielle Energie aufweisen. Als ich jedoch frage, wie man die negative Energie erzeugt, die für die deformierte Raumzeit benötigt wird, weicht er der Antwort aus. Er erklärt, dass er eine Geheimhaltungsvereinbarung unterzeichnet hat und daher keine Details preisgeben kann. Ich frage, mit wem er diese Vereinbarungen getroffen hat. Er sagt: „Mit Menschen. Sie kommen und wollen reden. Genaueres kann ich Ihnen nicht sagen."

GEGENSTÄNDER DER MOTORIDEE

Bisher ist die Theorie der verzerrten Reise ziemlich intuitiv – Zeit und Raum werden verzerrt, um eine sich bewegende Blase zu erzeugen – und sie hat einige erhebliche Mängel. Selbst wenn White die von Alcubierra geforderte Menge an negativer Energie erheblich reduziert, wird immer noch mehr benötigt, als Wissenschaftler produzieren können, sagt Lawrence Ford, ein theoretischer Physiker an der Tufts University, der in den letzten 30 Jahren zahlreiche Artikel zum Thema negative Energie geschrieben hat . Ford und andere Physiker behaupten, dass es grundlegende physikalische Einschränkungen gibt und es nicht so sehr um technische Mängel geht, sondern dass eine solche Menge an negativer Energie nicht lange an einem Ort existieren kann.

Eine weitere Komplikation: Um einen Verformungsball zu erzeugen, der sich schneller als Licht bewegt, müssen die Wissenschaftler negative Energie um das Raumschiff herum erzeugen, auch über ihm. Weiß denkt nicht, dass dies ein Problem ist; er antwortet ziemlich vage, dass der Motor höchstwahrscheinlich aufgrund eines vorhandenen "Apparats funktioniert, der die notwendigen Bedingungen schafft". Die Schaffung dieser Bedingungen vor dem Schiff würde jedoch bedeuten, dass eine konstante Versorgung mit negativer Energie bereitgestellt wird, die sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegt, was wiederum der Allgemeinen Relativitätstheorie widerspricht.

Schließlich wirft der Space Warp-Motor eine konzeptionelle Frage auf. In der Allgemeinen Relativitätstheorie sind FTL-Reisen äquivalent zu Zeitreisen. Wenn ein solcher Motor real ist, erschafft White eine Zeitmaschine.

Diese Hindernisse geben Anlass zu ernsthaften Zweifeln. „Ich glaube nicht, dass die Physik, die wir kennen, und ihre Gesetze es uns erlauben, anzunehmen, dass er mit seinen Experimenten irgendetwas erreichen wird“, sagt Ken Olum, Physiker an der Tufts University, der auch an der Debatte über exotische Bewegungen auf dem Starship 100th teilgenommen hat Jubiläumstreffen.". Noah Graham, ein Physiker am Middlebury College, der auf meine Bitte hin zwei von Whites Artikeln las, schrieb mir per E-Mail: „Ich sehe keine wertvollen wissenschaftlichen Beweise außer Verweisen auf seine früheren Arbeiten.“

Alcubierre, jetzt Physiker an der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko, hat seine eigenen Zweifel. „Selbst wenn ich auf einem Raumschiff stehe und negative Energie zur Verfügung habe, kann ich sie auf keinen Fall dorthin bringen, wo sie gebraucht wird“, sagt er mir am Telefon von seinem Zuhause in Mexiko-Stadt aus. - Nein, die Idee ist magisch, ich mag sie, ich habe sie selbst geschrieben. Aber es hat ein paar schwerwiegende Mängel, die ich im Laufe der Jahre bereits sehe, und ich kenne keinen einzigen Weg, sie zu beheben.

DIE ZUKUNFT DER SUPERSPEEDS

Links vom Haupttor des Johnson Science Center liegt eine Saturn-B-Rakete auf der Seite, ihre Stufen sind ausgerückt, um ihren Inhalt zu enthüllen. Sie ist gigantisch – einer der vielen Motoren hat die Größe eines Kleinwagens, und die Rakete selbst ist ein paar Fuß länger als ein Fußballfeld. Dies ist natürlich ein ziemlich beredter Beweis für die Besonderheiten der Weltraumnavigation. Außerdem ist sie 40 Jahre alt und die Zeit, die sie repräsentiert – als die NASA Teil eines riesigen nationalen Plans war, einen Mann zum Mond zu schicken – ist lange vorbei. JSC ist heute nur noch ein Ort, der einst großartig war, aber seitdem die Weltraumavantgarde verlassen hat.

Ein Verkehrsdurchbruch könnte für JSC und die NASA eine neue Ära bedeuten, und ein Teil dieser Ära beginnt bereits. Die 2007 gestartete Dawn-Sonde untersucht den Asteroidenring mit Ionentriebwerken. Im Jahr 2010 nahmen die Japaner die Icarus in Dienst, das erste interplanetare Raumschiff, das von einem Sonnensegel angetrieben wurde, einer anderen Art von experimentellem Antrieb. Und im Jahr 2016 planen die Wissenschaftler, VASMIR zu testen, ein plasmabetriebenes System, das speziell für den Hochantrieb auf der ISS entwickelt wurde. Aber wenn diese Systeme möglicherweise Astronauten zum Mars bringen, können sie sie immer noch nicht aus dem Sonnensystem herausbringen. Um dies zu erreichen, sagte White, müsse die NASA riskantere Projekte übernehmen.

Der Warp Drive ist vielleicht das am weitesten hergeholte Bewegungsdesign der NASA. Die wissenschaftliche Gemeinschaft sagt, dass Weiß es nicht schaffen kann. Experten sagen, dass es gegen die Gesetze der Natur und der Physik verstößt. Trotzdem steht die NASA hinter dem Projekt. „Es wird nicht auf der hohen staatlichen Ebene subventioniert, wie es sein sollte“, sagt Applewhite. - Ich denke, dass das Management ein besonderes Interesse daran hat, dass er seine Arbeit fortsetzt; Es ist eines dieser theoretischen Konzepte, das, wenn es erfolgreich ist, das Spiel komplett verändert."

Im Januar baute White sein Warp-Interferometer zusammen und machte sich auf den Weg zu seinem nächsten Ziel. Eagleworks ist aus seinem eigenen Zuhause herausgewachsen. Das neue Labor ist größer und, wie er begeistert sagt, „seismisch isoliert“, also vor Erschütterungen geschützt. Aber das Beste (und Beeindruckendste) an dem neuen Labor ist vielleicht, dass die NASA White die gleichen Bedingungen gab, die Neil Armstrong und Buzz Aldrin auf dem Mond hatten. Okay, lass uns nachsehen.

Doktor der technischen Wissenschaften A. GOLUBEV.

Mitte letzten Jahres erschien in den Magazinen ein sensationeller Bericht. Eine Gruppe amerikanischer Forscher fand heraus, dass sich ein sehr kurzer Laserpuls in einem speziell ausgewählten Medium hundertmal schneller fortbewegt als im Vakuum. Dieses Phänomen schien absolut unglaublich (die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium ist immer geringer als im Vakuum) und ließ sogar Zweifel an der Gültigkeit der speziellen Relativitätstheorie aufkommen. Unterdessen wurde ein superluminales physikalisches Objekt – ein Laserpuls in einem verstärkenden Medium – erstmals nicht im Jahr 2000, sondern 35 Jahre zuvor, im Jahr 1965, entdeckt, und die Möglichkeit einer superluminalen Bewegung wurde bis Anfang der 70er Jahre ausführlich diskutiert. Heute ist die Diskussion um dieses seltsame Phänomen mit neuem Elan entbrannt.

Beispiele für "superluminale" Bewegung.

