Pentru a atinge viteza luminii, o rachetă cu mai multe etape ar trebui să-și piardă o parte din masă pe măsură ce viteza crește, așa cum face și racheta Super Haas ilustrată aici.
Să presupunem că vrei să pleci într-o călătorie interstelară și să ajungi la destinație cât mai repede posibil. S-ar putea să nu reușești să ajungi până mâine, dar dacă ai avea toate instrumentele și tehnologia necesare și un pic de ajutor din partea relativității lui Einstein, ai reuși să ajungi acolo într-un an? Ce zici de apropierea de viteza luminii? Aceasta este ceea ce cititorul nostru pune întrebarea de săptămâna aceasta:
Citeam recent o carte în care autorul a încercat să explice paradoxul gemenilor imaginându-și o navă spațială zburând la 1 g timp de 20 de ani și apoi întorcându-se înapoi. Este posibil să menținem o astfel de accelerație într-un asemenea timp? Dacă, de exemplu, îți începi călătoria în prima zi a noului an și zbori cu o accelerație de 9,8 metri pe secundă pe secundă, atunci, conform calculelor, poți atinge viteza luminii înainte de sfârșitul anului. . Cum pot accelera mai mult după aceea?
Pentru a călători spre stele, este absolut necesar să mențineți o astfel de accelerație.
Această lansare nava spatiala Columbia în 1992 arată că o rachetă nu accelerează instantaneu - este nevoie de mult timp pentru a accelera
Cele mai avansate rachete și sisteme de propulsie cu reacție create de omenire nu sunt suficient de puternice pentru o astfel de sarcină, deoarece nu ating atât de multă accelerație. Sunt impresionante pentru că accelerează o masă uriașă destul de mult timp. Dar accelerația rachetelor precum Saturn-5, Atlas, Falcon și Soyuz nu depășește accelerația oricărei mașini sport: de la 1 la 2 g, unde g este de 9,8 metri pe secundă pătrat. Care este diferența dintre o rachetă și o mașină sport? Mașina își va atinge limita în 9 secunde, la aproximativ 320 km/h. O rachetă poate accelera în acest fel mult mai mult - nu secunde sau minute, ci un sfert de oră.
NASA a fost prima care a lansat o rachetă Apollo 4 de la Centrul Spațial Cape Kennedy. Deși a accelerat ca o mașină sport, cheia succesului a fost menținerea acelei accelerații pentru o lungă perioadă de timp.
Acesta este modul în care putem depăși atracția gravitațională a Pământului și să intrăm pe orbită, să ajungem în alte lumi din sistemul nostru solar sau chiar să scăpăm de atracția soarelui. Dar, la un moment dat, vom atinge limita - puteți accelera pentru un timp limitat din cauza restricțiilor privind cantitatea de combustibil transportată. Combustibilul pentru rachete pe care îl folosim este, din păcate, extrem de ineficient. Ați văzut celebra ecuație a lui Einstein, E = mc 2 , care descrie masa ca o formă de energie și că energia poate fi stocată ca materie. Minunatul nostru combustibil pentru rachete este îngrozitor de ineficient.
Prima rulare de testare a motorului SpaceX Raptor la începutul anului 2016
Folosind reacții chimice, combustibilul transformă nu mai mult de 0,001% din masa sa în energie, limitând sever viteza maximă disponibilă navei spațiale. Și de aceea este nevoie de o rachetă care cântărește 500 de tone pentru a lansa 5 tone de sarcină utilă pe orbită geostaționară. Rachetele nucleare ar fi mai eficiente, transformând aproximativ 0,5% din masa lor în energie, dar rezultatul ideal ar fi materia și combustibilul antimaterie atingând o eficiență de 100% în conversia E = mc 2. Dacă ai avea o rachetă de o anumită masă, indiferent ce, și doar 5% din această masă era conținută în antimaterie (și încă 5% în materie de unică folosință), anihilarea în timp putea fi controlată. Ca rezultat, veți obține o accelerație constantă și constantă de 1 g pe o perioadă de timp mult mai lungă decât vă va oferi orice alt combustibil.
Ideea unui artist despre un sistem de propulsie reactiv folosind antimaterie. Anihilarea materiei/antimateriei produce cea mai mare densitate de energie fizică dintre orice substanță cunoscută
Dacă aveți nevoie de o accelerație constantă, atunci anihilarea materiei/antimateriei, care reprezintă câteva procente din masa totală, vă va permite să accelerați în acest ritm timp de câteva luni la rând. În acest fel, poți ajunge până la 40% din viteza luminii dacă cheltuiești întregul buget anual al Statelor Unite pentru crearea de antimaterie și accelerezi 100 kg de sarcină utilă. Dacă trebuie să accelerezi și mai mult, trebuie să crești cantitatea de combustibil pe care o iei cu tine. Și cu cât accelerezi mai mult, cu atât te apropii de viteza luminii, cu atât vei observa efecte mai relativiste.
