O que acontece se você atingir a velocidade da luz. Quebrar a velocidade da luz é possível - cientistas

Para chegar perto da velocidade da luz, um foguete de vários estágios precisaria perder parte de sua massa à medida que a velocidade aumenta, como o foguete Super Haas retratado aqui faz.

Digamos que você queira fazer uma viagem interestelar e chegar ao seu destino o mais rápido possível. Você pode não conseguir fazer isso até amanhã, mas se você tivesse todas as ferramentas e tecnologia necessárias, e uma ajudinha da relatividade de Einstein, você conseguiria chegar lá em um ano? Que tal se aproximar da velocidade da luz? É isso que nosso leitor está fazendo a pergunta desta semana:

Eu estava lendo recentemente um livro onde o autor tentou explicar o paradoxo dos gêmeos imaginando uma nave espacial voando a 1 g por 20 anos e depois retornando. É possível manter tal aceleração durante tal tempo? Se, por exemplo, você iniciar sua jornada no primeiro dia do ano novo e voar a uma aceleração de 9,8 metros por segundo por segundo, então, de acordo com os cálculos, poderá atingir a velocidade da luz antes do final do ano . Como posso acelerar ainda mais depois disso?

Para viajar para as estrelas, é absolutamente necessário manter essa aceleração.

Este lançamento nave espacial Columbia em 1992 mostra que um foguete não acelera instantaneamente - leva muito tempo para acelerar

Os foguetes e sistemas de propulsão a jato mais avançados criados pela humanidade não são poderosos o suficiente para tal tarefa, porque não alcançam tanta aceleração. Eles são impressionantes porque aceleram uma massa enorme por muito tempo. Mas a aceleração de foguetes como Saturn-5, Atlas, Falcon e Soyuz não excede a aceleração de nenhum carro esportivo: de 1 a 2 g, onde g é 9,8 metros por segundo ao quadrado. Qual é a diferença entre um foguete e um carro esportivo? O carro atingirá seu limite em 9 segundos, em torno de 320 km/h. Um foguete pode acelerar dessa maneira por muito mais tempo - não segundos ou minutos, mas um quarto de hora.

A NASA foi a primeira a lançar um foguete Apollo 4 do Centro Espacial Cape Kennedy. Embora acelerasse tão rápido quanto um carro esportivo, sua chave para o sucesso era sustentar essa aceleração por muito tempo.

É assim que podemos superar a atração gravitacional da Terra e entrar em órbita, alcançar outros mundos em nosso sistema solar ou até mesmo escapar da atração do sol. Mas em algum momento, chegaremos ao limite - você pode acelerar por um tempo limitado devido a restrições na quantidade de combustível transportada. O combustível de foguete que usamos é, infelizmente, extremamente ineficiente. Você viu a famosa equação de Einstein, E = mc 2 , que descreve a massa como uma forma de energia, e essa energia pode ser armazenada como matéria. Nosso maravilhoso combustível de foguete é terrivelmente ineficiente.

Primeiro teste do motor SpaceX Raptor no início de 2016

Usando reações químicas, o combustível não converte mais de 0,001% de sua massa em energia, limitando severamente a velocidade máxima disponível para a espaçonave. E é por isso que é preciso um foguete pesando 500 toneladas para lançar 5 toneladas de carga útil em órbita geoestacionária. Foguetes nucleares seriam mais eficientes, convertendo cerca de 0,5% de sua massa em energia, mas o resultado ideal seria matéria e antimatéria combustível atingindo 100% de eficiência na conversão E = mc 2 . Se você tivesse um foguete de uma certa massa, não importa o quê, e apenas 5% dessa massa estivesse contida em antimatéria (e outros 5% em matéria descartável), a aniquilação no tempo poderia ser controlada. Como resultado, você obteria uma aceleração constante e constante de 1 g por um período de tempo muito maior do que qualquer outro combustível.

A ideia de um artista de um sistema de propulsão reativa usando antimatéria. A aniquilação de matéria/antimatéria produz a maior densidade de energia física de qualquer substância conhecida

Se você precisa de aceleração constante, então a aniquilação de matéria/antimatéria, que é uma pequena porcentagem da massa total, permitirá que você acelere nessa taxa por vários meses seguidos. Dessa forma, você pode atingir até 40% da velocidade da luz se gastar todo o orçamento anual dos Estados Unidos na criação de antimatéria e acelerar 100 kg de carga útil. Se você precisar acelerar ainda mais, precisará aumentar a quantidade de combustível que leva com você. E quanto mais você acelera, quanto mais se aproxima da velocidade da luz, mais efeitos relativísticos você notará.

Como sua velocidade aumenta ao longo do tempo se você continuar acelerando 1 g por vários dias, meses, anos ou uma década

Depois de dez dias voando a 1 g, você já passou de Netuno, o último planeta do sistema solar. Em alguns meses, você começará a notar o tempo diminuindo e as distâncias diminuindo. Em um ano, você já terá atingido 80% da velocidade da luz; em 2 anos você chegará perto de 98% da velocidade da luz; Após 5 anos voando com uma aceleração de 1 g, você estará se movendo a uma velocidade de 99,99% da velocidade da luz. E quanto mais você acelera, mais perto fica da velocidade da luz. Mas você nunca vai alcançá-lo. Além disso, com o tempo, exigirá cada vez mais energia.

Em uma escala logarítmica, você pode ver que quanto mais você acelerar, mais perto você chegará da velocidade da luz, mas nunca a alcançará. Mesmo depois de 10 anos, você chegará perto de 99,9999999% da velocidade da luz, mas não a atingirá

Para os primeiros dez minutos de aceleração, será necessária uma certa quantidade de energia e, ao final desse período, você estará se movendo a uma velocidade de 6 km / s. Em mais 10 minutos, você dobrará sua velocidade para 12 km/s, mas consumirá três vezes mais energia. Em mais dez minutos você estará se movendo a uma velocidade de 18 km/s, mas exigirá 5 vezes mais energia do que nos primeiros dez minutos. Este esquema continuará a funcionar no futuro. Em um ano, você já estará usando 100.000 vezes mais energia do que no início! Além disso, a velocidade aumentará cada vez menos.

Os comprimentos encurtam e o tempo se alonga. O gráfico mostra como uma espaçonave se movendo a uma aceleração de 1 g por cem anos pode viajar para quase qualquer ponto do universo visível e retornar de lá ao longo de uma vida humana. Mas quando ele retornar, o tempo extra terá passado na Terra.

Se você deseja acelerar um navio de 100 kg por um ano a 1 g, você precisa de 1.000 kg de matéria e 1.000 kg de antimatéria. Em um ano, você estará se movendo a 80% da velocidade da luz, mas nunca a ultrapassará. Mesmo se você tivesse uma quantidade infinita de energia. A aceleração constante requer um aumento constante no empuxo, e quanto mais rápido você se move, mais energia é desperdiçada em efeitos relativísticos. E até descobrirmos como controlar a deformação do espaço, a velocidade da luz continuará sendo o limite final do universo. Tudo o que tem massa não pode alcançá-lo, muito menos ultrapassá-lo. Mas se você começar hoje, em um ano você estará onde nenhum objeto macroscópico jamais esteve!

25 de março de 2017

As viagens FTL são uma das bases da ficção científica espacial. No entanto, provavelmente todos - mesmo pessoas distantes da física - sabem que a velocidade máxima possível de movimento de objetos materiais ou de propagação de quaisquer sinais é a velocidade da luz no vácuo. É denotado pela letra c e tem quase 300 mil quilômetros por segundo; valor exato c = 299 792 458 m/s.

A velocidade da luz no vácuo é uma das constantes físicas fundamentais. A impossibilidade de atingir velocidades superiores a c decorre da teoria da relatividade especial de Einstein (SRT). Se fosse possível provar que a transmissão de sinais com velocidade superluminal é possível, a teoria da relatividade cairia. Até agora, isso não aconteceu, apesar das inúmeras tentativas de refutar a proibição da existência de velocidades superiores a c. No entanto, estudos experimentais recentes revelaram alguns fenômenos muito interessantes, indicando que sob condições especialmente criadas é possível observar velocidades superluminais sem violar os princípios da teoria da relatividade.

Para começar, recordemos os principais aspectos relacionados com o problema da velocidade da luz.

Em primeiro lugar: por que é impossível (em condições normais) ultrapassar o limite de luz? Porque então a lei fundamental do nosso mundo é violada - a lei da causalidade, segundo a qual o efeito não pode superar a causa. Ninguém jamais observou que, por exemplo, um urso caiu morto primeiro e depois um caçador atirou. Em velocidades superiores a c, a sequência de eventos se inverte, a fita de tempo é rebobinada. Isso pode ser facilmente visto a partir do seguinte raciocínio simples.

Vamos supor que estamos em uma certa nave cósmica milagrosa se movendo mais rápido que a luz. Então, gradualmente alcançaríamos a luz emitida pela fonte em pontos cada vez mais precoces no tempo. Primeiro, alcançaríamos os fótons emitidos, digamos, ontem, depois - emitidos anteontem, então - uma semana, um mês, um ano atrás e assim por diante. Se a fonte de luz fosse um espelho refletindo a vida, então veríamos primeiro os eventos de ontem, depois anteontem e assim por diante. Poderíamos ver, digamos, um velho que aos poucos se transforma em um homem de meia-idade, depois em um jovem, em um jovem, em uma criança... Ou seja, o tempo voltaria, passaríamos do presente para o o passado. Causa e efeito seriam então revertidos.

Embora esse argumento ignore completamente os detalhes técnicos do processo de observação da luz, de um ponto de vista fundamental, ele demonstra claramente que o movimento em velocidade superluminal leva a uma situação impossível em nosso mundo. No entanto, a natureza estabeleceu condições ainda mais rigorosas: o movimento é inatingível não apenas na velocidade superluminal, mas também a uma velocidade igual à velocidade da luz - você só pode se aproximar dela. Decorre da teoria da relatividade que, com o aumento da velocidade do movimento, surgem três circunstâncias: a massa de um objeto em movimento aumenta, seu tamanho diminui na direção do movimento e a passagem do tempo nesse objeto diminui (de o ponto de vista de um observador externo "em repouso"). Em velocidades comuns, essas mudanças são insignificantes, mas à medida que nos aproximamos da velocidade da luz, elas se tornam cada vez mais perceptíveis e, no limite - a uma velocidade igual a c - a massa se torna infinitamente grande, o objeto perde completamente seu tamanho em a direção do movimento e o tempo para nele. Portanto, nenhum corpo material pode atingir a velocidade da luz. Só a própria luz tem tal velocidade! (E também uma partícula "penetrante" - um neutrino, que, como um fóton, não pode se mover a uma velocidade inferior a c.)