In den frühen 1960er Jahren begann man, kurze Lichtimpulse hoher Leistung zu erhalten, indem man einen Laserblitz durch einen Quantenverstärker (ein Medium mit inverser Besetzung) schickte.

In dem verstärkenden Medium bewirkt der Anfangsbereich des Lichtpulses eine stimulierte Emission von Atomen in dem Verstärkermedium, und sein Endbereich bewirkt eine Energieabsorption durch sie. Als Ergebnis erscheint es dem Beobachter, als würde sich der Puls schneller als Licht bewegen.

Lijun Wong-Experiment.

Ein Lichtstrahl, der durch ein Prisma aus transparentem Material (z. B. Glas) fällt, wird gebrochen, d. h. er erfährt eine Dispersion.

Ein Lichtimpuls ist ein Satz von Schwingungen unterschiedlicher Frequenzen.

Wahrscheinlich weiß jeder – auch Menschen weit weg von der Physik –, dass die maximal mögliche Geschwindigkeit der Bewegung materieller Objekte oder der Ausbreitung von Signalen die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Es ist mit dem Buchstaben gekennzeichnet mit und ist fast 300.000 Kilometer pro Sekunde; genauer Wert mit= 299 792 458 m/s. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine der fundamentalen physikalischen Konstanten. Die Unmöglichkeit, Geschwindigkeiten zu erreichen, die überschritten werden mit, folgt aus der Speziellen Relativitätstheorie (SRT) von Einstein. Wenn es gelänge, nachzuweisen, dass die Übertragung von Signalen mit Überlichtgeschwindigkeit möglich ist, würde die Relativitätstheorie hinfällig. Bisher ist dies trotz zahlreicher Versuche, das Verbot der Existenz von Geschwindigkeiten über zu widerlegen, nicht geschehen mit. In neueren experimentellen Studien wurden jedoch einige sehr interessante Phänomene entdeckt, die darauf hindeuten, dass es unter speziell geschaffenen Bedingungen möglich ist, Überlichtgeschwindigkeiten zu beobachten, ohne die Prinzipien der Relativitätstheorie zu verletzen.

Erinnern wir uns zunächst an die Hauptaspekte im Zusammenhang mit dem Problem der Lichtgeschwindigkeit. Zunächst einmal: Warum ist es (unter normalen Bedingungen) unmöglich, die Lichtgrenze zu überschreiten? Denn dann wird das Grundgesetz unserer Welt verletzt – das Gesetz der Kausalität, wonach die Wirkung die Ursache nicht überholen kann. Niemand hat jemals beobachtet, dass zum Beispiel zuerst ein Bär tot umgefallen ist und dann ein Jäger geschossen hat. Bei überhöhten Geschwindigkeiten mit, die Reihenfolge der Ereignisse wird umgekehrt, das Zeitband wird zurückgespult. Dies kann leicht aus der folgenden einfachen Argumentation gesehen werden.

Nehmen wir an, wir befinden uns auf einem bestimmten kosmischen Wunderschiff, das sich schneller als das Licht bewegt. Dann würden wir das von der Quelle zu immer früheren Zeitpunkten ausgestrahlte Licht nach und nach einholen. Zuerst würden wir Photonen einholen, die beispielsweise gestern emittiert wurden, dann - vorgestern emittiert, dann - vor einer Woche, einem Monat, einem Jahr und so weiter. Wenn die Lichtquelle ein Spiegel des Lebens wäre, dann würden wir zuerst die Ereignisse von gestern sehen, dann von vorgestern und so weiter. Wir könnten zum Beispiel einen alten Mann sehen, der sich allmählich in einen Mann mittleren Alters verwandelt, dann in einen jungen Mann, in einen Jugendlichen, in ein Kind ... Das heißt, die Zeit würde zurückgedreht, wir würden uns von der Gegenwart zu bewegen die Vergangenheit. Ursache und Wirkung würden sich dann umkehren.

Obwohl dieses Argument die technischen Details des Prozesses der Lichtbeobachtung völlig ignoriert, zeigt es aus grundlegender Sicht deutlich, dass die Bewegung mit Überlichtgeschwindigkeit zu einer Situation führt, die in unserer Welt unmöglich ist. Die Natur hat jedoch noch strengere Bedingungen gestellt: Bewegung ist nicht nur mit Überlichtgeschwindigkeit, sondern auch mit Lichtgeschwindigkeit möglich – man kann sich ihr nur annähern. Aus der Relativitätstheorie folgt, dass mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit drei Umstände eintreten: Die Masse eines sich bewegenden Objekts nimmt zu, seine Größe nimmt in Bewegungsrichtung ab und der Zeitablauf auf diesem Objekt verlangsamt sich (ab aus der Sicht eines externen "ruhenden" Beobachters). Bei normalen Geschwindigkeiten sind diese Änderungen vernachlässigbar, aber wenn wir uns der Lichtgeschwindigkeit nähern, werden sie immer deutlicher und im Grenzbereich - bei einer Geschwindigkeit von gleich mit, - die Masse wird unendlich groß, das Objekt verliert in Bewegungsrichtung vollständig seine Größe und die Zeit bleibt auf ihm stehen. Daher kann kein materieller Körper die Lichtgeschwindigkeit erreichen. Nur Licht selbst hat eine solche Geschwindigkeit! (Und auch das "alles durchdringende" Teilchen - das Neutrino, das sich wie das Photon nicht mit einer Geschwindigkeit von weniger als bewegen kann mit.)

Nun zur Signalübertragungsgeschwindigkeit. Hier bietet sich die Darstellung von Licht in Form von elektromagnetischen Wellen an. Was ist ein Signal? Dies sind einige Informationen, die übermittelt werden müssen. Eine ideale elektromagnetische Welle ist eine unendliche Sinuskurve mit genau einer Frequenz und kann keine Informationen tragen, da jede Periode einer solchen Sinuskurve die vorherige exakt wiederholt. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Phase der Sinuswelle bewegt – die sogenannte Phasengeschwindigkeit - kann unter bestimmten Bedingungen die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum überschreiten. Hier gibt es keine Einschränkungen, da die Phasengeschwindigkeit nicht die Geschwindigkeit des Signals ist - sie existiert noch nicht. Um ein Signal zu erzeugen, müssen Sie eine Art "Markierung" auf der Welle machen. Eine solche Markierung kann zum Beispiel eine Änderung eines beliebigen Wellenparameters sein – Amplitude, Frequenz oder Anfangsphase. Aber sobald die Markierung erfolgt ist, verliert die Welle ihre Sinusförmigkeit. Es wird moduliert und besteht aus einer Reihe einfacher Sinuswellen mit unterschiedlichen Amplituden, Frequenzen und Anfangsphasen - einer Gruppe von Wellen. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Markierung in der modulierten Welle ist die Geschwindigkeit des Signals. Bei der Ausbreitung in einem Medium fällt diese Geschwindigkeit in der Regel mit der Gruppengeschwindigkeit zusammen, die die Ausbreitung der oben genannten Wellengruppe insgesamt charakterisiert (siehe "Wissenschaft und Leben" Nr. 2, 2000). Unter normalen Bedingungen ist die Gruppengeschwindigkeit und damit die Signalgeschwindigkeit kleiner als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Nicht umsonst wird hier der Ausdruck „unter normalen Bedingungen“ verwendet, da in manchen Fällen auch die Gruppengeschwindigkeit überschritten werden kann mit oder sogar an Bedeutung verlieren, aber dann gilt es nicht für die Signalausbreitung. Im SRT ist festgelegt, dass es unmöglich ist, ein Signal mit einer höheren Geschwindigkeit als zu übertragen mit.