Cum crește viteza de-a lungul timpului dacă accelerezi în continuare 1 g timp de câteva zile, luni, ani sau un deceniu
După zece zile de zbor cu 1 g, ai trecut deja de Neptun, ultima planetă din sistemul solar. În câteva luni, vei începe să observi că timpul încetinește și distanțele se micșorează. Într-un an, vei fi atins deja 80% din viteza luminii; in 2 ani te vei apropia de 98% din viteza luminii; După 5 ani de zbor cu o accelerație de 1 g, te vei deplasa cu o viteză de 99,99% din viteza luminii. Și cu cât accelerezi mai mult, cu atât te apropii de viteza luminii. Dar nu vei ajunge niciodată la el. Mai mult, în timp, va necesita din ce în ce mai multă energie.
Pe o scară logaritmică, poți vedea că cu cât accelerezi mai mult, cu atât te apropii de viteza luminii, dar nu o atingi niciodată. Chiar și după 10 ani, te vei apropia de 99,9999999% din viteza luminii, dar nu o vei atinge
Pentru primele zece minute de accelerație, va fi necesară o anumită cantitate de energie, iar la sfârșitul acestei perioade te vei deplasa cu o viteză de 6 km/s. În alte 10 minute, îți vei dubla viteza la 12 km/s, dar va fi nevoie de trei ori mai multă energie. În alte zece minute te vei deplasa cu o viteză de 18 km/s, dar aceasta va necesita de 5 ori mai multă energie decât în primele zece minute. Această schemă va continua să funcționeze în viitor. Într-un an, vei folosi deja de 100.000 de ori mai multă energie decât la început! În plus, viteza va crește din ce în ce mai puțin.
Lungimile se scurtează și timpul se întinde. Graficul arată cum o navă spațială care se mișcă cu o accelerație de 1 g timp de o sută de ani poate călători în aproape orice punct din universul vizibil și poate reveni de acolo, pe parcursul unei vieți umane. Dar până se va întoarce, timp suplimentar va fi trecut pe Pământ.
Dacă vrei să accelerezi o navă de 100 kg timp de un an la 1 g, ai nevoie de 1000 kg de materie și 1000 kg de antimaterie. Într-un an, te vei deplasa cu 80% din viteza luminii, dar nu o vei depăși niciodată. Chiar dacă ai avea o cantitate infinită de energie. Accelerația constantă necesită o creștere constantă a forței, iar cu cât vă mișcați mai repede, cu atât mai multă energie este irosită cu efecte relativiste. Și până când ne dăm seama cum să controlăm deformarea spațiului, viteza luminii va rămâne limita supremă a universului. Tot ceea ce are masă nu poate ajunge la ea, cu atât mai puțin să o depășească. Dar dacă începi azi, peste un an vei ajunge acolo unde niciun obiect macroscopic nu a mai ajuns până acum!
25 martie 2017
Călătoria FTL este unul dintre fundamentele science fiction-ului spațial. Cu toate acestea, probabil toată lumea - chiar și oamenii departe de fizică - știe că viteza maximă posibilă de mișcare a obiectelor materiale sau de propagare a oricăror semnale este viteza luminii în vid. Este notat cu litera c și are aproape 300 de mii de kilometri pe secundă; valoarea exactă c = 299 792 458 m/s.
Viteza luminii în vid este una dintre constantele fizice fundamentale. Imposibilitatea de a atinge viteze care depășesc c rezultă din teoria relativității speciale (SRT) a lui Einstein. Dacă ar fi posibil să se demonstreze că transmisia de semnale cu viteză superluminală este posibilă, teoria relativității ar cădea. Până acum, acest lucru nu s-a întâmplat, în ciuda numeroaselor încercări de a respinge interzicerea existenței unor viteze mai mari de c. Cu toate acestea, studii experimentale recente au scos la iveală unele fenomene foarte interesante, indicând faptul că în condiții special create este posibil să se observe viteze superluminale fără a încălca principiile teoriei relativității.
Pentru început, să reamintim principalele aspecte legate de problema vitezei luminii.
În primul rând: de ce este imposibil (în condiții normale) să se depășească limita de lumină? Pentru că atunci legea fundamentală a lumii noastre este încălcată - legea cauzalității, potrivit căreia efectul nu poate depăși cauza. Nimeni nu a observat vreodată că, de exemplu, un urs a căzut mai întâi mort, iar apoi un vânător împușcat. La viteze ce depășesc c, succesiunea evenimentelor se inversează, banda de timp se derulează înapoi. Acest lucru se poate observa cu ușurință din următorul raționament simplu.