Agora sobre a velocidade de transmissão do sinal. Aqui é apropriado usar a representação da luz na forma de ondas eletromagnéticas. O que é um sinal? Esta é uma informação a ser transmitida. Uma onda eletromagnética ideal é uma senóide infinita de estritamente uma frequência e não pode transportar nenhuma informação, porque cada período de tal senóide repete exatamente o anterior. A velocidade de movimento da fase de uma onda senoidal - a chamada velocidade de fase - pode em um meio sob certas condições exceder a velocidade da luz no vácuo. Não há restrições aqui, pois a velocidade da fase não é a velocidade do sinal - ela ainda não existe. Para criar um sinal, você precisa fazer algum tipo de "marca" na onda. Tal marca pode ser, por exemplo, uma mudança em qualquer um dos parâmetros da onda - amplitude, frequência ou fase inicial. Mas assim que a marca é feita, a onda perde sua senoidal. Torna-se modulado, constituído por um conjunto de ondas senoidais simples com diferentes amplitudes, frequências e fases iniciais - um conjunto de ondas. A velocidade de movimento da marca na onda modulada é a velocidade do sinal. Ao se propagar em um meio, esta velocidade geralmente coincide com a velocidade de grupo que caracteriza a propagação do grupo de ondas acima como um todo (ver "Ciência e Vida" nº 2, 2000). Em condições normais, a velocidade de grupo e, portanto, a velocidade do sinal, é menor que a velocidade da luz no vácuo. Não é por acaso que a expressão "em condições normais" é usada aqui, pois em alguns casos a velocidade de grupo pode ultrapassar c ou até perder o significado, mas então não se aplica à propagação do sinal. No SRT, é estabelecido que é impossível transmitir um sinal a uma velocidade superior a c.

Por que é tão? Porque o obstáculo à transmissão de qualquer sinal com velocidade maior que c é a mesma lei de causalidade. Vamos imaginar tal situação. Em algum ponto A, um flash de luz (evento 1) acende um dispositivo que envia um determinado sinal de rádio, e em um ponto remoto B, sob a influência desse sinal de rádio, ocorre uma explosão (evento 2). É claro que o evento 1 (flash) é a causa e o evento 2 (explosão) é o efeito que ocorre depois da causa. Mas se o sinal de rádio se propagasse a uma velocidade superluminal, um observador próximo ao ponto B veria primeiro uma explosão, e só então - um flash de luz que o atingiu na velocidade de um flash de luz, a causa da explosão. Em outras palavras, para este observador, o evento 2 teria ocorrido antes do evento 1, ou seja, o efeito teria precedido a causa.

Convém ressaltar que a "proibição superluminal" da teoria da relatividade se impõe apenas ao movimento dos corpos materiais e à transmissão de sinais. Em muitas situações é possível se mover em qualquer velocidade, mas será o movimento de objetos e sinais não materiais. Por exemplo, imagine duas réguas bastante longas no mesmo plano, uma das quais está localizada horizontalmente e a outra a intercepta em um pequeno ângulo. Se a primeira linha for movida para baixo (na direção indicada pela seta) em alta velocidade, o ponto de interseção das linhas pode ser feito para correr arbitrariamente rápido, mas esse ponto não é um corpo material. Outro exemplo: se você pegar uma lanterna (ou, digamos, um laser que emite um feixe estreito) e descrever rapidamente um arco no ar, a velocidade linear do ponto de luz aumentará com a distância e, a uma distância suficientemente grande, excederá c. O ponto de luz se moverá entre os pontos A e B em velocidade superluminal, mas isso não será uma transmissão de sinal de A para B, pois esse ponto de luz não carrega nenhuma informação sobre o ponto A.

Parece que a questão das velocidades superluminais foi resolvida. Mas nos anos 60 do século XX, os físicos teóricos apresentaram a hipótese da existência de partículas superluminais, chamadas táquions. Estas são partículas muito estranhas: são teoricamente possíveis, mas para evitar contradições com a teoria da relatividade, tiveram que ser atribuídas a uma massa de repouso imaginária. A massa fisicamente imaginária não existe, é uma abstração puramente matemática. No entanto, isso não causou muita preocupação, pois os táquions não podem estar em repouso - eles existem (se existem!) apenas em velocidades superiores à velocidade da luz no vácuo e, neste caso, a massa do táquion acaba sendo real. Há alguma analogia com os fótons aqui: um fóton tem massa de repouso zero, mas isso simplesmente significa que o fóton não pode estar em repouso - a luz não pode ser interrompida.

O mais difícil foi, como esperado, conciliar a hipótese do táquion com a lei da causalidade. As tentativas feitas nesse sentido, embora bastante engenhosas, não levaram a um sucesso óbvio. Ninguém foi capaz de registrar experimentalmente táquions também. Como resultado, o interesse em táquions como partículas elementares superluminais gradualmente desapareceu.

No entanto, na década de 60, um fenômeno foi descoberto experimentalmente, o que a princípio levou os físicos à confusão. Isso é descrito em detalhes no artigo de A. N. Oraevsky "Ondas superluminais em meios de amplificação" (UFN No. 12, 1998). Aqui resumimos brevemente a essência do assunto, remetendo o leitor interessado nos detalhes ao referido artigo.

Logo após a descoberta dos lasers - no início dos anos 60 - surgiu o problema de obter pulsos de luz de alta potência curtos (com duração da ordem de 1 ns = 10-9 s). Para fazer isso, um pulso de laser curto foi passado através de um amplificador quântico óptico. O pulso foi dividido por um espelho divisor de feixe em duas partes. Um deles, mais potente, era enviado ao amplificador, e o outro se propagava no ar e servia como pulso de referência, com o qual era possível comparar o pulso que passava pelo amplificador. Ambos os pulsos foram alimentados a fotodetectores e seus sinais de saída puderam ser observados visualmente na tela do osciloscópio. Esperava-se que o pulso de luz que passa pelo amplificador sofresse algum atraso em relação ao pulso de referência, ou seja, a velocidade de propagação da luz no amplificador seria menor do que no ar. Qual foi o espanto dos pesquisadores quando descobriram que o pulso se propagava através do amplificador a uma velocidade não apenas maior que no ar, mas também várias vezes maior que a velocidade da luz no vácuo!

Depois de se recuperar do primeiro choque, os físicos começaram a procurar o motivo de um resultado tão inesperado. Ninguém tinha a menor dúvida sobre os princípios da teoria da relatividade especial, e foi precisamente isso que ajudou a encontrar a explicação correta: se os princípios da SRT são preservados, a resposta deve ser buscada nas propriedades do meio amplificador .

Sem entrar em detalhes aqui, apenas apontamos que uma análise detalhada do mecanismo de ação do meio amplificador esclareceu completamente a situação. O ponto era uma mudança na concentração de fótons durante a propagação do pulso - uma mudança devido a uma mudança no ganho do meio até um valor negativo durante a passagem da parte traseira do pulso, quando o meio já está absorvendo energia, pois sua própria reserva já foi esgotada devido à sua transferência para o pulso de luz. A absorção não causa um aumento, mas uma diminuição no impulso, e assim o impulso é fortalecido na frente e enfraquecido na parte de trás. Imaginemos que observamos o pulso com a ajuda de um instrumento movendo-se à velocidade da luz no meio de um amplificador. Se o meio fosse transparente, veríamos um impulso congelado na imobilidade. No meio em que o processo mencionado acima ocorre, o fortalecimento do bordo de ataque e o enfraquecimento do bordo de fuga do pulso aparecerão ao observador de tal forma que o meio, por assim dizer, moveu o pulso para frente . Mas como o dispositivo (observador) se move na velocidade da luz e o impulso o ultrapassa, a velocidade do impulso excede a velocidade da luz! É esse efeito que foi registrado pelos experimentadores. E aqui realmente não há contradição com a teoria da relatividade: é apenas que o processo de amplificação é tal que a concentração de fótons que saíram antes acaba sendo maior do que aqueles que saíram depois. Não são os fótons que se movem com velocidade superluminal, mas o envelope do pulso, em particular seu máximo, que é observado no osciloscópio.

Assim, enquanto em meios comuns há sempre um enfraquecimento da luz e uma diminuição de sua velocidade, determinada pelo índice de refração, em meios laser ativos, observa-se não apenas a amplificação da luz, mas também a propagação de um pulso com velocidade superluminal.

Alguns físicos tentaram provar experimentalmente a presença de movimento superluminal no efeito túnel - um dos fenômenos mais surpreendentes mecânica quântica. Esse efeito consiste no fato de que uma micropartícula (mais precisamente, um microobjeto que exibe tanto as propriedades de uma partícula quanto as propriedades de uma onda em diferentes condições) é capaz de penetrar a chamada barreira de potencial - fenômeno completamente impossível na mecânica clássica (na qual tal situação seria análoga: uma bola lançada em uma parede acabaria do outro lado da parede, ou o movimento ondulatório transmitido a uma corda amarrada à parede seria transmitido a uma corda amarrada a a parede do outro lado). A essência do efeito túnel na mecânica quântica é a seguinte. Se um micro-objeto com uma certa energia encontra em seu caminho uma área com uma energia potencial superior à energia do micro-objeto, essa área é uma barreira para ele, cuja altura é determinada pela diferença de energia. Mas o micro-objeto "vaza" pela barreira! Essa possibilidade lhe é dada pela conhecida relação de incerteza de Heisenberg, escrita para a energia e o tempo de interação. Se a interação do microobjeto com a barreira ocorrer por um tempo suficientemente definido, então a energia do microobjeto, ao contrário, será caracterizada pela incerteza, e se essa incerteza for da ordem da altura da barreira, então esta cessa. ser um obstáculo intransponível para o microobjeto. É a taxa de penetração através da barreira potencial que se tornou objeto de pesquisa por vários físicos, que acreditam que pode exceder c.

Em junho de 1998, um simpósio internacional sobre os problemas dos movimentos superluminais foi realizado em Colônia, onde foram discutidos os resultados obtidos em quatro laboratórios - em Berkeley, Viena, Colônia e Florença.

E finalmente, em 2000, dois novos experimentos foram relatados nos quais os efeitos da propagação superluminal apareceram. Um deles foi realizado por Lijun Wong e colaboradores de um instituto de pesquisa em Princeton (EUA). Seu resultado é que um pulso de luz entrando em uma câmara cheia de vapor de césio aumenta sua velocidade por um fator de 300. Descobriu-se que a parte principal do pulso deixa a parede mais distante da câmara antes mesmo de o pulso entrar na câmara através da parede frontal. Tal situação contradiz não apenas o senso comum, mas, em essência, também a teoria da relatividade.