Wieso ist es so? Weil das Hindernis für die Übertragung eines Signals bei einer Geschwindigkeit größer als mit es gilt das gleiche Kausalitätsgesetz. Stellen wir uns eine solche Situation vor. An einem Punkt A schaltet ein Lichtblitz (Ereignis 1) ein Gerät ein, das ein bestimmtes Funksignal sendet, und an einem entfernten Punkt B kommt es unter dem Einfluss dieses Funksignals zu einer Explosion (Ereignis 2). Es ist klar, dass Ereignis 1 (Blitz) die Ursache ist und Ereignis 2 (Explosion) die Wirkung ist, die später als die Ursache auftritt. Aber wenn sich das Funksignal mit Überlichtgeschwindigkeit ausbreitet, würde ein Beobachter in der Nähe von Punkt B zuerst eine Explosion sehen und erst dann - sie mit einer Geschwindigkeit erreichen mit Lichtblitz, die Ursache der Explosion. Mit anderen Worten, für diesen Beobachter wäre Ereignis 2 vor Ereignis 1 eingetreten, dh die Wirkung wäre der Ursache vorausgegangen.

Es ist angebracht zu betonen, dass das „superluminale Verbot“ der Relativitätstheorie nur der Bewegung materieller Körper und der Übertragung von Signalen auferlegt wird. In vielen Situationen ist es möglich, sich mit beliebiger Geschwindigkeit zu bewegen, aber es wird die Bewegung von immateriellen Objekten und Signalen sein. Stellen Sie sich zum Beispiel zwei ziemlich lange Lineale vor, die in derselben Ebene liegen, von denen eines horizontal angeordnet ist und das andere es in einem kleinen Winkel schneidet. Wenn die erste Linie mit hoher Geschwindigkeit nach unten (in Pfeilrichtung) bewegt wird, kann der Schnittpunkt der Linien beliebig schnell verlaufen, aber dieser Punkt ist kein materieller Körper. Ein anderes Beispiel: Wenn Sie mit einer Taschenlampe (oder beispielsweise einem Laser, der einen schmalen Strahl abgibt) schnell einen Bogen in der Luft beschreiben, wird die lineare Geschwindigkeit des Lichtflecks mit der Entfernung zunehmen und bei ausreichend großer Entfernung wird übersteigen mit. Der Lichtfleck wird sich zwischen den Punkten A und B mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen, aber das wird keine Signalübertragung von A nach B sein, da ein solcher Lichtfleck keine Informationen über Punkt A trägt.

Es scheint, dass die Frage der Überlichtgeschwindigkeiten gelöst ist. Aber in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts stellten theoretische Physiker die Hypothese der Existenz von superluminalen Teilchen auf, die Tachyonen genannt werden. Das sind sehr seltsame Teilchen: Sie sind theoretisch möglich, aber um Widersprüche mit der Relativitätstheorie zu vermeiden, musste ihnen eine imaginäre Ruhemasse zugeordnet werden. Physikalisch imaginäre Masse existiert nicht, sie ist eine rein mathematische Abstraktion. Dies war jedoch nicht sehr besorgniserregend, da Tachyonen nicht ruhen können - sie existieren (wenn sie existieren!) nur bei Geschwindigkeiten, die die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum überschreiten, und in diesem Fall erweist sich die Masse des Tachyons als real. Hier gibt es eine Analogie zu Photonen: Ein Photon hat keine Ruhemasse, aber das bedeutet einfach, dass das Photon nicht ruhen kann – Licht kann nicht gestoppt werden.

Das Schwierigste war, wie erwartet, die Tachyon-Hypothese mit dem Kausalitätsgesetz in Einklang zu bringen. Versuche in dieser Richtung, obwohl sie ziemlich genial waren, führten nicht zu offensichtlichen Erfolgen. Es ist auch niemandem gelungen, Tachyonen experimentell zu registrieren. Infolgedessen schwand das Interesse an Tachyonen als superluminalen Elementarteilchen allmählich.

In den 60er Jahren wurde jedoch experimentell ein Phänomen entdeckt, das die Physiker zunächst in Verwirrung brachte. Dies wird im Artikel von A. N. Oraevsky "Superluminal waves in amplifying media" (UFN Nr. 12, 1998) ausführlich beschrieben. Hier fassen wir kurz die Essenz der Sache zusammen und verweisen den an den Details interessierten Leser auf den genannten Artikel.

Kurz nach der Entdeckung von Lasern, Anfang der 1960er Jahre, entstand das Problem, kurze (mit einer Dauer in der Größenordnung von 1 ns = 10 –9 s) Hochleistungslichtpulse zu erhalten. Dazu wurde ein kurzer Laserpuls durch einen optischen Quantenverstärker geleitet. Der Impuls wurde durch einen Strahlteilerspiegel in zwei Teile geteilt. Einer von ihnen, stärker, wurde an den Verstärker gesendet, und der andere breitete sich in der Luft aus und diente als Referenzimpuls, mit dem der durch den Verstärker gelaufene Impuls verglichen werden konnte. Beide Impulse wurden Photodetektoren zugeführt, und ihre Ausgangssignale konnten visuell auf dem Oszilloskopschirm beobachtet werden. Es wurde erwartet, dass der durch den Verstärker laufende Lichtimpuls im Vergleich zum Referenzimpuls eine gewisse Verzögerung erfahren würde, dh die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im Verstärker wäre geringer als in Luft. Was war das Erstaunen der Forscher, als sie entdeckten, dass sich der Puls durch den Verstärker nicht nur mit einer Geschwindigkeit ausbreitete, die größer war als in Luft, sondern auch um ein Vielfaches größer als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum!

Nachdem sie sich von dem ersten Schock erholt hatten, begannen die Physiker nach dem Grund für solch ein unerwartetes Ergebnis zu suchen. Niemand hatte auch nur den geringsten Zweifel an den Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie, und genau das half, die richtige Erklärung zu finden: Wenn die Prinzipien der SRT erhalten bleiben, sollte die Antwort in den Eigenschaften des verstärkenden Mediums gesucht werden .

Ohne hier auf Details einzugehen, weisen wir lediglich darauf hin, dass eine ausführliche Analyse des Wirkmechanismus des verstärkenden Mediums die Sachlage vollständig geklärt hat. Der Punkt war eine Änderung der Photonenkonzentration während der Ausbreitung des Impulses - eine Änderung aufgrund einer Änderung der Verstärkung des Mediums bis zu einem negativen Wert während des Durchgangs des hinteren Teils des Impulses, wenn das Medium bereits vorhanden ist Energie aufnehmen, da durch die Übertragung auf den Lichtimpuls die eigene Reserve bereits aufgebraucht ist. Die Absorption bewirkt keine Erhöhung, sondern eine Verringerung des Impulses, wodurch der Impuls vorne verstärkt und hinten abgeschwächt wird. Stellen wir uns vor, wir beobachten den Puls mit Hilfe eines Instruments, das sich mit Lichtgeschwindigkeit im Medium eines Verstärkers bewegt. Wenn das Medium transparent wäre, würden wir einen in Unbeweglichkeit erstarrten Impuls sehen. In dem Medium, in dem der oben erwähnte Vorgang abläuft, wird dem Beobachter die Verstärkung der Vorderflanke und die Abschwächung der Hinterflanke des Pulses so erscheinen, als ob das Medium den Puls gleichsam nach vorne verschoben hat . Aber da sich das Gerät (Beobachter) mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und der Impuls es überholt, übersteigt die Geschwindigkeit des Impulses die Lichtgeschwindigkeit! Dieser Effekt wurde von den Experimentatoren registriert. Und hier gibt es wirklich keinen Widerspruch zur Relativitätstheorie: Es ist nur so, dass der Verstärkungsprozess so ist, dass die Konzentration früher herausgekommener Photonen größer ausfällt als die später herauskommenden. Nicht Photonen bewegen sich mit Überlichtgeschwindigkeit, sondern die Hüllkurve des Pulses, insbesondere sein Maximum, das auf dem Oszilloskop beobachtet wird.