Să presupunem că ne aflăm pe o anumită navă miracolă cosmică care se mișcă mai repede decât lumina. Apoi, vom ajunge treptat din urmă cu lumina emisă de sursă în momente din ce în ce mai timpurii. În primul rând, am ajunge din urmă cu fotonii emiși, să zicem, ieri, apoi - emiși alaltăieri, apoi - o săptămână, o lună, un an în urmă și așa mai departe. Dacă sursa de lumină ar fi o oglindă care reflectă viața, atunci am vedea mai întâi evenimentele de ieri, apoi alaltăieri și așa mai departe. Am putea vedea, să zicem, un bătrân care treptat se transformă într-un bărbat de vârstă mijlocie, apoi într-un tânăr, într-un tânăr, într-un copil... Adică timpul s-ar întoarce, am trece din prezent la trecutul. Cauza și efectul ar fi apoi inversate.
Deși acest argument ignoră complet detaliile tehnice ale procesului de observare a luminii, din punct de vedere fundamental, demonstrează clar că mișcarea cu o viteză superluminală duce la o situație imposibilă în lumea noastră. Cu toate acestea, natura a stabilit condiții și mai stricte: mișcarea este de neatins nu numai la viteza superluminală, ci și la o viteză egală cu viteza luminii - poți doar să te apropii de ea. Din teoria relativității rezultă că, odată cu creșterea vitezei de mișcare, apar trei circumstanțe: masa unui obiect în mișcare crește, dimensiunea acestuia scade în direcția mișcării și trecerea timpului pe acest obiect încetinește (de la punctul de vedere al unui observator extern „odihnitor). La viteze obișnuite, aceste modificări sunt neglijabile, dar pe măsură ce ne apropiem de viteza luminii, ele devin din ce în ce mai vizibile, iar în limită - la o viteză egală cu c - masa devine infinit de mare, obiectul își pierde complet dimensiunea în direcția mișcării și timpul se oprește pe ea. Prin urmare, niciun corp material nu poate atinge viteza luminii. Doar lumina în sine are o asemenea viteză! (Și, de asemenea, o particulă „tot-penetrează” - un neutrin, care, ca un foton, nu se poate mișca cu o viteză mai mică de c.)
Acum despre viteza de transmisie a semnalului. Aici este potrivit să folosim reprezentarea luminii sub formă de unde electromagnetice. Ce este un semnal? Acestea sunt câteva informații care trebuie transmise. O undă electromagnetică ideală este o sinusoidă infinită de strict o frecvență și nu poate transporta nicio informație, deoarece fiecare perioadă a unui astfel de sinusoid o repetă exact pe cea anterioară. Viteza de mișcare a fazei unei unde sinusoidale - așa-numita viteză de fază - poate într-un mediu în anumite condiții să depășească viteza luminii în vid. Nu există restricții aici, deoarece viteza de fază nu este viteza semnalului - nu există încă. Pentru a crea un semnal, trebuie să faceți un fel de „marcă” pe val. Un astfel de marcaj poate fi, de exemplu, o modificare a oricăruia dintre parametrii undei - amplitudine, frecvență sau fază inițială. Dar de îndată ce se face marcajul, unda își pierde sinusoidalitatea. Ea devine modulată, constând dintr-un set de unde sinusoidale simple cu diferite amplitudini, frecvențe și faze inițiale - un grup de unde. Viteza de mișcare a semnului în unda modulată este viteza semnalului. Când se propagă într-un mediu, această viteză coincide de obicei cu viteza grupului care caracterizează propagarea grupului de unde de mai sus în ansamblu (a se vedea „Știința și viața” nr. 2, 2000). În condiții normale, viteza grupului și, prin urmare, viteza semnalului, este mai mică decât viteza luminii în vid. Nu este o coincidență faptul că aici este folosită expresia „în condiții normale”, deoarece în unele cazuri viteza grupului poate depăși c sau chiar își poate pierde sensul, dar atunci nu se aplică propagării semnalului. În SRT, se stabilește că este imposibil să se transmită un semnal la o viteză mai mare de c.
De ce este așa? Deoarece obstacolul în calea transmiterii oricărui semnal cu o viteză mai mare decât c este aceeași lege a cauzalității. Să ne imaginăm o astfel de situație. La un moment dat A, un fulger luminos (evenimentul 1) pornește un dispozitiv care trimite un anumit semnal radio, iar la un punct la distanță B, sub acțiunea acestui semnal radio, are loc o explozie (evenimentul 2). Este clar că evenimentul 1 (flash) este cauza, iar evenimentul 2 (explozia) este efectul care apare mai târziu decât cauza. Dar dacă semnalul radio s-ar propaga cu o viteză superluminală, un observator din apropierea punctului B ar vedea mai întâi o explozie și abia apoi - un fulger de lumină care a ajuns la el cu viteza unui fulger de lumină, cauza exploziei. Cu alte cuvinte, pentru acest observator, evenimentul 2 s-ar fi petrecut înaintea evenimentului 1, adică efectul ar fi precedat cauza.