O relatório de L. Wong provocou intensa discussão entre os físicos, a maioria dos quais não está inclinada a ver nos resultados obtidos uma violação dos princípios da relatividade. O desafio, eles acreditam, é explicar corretamente esse experimento.

No experimento de L. Wong, o pulso de luz que entra na câmara com vapor de césio teve uma duração de cerca de 3 μs. Os átomos de césio podem estar em dezesseis estados mecânicos quânticos possíveis, chamados de "subníveis magnéticos hiperfinos do estado fundamental". Usando o bombeamento óptico a laser, quase todos os átomos foram levados a apenas um desses dezesseis estados, correspondendo à temperatura quase zero absoluto na escala Kelvin (-273,15 ° C). O comprimento da câmara de césio foi de 6 centímetros. No vácuo, a luz viaja 6 centímetros em 0,2 ns. Como as medições mostraram, o pulso de luz passou pela câmara com césio em um tempo 62 ns menor do que no vácuo. Em outras palavras, o tempo de trânsito de um pulso através de um meio de césio tem um sinal de "menos"! De fato, se subtrairmos 62 ns de 0,2 ns, obtemos um tempo "negativo". Esse "atraso negativo" no meio - um salto de tempo incompreensível - é igual ao tempo durante o qual o pulso faria 310 passagens pela câmara no vácuo. A consequência dessa "reversão do tempo" foi que o impulso que saiu da câmara conseguiu se afastar dela por 19 metros antes que o impulso de entrada atingisse a parede próxima da câmara. Como explicar uma situação tão incrível (a menos, é claro, que não haja dúvida sobre a pureza do experimento)?

A julgar pela discussão que se desenrolou, uma explicação exata ainda não foi encontrada, mas não há dúvida de que as propriedades de dispersão incomuns do meio desempenham um papel aqui: o vapor de césio, composto por átomos excitados pela luz do laser, é um meio com dispersão anômala. Recordemos brevemente o que é.

A dispersão de uma substância é a dependência do índice de refração de fase (usual) n no comprimento de onda da luz l. Com a dispersão normal, o índice de refração aumenta com a diminuição do comprimento de onda, e este é o caso do vidro, água, ar e todas as outras substâncias transparentes à luz. Em substâncias que absorvem fortemente a luz, o curso do índice de refração se inverte com uma mudança no comprimento de onda e se torna muito mais acentuado: com uma diminuição em l (aumento na frequência w), o índice de refração diminui acentuadamente e em uma certa faixa de comprimentos de onda torna-se menor do que a unidade (velocidade de fase Vf > s ). Essa é a dispersão anômala, na qual o padrão de propagação da luz em uma substância muda radicalmente. A velocidade de grupo Vgr torna-se maior que a velocidade de fase das ondas e pode exceder a velocidade da luz no vácuo (e também se tornar negativa). L. Wong aponta essa circunstância como a razão subjacente à possibilidade de explicar os resultados de seu experimento. No entanto, deve-se notar que a condição Vgr > c é puramente formal, uma vez que o conceito de velocidade de grupo foi introduzido para o caso de dispersão pequena (normal), para meios transparentes, quando um grupo de ondas quase não muda sua forma durante propagação. Em regiões de dispersão anômala, entretanto, o pulso de luz é rapidamente deformado e o conceito de velocidade de grupo perde seu significado; neste caso, são introduzidos os conceitos de velocidade do sinal e velocidade de propagação da energia, que em meios transparentes coincidem com a velocidade de grupo, enquanto em meios com absorção permanecem menores que a velocidade da luz no vácuo. Mas aqui está o que é interessante sobre o experimento de Wong: um pulso de luz, passando por um meio com dispersão anômala, não se deforma - ele mantém sua forma exata! E isso corresponde à suposição de que o impulso se propaga com a velocidade de grupo. Mas se assim for, verifica-se que não há absorção no meio, embora a dispersão anômala do meio se deva precisamente à absorção! O próprio Wong, reconhecendo que muito ainda não está claro, acredita que o que está acontecendo em sua configuração experimental pode ser claramente explicado como uma primeira aproximação da seguinte forma.

Um pulso de luz consiste em muitos componentes com diferentes comprimentos de onda (frequências). A figura mostra três desses componentes (ondas 1-3). Em algum ponto, todas as três ondas estão em fase (seus máximos coincidem); aqui eles, somando-se, reforçam-se mutuamente e formam um impulso. À medida que as ondas se propagam no espaço, elas estão fora de fase e, portanto, "extinguem-se" umas às outras.

Na região de dispersão anômala (dentro da célula de césio), a onda que era mais curta (onda 1) torna-se mais longa. Por outro lado, a onda que era a mais longa das três (onda 3) torna-se a mais curta.

Consequentemente, as fases das ondas também mudam de acordo. Quando as ondas passam pela célula de césio, suas frentes de onda são restauradas. Tendo sofrido uma modulação de fase incomum em uma substância com dispersão anômala, as três ondas consideradas novamente se encontram em fase em algum ponto. Aqui eles se somam novamente e formam um pulso exatamente da mesma forma que aquele que entra no meio de césio.

Normalmente no ar, e de fato em qualquer meio transparente normalmente dispersivo, um pulso de luz não pode manter com precisão sua forma ao se propagar em uma distância remota, ou seja, todos os seus componentes não podem estar em fase em nenhum ponto remoto ao longo do caminho de propagação. E em condições normais, um pulso de luz em um ponto tão remoto aparece depois de algum tempo. No entanto, devido às propriedades anômalas do meio usado no experimento, o pulso no ponto remoto acabou sendo faseado da mesma forma que ao entrar nesse meio. Assim, o pulso de luz se comporta como se tivesse um atraso de tempo negativo em seu caminho para um ponto remoto, ou seja, teria chegado a ele não mais tarde, mas antes de ter passado pelo meio!

A maioria dos físicos tende a associar esse resultado ao aparecimento de um precursor de baixa intensidade no meio dispersivo da câmara. O fato é que na decomposição espectral do pulso, o espectro contém componentes de frequências arbitrariamente altas com amplitude desprezível, o chamado precursor, que vai à frente da “parte principal” do pulso. A natureza do estabelecimento e a forma do precursor dependem da lei de dispersão no meio. Com isso em mente, propõe-se que a sequência de eventos no experimento de Wong seja interpretada da seguinte forma. A onda que chega, "esticando" o prenúncio à sua frente, aproxima-se da câmera. Antes que o pico da onda incidente atinja a parede próxima da câmara, o precursor inicia o aparecimento de um pulso na câmara, que atinge a parede distante e é refletido por ela, formando uma "onda reversa". Esta onda, propagando-se 300 vezes mais rápido que c, atinge a parede próxima e encontra a onda que entra. Os picos de uma onda encontram os vales de outra, de modo que eles se cancelam e nada permanece. Acontece que a onda que entra "devolve a dívida" aos átomos de césio, que "pegaram emprestado" energia para ela na outra extremidade da câmara. Qualquer um que observasse apenas o início e o fim do experimento veria apenas um pulso de luz que "saltava" no tempo, movendo-se mais rápido que c.

L. Wong acredita que seu experimento não é consistente com a teoria da relatividade. A afirmação sobre a inatingibilidade da velocidade superluminal, ele acredita, é aplicável apenas a objetos com massa de repouso. A luz pode ser representada tanto na forma de ondas, às quais o conceito de massa geralmente não se aplica, quanto na forma de fótons com massa de repouso, como se sabe, igual a zero. Portanto, a velocidade da luz no vácuo, segundo Wong, não é o limite. No entanto, Wong admite que o efeito que descobriu torna impossível transmitir informações mais rapidamente do que c.

"A informação aqui já está contida na vanguarda do impulso", diz P. Milonni, físico do Laboratório Nacional de Los Alamos, nos Estados Unidos.

A maioria dos físicos acredita que o novo trabalho não desfere um golpe esmagador nos princípios fundamentais. Mas nem todos os físicos acreditam que o problema está resolvido. O professor A. Ranfagni, da equipe de pesquisa italiana que realizou outro experimento interessante em 2000, diz que a questão ainda está em aberto. Este experimento, realizado por Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni e Rocco Ruggeri, descobriu que ondas de rádio de ondas centimétricas se propagam no ar normal a uma velocidade 25% mais rápida que c.

Resumindo, podemos dizer o seguinte.

Os trabalhos dos últimos anos mostram que, sob certas condições, a velocidade superluminal pode de fato ocorrer. Mas o que exatamente está se movendo em velocidade superluminal? A teoria da relatividade, como já mencionado, proíbe tal velocidade para corpos materiais e para sinais que transportam informações. No entanto, alguns pesquisadores são muito persistentes em suas tentativas de demonstrar a superação da barreira da luz especificamente para sinais. A razão para isso está no fato de que na teoria da relatividade especial não há justificativa matemática rigorosa (baseada, digamos, nas equações de Maxwell para um campo eletromagnético) para a impossibilidade de transmitir sinais a uma velocidade maior que c. Tal impossibilidade em SRT é estabelecida, pode-se dizer, puramente aritmeticamente, com base na fórmula de Einstein para adicionar velocidades, mas de forma fundamental isso é confirmado pelo princípio da causalidade. O próprio Einstein, considerando a questão da transmissão do sinal superluminal, escreveu que neste caso "... ponto de vista não contém, em minha opinião, nenhuma contradição, mas contradiz o caráter de toda a nossa experiência a tal ponto que a impossibilidade da suposição V > c parece estar suficientemente provada. O princípio da causalidade é a pedra angular que fundamenta a impossibilidade da sinalização superluminal. E, aparentemente, todas as buscas por sinais superluminais, sem exceção, tropeçarão nessa pedra, por mais que os experimentadores queiram detectar tais sinais, porque essa é a natureza do nosso mundo.

Mas ainda assim, vamos imaginar que a matemática da relatividade ainda funcionará em velocidades superluminais. Isso significa que teoricamente ainda podemos descobrir o que aconteceria se o corpo excedesse a velocidade da luz.

Imagine duas naves espaciais indo da Terra em direção a uma estrela que está a 100 anos-luz de distância do nosso planeta. A primeira nave deixa a Terra a 50% da velocidade da luz, então levará 200 anos para completar a jornada. O segundo navio, equipado com um hipotético motor de dobra, partirá a 200% da velocidade da luz, mas 100 anos após o primeiro. O que vai acontecer?