Während es also in gewöhnlichen Medien immer zu einer Abschwächung des Lichts und einer durch den Brechungsindex bestimmten Geschwindigkeitsabnahme kommt, wird in aktiven Lasermedien nicht nur eine Verstärkung des Lichts beobachtet, sondern auch die Ausbreitung eines Pulses mit Überlichtgeschwindigkeit.

Einige Physiker haben versucht, das Vorhandensein einer superluminalen Bewegung im Tunneleffekt, einem der erstaunlichsten Phänomene in der Quantenmechanik, experimentell zu beweisen. Dieser Effekt besteht darin, dass ein Mikropartikel (genauer gesagt ein Mikroobjekt, das unter verschiedenen Bedingungen sowohl die Eigenschaften eines Partikels als auch die Eigenschaften einer Welle aufweist) die sogenannte Potentialbarriere durchdringen kann - ein völlig unmögliches Phänomen in der klassischen Mechanik (in der eine solche Situation analog wäre: Ein gegen eine Wand geworfener Ball würde auf der anderen Seite der Wand landen, oder die wellenförmige Bewegung eines an der Wand befestigten Seils würde auf ein daran befestigtes Seil übertragen die Wand auf der anderen Seite). Die Essenz des Tunneleffekts in der Quantenmechanik ist wie folgt. Trifft ein Mikroobjekt mit einer bestimmten Energie auf seinem Weg auf einen Bereich mit einer potentiellen Energie, die die Energie des Mikroobjekts übersteigt, stellt dieser Bereich für ihn eine Barriere dar, deren Höhe durch die Energiedifferenz bestimmt wird. Aber das Mikroobjekt "leckt" durch die Barriere! Diese Möglichkeit wird ihm durch die bekannte Heisenbergsche Unschärferelation gegeben, geschrieben für die Energie und die Wechselwirkungszeit. Wenn die Wechselwirkung des Mikroobjekts mit der Barriere für eine hinreichend bestimmte Zeit erfolgt, dann wird die Energie des Mikroobjekts dagegen durch Unsicherheit gekennzeichnet sein, und wenn diese Unsicherheit in der Größenordnung der Barrierenhöhe liegt, dann hört diese auf ein unüberwindbares Hindernis für das Mikroobjekt darstellen. Es ist die Durchdringungsrate durch die Potentialbarriere, die Gegenstand der Forschung einer Reihe von Physikern geworden ist, die glauben, dass sie überschritten werden kann mit.

Im Juni 1998 fand in Köln ein internationales Symposium über die Probleme superluminaler Bewegungen statt, bei dem die in vier Laboratorien - in Berkeley, Wien, Köln und Florenz - erzielten Ergebnisse diskutiert wurden.

Und schließlich wurde im Jahr 2000 über zwei neue Experimente berichtet, bei denen die Auswirkungen der superluminalen Ausbreitung auftraten. Eine davon wurde von Lijun Wong und Mitarbeitern an einem Forschungsinstitut in Princeton (USA) durchgeführt. Sein Ergebnis: Ein Lichtimpuls, der in eine mit Cäsiumdampf gefüllte Kammer eintritt, erhöht seine Geschwindigkeit um den Faktor 300. Es stellte sich heraus, dass der Hauptteil des Pulses die hintere Wand der Kammer verlässt, noch bevor der Puls durch die Vorderwand in die Kammer eintritt. Eine solche Situation widerspricht nicht nur dem gesunden Menschenverstand, sondern im Kern auch der Relativitätstheorie.

L. Wongs Bericht löste eine intensive Diskussion unter Physikern aus, von denen die meisten nicht geneigt sind, in den erhaltenen Ergebnissen eine Verletzung der Relativitätsprinzipien zu sehen. Die Herausforderung, so glauben sie, besteht darin, dieses Experiment richtig zu erklären.

Im Experiment von L. Wong hatte der mit Cäsiumdampf in die Kammer eintretende Lichtimpuls eine Dauer von etwa 3 μs. Cäsiumatome können sich in sechzehn möglichen quantenmechanischen Zuständen befinden, die als "hyperfeine magnetische Unterebenen im Grundzustand" bezeichnet werden. Mit Hilfe von optischem Laserpumpen wurden fast alle Atome in nur einen dieser sechzehn Zustände gebracht, was der nahezu absoluten Nulltemperatur auf der Kelvin-Skala (-273,15 °C) entspricht. Die Länge der Cäsiumkammer betrug 6 Zentimeter. Im Vakuum legt Licht in 0,2 ns 6 Zentimeter zurück. Wie die Messungen zeigten, durchlief der Lichtpuls die Kammer mit Cäsium in einer um 62 ns kürzeren Zeit als im Vakuum. Mit anderen Worten, die Laufzeit eines Pulses durch ein Cäsium-Medium hat ein „Minus“-Vorzeichen! In der Tat, wenn wir 62 ns von 0,2 ns abziehen, erhalten wir eine "negative" Zeit. Diese „negative Verzögerung“ im Medium – ein unverständlicher Zeitsprung – ist gleich der Zeit, in der der Puls 310 Mal die Kammer im Vakuum durchlaufen würde. Die Folge dieser "Zeitumkehrung" war, dass der Impuls, der die Kammer verließ, sich um 19 Meter davon entfernen konnte, bevor der ankommende Impuls die nahe Wand der Kammer erreichte. Wie ist eine so unglaubliche Situation zu erklären (es sei denn, es besteht natürlich kein Zweifel an der Reinheit des Experiments)?

Nach der geführten Diskussion zu urteilen, ist eine genaue Erklärung noch nicht gefunden worden, aber zweifellos spielen hier die ungewöhnlichen Dispersionseigenschaften des Mediums eine Rolle: Cäsiumdampf, bestehend aus durch Laserlicht angeregten Atomen, ist ein Medium mit anomale Streuung. Erinnern wir uns kurz, was es ist.

Die Dispersion einer Substanz ist die Phasenabhängigkeit des (gewöhnlichen) Brechungsindex n auf der Wellenlänge des Lichts l. Bei normaler Dispersion steigt der Brechungsindex mit abnehmender Wellenlänge, und das ist bei Glas, Wasser, Luft und allen anderen lichtdurchlässigen Stoffen der Fall. Bei Stoffen, die Licht stark absorbieren, kehrt sich der Verlauf des Brechungsindex bei einer Wellenlängenänderung um und wird deutlich steiler: Mit abnehmendem l (Frequenz w steigt) nimmt der Brechungsindex stark ab und wird in einem bestimmten Wellenlängenbereich kleiner als Eins (Phase Geschwindigkeit v f > mit). Dies ist die anomale Dispersion, bei der sich das Muster der Lichtausbreitung in einer Substanz radikal ändert. Gruppengeschwindigkeit v cp wird größer als die Phasengeschwindigkeit der Wellen und kann im Vakuum die Lichtgeschwindigkeit überschreiten (und auch negativ werden). L. Wong weist auf diesen Umstand als Grund für die Möglichkeit hin, die Ergebnisse seines Experiments zu erklären. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Bedingung v gr > mit ist rein formal, da der Begriff der Gruppengeschwindigkeit für den Fall kleiner (normaler) Dispersion eingeführt wurde, für transparente Medien, wenn eine Gruppe von Wellen ihre Form während der Ausbreitung fast nicht ändert. In Bereichen mit anomaler Dispersion wird der Lichtpuls jedoch schnell deformiert und das Konzept der Gruppengeschwindigkeit verliert seine Bedeutung; dabei werden die Begriffe Signalgeschwindigkeit und Eneingeführt, die in transparenten Medien mit der Gruppengeschwindigkeit zusammenfallen, während sie in Medien mit Absorption kleiner als Vakuumlichtgeschwindigkeit bleiben. Aber hier ist das Interessante an Wongs Experiment: Ein Lichtpuls, der durch ein Medium mit anomaler Dispersion geht, verformt sich nicht – er behält seine Form exakt bei! Und das entspricht der Annahme, dass sich der Impuls mit der Gruppengeschwindigkeit ausbreitet. Aber wenn ja, dann stellt sich heraus, dass es keine Absorption im Medium gibt, obwohl die anomale Dispersion des Mediums genau auf Absorption zurückzuführen ist! Wong selbst, der erkennt, dass vieles unklar bleibt, glaubt, dass das, was in seinem Versuchsaufbau passiert, in erster Näherung wie folgt klar erklärt werden kann.