Este oportun să subliniem că „interdicția superluminală” a teoriei relativității se impune numai mișcării corpurilor materiale și transmiterii semnalelor. În multe situații este posibil să se deplaseze cu orice viteză, dar va fi mișcarea obiectelor nemateriale și a semnalelor. De exemplu, imaginați-vă două rigle destul de lungi situate în același plan, dintre care unul este situat orizontal, iar celălalt îl intersectează într-un unghi mic. Dacă prima linie este deplasată în jos (în direcția indicată de săgeată) cu viteză mare, punctul de intersecție al liniilor poate fi făcut să ruleze arbitrar rapid, dar acest punct nu este un corp material. Un alt exemplu: dacă luați o lanternă (sau, să zicem, un laser care dă un fascicul îngust) și descrieți rapid un arc în aer, atunci viteza liniară a punctului luminos va crește odată cu distanța și, la o distanță suficient de mare, va depăși c. Punctul de lumină se va deplasa între punctele A și B la viteză superluminală, dar aceasta nu va fi o transmisie de semnal de la A la B, deoarece un astfel de punct de lumină nu conține nicio informație despre punctul A.
S-ar părea că problema vitezelor superluminale a fost rezolvată. Dar în anii 60 ai secolului XX, fizicienii teoreticieni au avansat ipoteza existenței particulelor superluminale, numite tahioni. Acestea sunt particule foarte ciudate: sunt posibile teoretic, dar pentru a evita contradicțiile cu teoria relativității, a trebuit să li se atribuie o masă imaginară de repaus. Masa imaginară fizic nu există, este o abstractizare pur matematică. Cu toate acestea, acest lucru nu a provocat prea multă îngrijorare, deoarece tahionii nu pot fi în repaus - ei există (dacă există!) numai la viteze care depășesc viteza luminii în vid, iar în acest caz masa tahionului se dovedește a fi reală. Există o analogie aici cu fotonii: un foton are masa de repaus zero, dar asta înseamnă pur și simplu că fotonul nu poate fi în repaus - lumina nu poate fi oprită.
Cel mai dificil lucru a fost, așa cum era de așteptat, să reconciliezi ipoteza tahionică cu legea cauzalității. Încercările făcute în această direcție, deși au fost destul de ingenioase, nu au dus la un succes evident. Nici nimeni nu a reușit să înregistreze experimental tahionii. Ca rezultat, interesul pentru tahioni ca particule elementare superluminale a dispărut treptat.
Cu toate acestea, în anii 60, s-a descoperit experimental un fenomen care i-a dus la început pe fizicieni în confuzie. Acest lucru este descris în detaliu în articolul lui A. N. Oraevsky „Superluminal waves in amplifying media” (UFN nr. 12, 1998). Aici rezumăm pe scurt esența problemei, trimițând cititorul interesat de detalii la articolul menționat.
La scurt timp după descoperirea laserelor - la începutul anilor 1960 - a apărut problema obținerii unor impulsuri luminoase scurte (cu o durată de ordinul a 1 ns = 10-9 s) de mare putere. Pentru a face acest lucru, un scurt impuls laser a fost trecut printr-un amplificator cuantic optic. Pulsul a fost împărțit de o oglindă care diviza fasciculul în două părți. Unul dintre ei, mai puternic, a fost trimis la amplificator, iar celălalt s-a propagat în aer și a servit drept impuls de referință, cu care a fost posibil să se compare pulsul care a trecut prin amplificator. Ambele impulsuri au fost transmise fotodetectorilor, iar semnalele lor de ieșire au putut fi observate vizual pe ecranul osciloscopului. Era de așteptat ca impulsul de lumină care trece prin amplificator să experimenteze o oarecare întârziere în comparație cu impulsul de referință, adică viteza de propagare a luminii în amplificator să fie mai mică decât în aer. Care a fost uimirea cercetătorilor când au descoperit că pulsul se propaga prin amplificator cu o viteză nu numai mai mare decât cea în aer, ci și de câteva ori mai mare decât viteza luminii în vid!
După ce și-au revenit din primul șoc, fizicienii au început să caute motivul unui rezultat atât de neașteptat. Nimeni nu a avut nici cea mai mică îndoială cu privire la principiile teoriei speciale a relativității și tocmai acesta este ceea ce a ajutat la găsirea explicației corecte: dacă principiile SRT sunt păstrate, atunci răspunsul ar trebui căutat în proprietățile mediului de amplificare. .