De acordo com a teoria da relatividade, a resposta correta depende em grande parte da perspectiva do observador. Da Terra, parecerá que a primeira nave já percorreu uma distância considerável antes de ser ultrapassada pela segunda nave, que se move quatro vezes mais rápido. Mas do ponto de vista das pessoas no primeiro navio, tudo é um pouco diferente.

A nave nº 2 está se movendo mais rápido que a luz, o que significa que pode ultrapassar até mesmo a luz que emite. Isso leva a uma espécie de "onda de luz" (análoga ao som, apenas ondas de luz vibram aqui em vez de vibrações do ar), o que dá origem a vários efeitos interessantes. Lembre-se de que a luz da nave nº 2 se move mais lentamente que a própria nave. O resultado será uma duplicação visual. Em outras palavras, a princípio a tripulação do navio nº 1 verá que o segundo navio apareceu ao lado deles como se do nada. Então, a luz do segundo navio atingirá o primeiro navio com um pequeno atraso, e o resultado será uma cópia visível que se moverá na mesma direção com um leve atraso.

Algo semelhante pode ser visto em jogos de computador quando, como resultado de uma falha do sistema, o motor carrega o modelo e seus algoritmos no ponto final do movimento mais rápido do que a própria animação de movimento termina, de modo que ocorrem vários takes. É provavelmente por isso que nossa consciência não percebe aquele aspecto hipotético do Universo em que os corpos se movem em velocidade superluminal - talvez isso seja o melhor.

P.S. ... mas no último exemplo, não entendi uma coisa, por que a posição real do navio está associada à "luz emitida por ele"? Bem, mesmo que eles o vejam de alguma forma no lugar errado, mas na realidade ele ultrapassará o primeiro navio!

fontes

O sistema solar não tem sido de interesse particular para escritores de ficção científica há muito tempo. Mas, surpreendentemente, nossos planetas “nativos” não causam muita inspiração para alguns cientistas, embora ainda não tenham sido explorados na prática.

Mal tendo aberto uma janela para o espaço, a humanidade é dilacerada em distâncias desconhecidas, e não apenas em sonhos, como antes.
Sergei Korolev também prometeu voar em breve para o espaço "com um bilhete sindical", mas essa frase já tem meio século, e uma odisseia no espaço ainda é o destino da elite - muito cara. No entanto, há dois anos, a HACA lançou um projeto grandioso nave estelar de 100 anos, que envolve a criação gradual e a longo prazo de uma base científica e técnica para voos espaciais.

Este programa inédito deve atrair cientistas, engenheiros e entusiastas de todo o mundo. Se tudo der certo, em 100 anos a humanidade será capaz de construir uma nave interestelar, e nos movimentaremos pelo sistema solar como bondes.

Então, quais são os problemas que precisam ser resolvidos para tornar o voo estelar uma realidade?

TEMPO E VELOCIDADE SÃO RELATIVAS

A astronomia dos veículos automáticos parece para alguns cientistas um problema quase resolvido, por mais estranho que pareça. E isso apesar do fato de que não há absolutamente nenhum ponto em lançar autômatos para as estrelas com velocidades de caracol atuais (cerca de 17 km / s) e outros equipamentos primitivos (para estradas tão desconhecidas).

Agora que as espaçonaves americanas Pioneer 10 e Voyager 1 deixaram o sistema solar, não há mais nenhuma conexão com elas. A Pioneer 10 está se movendo em direção à estrela Aldebaran. Se nada acontecer com ele, ele chegará à vizinhança desta estrela... em 2 milhões de anos. Da mesma forma, rasteje pelas extensões do Universo e outros dispositivos.

Então, independentemente de uma nave ser habitável ou não, para voar até as estrelas, ela precisa de uma velocidade alta próxima à velocidade da luz. No entanto, isso ajudará a resolver o problema de voar apenas para as estrelas mais próximas.

“Mesmo que conseguíssemos construir uma nave estelar que pudesse voar a uma velocidade próxima à da luz”, escreveu K. Feoktistov, “o tempo de viagem apenas em nossa galáxia será calculado em milênios e dezenas de milênios, já que seu diâmetro é de cerca de 100.000 anos-luz. Mas na Terra, muito mais vai passar durante este tempo.

De acordo com a teoria da relatividade, o curso do tempo em dois sistemas que se movem um em relação ao outro é diferente. Como a grandes distâncias a nave terá tempo para desenvolver uma velocidade muito próxima da velocidade da luz, a diferença de tempo na Terra e na nave será especialmente grande.

Supõe-se que o primeiro objetivo dos voos interestelares será alfa Centauri (um sistema de três estrelas) - o mais próximo de nós. Na velocidade da luz, você pode voar para lá em 4,5 anos, na Terra dez anos se passarão durante esse tempo. Mas quanto maior a distância, maior a diferença de tempo.

Lembra da famosa Nebulosa de Andrômeda de Ivan Efremov? Lá, o vôo é medido em anos, e os terrestres. Uma bela história, para dizer o mínimo. No entanto, esta nebulosa cobiçada (mais precisamente, a galáxia de Andrômeda) está localizada a uma distância de 2,5 milhões de anos-luz de nós.

Segundo alguns cálculos, a jornada dos astronautas levará mais de 60 anos (de acordo com as horas da nave), mas uma era inteira passará na Terra. Como o espaço "neandertais" será conhecido por seus descendentes distantes? E a Terra estará viva? Ou seja, o retorno é basicamente sem sentido. No entanto, como o próprio voo: devemos lembrar que vemos a galáxia de Andrômeda como era há 2,5 milhões de anos - tanto de sua luz nos atinge. Qual é o sentido de voar para um alvo desconhecido, que, talvez, não exista há muito tempo, de qualquer forma, em sua forma anterior e no antigo local?

Isso significa que mesmo voos na velocidade da luz são justificados apenas para estrelas relativamente próximas. No entanto, veículos voando na velocidade da luz, até agora vivem apenas em uma teoria que lembra a ficção científica, porém, científica.

UM NAVIO DO TAMANHO DE UM PLANETA

Naturalmente, em primeiro lugar, os cientistas tiveram a ideia de usar a reação termonuclear mais eficiente no motor do navio - já parcialmente dominada (para fins militares). No entanto, para viajar em ambas as direções a uma velocidade próxima à velocidade da luz, mesmo com um projeto ideal do sistema, a razão entre a massa inicial e a massa final não é inferior a 10 à trigésima potência. Ou seja, a espaçonave se parecerá com um trem enorme com combustível do tamanho de um pequeno planeta. É impossível lançar um colosso desses no espaço da Terra. Sim, e coletar em órbita - também, não é à toa que os cientistas não discutem essa opção.

A ideia de um motor de fótons usando o princípio da aniquilação da matéria é muito popular.

Aniquilação é a transformação de uma partícula e uma antipartícula durante sua colisão em quaisquer outras partículas diferentes das originais. A mais estudada é a aniquilação de um elétron e de um pósitron, que gera fótons, cuja energia movimentará a espaçonave. Cálculos dos físicos americanos Ronan Keane e Wei-ming Zhang mostram que, com base em tecnologias modernas, é possível criar um motor de aniquilação capaz de acelerar uma espaçonave a 70% da velocidade da luz.

No entanto, outros problemas começam. Infelizmente, usar antimatéria como combustível de foguete é muito difícil. Durante a aniquilação, ocorrem flashes da radiação gama mais poderosa, que são prejudiciais aos astronautas. Além disso, o contato do combustível pósitron com o navio é repleto de uma explosão fatal. Finalmente, ainda não existem tecnologias para obter antimatéria suficiente e armazená-la por muito tempo: por exemplo, um átomo de anti-hidrogênio "vive" agora por menos de 20 minutos, e a produção de um miligrama de pósitrons custa US$ 25 milhões.

Mas, vamos supor, com o tempo, esses problemas podem ser resolvidos. No entanto, ainda será necessário muito combustível, e a massa inicial de uma nave estelar de fótons será comparável à massa da Lua (de acordo com Konstantin Feoktistov).

QUEBROU A VELA!

A nave estelar mais popular e realista hoje é considerada um veleiro solar, cuja ideia pertence ao cientista soviético Friedrich Zander.

Uma vela solar (luz, fóton) é um dispositivo que usa a pressão da luz solar ou um laser em uma superfície de espelho para impulsionar uma espaçonave.
Em 1985, o físico americano Robert Forward propôs o projeto de uma sonda interestelar acelerada por energia de micro-ondas. O projeto previa que a sonda chegaria às estrelas mais próximas em 21 anos.

No XXXVI Congresso Astronômico Internacional, foi proposto um projeto para uma espaçonave a laser, cujo movimento é fornecido pela energia de lasers ópticos localizados em órbita ao redor de Mercúrio. De acordo com os cálculos, o caminho de uma nave deste projeto até a estrela Epsilon Eridani (10,8 anos-luz) e de volta levaria 51 anos.

“É improvável que possamos fazer progressos significativos na compreensão do mundo em que vivemos, com base em dados obtidos de viagens em nosso sistema solar. Naturalmente, o pensamento se volta para as estrelas. Afinal, antes se entendia que os voos ao redor da Terra, os voos para outros planetas do nosso sistema solar não são o objetivo final. Pavimentar o caminho para as estrelas parecia ser a tarefa principal.
Essas palavras não pertencem a um escritor de ficção científica, mas ao designer de espaçonaves e cosmonauta Konstantin Feoktistov. Segundo o cientista, nada de particularmente novo no sistema solar será encontrado. E isso apesar do fato de que o homem até agora só voou para a lua ...

No entanto, fora do sistema solar, a pressão da luz solar se aproximará de zero. Portanto, existe um projeto para acelerar um veleiro solar com sistemas de laser de algum asteroide.

Tudo isso ainda é teoria, mas os primeiros passos já estão sendo dados.

Em 1993, uma vela solar de 20 metros de largura foi implantada pela primeira vez no navio russo Progress M-15 como parte do projeto Znamya-2. Ao acoplar o Progress com a estação Mir, sua tripulação instalou uma unidade de implantação de refletor a bordo do Progress. Como resultado, o refletor criou um ponto brilhante de 5 km de largura, que passou pela Europa até a Rússia a uma velocidade de 8 km/s. A mancha de luz tinha uma luminosidade aproximadamente equivalente à da lua cheia.

Assim, a vantagem de um veleiro solar é a falta de combustível a bordo, as desvantagens são a vulnerabilidade do design da vela: na verdade, é uma folha fina esticada sobre uma estrutura. Onde está a garantia de que a vela não terá buracos de partículas cósmicas ao longo do caminho?