Ein Lichtpuls besteht aus vielen Komponenten mit unterschiedlichen Wellenlängen (Frequenzen). Die Abbildung zeigt drei dieser Komponenten (Wellen 1-3). Irgendwann sind alle drei Wellen in Phase (ihre Maxima fallen zusammen); hier verstärken sie sich gegenseitig und bilden einen Impuls. Wenn sich die Wellen weiter im Raum ausbreiten, sind sie phasenverschoben und "löschen" sich gegenseitig aus.

Im Bereich der anomalen Dispersion (innerhalb der Cäsiumzelle) wird die kürzere Welle (Welle 1) länger. Umgekehrt wird die Welle, die die längste der drei war (Welle 3), zur kürzesten.

Dementsprechend ändern sich auch die Phasen der Wellen. Wenn die Wellen die Cäsiumzelle passiert haben, werden ihre Wellenfronten wiederhergestellt. Nach einer ungewöhnlichen Phasenmodulation in einer Substanz mit anomaler Dispersion finden sich die drei betrachteten Wellen irgendwann wieder in Phase. Hier addieren sie sich wieder und bilden einen Impuls von genau der gleichen Form wie der, der in das Cäsium-Medium eintritt.

Typischerweise kann ein Lichtimpuls in Luft und tatsächlich in jedem normal streuenden transparenten Medium seine Form nicht genau beibehalten, wenn er sich über eine entfernte Entfernung ausbreitet, das heißt, alle seine Komponenten können an keinem entfernten Punkt entlang des Ausbreitungsweges in Phase sein. Und unter normalen Bedingungen erscheint nach einiger Zeit ein Lichtimpuls an einem so entfernten Punkt. Aufgrund der anomalen Eigenschaften des im Experiment verwendeten Mediums stellte sich jedoch heraus, dass der Puls am entfernten Punkt genauso phasenverschoben war wie beim Eintritt in dieses Medium. Der Lichtimpuls verhält sich also so, als hätte er auf seinem Weg zu einem entfernten Punkt eine negative Zeitverzögerung, d. h. er wäre dort nicht später angekommen, sondern früher, als er das Medium passiert hat!

Die meisten Physiker neigen dazu, dieses Ergebnis mit dem Auftreten eines Vorläufers geringer Intensität im Dispersionsmedium der Kammer in Verbindung zu bringen. Tatsache ist, dass bei der spektralen Zerlegung des Pulses das Spektrum Anteile beliebig hoher Frequenzen mit vernachlässigbarer Amplitude enthält, den sogenannten Precursor, der dem "Hauptteil" des Pulses vorausgeht. Die Art der Etablierung und die Form des Vorläufers hängen vom Ausbreitungsgesetz im Medium ab. Vor diesem Hintergrund wird vorgeschlagen, die Abfolge der Ereignisse in Wongs Experiment wie folgt zu interpretieren. Die ankommende Welle, die den Vorboten vor sich „spannt“, nähert sich der Kamera. Bevor die Spitze der ankommenden Welle auf die nahe Wand der Kammer trifft, löst der Vorläufer das Auftreten eines Impulses in der Kammer aus, der die entfernte Wand erreicht und von ihr reflektiert wird, wodurch eine "Gegenwelle" gebildet wird. Diese Welle breitet sich 300 Mal schneller aus mit, erreicht die nahe Wand und trifft auf die ankommende Welle. Die Spitzen einer Welle treffen auf die Täler einer anderen, so dass sie sich gegenseitig aufheben und nichts übrig bleibt. Es stellt sich heraus, dass die ankommende Welle den Cäsiumatomen, die ihr am anderen Ende der Kammer Energie „geliehen“ haben, „die Schuld zurückgibt“. Jemand, der nur den Anfang und das Ende des Experiments beobachtete, würde nur einen Lichtimpuls sehen, der in der Zeit vorwärts „sprang“ und sich schneller bewegte mit.

L. Wong glaubt, dass sein Experiment nicht mit der Relativitätstheorie vereinbar ist. Die Aussage über die Unerreichbarkeit der Überlichtgeschwindigkeit gilt seiner Meinung nach nur für Objekte mit Ruhemasse. Licht kann entweder in Form von Wellen dargestellt werden, auf die der Massenbegriff im Allgemeinen nicht anwendbar ist, oder in Form von Photonen mit bekanntermaßen gleich Null Ruhemasse. Daher ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum laut Wong nicht die Grenze. Dennoch gibt Wong zu, dass der von ihm entdeckte Effekt es nicht ermöglicht, Informationen mit einer höheren Geschwindigkeit zu übertragen mit.

„Die Informationen hier sind bereits in der Vorderkante des Impulses enthalten“, sagt P. Milonni, Physiker am Los Alamos National Laboratory in den Vereinigten Staaten.

Die meisten Physiker glauben, dass die neue Arbeit den Grundprinzipien keinen vernichtenden Schlag versetzt. Aber nicht alle Physiker glauben, dass das Problem gelöst ist. Professor A. Ranfagni vom italienischen Forschungsteam, das im Jahr 2000 ein weiteres interessantes Experiment durchführte, sagt, die Frage sei immer noch offen. Dieses Experiment, das von Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni und Rocco Ruggeri durchgeführt wurde, ergab, dass sich Zentimeterwellen-Funkwellen in normaler Luft mit einer Geschwindigkeit ausbreiten, die größer ist mit um 25 %.

Zusammenfassend können wir folgendes sagen. Die Arbeiten der letzten Jahre zeigen, dass unter bestimmten Bedingungen tatsächlich Überlichtgeschwindigkeit stattfinden kann. Aber was genau bewegt sich mit Überlichtgeschwindigkeit? Die Relativitätstheorie verbietet, wie bereits erwähnt, eine solche Geschwindigkeit für materielle Körper und für informationstragende Signale. Dennoch versuchen einige Forscher sehr hartnäckig, die Überwindung der Lichtschranke speziell für Signale nachzuweisen. Der Grund dafür liegt in der Tatsache, dass es in der speziellen Relativitätstheorie keine strenge mathematische Rechtfertigung (z. B. auf der Grundlage der Maxwell-Gleichungen für ein elektromagnetisches Feld) für die Unmöglichkeit gibt, Signale mit einer Geschwindigkeit von mehr als zu übertragen mit. Eine solche Unmöglichkeit ist in der SRT gewissermaßen rein arithmetisch begründet, basierend auf Einsteins Formel zur Addition von Geschwindigkeiten, aber grundsätzlich wird dies durch das Kausalitätsprinzip bestätigt. Einstein selbst schrieb in Anbetracht der Frage der überlichten Signalübertragung, dass in diesem Fall „… wir gezwungen sind, einen Signalübertragungsmechanismus für möglich zu halten, bei dessen Anwendung die erzielte Wirkung der Ursache vorausgeht Sichtweise enthält sich meiner Meinung nach nicht widersprüchlich, widerspricht aber dennoch dem Charakter all unserer Erfahrung so sehr, dass die Unmöglichkeit der Vermutung V > c scheint hinreichend bewiesen.“ Das Prinzip der Kausalität ist der Grundstein, der der Unmöglichkeit einer superluminalen Signalübertragung zugrunde liegt. Und dieser Stein wird anscheinend ausnahmslos alle Suchen nach superluminalen Signalen zum Scheitern bringen, egal wie sehr Experimentatoren solche entdecken möchten Signale, denn das ist die Natur unserer Welt.