Fără a intra în detalii aici, menționăm doar că o analiză detaliată a mecanismului de acțiune a mediului de amplificare a clarificat complet situația. Punctul a fost o schimbare a concentrației de fotoni în timpul propagării pulsului - o schimbare datorată unei modificări a câștigului mediului până la o valoare negativă în timpul trecerii părții din spate a pulsului, când mediul este deja absorbind energie, deoarece propria sa rezervă a fost deja epuizată datorită transferului ei către impulsul luminos. Absorbția nu provoacă o creștere, ci o scădere a impulsului și astfel impulsul este întărit în față și slăbit în spate. Să ne imaginăm că observăm pulsul cu ajutorul unui instrument care se mișcă cu viteza luminii în mediul unui amplificator. Dacă mediul ar fi transparent, am vedea un impuls înghețat în imobilitate. În mediul în care are loc procesul menționat mai sus, întărirea marginii de atac și slăbirea marginii de fugă a pulsului vor apărea observatorului în așa fel încât mediul, așa cum ar fi, a mutat pulsul înainte. . Dar din moment ce dispozitivul (observatorul) se mișcă cu viteza luminii, iar impulsul îl depășește, atunci viteza impulsului depășește viteza luminii! Acest efect a fost înregistrat de experimentatori. Și aici chiar nu există nicio contradicție cu teoria relativității: doar că procesul de amplificare este de așa natură încât concentrația de fotoni care au ieșit mai devreme se dovedește a fi mai mare decât cei care au ieșit mai târziu. Nu fotonii se mișcă cu viteză superluminală, ci anvelopa pulsului, în special maximul său, care se observă la osciloscop.
Astfel, în timp ce în mediile obișnuite există întotdeauna o slăbire a luminii și o scădere a vitezei acesteia, determinate de indicele de refracție, în mediile active cu laser, se observă nu doar amplificarea luminii, ci și propagarea unui impuls cu viteză superluminală.
Unii fizicieni au încercat să demonstreze experimental prezența mișcării superluminale în efectul de tunel - unul dintre cele mai uimitoare fenomene din mecanica cuantică. Acest efect constă în faptul că o microparticulă (mai precis, un microobiect care prezintă atât proprietățile unei particule, cât și proprietățile unei unde în diferite condiții) este capabilă să pătrundă așa-numita barieră de potențial - un fenomen care este complet imposibil. în mecanica clasică (în care o astfel de situație ar fi analogă: o minge aruncată într-un perete ar ajunge pe cealaltă parte a peretelui, sau mișcarea ondulatorie dată de o frânghie legată de perete s-ar transmite unei frânghii legate de perete). peretele de pe cealaltă parte). Esența efectului de tunel în mecanica cuantică este următoarea. Dacă un micro-obiect cu o anumită energie întâlnește în drum o zonă cu o energie potențială care depășește energia micro-obiectului, această zonă este o barieră pentru el, a cărei înălțime este determinată de diferența de energie. Dar micro-obiectul „se scurge” prin barieră! Această posibilitate îi este dată de cunoscuta relație de incertitudine Heisenberg, scrisă pentru energia și timpul de interacțiune. Dacă interacțiunea microobiectului cu bariera are loc pentru un timp suficient de definit, atunci energia microobiectului, dimpotrivă, va fi caracterizată de incertitudine, iar dacă această incertitudine este de ordinul înălțimii barierei, atunci aceasta din urmă încetează. să fie un obstacol de netrecut pentru microobiect. Este rata de pătrundere prin bariera potențială care a devenit subiect de cercetare de către o serie de fizicieni, care consideră că poate depăși c.
În iunie 1998, la Köln a avut loc un simpozion internațional despre problemele mișcărilor superluminale, unde au fost discutate rezultatele obținute în patru laboratoare - la Berkeley, Viena, Köln și Florența.
Și în sfârșit, în 2000, au fost raportate două noi experimente în care au apărut efectele propagării superluminale. Una dintre ele a fost realizată de Lijun Wong și colegii de muncă la un institut de cercetare din Princeton (SUA). Rezultatul său este că un impuls de lumină care intră într-o cameră plină cu vapori de cesiu își mărește viteza cu un factor de 300. S-a dovedit că partea principală a pulsului părăsește peretele îndepărtat al camerei chiar înainte ca pulsul să intre în cameră prin peretele frontal. O astfel de situație contrazice nu numai bunul simț, ci, în esență, și teoria relativității.
Raportul lui L. Wong a provocat discuții intense în rândul fizicienilor, dintre care majoritatea nu sunt înclinați să vadă în rezultatele obținute o încălcare a principiilor relativității. Provocarea, cred ei, este de a explica corect acest experiment.