A versão de vela pode ser adequada para o lançamento de sondas robóticas, estações e navios de carga, mas não é adequada para voos de retorno tripulados. Existem outros designs de naves estelares, mas eles de alguma forma se assemelham aos acima (com os mesmos problemas enormes).

SURPRESAS NO ESPAÇO INTERSTELLAR

Parece que muitas surpresas aguardam os viajantes no universo. Por exemplo, apenas inclinado para fora do sistema solar, o dispositivo americano "Pioneer-10" começou a experimentar uma força de origem desconhecida, causando uma desaceleração fraca. Muitas sugestões foram feitas, até efeitos ainda desconhecidos de inércia ou mesmo tempo. Ainda não há explicação inequívoca para este fenômeno, uma variedade de hipóteses são consideradas: desde simples técnicas (por exemplo, a força reativa de um vazamento de gás em um aparelho) até a introdução de novas leis físicas.

Outra espaçonave, a Voyager 1, detectou uma área com um forte campo magnético na borda do sistema solar. Nele, a pressão das partículas carregadas do espaço interestelar faz com que o campo criado pelo Sol engrosse. O dispositivo também registrou:

um aumento no número de elétrons de alta energia (cerca de 100 vezes) que penetram no sistema solar a partir do espaço interestelar;
um aumento acentuado no nível de raios cósmicos galácticos - partículas carregadas de alta energia de origem interestelar.

E isso é apenas uma gota no oceano! No entanto, mesmo o que se sabe hoje sobre o oceano interestelar é suficiente para colocar em dúvida a própria possibilidade de surfar o universo.

O espaço entre as estrelas não está vazio. Em todos os lugares há restos de gás, poeira, partículas. Ao tentar se mover a uma velocidade próxima à velocidade da luz, cada átomo colidindo com a nave será como uma partícula de raios cósmicos de alta energia. O nível de radiação dura durante esse bombardeio aumentará inaceitavelmente mesmo durante voos para as estrelas mais próximas.

E o impacto mecânico de partículas em tais velocidades será comparado a balas explosivas. De acordo com alguns cálculos, cada centímetro da tela protetora da espaçonave seria disparado continuamente a uma taxa de 12 tiros por minuto. É claro que nenhuma tela pode resistir a essa exposição por vários anos de voo. Ou terá que ter uma espessura inaceitável (dezenas e centenas de metros) e peso (centenas de milhares de toneladas).

Na verdade, a nave estelar consistirá principalmente dessa tela e combustível, o que exigirá vários milhões de toneladas. Devido a essas circunstâncias, voos em tais velocidades são impossíveis, ainda mais porque ao longo do caminho você pode encontrar não apenas poeira, mas também algo maior, ou ficar preso em um campo gravitacional desconhecido. E então a morte é inevitável novamente. Assim, mesmo que seja possível acelerar a espaçonave até a velocidade subluminal, ela não atingirá o objetivo final - haverá muitos obstáculos em seu caminho. Portanto, os voos interestelares só podem ser realizados em velocidades significativamente mais baixas. Mas então o fator tempo torna esses voos sem sentido.

Acontece que é impossível resolver o problema de transportar corpos materiais por distâncias galácticas a velocidades próximas à velocidade da luz. Não faz sentido romper o espaço e o tempo com a ajuda de uma estrutura mecânica.

FURO DE TOUPEIRA

A ficção científica, tentando superar o tempo inexorável, inventou como "roer buracos" no espaço (e no tempo) e "dobrá-lo". Eles criaram uma variedade de saltos no hiperespaço de um ponto do espaço para outro, ignorando áreas intermediárias. Agora os cientistas se juntaram aos escritores de ficção científica.

Os físicos começaram a procurar estados extremos da matéria e brechas exóticas no universo, onde você pode se mover a uma velocidade superluminal contrária à teoria da relatividade de Einstein.

Foi assim que nasceu a ideia do buraco de minhoca. Esta toca liga as duas partes do Universo como um túnel esculpido conectando duas cidades separadas por uma alta montanha. Infelizmente, os buracos de minhoca só são possíveis no vácuo absoluto. Em nosso universo, essas tocas são extremamente instáveis: elas podem simplesmente entrar em colapso antes que uma espaçonave chegue lá.

No entanto, para criar buracos de minhoca estáveis, você pode usar o efeito descoberto pelo holandês Hendrik Casimir. Consiste na atração mútua de corpos não carregados condutores sob a ação de oscilações quânticas no vácuo. Acontece que o vácuo não está completamente vazio, existem flutuações no campo gravitacional, nas quais partículas e buracos de minhoca microscópicos aparecem e desaparecem espontaneamente.

Resta apenas encontrar um dos buracos e esticá-lo, colocando-o entre duas bolas supercondutoras. Uma boca do buraco de minhoca permanecerá na Terra, a outra será movida pela espaçonave na velocidade da luz até a estrela - o objeto final. Ou seja, a espaçonave irá, por assim dizer, perfurar um túnel. Quando a nave chegar ao seu destino, o buraco de minhoca se abrirá para uma viagem interestelar realmente rápida, cuja duração será calculada em minutos.

BOLHA DE FORMAÇÃO

Semelhante à teoria da curvatura da bolha dos buracos de minhoca. Em 1994, o físico mexicano Miguel Alcubierre realizou cálculos de acordo com as equações de Einstein e descobriu a possibilidade teórica de deformação ondulatória do contínuo espacial. Nesse caso, o espaço encolherá na frente da espaçonave e, simultaneamente, expandirá atrás dela. A nave, por assim dizer, é colocada em uma bolha de curvatura, capaz de se mover a uma velocidade ilimitada. A genialidade da ideia é que a espaçonave repousa em uma bolha de curvatura e as leis da teoria da relatividade não são violadas. Ao mesmo tempo, a própria bolha de curvatura se move, distorcendo localmente o espaço-tempo.

Apesar da impossibilidade de viajar mais rápido que a luz, nada impede que o espaço se mova ou propague a deformação do espaço-tempo mais rápido que a luz, o que se acredita ter acontecido imediatamente após o Big Bang na formação do Universo.

Todas essas idéias ainda não se encaixam no quadro da ciência moderna, mas em 2012, os representantes da NASA anunciaram a preparação de um teste experimental da teoria do Dr. Alcubierre. Quem sabe, talvez a teoria da relatividade de Einstein algum dia se torne parte de uma nova teoria global. Afinal, o processo de aprendizagem é interminável. Assim, um dia seremos capazes de romper os espinhos até as estrelas.