Abschließend sollte betont werden, dass all das Obige speziell auf unsere Welt, auf unser Universum zutrifft. Ein solcher Vorbehalt wurde gemacht, weil kürzlich neue Hypothesen in der Astrophysik und Kosmologie aufgetaucht sind, die die Existenz vieler uns verborgener Universen zulassen, die durch topologische Tunnel - Jumper verbunden sind. Diese Sichtweise wird beispielsweise von dem bekannten Astrophysiker N. S. Kardashev geteilt. Für einen außenstehenden Beobachter sind die Eingänge zu diesen Tunneln durch anomale Gravitationsfelder gekennzeichnet, ähnlich wie bei Schwarzen Löchern. Bewegungen in solchen Tunneln, wie von den Autoren der Hypothesen vorgeschlagen, werden es ermöglichen, die Begrenzung der Bewegungsgeschwindigkeit, die im gewöhnlichen Raum durch die Lichtgeschwindigkeit auferlegt wird, zu umgehen und folglich die Idee der Schaffung eines zu verwirklichen Zeitmaschine ... Dinge. Und obwohl solche Hypothesen bisher zu sehr an Science-Fiction-Plots erinnern, sollte man die grundsätzliche Möglichkeit eines Mehrelementmodells der Struktur der materiellen Welt kaum kategorisch ablehnen. Eine andere Sache ist, dass all diese anderen Universen höchstwahrscheinlich rein mathematische Konstruktionen von theoretischen Physikern bleiben werden, die in unserem Universum leben und versuchen, die uns verschlossenen Welten mit der Kraft ihrer Gedanken zu finden ...

Siehe in einem Raum zum gleichen Thema

Schatten können sich schneller fortbewegen als Licht, aber keine Materie oder Informationen transportieren

Ist Superluminalflug möglich?

Abschnitte in diesem Artikel haben Unterüberschriften und Sie können auf jeden Abschnitt separat verweisen.

Einfache Beispiele für FTL-Reisen

1. Cherenkov-Effekt

Wenn wir von superluminaler Bewegung sprechen, meinen wir die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. c(299 792 458 m/s). Daher kann der Cherenkov-Effekt nicht als Beispiel für eine Überlichtbewegung angesehen werden.

2. Dritter Beobachter

Wenn die Rakete EIN fliegt schnell von mir weg 0,6 c nach Westen und die Rakete B fliegt schnell von mir weg 0,6 c Osten, dann sehe ich, dass der Abstand zwischen EIN und B steigt mit der Geschwindigkeit 1.2c. Den Raketen beim Fliegen zusehen EIN und B Von außen sieht der dritte Beobachter, dass die Gesamtentfernungsgeschwindigkeit der Raketen größer ist als c .

Jedoch relative Geschwindigkeit ist nicht gleich der Summe der Geschwindigkeiten. Raketengeschwindigkeit EIN bezüglich der Rakete B ist die Geschwindigkeit, mit der die Entfernung zur Rakete zunimmt EIN, die von einem Beobachter gesehen wird, der auf einer Rakete fliegt B. Die Relativgeschwindigkeit muss mit der relativistischen Geschwindigkeitsadditionsformel berechnet werden. (Siehe Wie addiert man Geschwindigkeiten in der speziellen Relativitätstheorie?) In diesem Beispiel ist die Relativgeschwindigkeit ungefähr 0,88 c. In diesem Beispiel haben wir also keine FTL erhalten.

3. Licht und Schatten

Denken Sie darüber nach, wie schnell sich der Schatten bewegen kann. Wenn die Lampe in der Nähe ist, bewegt sich der Schatten Ihres Fingers an der gegenüberliegenden Wand viel schneller als der Finger sich bewegt. Beim Bewegen des Fingers parallel zur Wand nimmt die Geschwindigkeit des Schattens zu D/d mal größer als die Geschwindigkeit eines Fingers. Hier d ist der Abstand von der Lampe zum Finger, und D- von der Lampe bis zur Wand. Die Geschwindigkeit wird noch größer, wenn die Wand schräg steht. Wenn die Wand sehr weit entfernt ist, bleibt die Bewegung des Schattens hinter der Bewegung des Fingers zurück, da das Licht Zeit braucht, um die Wand zu erreichen, aber die Geschwindigkeit des Schattens, der sich entlang der Wand bewegt, wird noch stärker. Die Geschwindigkeit eines Schattens ist nicht durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt.

Ein anderes Objekt, das sich schneller als Licht fortbewegen kann, ist ein Lichtpunkt eines Lasers, der auf den Mond gerichtet ist. Die Entfernung zum Mond beträgt 385.000 km. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Lichtflecks auf der Mondoberfläche können Sie mit kleinen Schwankungen des Laserpointers in Ihrer Hand selbst berechnen. Vielleicht gefällt Ihnen auch das Beispiel einer Welle, die in einem leichten Winkel auf eine gerade Strandlinie trifft. Mit welcher Geschwindigkeit kann sich der Schnittpunkt von Welle und Ufer am Strand entlang bewegen?

All diese Dinge können in der Natur passieren. Beispielsweise kann ein Lichtstrahl eines Pulsars entlang einer Staubwolke laufen. Eine starke Explosion kann sphärische Licht- oder Strahlungswellen erzeugen. Wenn sich diese Wellen mit einer Oberfläche schneiden, erscheinen auf dieser Oberfläche Lichtkreise, die sich schneller als Licht ausdehnen. Ein solches Phänomen wird beispielsweise beobachtet, wenn ein elektromagnetischer Impuls eines Blitzes die obere Atmosphäre durchdringt.

4. Festkörper

Wenn Sie eine lange, starre Stange haben und auf ein Ende der Stange schlagen, bewegt sich dann nicht sofort das andere Ende? Ist dies nicht ein Weg der superluminalen Informationsübertragung?

Das wäre richtig wenn es gab vollkommen starre Körper. In der Praxis wird der Stoß mit Schallgeschwindigkeit entlang der Stange übertragen, was von der Elastizität und Dichte des Stangenmaterials abhängt. Außerdem begrenzt die Relativitätstheorie die möglichen Schallgeschwindigkeiten in einem Material durch den Wert c .

Das gleiche Prinzip gilt, wenn Sie eine Schnur oder einen Stab senkrecht halten, loslassen und unter dem Einfluss der Schwerkraft zu fallen beginnen. Das losgelassene obere Ende beginnt sofort zu fallen, das untere Ende bewegt sich jedoch erst nach einer Weile, da der Verlust der Haltekraft mit Schallgeschwindigkeit im Material über die Stange übertragen wird.