În experimentul lui L. Wong, pulsul luminos care intră în cameră cu vapori de cesiu a avut o durată de aproximativ 3 μs. Atomii de cesiu pot fi în șaisprezece stări posibile de mecanică cuantică, numite „subniveluri magnetice hiperfine ale stării fundamentale”. Folosind pomparea cu laser optic, aproape toți atomii au fost aduși la doar una dintre aceste șaisprezece stări, corespunzătoare temperaturii aproape zero absolute pe scara Kelvin (-273,15 ° C). Lungimea camerei de cesiu a fost de 6 centimetri. În vid, lumina parcurge 6 centimetri în 0,2 ns. După cum au arătat măsurătorile, pulsul de lumină a trecut prin camera cu cesiu într-un timp cu 62 ns mai scurt decât în vid. Cu alte cuvinte, timpul de tranzit al unui puls printr-un mediu de cesiu are semnul „minus”! Într-adevăr, dacă scădem 62 ns din 0,2 ns, obținem un timp „negativ”. Această „întârziere negativă” în mediu - un salt de timp de neînțeles - este egală cu timpul în care pulsul ar face 310 treceri prin cameră în vid. Consecința acestei „inversari de timp” a fost că impulsul care părăsea camera a reușit să se îndepărteze de ea cu 19 metri înainte ca impulsul de intrare să ajungă la peretele apropiat al camerei. Cum poate fi explicată o situație atât de incredibilă (cu excepția cazului în care, desigur, nu există nicio îndoială cu privire la puritatea experimentului)?
Judecând după discuția în curs, încă nu a fost găsită o explicație exactă, dar nu există nicio îndoială că proprietățile neobișnuite de dispersie ale mediului joacă un rol aici: vaporii de cesiu, constând din atomi excitați de lumina laser, este un mediu cu dispersie anormală. . Să ne amintim pe scurt despre ce este vorba.
Dispersia unei substanțe este dependența indicelui de refracție a fazei (obișnuit) n de lungimea de undă a luminii l. Cu dispersia normală, indicele de refracție crește odată cu scăderea lungimii de undă, iar acesta este cazul în sticlă, apă, aer și toate celelalte substanțe transparente la lumină. În substanțele care absorb puternic lumina, cursul indicelui de refracție se inversează odată cu modificarea lungimii de undă și devine mult mai abruptă: cu o scădere a l (creștere a frecvenței w), indicele de refracție scade brusc și într-un anumit interval de lungimi de undă devine mai mică. decât unitatea (viteza de fază Vf > s ). Aceasta este dispersia anormală, în care modelul de propagare a luminii într-o substanță se schimbă radical. Viteza grupului Vgr devine mai mare decât viteza de fază a undelor și poate depăși viteza luminii în vid (și, de asemenea, devine negativă). L. Wong indică această împrejurare drept motivul care stă la baza posibilității de a explica rezultatele experimentului său. Totuși, trebuie menționat că condiția Vgr > c este pur formală, deoarece conceptul de viteză de grup a fost introdus pentru cazul dispersiei mici (normale), pentru medii transparente, când un grup de unde aproape că nu își schimbă forma în timpul propagare. În regiunile de dispersie anormală, totuși, pulsul luminos este rapid deformat și conceptul de viteză de grup își pierde sensul; in acest caz se introduc conceptele de viteza semnalului si viteza de propagare a energiei, care in mediile transparente coincid cu viteza de grup, in timp ce in mediile cu absorbtie raman mai mici decat viteza luminii in vid. Dar iată ce este interesant la experimentul lui Wong: un impuls de lumină, care trece printr-un mediu cu dispersie anormală, nu se deformează - își păstrează exact forma! Și aceasta corespunde ipotezei că impulsul se propagă cu viteza grupului. Dar dacă da, atunci se dovedește că nu există absorbție în mediu, deși dispersia anormală a mediului se datorează tocmai absorbției! Wong însuși, recunoscând că multe rămân neclare, crede că ceea ce se întâmplă în configurația sa experimentală poate fi explicat clar ca o primă aproximare, după cum urmează.
Un impuls de lumină este format din mai multe componente cu lungimi de undă (frecvențe) diferite. Figura prezintă trei dintre aceste componente (valurile 1-3). La un moment dat, toate cele trei unde sunt în fază (maximele lor coincid); aici ei, adunându-se, se întăresc reciproc și formează un impuls. Pe măsură ce undele se propagă mai departe în spațiu, ele sunt defazate și astfel se „sting” unele pe altele.
În regiunea de dispersie anormală (în interiorul celulei de cesiu), unda care a fost mai scurtă (unda 1) devine mai lungă. În schimb, valul care a fost cel mai lung dintre cele trei (unda 3) devine cel mai scurt.
În consecință, fazele undelor se schimbă și ele în consecință. Când undele au trecut prin celula de cesiu, fronturile lor de undă sunt restaurate. După ce au suferit o modulare de fază neobișnuită într-o substanță cu dispersie anormală, cele trei unde considerate se regăsesc din nou în fază la un moment dat. Aici se adună din nou și formează un puls de exact aceeași formă cu cel care intră în mediul de cesiu.