Irina GROMOVA

O atual recorde de velocidade no espaço é mantido há 46 anos. Quando ele será derrotado? Nós, humanos, somos obcecados por velocidade. Assim, apenas nos últimos meses se soube que estudantes na Alemanha estabeleceram um recorde de velocidade para um carro elétrico e, nos EUA, planejam melhorar as aeronaves hipersônicas de tal forma que desenvolvam velocidades cinco vezes maiores que a velocidade do som, ou seja, mais de 6100 km / h. Essas aeronaves não terão tripulação, mas não porque as pessoas não possam se mover em uma velocidade tão alta. De fato, as pessoas já se moveram a uma velocidade várias vezes maior que a velocidade do som. No entanto, existe um limite, superado, que nossos corpos velozes não podem mais suportar sobrecargas? O recorde de velocidade atual é mantido igualmente por três astronautas que participaram da missão espacial Apollo 10 ", - Tom Stafford, John Young e Eugene Cernan. Em 1969, quando os astronautas voaram ao redor da lua e retornaram, a cápsula em que estavam, desenvolveu uma velocidade que na Terra seria igual a 39.897 km/h. "Acho que cem anos atrás, dificilmente poderíamos imaginar que uma pessoa seria capaz de se mover no espaço a uma velocidade de quase 40 mil quilômetros por hora", diz Jim Bray da preocupação aeroespacial Lockheed Martin. ), que está sendo desenvolvido pela agência espacial norte-americana NASA. Conforme concebida pelos desenvolvedores, a espaçonave Orion é uma nave multiuso e parcialmente reutilizável - deve trazer os astronautas para a órbita baixa da Terra. Pode ser que com sua ajuda seja possível bater o recorde de velocidade de uma pessoa há 46 anos O novo foguete superpesado, que faz parte do Sistema de Lançamento Espacial, deve, segundo o plano, fazer sua primeiro voo tripulado em 2021. Este será um sobrevôo de um asteróide em órbita lunar. Então, expedições de muitos meses a Marte devem seguir. Agora, segundo os projetistas, a velocidade máxima usual do Orion deve ser de cerca de 32.000 km/h. No entanto, a velocidade alcançada pela Apollo 10 poderia ser superada mesmo que se mantivesse a configuração básica do Orion, o que estamos planejando agora, mas mesmo o Orion não representará o pico do potencial de velocidade humana. “Basicamente, não há outro limite para a velocidade em que podemos viajar além da velocidade da luz”, diz Bray. A velocidade da luz é de um bilhão de km/h. Existe alguma esperança de que possamos superar a lacuna entre 40 mil km / he esses valores? Surpreendentemente, a velocidade como uma grandeza vetorial que denota a velocidade e a direção do movimento não é um problema para as pessoas no sentido físico, contanto que seja relativamente constante e direcionado em uma direção. Portanto, as pessoas - teoricamente - podem se mover no espaço apenas um pouco mais devagar do que o "limite de velocidade do universo", ou seja, a velocidade da luz. Mas mesmo supondo que superemos os obstáculos tecnológicos significativos associados à construção de naves espaciais rápidas, nossos corpos frágeis, principalmente de água, enfrentarão novos perigos associados aos efeitos da alta velocidade. E até agora apenas perigos imaginários podem surgir, se os humanos podem viajar mais rápido que a velocidade da luz explorando brechas na física moderna ou por descobertas que quebram o padrão. Como suportar sobrecargas No entanto, se pretendemos nos mover a uma velocidade superior a 40 mil km / h, teremos que alcançá-la e depois desacelerar, devagar e com paciência. Aceleração rápida e desaceleração igualmente rápida estão repletas de perigos mortais ao corpo humano. Isso é evidenciado pela gravidade das lesões corporais decorrentes de acidentes de carro, em que a velocidade cai de várias dezenas de quilômetros por hora para zero. Qual é a razão disso? Naquela propriedade do Universo, que se chama inércia ou a capacidade de um corpo físico com massa de resistir a uma mudança em seu estado de repouso ou movimento na ausência ou compensação de influências externas. Esta ideia é formulada na primeira lei de Newton, que diz: "Todo corpo continua a ser mantido em seu estado de repouso ou movimento uniforme e retilíneo, desde que não seja forçado por forças aplicadas a mudar esse estado." O estado de repouso e movimento a uma velocidade constante é normal para o ser humano corpo", explica Bray. "Devemos antes nos preocupar com o estado de uma pessoa no momento da aceleração "Há cerca de um século, o desenvolvimento de aeronaves duráveis que podiam manobrar em velocidade levou os pilotos a falarem sobre sintomas estranhos causados por mudanças na velocidade e direção de voo. Esses sintomas incluíam perda temporária de visão e uma sensação de peso ou leveza. O motivo é a força G, medida em unidades de G, que é a razão entre a aceleração linear e a aceleração da gravidade na superfície da Terra sob o influência da atração ou gravidade. Essas unidades refletem o efeito da aceleração de queda livre sobre a massa, por exemplo, do corpo humano. Uma sobrecarga de 1 G é igual ao peso de um corpo que está no campo de gravidade da Terra e é atraído para o centro do planeta a uma velocidade de 9,8 m / s (ao nível do mar) que uma pessoa experimenta verticalmente da cabeça aos pés ou vice-versa são realmente más notícias para pilotos e passageiros. desacelerando, o sangue corre dos dedos dos pés para a cabeça, há uma sensação de supersaturação, como em uma parada de mão. "Véu vermelho" (a sensação que uma pessoa experimenta quando o sangue corre para a cabeça) ocorre quando o as pálpebras inferiores sobem e fecham as pupilas dos olhos. E, inversamente, durante a aceleração ou forças g positivas, o sangue drena da cabeça para as pernas, os olhos e o cérebro começam a sentir falta de oxigênio, pois o sangue se acumula nas extremidades inferiores. há uma perda de visão de cores e rola, como se costuma dizer, um "véu cinza", então ocorre uma perda completa da visão ou um "véu preto", mas a pessoa permanece consciente. Sobrecargas excessivas levam a uma perda completa da consciência. Essa condição é chamada de síncope induzida por congestão. Muitos pilotos morreram devido ao fato de que um "véu preto" caiu sobre seus olhos - e eles caíram. A pessoa média pode suportar uma sobrecarga de cerca de cinco Gs antes de perder a consciência. Pilotos vestidos com trajes anti-g especiais e treinados em um maneira especial de esticar e relaxar os músculos do tronco para que o sangue não escorra da cabeça, são capazes de pilotar um avião com forças g de cerca de nove Gs. "Por curtos períodos de tempo, o corpo humano pode suportar muito mais forças G do que nove Gs", diz Jeff Sventek, diretor executivo da Association Aerospace Medicine, localizada em Alexandria, Virgínia. - Mas muito poucas pessoas podem suportar altas forças G por um longo período de tempo. "Nós, humanos, somos capazes suportar enormes forças G sem ferimentos graves, no entanto, apenas por alguns momentos. Coloque o capitão da Força Aérea dos EUA Eli Bieding Jr. viabase Holloman no Novo México. Em 1958, ao frear em um trenó especial movido a foguete, depois de acelerar a 55 km / h em 0,1 segundo, ele sofreu uma sobrecarga de 82,3 G. Esse resultado foi registrado por um acelerômetro preso ao peito. Os olhos de Beeding também estavam cobertos com um "véu preto", mas ele escapou apenas com hematomas durante esta notável demonstração da resistência do corpo humano. É verdade que, após a chegada, ele passou três dias no hospital. E agora no espaço Os astronautas, dependendo do veículo, também experimentaram forças G bastante altas - de três a cinco Gs - durante as decolagens e ao retornar às camadas densas da atmosfera, respectivamente. atingindo uma velocidade de cruzeiro estável de 26.000 km / h em órbita, os astronautas não experimentam velocidade superior à dos passageiros de voos comerciais. Se as sobrecargas não forem um problema para longas expedições na espaçonave Orion, então com pequenas rochas espaciais - micrometeoritos - são cada vez mais Essas partículas do tamanho de um grão de arroz podem desenvolver velocidades impressionantes e ao mesmo tempo destrutivas de até 300 mil km/h. Para garantir a integridade do navio e a segurança de sua tripulação, o Orion é equipado com uma camada protetora externa, cuja espessura varia de 18 a 30 cm. Além disso, são fornecidas blindagens adicionais e colocação inteligente de equipamentos no interior importante para toda a espaçonave, devemos calcular com precisão os ângulos de aproximação dos micrometeoritos ", diz Jim Bray. Fique tranquilo, os micrometeoritos não são o único obstáculo para missões espaciais, durante as quais altas velocidades de vôo humano no vácuo desempenharão um papel importante papel cada vez mais importante. durante a expedição a Marte, outros problemas práticos terão que ser resolvidos, por exemplo, para fornecer comida à tripulação e neutralizar o aumento do risco de câncer devido aos efeitos da radiação espacial no corpo humano. reduzirá a gravidade de tais problemas, de modo que a velocidade do movimento se tornará cada vez mais desejável oh. Voo Espacial de Próxima GeraçãoEsta necessidade de velocidade levantará novos obstáculos no caminho dos viajantes espaciais.As novas espaçonaves da NASA que ameaçam quebrar o recorde de velocidade da Apollo 10 continuarão a depender de sistemas químicos de propulsão de foguetes testados pelo tempo usados desde os primeiros voos espaciais. Mas esses sistemas têm limites de velocidade severos devido à liberação de pequenas quantidades de energia por unidade de combustível. Portanto, para aumentar significativamente a velocidade de voo das pessoas que vão a Marte e além, como os cientistas reconhecem, são necessárias abordagens completamente novas. “Os sistemas que temos hoje são capazes de nos levar até lá”, diz Bray, “mas todos nós gostaríamos de testemunhar uma revolução de propulsão." Eric Davis, físico pesquisador sênior do Instituto de Estudos Avançados em Austin, Texas, e membro do Programa de Física de Movimento Breakthrough da NASA, um projeto de pesquisa de seis anos que terminou em 2002, identificou três dos meios mais promissores, do ponto de vista da física tradicional, capazes de ajudar a humanidade a atingir velocidades razoavelmente suficientes para viagens interplanetárias. aniquilação da antimatéria. O primeiro método consiste na fissão de átomos e é usado em reatores nucleares comerciais. O segundo, a fusão termonuclear, é criando átomos mais pesados a partir de átomos mais simples – o tipo de reação que alimenta o sol. Esta é uma tecnologia que fascina, mas não é entregue às mãos; está "sempre daqui a 50 anos" - e sempre estará, como diz o velho lema da indústria. "Estas são tecnologias muito avançadas", diz Davis, "mas elas são baseadas na física tradicional e estão firmemente estabelecidas desde o início da era a Era Atômica." De acordo com estimativas otimistas, sistemas de propulsão baseados nos conceitos de fissão atômica e fusão termonuclear, em teoria, são capazes de acelerar um navio a 10% da velocidade da luz, ou seja, até uns valiosos 100 milhões de km / h. A fonte de energia mais preferida, embora indescritível, para uma espaçonave rápida é a antimatéria, o gêmeo e antípoda da matéria comum. Quando dois tipos de matéria entram em contato, eles se destroem, resultando na liberação de energia pura .Tecnologias para produzir e armazenar - até agora extremamente pequenas - quantidades de antimatéria já existem hoje. Ao mesmo tempo, a produção de antimatéria em quantidades úteis exigirá novas capacidades especiais da próxima geração e engenharia terá que entrar em uma corrida competitiva para criar uma espaçonave apropriada. Mas , diz Davis, algumas grandes idéias já estão sendo trabalhadas nas pranchetas. Naves espaciais movidas a energia de antimatéria podem acelerar por meses e até anos e atingir porcentagens maiores da velocidade da luz. Ao mesmo tempo, as sobrecargas a bordo permanecerão aceitáveis para os habitantes dos navios e, ao mesmo tempo, essas fantásticas novas velocidades também serão repletas de outros perigos para o corpo humano. Granizo energético A uma velocidade de várias centenas de milhões de quilômetros por hora, qualquer partícula de poeira no espaço, de átomos de hidrogênio pulverizado a micrometeoritos, inevitavelmente se torna uma bala de alta energia que pode perfurar o casco de um navio. isso significa que as partículas que voam em sua direção se movem na mesma velocidade", diz Arthur Edelstein. Junto com seu falecido pai, William Edelstein, professor de radiologia da Faculdade de Medicina da Universidade Johns Hopkins, ele trabalhou em um trabalho científico que efeitos da exposição a átomos de hidrogênio cósmico (em pessoas e equipamentos) durante viagens espaciais ultrarrápidas no espaço. Embora seu conteúdo não exceda um átomo por centímetro cúbico, o hidrogênio espalhado no espaço pode adquirir as propriedades de intenso bombardeio de radiação. O hidrogênio começará se decompor em partículas subatômicas que penetrarão na nave e exporão A uma velocidade igual a 95% da velocidade da luz, a exposição a essa radiação significaria morte quase instantânea. , ferverá imediatamente. "Estes são todos problemas extremamente desagradáveis", observa Edelstein com humor sombrio. Ele e seu pai calcularam aproximadamente que, para criar algum tipo de sistema hipotético de proteção magnética que pudesse proteger a nave e seu povo da mortal chuva de hidrogênio, a nave poderia se mover a uma velocidade menor que a metade da velocidade do som. Então, as pessoas a bordo têm uma chance de sobreviver. Mark Millis, físico translacional e ex-chefe do Programa de Física de Movimento Breakthrough da NASA, adverte que esse potencial limite de velocidade para voos espaciais continua sendo um problema para o futuro distante. data, pode-se dizer que será extremamente difícil desenvolver uma velocidade superior a 10% da velocidade da luz", diz Millis. "Ainda não estamos em perigo. Uma analogia simples: por que se preocupar que podemos nos afogar, se ainda não entramos na água. Mais rápido que a luz? Se assumirmos que, por assim dizer, aprendemos a nadar, podemos então dominar o deslizamento através do espaço-tempo - se desenvolvermos mais essa analogia - e voar a uma velocidade superluminal? O ambiente, embora duvidoso, não deixa de ter certos vislumbres de iluminação educada na escuridão.Um desses modos de transporte intrigantes é baseado em tecnologias semelhantes às usadas no "warp drive" ou "warp drive" da série Star Trek. O princípio de funcionamento deste sistema de propulsão, também conhecido como o "motor de Alcubierre"* (em homenagem ao físico teórico mexicano Miguel Alcubierre) é que ele permite que a nave comprima o espaço-tempo normal descrito por Albert Einstein à sua frente e expanda Essencialmente, a nave se move em algum volume de espaço-tempo, uma espécie de "bolha de curvatura" que se move mais rápido que a velocidade da luz. Assim, a nave permanece estacionária no espaço-tempo normal nesta "bolha" sem ser deformada e evitando violações do limite universal de velocidade da luz, como um surfista correndo em uma prancha ao longo da crista de uma onda. "Há uma certa pegadinha aqui. Para implementar essa ideia, uma forma exótica de matéria com massa negativa é necessária para comprimir e expandir o espaço-tempo. nunca vi isso na natureza. ".Tem outra pegadinha. Em um artigo publicado em 2012, pesquisadores da Universidade de Sydney especularam que a "bolha de dobra" acumularia partículas cósmicas de alta energia à medida que inevitavelmente começasse a interagir com o conteúdo do universo. bombear o navio com radiação. Preso em velocidades abaixo da luz? Estamos realmente condenados a ficar presos em velocidades abaixo da luz por causa de nossa biologia delicada?! Não se trata tanto de estabelecer um novo recorde de velocidade mundial (galáctico?) para os humanos, mas sobre a perspectiva da humanidade transformando-se em uma sociedade interestelar. Na metade da velocidade da luz - que é o limite que a pesquisa de Edelstein sugere que nossos corpos podem suportar - uma viagem de ida e volta para a estrela mais próxima levaria mais de 16 anos. (Os efeitos da dilatação do tempo, que faria com que a tripulação de uma nave estelar passasse menos tempo em seu sistema de coordenadas do que as pessoas deixadas na Terra em seu sistema de coordenadas, não seriam dramáticos na metade da velocidade da luz.) Mark Millis está cheio de esperança. . Considerando que a humanidade desenvolveu trajes anti-G e proteção contra micrometeoritos, permitindo que as pessoas viajem com segurança na grande distância azul e na escuridão do espaço repleta de estrelas, ele está confiante de que podemos encontrar maneiras de sobreviver, não importa quão alta velocidade fronteiras que alcançaremos no futuro. "As mesmas tecnologias que podem nos ajudar a alcançar novas e incríveis velocidades de movimento, diz Millis, nos fornecerão recursos novos, ainda desconhecidos, para proteger as tripulações. E em 1995, o físico teórico russo Sergei Krasnikov propôs o conceito de um dispositivo para viagens espaciais mais rápidas que a velocidade do som. A ideia foi chamada de "tubos de Krasnikov", uma curvatura artificial do espaço-tempo de acordo com o princípio do chamado buraco de minhoca. Hipoteticamente, a nave se moverá em linha reta da Terra até uma determinada estrela através do espaço-tempo curvo, passando por outras dimensões.De acordo com a teoria de Krasnikov, o viajante espacial retornará ao mesmo tempo em que partiu.