Die Formulierung der relativistischen Elastizitätstheorie ist ziemlich kompliziert, aber die allgemeine Idee kann mit der Newtonschen Mechanik veranschaulicht werden. Die Längsbewegungsgleichung eines ideal elastischen Körpers lässt sich aus dem Hookeschen Gesetz ableiten. Geben Sie die lineare Dichte des Stabs an ρ , Elastizitätsmodul Y. Längsversatz X erfüllt die Wellengleichung

ρ d 2 X/dt 2 – Y d 2 X/dx 2 = 0

Eine ebene Wellenlösung bewegt sich mit Schallgeschwindigkeit s, die aus der Formel bestimmt wird s2 = Y/ρ. Die Wellengleichung lässt es nicht zu, dass sich die Störungen des Mediums schneller bewegen als mit der Geschwindigkeit s. Darüber hinaus gibt die Relativitätstheorie eine Grenze für die Elastizität an: Y< ρc 2 . In der Praxis erreicht kein bekanntes Material diese Grenze. Beachten Sie auch, dass selbst wenn die Schallgeschwindigkeit nahe ist c, dann bewegt sich die Materie selbst nicht unbedingt mit relativistischer Geschwindigkeit.

Obwohl es in der Natur keine festen Körper gibt, gibt es sie Bewegung starrer Körper, die verwendet werden kann, um die Lichtgeschwindigkeit zu überwinden. Dieses Thema gehört zum bereits beschriebenen Abschnitt Schatten und Lichtpunkte. (Siehe Die superluminale Schere, Die starre rotierende Scheibe in der Relativitätstheorie).

5. Phasengeschwindigkeit

Wellengleichung
d 2 u/dt 2 - c 2 d 2 u/dx 2 + w 2 u = 0

hat eine Lösung in der Form
u \u003d A cos (ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 \u003d 0

Das sind Sinuswellen, die sich mit der Geschwindigkeit v ausbreiten
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Aber es ist mehr als c. Vielleicht ist das die Gleichung für Tachyonen? (siehe Abschnitt unten). Nein, das ist die übliche relativistische Gleichung für ein Teilchen mit Masse.

Um das Paradoxon zu beseitigen, müssen Sie zwischen "Phasengeschwindigkeit" v ph und "Gruppengeschwindigkeit" v gr und
v ph v gr = c 2

Die Lösung in Form einer Welle kann eine Frequenzstreuung aufweisen. In diesem Fall bewegt sich das Wellenpaket mit einer Gruppengeschwindigkeit, die kleiner als ist c. Mit einem Wellenpaket können Informationen nur mit der Gruppengeschwindigkeit übertragen werden. Wellen in einem Wellenpaket bewegen sich mit Phasengeschwindigkeit. Die Phasengeschwindigkeit ist ein weiteres Beispiel für eine FTL-Bewegung, die nicht zur Kommunikation verwendet werden kann.

6. Superluminale Galaxien

7. Relativistische Rakete

Lassen Sie einen Beobachter auf der Erde sehen, wie sich ein Raumschiff mit hoher Geschwindigkeit entfernt 0,8 c Gemäß der Relativitätstheorie wird er sehen, dass die Uhr des Raumfahrzeugs 5/3 mal langsamer läuft. Teilen wir die Entfernung zum Schiff durch die Flugzeit laut Borduhr, erhalten wir die Geschwindigkeit 4/3c. Der Beobachter schließt daraus, dass der Pilot des Schiffes anhand seiner Borduhr auch feststellen wird, dass er mit Überlichtgeschwindigkeit fliegt. Aus Sicht des Piloten läuft seine Uhr normal, und der interstellare Raum ist um den Faktor 5/3 geschrumpft. Daher fliegt es die bekannten Entfernungen zwischen den Sternen schneller und mit einer Geschwindigkeit 4/3c .

Aber es ist immer noch kein superluminaler Flug. Sie können die Geschwindigkeit nicht anhand von Entfernung und Zeit berechnen, die in verschiedenen Bezugsrahmen definiert sind.

8. Schwerkraftgeschwindigkeit

Einige bestehen darauf, dass die Geschwindigkeit der Schwerkraft viel schneller ist c oder sogar unendlich. Siehe Reist die Schwerkraft mit Lichtgeschwindigkeit? und Was ist Gravitationsstrahlung? Gravitationsstörungen und Gravitationswellen breiten sich mit einer Geschwindigkeit aus c .

9. EPR-Paradoxon

10. Virtuelle Photonen

11. Quantentunneleffekt

In der Quantenmechanik erlaubt der Tunneleffekt einem Teilchen, eine Barriere zu überwinden, auch wenn seine Energie dafür nicht ausreicht. Es ist möglich, die Tunnelzeit durch eine solche Barriere zu berechnen. Und es kann sich herausstellen, dass es weniger ist als das, was Licht benötigt, um die gleiche Entfernung mit einer Geschwindigkeit zu überwinden c. Kann es verwendet werden, um Nachrichten schneller als das Licht zu senden?

Quantenelektrodynamik sagt "Nein!" Trotzdem wurde ein Experiment durchgeführt, das die superluminale Informationsübertragung unter Verwendung des Tunneleffekts demonstrierte. Durch eine 11,4 cm breite Barriere mit einer Geschwindigkeit von 4,7 c Mozarts Vierzigste Symphonie wurde präsentiert. Die Erklärung für dieses Experiment ist sehr umstritten. Die meisten Physiker glauben, dass es mit Hilfe des Tunneleffekts unmöglich ist, zu übertragen Information schneller als das Licht. Wenn es möglich wäre, warum nicht ein Signal in die Vergangenheit senden, indem man die Ausrüstung in einen sich schnell bewegenden Bezugsrahmen stellt.

17. Quantenfeldtheorie

Mit Ausnahme der Schwerkraft entsprechen alle beobachteten physikalischen Phänomene dem „Standardmodell“. Das Standardmodell ist eine relativistische Quantenfeldtheorie, die die elektromagnetischen und nuklearen Kräfte und alle bekannten Teilchen erklärt. In dieser Theorie "kommutiert" jedes Paar von Operatoren, die physikalischen Observablen entsprechen, die durch ein raumartiges Intervall von Ereignissen getrennt sind (das heißt, man kann die Reihenfolge dieser Operatoren ändern). Im Prinzip impliziert dies, dass sich die Kraft im Standardmodell nicht schneller als Licht fortbewegen kann, und dies kann als Quantenfeldäquivalent des Arguments der unendlichen Energie betrachtet werden.

Allerdings gibt es in der Quantenfeldtheorie des Standardmodells keine tadellos strengen Beweise. Niemand hat bisher auch nur bewiesen, dass diese Theorie in sich konsistent ist. Höchstwahrscheinlich ist es nicht. In jedem Fall gibt es keine Garantie dafür, dass es keine noch unentdeckten Teilchen oder Kräfte gibt, die das Verbot der superluminalen Bewegung nicht befolgen. Es gibt auch keine Verallgemeinerung dieser Theorie, einschließlich der Schwerkraft und der allgemeinen Relativitätstheorie. Viele Physiker, die auf dem Gebiet der Quantengravitation arbeiten, bezweifeln, dass die einfachen Konzepte von Kausalität und Lokalität verallgemeinert werden können. Es gibt keine Garantie dafür, dass in einer zukünftigen vollständigeren Theorie die Lichtgeschwindigkeit die Bedeutung der Grenzgeschwindigkeit behalten wird.

18. Opa-Paradoxon

In der speziellen Relativitätstheorie bewegt sich ein Teilchen, das sich in einem Bezugssystem schneller als Licht bewegt, in einem anderen Bezugssystem in der Zeit zurück. FTL-Reisen oder Informationsübermittlungen würden Reisen ermöglichen oder eine Botschaft in die Vergangenheit senden. Wenn solche Zeitreisen möglich wären, könnten Sie in die Vergangenheit reisen und den Lauf der Geschichte ändern, indem Sie Ihren Großvater töten.