De obicei, în aer, și într-adevăr în orice mediu transparent normal dispersiv, un impuls luminos nu își poate menține forma cu acuratețe atunci când se propagă pe o distanță îndepărtată, adică toate componentele sale nu pot fi în fază în niciun punct îndepărtat de-a lungul căii de propagare. Și în condiții normale, un impuls de lumină într-un astfel de punct îndepărtat apare după ceva timp. Cu toate acestea, din cauza proprietăților anormale ale mediului utilizat în experiment, pulsul din punctul îndepărtat s-a dovedit a fi fazat în același mod ca la intrarea în acest mediu. Astfel, pulsul luminos se comportă ca și cum ar fi avut o întârziere negativă în drumul său către un punct îndepărtat, adică ar fi ajuns la el nu mai târziu, ci mai devreme decât a trecut de mediu!
Majoritatea fizicienilor sunt înclinați să asocieze acest rezultat cu apariția unui precursor de intensitate scăzută în mediul dispersiv al camerei. Faptul este că în descompunerea spectrală a pulsului, spectrul conține componente de frecvențe arbitrar înalte cu amplitudine neglijabilă, așa-numitul precursor, care merge înaintea „partea principală” a pulsului. Natura stabilirii și forma precursorului depind de legea dispersiei în mediu. Având în vedere acest lucru, succesiunea evenimentelor din experimentul lui Wong se propune să fie interpretată după cum urmează. Valul care vine, „întinde” prevestitorul în fața sa, se apropie de cameră. Înainte ca vârful undei de intrare să lovească peretele apropiat al camerei, precursorul inițiază apariția unui impuls în cameră, care ajunge la peretele îndepărtat și este reflectat din acesta, formând o „undă inversă”. Această undă, care se propagă de 300 de ori mai repede decât c, ajunge la peretele apropiat și se întâlnește cu unda de intrare. Vârfurile unui val se întâlnesc cu jgheaburile altuia, astfel încât se anulează reciproc și nu rămâne nimic. Se pare că valul de intrare „returnează datoria” atomilor de cesiu, care i-au „împrumutat” energie la celălalt capăt al camerei. Oricine a observat doar începutul și sfârșitul experimentului ar vedea doar un puls de lumină care „sări” înainte în timp, mișcându-se mai repede decât c.
L. Wong crede că experimentul său nu este în concordanță cu teoria relativității. Declarația despre imposibilitatea vitezei superluminale, crede el, este aplicabilă numai obiectelor cu o masă de repaus. Lumina poate fi reprezentată fie sub formă de unde, cărora conceptul de masă este în general inaplicabil, fie sub formă de fotoni cu o masă în repaus, după cum se știe, egală cu zero. Prin urmare, viteza luminii în vid, potrivit lui Wong, nu este limita. Cu toate acestea, Wong admite că efectul pe care l-a descoperit face imposibilă transmiterea informațiilor mai rapid decât c.
„Informațiile de aici sunt deja conținute în vârful impulsului”, spune P. Milonni, fizician la Laboratorul Național Los Alamos din Statele Unite.
Majoritatea fizicienilor cred că noua lucrare nu aduce o lovitură zdrobitoare principiilor fundamentale. Dar nu toți fizicienii cred că problema este rezolvată. Profesorul A. Ranfagni, din echipa de cercetare italiană care a efectuat un alt experiment interesant în 2000, spune că întrebarea este încă deschisă. Acest experiment, realizat de Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni și Rocco Ruggeri, a constatat că undele radio cu unde centimetrice se propagă în aerul normal cu o viteză cu 25% mai rapidă decât cca.
Rezumând, putem spune următoarele.
Lucrările din ultimii ani arată că, în anumite condiții, viteza superluminală poate avea loc într-adevăr. Dar ce se mișcă exact cu viteza superluminală? Teoria relativității, așa cum sa menționat deja, interzice o astfel de viteză pentru corpurile materiale și pentru semnalele care transportă informații. Cu toate acestea, unii cercetători sunt foarte persistenti în încercările lor de a demonstra depășirea barierei luminoase în mod specific pentru semnale. Motivul pentru aceasta constă în faptul că în teoria relativității speciale nu există o justificare matematică riguroasă (bazată, să zicem, pe ecuațiile lui Maxwell pentru un câmp electromagnetic) pentru imposibilitatea de a transmite semnale cu o viteză mai mare de c. O astfel de imposibilitate în SRT este stabilită, s-ar putea spune, pur aritmetic, pe baza formulei lui Einstein de adunare a vitezelor, dar în mod fundamental acest lucru este confirmat de principiul cauzalității. Însuși Einstein, luând în considerare problema transmiterii semnalului superluminal, a scris că în acest caz „... suntem forțați să considerăm posibil un mecanism de transmitere a semnalului, atunci când se folosește acțiunea realizată precedă cauza. Dar, deși aceasta rezultă dintr-un mod pur logic. punct de vedere nu conține în sine, după părerea mea, nicio contradicție, el contrazice totuși caracterul întregii experiențe noastre în așa măsură încât imposibilitatea presupunerii V > c pare a fi suficient dovedită. Principiul cauzalității este piatra de temelie care stă la baza imposibilității semnalizării superluminale. Și, aparent, toate căutările de semnale superluminale, fără excepție, se vor împiedica de această piatră, indiferent cât de mult ar dori experimentatorii să detecteze astfel de semnale, pentru că așa este natura lumii noastre.