Doutor em Ciências Técnicas A. GOLUBEV.

Em meados do ano passado, uma reportagem sensacional apareceu nas revistas. Um grupo de pesquisadores americanos descobriu que um pulso de laser muito curto viaja centenas de vezes mais rápido em um meio especialmente selecionado do que no vácuo. Esse fenômeno parecia absolutamente incrível (a velocidade da luz em um meio é sempre menor que no vácuo) e até levantou dúvidas sobre a validade da teoria da relatividade especial. Enquanto isso, um objeto físico superluminal - um pulso de laser em um meio amplificador - foi descoberto pela primeira vez não em 2000, mas 35 anos antes, em 1965, e a possibilidade de movimento superluminal foi amplamente discutida até o início dos anos 70. Hoje, a discussão em torno desse estranho fenômeno explodiu com vigor renovado.

Exemplos de movimento "superluminal".

No início da década de 1960, pulsos de luz curtos de alta potência começaram a ser obtidos pela passagem de um flash de laser através de um amplificador quântico (um meio com uma população inversa).

No meio amplificador, a região inicial do pulso de luz causa emissão estimulada de átomos no meio amplificador, e sua região final causa absorção de energia por eles. Como resultado, parecerá ao observador que o pulso está se movendo mais rápido que a luz.

Experiência de Lijun Wong.

Um feixe de luz que passa por um prisma de um material transparente (como o vidro) é refratado, ou seja, sofre dispersão.

Um pulso de luz é um conjunto de oscilações de diferentes frequências.

Provavelmente todos - mesmo pessoas distantes da física - sabem que a velocidade máxima possível de movimento de objetos materiais ou de propagação de quaisquer sinais é a velocidade da luz no vácuo. Está marcado com a letra Com e é quase 300 mil quilômetros por segundo; valor exato Com= 299 792 458 m/s. A velocidade da luz no vácuo é uma das constantes físicas fundamentais. A impossibilidade de atingir velocidades superiores Com, decorre da teoria da relatividade especial (SRT) de Einstein. Se fosse possível provar que a transmissão de sinais com velocidade superluminal é possível, a teoria da relatividade cairia. Até agora, isso não aconteceu, apesar das inúmeras tentativas de refutar a proibição da existência de velocidades superiores a Com. No entanto, estudos experimentais recentes revelaram alguns fenômenos muito interessantes, indicando que sob condições especialmente criadas é possível observar velocidades superluminais sem violar os princípios da teoria da relatividade.

Para começar, recordemos os principais aspectos relacionados com o problema da velocidade da luz. Em primeiro lugar: por que é impossível (em condições normais) ultrapassar o limite de luz? Porque então a lei fundamental do nosso mundo é violada - a lei da causalidade, segundo a qual o efeito não pode superar a causa. Ninguém jamais observou que, por exemplo, um urso caiu morto primeiro e depois um caçador atirou. Em velocidades superiores Com, a sequência de eventos é invertida, a fita de tempo é rebobinada. Isso pode ser facilmente visto a partir do seguinte raciocínio simples.

Embora esse argumento ignore completamente os detalhes técnicos do processo de observação da luz, de um ponto de vista fundamental, ele demonstra claramente que o movimento em velocidade superluminal leva a uma situação impossível em nosso mundo. No entanto, a natureza estabeleceu condições ainda mais rigorosas: o movimento é inatingível não apenas na velocidade superluminal, mas também a uma velocidade igual à velocidade da luz - você só pode se aproximar dela. Decorre da teoria da relatividade que, com o aumento da velocidade do movimento, surgem três circunstâncias: a massa de um objeto em movimento aumenta, seu tamanho diminui na direção do movimento e a passagem do tempo nesse objeto diminui (de o ponto de vista de um observador externo "em repouso"). Em velocidades comuns, essas mudanças são insignificantes, mas à medida que nos aproximamos da velocidade da luz, elas se tornam cada vez mais perceptíveis e, no limite - a uma velocidade igual a Com, - a massa torna-se infinitamente grande, o objeto perde completamente seu tamanho na direção do movimento e o tempo para nele. Portanto, nenhum corpo material pode atingir a velocidade da luz. Só a própria luz tem tal velocidade! (E também a partícula "todo-penetrante" - o neutrino, que, como o fóton, não pode se mover a uma velocidade inferior a Com.)

Agora sobre a velocidade de transmissão do sinal. Aqui é apropriado usar a representação da luz na forma de ondas eletromagnéticas. O que é um sinal? Esta é uma informação a ser transmitida. Uma onda eletromagnética ideal é uma senóide infinita de estritamente uma frequência e não pode transportar nenhuma informação, porque cada período de tal senóide repete exatamente o anterior. A velocidade na qual a fase da onda senoidal se move - a chamada velocidade de fase - pode exceder a velocidade da luz no vácuo sob certas condições. Não há restrições aqui, pois a velocidade da fase não é a velocidade do sinal - ela ainda não existe. Para criar um sinal, você precisa fazer algum tipo de "marca" na onda. Tal marca pode ser, por exemplo, uma mudança em qualquer um dos parâmetros da onda - amplitude, frequência ou fase inicial. Mas assim que a marca é feita, a onda perde sua senoidal. Torna-se modulado, constituído por um conjunto de ondas senoidais simples com diferentes amplitudes, frequências e fases iniciais - um conjunto de ondas. A velocidade de movimento da marca na onda modulada é a velocidade do sinal. Ao se propagar em um meio, esta velocidade geralmente coincide com a velocidade de grupo que caracteriza a propagação do grupo de ondas acima como um todo (ver "Ciência e Vida" nº 2, 2000). Em condições normais, a velocidade de grupo e, portanto, a velocidade do sinal, é menor que a velocidade da luz no vácuo. Não é por acaso que a expressão "em condições normais" é usada aqui, pois em alguns casos a velocidade de grupo também pode exceder Com ou até perder o significado, mas não se aplica à propagação do sinal. Está estabelecido no SRT que é impossível transmitir um sinal a uma velocidade superior a Com.

Por que é tão? Porque o obstáculo à transmissão de qualquer sinal a uma velocidade superior a Com a mesma lei de causalidade se aplica. Vamos imaginar tal situação. Em algum ponto A, um flash de luz (evento 1) acende um dispositivo que envia um determinado sinal de rádio, e em um ponto remoto B, sob a influência desse sinal de rádio, ocorre uma explosão (evento 2). É claro que o evento 1 (flash) é a causa e o evento 2 (explosão) é o efeito que ocorre depois da causa. Mas se o sinal de rádio se propagasse a uma velocidade superluminal, um observador próximo ao ponto B veria primeiro uma explosão e só então - alcançando-o com uma velocidade Com flash de luz, a causa da explosão. Em outras palavras, para este observador, o evento 2 teria ocorrido antes do evento 1, ou seja, o efeito teria precedido a causa.

Convém ressaltar que a "proibição superluminal" da teoria da relatividade se impõe apenas ao movimento dos corpos materiais e à transmissão de sinais. Em muitas situações é possível se mover em qualquer velocidade, mas será o movimento de objetos e sinais não materiais. Por exemplo, imagine duas réguas bastante longas no mesmo plano, uma das quais está localizada horizontalmente e a outra a intercepta em um pequeno ângulo. Se a primeira linha for movida para baixo (na direção indicada pela seta) em alta velocidade, o ponto de interseção das linhas pode ser feito para correr arbitrariamente rápido, mas esse ponto não é um corpo material. Outro exemplo: se você pegar uma lanterna (ou, digamos, um laser que emite um feixe estreito) e descrever rapidamente um arco no ar, a velocidade linear do ponto de luz aumentará com a distância e, a uma distância suficientemente grande, excederá Com. O ponto de luz se moverá entre os pontos A e B em velocidade superluminal, mas isso não será uma transmissão de sinal de A para B, pois esse ponto de luz não carrega nenhuma informação sobre o ponto A.