Dies ist ein sehr starkes Argument gegen die Möglichkeit von FTL-Reisen. Es stimmt, es bleibt eine fast unwahrscheinliche Möglichkeit, dass eine begrenzte superluminale Reise möglich ist, die keine Rückkehr in die Vergangenheit erlaubt. Oder vielleicht sind Zeitreisen möglich, aber die Kausalität wird auf konsistente Weise verletzt. All dies ist sehr unglaubwürdig, aber wenn wir über FTL diskutieren, ist es besser, auf neue Ideen vorbereitet zu sein.

Das Gegenteil ist auch wahr. Wenn wir in der Zeit zurückreisen könnten, könnten wir die Lichtgeschwindigkeit überwinden. Sie können in der Zeit zurückgehen, mit niedriger Geschwindigkeit irgendwo hinfliegen und dort ankommen, bevor das auf die übliche Weise gesendete Licht eintrifft. Einzelheiten zu diesem Thema finden Sie unter Zeitreise.

Offene Fragen von FTL-Reisen

In diesem letzten Abschnitt werde ich einige ernsthafte Ideen über mögliche Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit beschreiben. Diese Themen sind nicht oft in den FAQ enthalten, da sie eher viele neue Fragen als Antworten darstellen. Sie sind hier aufgeführt, um zu zeigen, dass in dieser Richtung ernsthaft geforscht wird. Es wird nur eine kurze Einführung in das Thema gegeben. Einzelheiten sind im Internet zu finden. Seien Sie, wie bei allem im Internet, kritisch.

19. Tachyonen

Tachyonen sind hypothetische Teilchen, die sich lokal schneller als Licht fortbewegen. Dazu müssen sie einen imaginären Massenwert haben. In diesem Fall sind Energie und Impuls des Tachyons reale Größen. Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass superluminale Partikel nicht nachgewiesen werden können. Schatten und Glanzlichter können sich schneller fortbewegen als Licht und können erkannt werden.

Bisher wurden keine Tachyonen gefunden, und Physiker bezweifeln ihre Existenz. Es gab Behauptungen, dass in Experimenten zur Messung der Masse von Neutrinos, die durch den Beta-Zerfall von Tritium erzeugt wurden, Neutrinos Tachyonen waren. Dies ist zweifelhaft, aber noch nicht endgültig widerlegt.

Es gibt Probleme in der Theorie der Tachyonen. Neben der möglichen Verletzung der Kausalität machen Tachyonen auch das Vakuum instabil. Es mag möglich sein, diese Schwierigkeiten zu umgehen, aber selbst dann werden wir nicht in der Lage sein, Tachyonen für die superluminale Übertragung von Botschaften zu verwenden.

Die meisten Physiker glauben, dass das Auftreten von Tachyonen in einer Theorie ein Zeichen für einige Probleme mit dieser Theorie ist. Die Idee von Tachyonen ist in der Öffentlichkeit so beliebt, weil sie oft in der Fantasy-Literatur erwähnt werden. Siehe Tachyonen.

20. Wurmlöcher

Die bekannteste Methode des globalen FTL-Reisens ist die Verwendung von "Wurmlöchern". Ein Wurmloch ist ein Schlitz in der Raumzeit von einem Punkt im Universum zum anderen, der es Ihnen ermöglicht, schneller als auf dem üblichen Weg von einem Ende des Lochs zum anderen zu gelangen. Wurmlöcher werden durch die allgemeine Relativitätstheorie beschrieben. Um sie zu erstellen, müssen Sie die Topologie der Raumzeit ändern. Vielleicht wird dies im Rahmen der Quantentheorie der Gravitation möglich.

Um ein Wurmloch offen zu halten, braucht man Raumbereiche mit negativen Energien. C.W.Misner und K.S.Thorne schlugen vor, den Casimir-Effekt in großem Maßstab zu nutzen, um negative Energie zu erzeugen. Visser schlug vor, dafür kosmische Saiten zu verwenden. Dies sind sehr spekulative Ideen und möglicherweise nicht möglich. Vielleicht existiert die benötigte Form exotischer Materie mit negativer Energie nicht.

Selbst wenn wir Prototypen von Schiffen bauen könnten, die von NASA-Wissenschaftlern entwickelt wurden, um sich mit relativistischen Geschwindigkeiten zu bewegen, und eine obszön große Energiequelle finden könnten, um sie in den Himmel zu schießen, wäre unsere Reise nicht so angenehm, wie sie vom Millennium Falcon erscheinen könnte. Es ist keine Technologie, die uns von der Fähigkeit trennt, zu benachbarten Sternen zu fliegen, es ist nur eine Frage von mehreren Jahrhunderten. Das Problem ist, wie gefährlich der Weltraum ist, wenn er zum Lebensraum wird, und wie zerbrechlich der menschliche Körper tatsächlich sein kann.

Wenn wir uns im interstellaren Raum mit Lichtgeschwindigkeit (300.000 km / s) bewegen würden, würden wir in wenigen Sekunden sterben. Trotz der sehr geringen Materiedichte im Weltraum prallen bei dieser Geschwindigkeit sogar wenige Wasserstoffatome pro Kubikzentimeter mit einer Beschleunigung auf den Bug des Schiffes, die auf der Erde nur am Large Hadron Collider erreichbar ist. Aus diesem Grund erhalten wir eine Strahlendosis von zehntausend Sievert pro Sekunde. Da die tödliche Dosis für Menschen sechs Sievert beträgt, würde ein solcher radioaktiver Strahl das Schiff beschädigen und alles Leben an Bord zerstören.

„Wenn wir anfangen würden, uns mit Lichtgeschwindigkeit im Weltraum zu bewegen, würden wir in ein paar Sekunden sterben“

Laut Untersuchungen von Wissenschaftlern der Johns Hopkins University kann uns keine Panzerung vor dieser ionisierenden Strahlung schützen. Ein zehn Zentimeter dicker Aluminiumschott würde dann weniger als 1 % der Energie absorbieren – und Schotte können nicht unbegrenzt vergrößert werden, ohne die Möglichkeit des Abhebens zu riskieren. Zusätzlich zu radioaktivem Wasserstoff wird unser Raumfahrzeug mit Lichtgeschwindigkeit jedoch durch Erosion durch den Aufprall von interstellarem Staub bedroht sein. Im besten Fall müssen wir uns mit 10% der Lichtgeschwindigkeit zufrieden geben, was es schwierig macht, nur den nächsten Stern - Proxima Centauri - zu erreichen. Bei einer Entfernung von 4,22 Lichtjahren dauert ein solcher Flug 40 Jahre – also ein unvollständiges Menschenleben.

Die kosmische Strahlung bleibt für uns immer noch ein unüberwindbares Hindernis, aber wenn wir sie in ferner Zukunft überwinden können, wird das Reisen mit Lichtgeschwindigkeit die unglaublichste Erfahrung sein, die der Menschheit zur Verfügung steht. Bei dieser Geschwindigkeit verlangsamt sich die Zeit und das Altern wird zu einem viel längeren Prozess (schließlich schaffen es sogar Astronauten auf der ISS, in sechs Monaten 0,007 Sekunden weniger zu altern als Menschen auf der Erde). Unser Gesichtsfeld wird während eines solchen Fluges gekrümmt und verwandelt sich in einen Tunnel. Wir fliegen vorwärts durch diesen Tunnel auf einen strahlend weißen Blitz zu, sehen keine Spur der Sterne und lassen die tiefste, absolutste Dunkelheit hinter uns, die man sich vorstellen kann.