Logo após a descoberta dos lasers, no início da década de 1960, surgiu o problema de obter pulsos de luz de alta potência curtos (com duração da ordem de 1 ns = 10 -9 s). Para fazer isso, um pulso de laser curto foi passado através de um amplificador quântico óptico. O pulso foi dividido por um espelho divisor de feixe em duas partes. Um deles, mais potente, era enviado ao amplificador, e o outro se propagava no ar e servia como pulso de referência, com o qual era possível comparar o pulso que passava pelo amplificador. Ambos os pulsos foram alimentados a fotodetectores e seus sinais de saída puderam ser observados visualmente na tela do osciloscópio. Esperava-se que o pulso de luz que passa pelo amplificador sofresse algum atraso em relação ao pulso de referência, ou seja, a velocidade de propagação da luz no amplificador seria menor do que no ar. Qual foi o espanto dos pesquisadores quando descobriram que o pulso se propagava através do amplificador a uma velocidade não apenas maior que no ar, mas também várias vezes maior que a velocidade da luz no vácuo!

Alguns físicos tentaram provar experimentalmente a presença de movimento superluminal no efeito túnel, um dos fenômenos mais surpreendentes da mecânica quântica. Esse efeito consiste no fato de que uma micropartícula (mais precisamente, um microobjeto que exibe tanto as propriedades de uma partícula quanto as propriedades de uma onda em diferentes condições) é capaz de penetrar a chamada barreira de potencial - fenômeno completamente impossível na mecânica clássica (na qual tal situação seria análoga: uma bola lançada em uma parede acabaria do outro lado da parede, ou o movimento ondulatório transmitido a uma corda amarrada à parede seria transmitido a uma corda amarrada a a parede do outro lado). A essência do efeito túnel na mecânica quântica é a seguinte. Se um micro-objeto com uma certa energia encontra em seu caminho uma área com uma energia potencial superior à energia do micro-objeto, essa área é uma barreira para ele, cuja altura é determinada pela diferença de energia. Mas o micro-objeto "vaza" pela barreira! Essa possibilidade lhe é dada pela conhecida relação de incerteza de Heisenberg, escrita para a energia e o tempo de interação. Se a interação do microobjeto com a barreira ocorrer por um tempo suficientemente definido, então a energia do microobjeto, ao contrário, será caracterizada pela incerteza, e se essa incerteza for da ordem da altura da barreira, então esta cessa. ser um obstáculo intransponível para o microobjeto. É a taxa de penetração através da barreira potencial que se tornou objeto de pesquisa por vários físicos que acreditam que ela pode exceder Com.

No experimento de L. Wong, o pulso de luz que entra na câmara com vapor de césio teve uma duração de cerca de 3 μs. Os átomos de césio podem estar em dezesseis estados mecânicos quânticos possíveis, chamados de "subníveis magnéticos hiperfinos do estado fundamental". Com a ajuda do bombeamento óptico a laser, quase todos os átomos foram levados a apenas um desses dezesseis estados, correspondendo à temperatura quase zero absoluto na escala Kelvin (-273,15 o C). O comprimento da câmara de césio foi de 6 centímetros. No vácuo, a luz viaja 6 centímetros em 0,2 ns. Como as medições mostraram, o pulso de luz passou pela câmara com césio em um tempo 62 ns menor do que no vácuo. Em outras palavras, o tempo de trânsito de um pulso através de um meio de césio tem um sinal de "menos"! De fato, se subtrairmos 62 ns de 0,2 ns, obtemos um tempo "negativo". Esse "atraso negativo" no meio - um salto de tempo incompreensível - é igual ao tempo durante o qual o pulso faria 310 passagens pela câmara no vácuo. A consequência dessa "reversão do tempo" foi que o impulso que saiu da câmara conseguiu se afastar dela por 19 metros antes que o impulso de entrada atingisse a parede próxima da câmara. Como explicar uma situação tão incrível (a menos, é claro, que não haja dúvida sobre a pureza do experimento)?

A dispersão de uma substância é a dependência do índice de refração de fase (comum) n no comprimento de onda da luz l. Com a dispersão normal, o índice de refração aumenta com a diminuição do comprimento de onda, e este é o caso do vidro, água, ar e todas as outras substâncias transparentes à luz. Em substâncias que absorvem fortemente a luz, o curso do índice de refração se inverte com uma mudança no comprimento de onda e se torna muito mais íngreme: à medida que l diminui (a frequência w aumenta), o índice de refração diminui acentuadamente e em uma certa faixa de comprimento de onda torna-se menor que a unidade (fase velocidade V f > Com). Essa é a dispersão anômala, na qual o padrão de propagação da luz em uma substância muda radicalmente. velocidade do grupo V cp torna-se maior que a velocidade de fase das ondas e pode exceder a velocidade da luz no vácuo (e também se tornar negativa). L. Wong aponta essa circunstância como a razão subjacente à possibilidade de explicar os resultados de seu experimento. No entanto, deve-se notar que a condição V gr > Comé puramente formal, pois o conceito de velocidade de grupo foi introduzido para o caso de dispersão pequena (normal), para meios transparentes, quando um grupo de ondas quase não muda de forma durante a propagação. Em regiões de dispersão anômala, entretanto, o pulso de luz é rapidamente deformado e o conceito de velocidade de grupo perde seu significado; neste caso, são introduzidos os conceitos de velocidade do sinal e velocidade de propagação da energia, que em meios transparentes coincidem com a velocidade de grupo, enquanto em meios com absorção permanecem menores que a velocidade da luz no vácuo. Mas aqui está o que é interessante sobre o experimento de Wong: um pulso de luz, passando por um meio com dispersão anômala, não se deforma - ele mantém sua forma exata! E isso corresponde à suposição de que o impulso se propaga com a velocidade de grupo. Mas se assim for, verifica-se que não há absorção no meio, embora a dispersão anômala do meio se deva precisamente à absorção! O próprio Wong, reconhecendo que muito ainda não está claro, acredita que o que está acontecendo em sua configuração experimental pode ser claramente explicado como uma primeira aproximação da seguinte forma.

A maioria dos físicos tende a associar esse resultado ao aparecimento de um precursor de baixa intensidade no meio dispersivo da câmara. O fato é que na decomposição espectral do pulso, o espectro contém componentes de frequências arbitrariamente altas com amplitude desprezível, o chamado precursor, que vai à frente da “parte principal” do pulso. A natureza do estabelecimento e a forma do precursor dependem da lei de dispersão no meio. Com isso em mente, propõe-se que a sequência de eventos no experimento de Wong seja interpretada da seguinte forma. A onda que chega, "esticando" o prenúncio à sua frente, aproxima-se da câmera. Antes que o pico da onda incidente atinja a parede próxima da câmara, o precursor inicia o aparecimento de um pulso na câmara, que atinge a parede distante e é refletido por ela, formando uma "onda reversa". Esta onda, propagando-se 300 vezes mais rápido Com, atinge a parede próxima e encontra a onda de entrada. Os picos de uma onda encontram os vales de outra, de modo que eles se cancelam e nada permanece. Acontece que a onda que entra "devolve a dívida" aos átomos de césio, que "pegaram emprestado" energia para ela na outra extremidade da câmara. Alguém que assistisse apenas o início e o fim do experimento veria apenas um pulso de luz que "saltava" no tempo, movendo-se mais rápido Com.

L. Wong acredita que seu experimento não é consistente com a teoria da relatividade. A afirmação sobre a inatingibilidade da velocidade superluminal, ele acredita, é aplicável apenas a objetos com massa de repouso. A luz pode ser representada tanto na forma de ondas, às quais o conceito de massa geralmente não se aplica, quanto na forma de fótons com massa de repouso, como se sabe, igual a zero. Portanto, a velocidade da luz no vácuo, segundo Wong, não é o limite. No entanto, Wong admite que o efeito que descobriu não permite transmitir informação a uma velocidade superior à Com.

"A informação aqui já está contida na vanguarda do impulso", diz P. Milonni, físico do Laboratório Nacional de Los Alamos, nos Estados Unidos.

Resumindo, podemos dizer o seguinte. Os trabalhos dos últimos anos mostram que, sob certas condições, a velocidade superluminal pode de fato ocorrer. Mas o que exatamente está se movendo em velocidade superluminal? A teoria da relatividade, como já mencionado, proíbe tal velocidade para corpos materiais e para sinais que transportam informações. No entanto, alguns pesquisadores são muito persistentes em suas tentativas de demonstrar a superação da barreira da luz especificamente para sinais. A razão para isso está no fato de que na teoria da relatividade especial não há justificativa matemática rigorosa (baseada, digamos, nas equações de Maxwell para um campo eletromagnético) para a impossibilidade de transmitir sinais a uma velocidade maior que Com. Tal impossibilidade em SRT é estabelecida, pode-se dizer, puramente aritmeticamente, com base na fórmula de Einstein para adicionar velocidades, mas de forma fundamental isso é confirmado pelo princípio da causalidade. O próprio Einstein, considerando a questão da transmissão do sinal superluminal, escreveu que neste caso "... ponto de vista não contém, em minha opinião, nenhuma contradição, mas contradiz tanto o caráter de toda a nossa experiência que a impossibilidade de supor V > c parece estar suficientemente provado." O princípio da causalidade é a pedra angular que fundamenta a impossibilidade de transmissão do sinal superluminal. sinais porque essa é a natureza do nosso mundo.

Em conclusão, deve-se enfatizar que todos os itens acima se aplicam especificamente ao nosso mundo, ao nosso Universo. Tal reserva foi feita porque recentemente surgiram novas hipóteses na astrofísica e cosmologia que permitem a existência de muitos Universos escondidos de nós, conectados por túneis topológicos - jumpers. Esse ponto de vista é compartilhado, por exemplo, pelo conhecido astrofísico N. S. Kardashev. Para um observador externo, as entradas desses túneis são marcadas por campos gravitacionais anômalos, semelhantes aos buracos negros. Movimentos em tais túneis, como sugerido pelos autores das hipóteses, permitirão contornar a limitação da velocidade de movimento imposta no espaço comum pela velocidade da luz e, consequentemente, concretizar a ideia de criar um máquina do tempo... coisas. E embora até agora tais hipóteses sejam muito reminiscentes de enredos de ficção científica, dificilmente se deve rejeitar categoricamente a possibilidade fundamental de um modelo multielementar da estrutura do mundo material. Outra coisa é que todos esses outros Universos, muito provavelmente, continuarão sendo construções puramente matemáticas de físicos teóricos que vivem em nosso Universo e tentam encontrar os mundos fechados a nós com o poder de seus pensamentos...

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