Dar totuși, să ne imaginăm că matematica relativității va funcționa în continuare la viteze superluminale. Aceasta înseamnă că teoretic încă putem afla ce s-ar întâmpla dacă corpul ar depăși viteza luminii.
Imaginați-vă două nave spațiale care se îndreaptă de pe Pământ către o stea care se află la 100 de ani lumină distanță de planeta noastră. Prima navă părăsește Pământul cu 50% viteza luminii, așa că va dura 200 de ani pentru a finaliza călătoria. A doua navă, echipată cu o ipotetică unitate warp, va pleca cu 200% cu viteza luminii, dar la 100 de ani după prima. Ce se va intampla?
Potrivit teoriei relativității, răspunsul corect depinde în mare măsură de perspectiva observatorului. De pe Pământ, se va părea că prima navă a parcurs deja o distanță considerabilă înainte de a fi depășită de a doua navă, care se mișcă de patru ori mai repede. Dar din punctul de vedere al oamenilor de pe prima navă, totul este puțin diferit.
Nava #2 se mișcă mai repede decât lumina, ceea ce înseamnă că poate depăși chiar și lumina pe care o emite. Aceasta duce la un fel de „undă luminoasă” (analog cu sunetul, aici vibrează doar unde luminoase în loc de vibrațiile aerului), care dă naștere la mai multe efecte interesante. Amintiți-vă că lumina de la nava #2 se mișcă mai încet decât nava în sine. Rezultatul va fi o dublare vizuală. Cu alte cuvinte, la început echipajul navei #1 va vedea că a doua navă a apărut lângă ei ca de nicăieri. Apoi, lumina de la a doua navă va ajunge la prima navă cu o ușoară întârziere, iar rezultatul va fi o copie vizibilă care se va deplasa în aceeași direcție cu o ușoară întârziere.
Ceva similar poate fi văzut în jocurile pe calculator atunci când, ca urmare a unei defecțiuni a sistemului, motorul încarcă modelul și algoritmii săi la punctul final al mișcării mai repede decât se termină animația în mișcare în sine, astfel încât să apară mai multe preluari. Acesta este probabil motivul pentru care conștiința noastră nu percepe acel aspect ipotetic al Universului în care corpurile se mișcă cu viteză superluminală - poate că acest lucru este cel mai bun.
P.S. ... dar în ultimul exemplu, nu am înțeles ceva, de ce poziția reală a navei este asociată cu „lumina emisă de aceasta”? Ei bine, chiar dacă îl vor vedea cumva în locul nepotrivit, dar în realitate va depăși prima navă!
surse
Sistemul solar nu a fost de multă vreme de interes special pentru scriitorii de science fiction. Dar, în mod surprinzător, planetele noastre „native” nu provoacă prea multă inspirație pentru unii oameni de știință, deși nu au fost încă explorate practic.
După ce abia a tăiat o fereastră în spațiu, umanitatea este sfâșiată în distanțe necunoscute și nu numai în vise, ca înainte.
Serghei Korolev a mai promis că va zbura în curând în spațiu „pe un bilet de sindicat”, dar această expresie are deja o jumătate de secol, iar odiseea spațiului este încă lotul elitei - prea scumpă. Cu toate acestea, în urmă cu doi ani, HACA a lansat un proiect grandios Nava de 100 de ani, care presupune crearea treptată și pe termen lung a unei fundații științifice și tehnice pentru zborurile spațiale.
Acest program fără precedent ar trebui să atragă oameni de știință, ingineri și entuziaști din întreaga lume. Dacă totul va avea succes, în 100 de ani omenirea va putea construi o navă interstelară și ne vom mișca în jurul sistemului solar ca tramvaiele.
Deci, care sunt problemele care trebuie rezolvate pentru ca zborul stelar să devină realitate?
TIMPUL SI VITEZA SUNT RELATIVE
Oricât de ciudat ar părea, astronomia vehiculelor automate pare unor oameni de știință a fi o problemă aproape rezolvată. Și asta în ciuda faptului că nu are absolut niciun rost să lansăm automate către stele cu viteze actuale de melc (aproximativ 17 km / s) și alte echipamente primitive (pentru astfel de drumuri necunoscute).
Acum navele spațiale americane Pioneer 10 și Voyager 1 au părăsit sistemul solar, nu mai există nicio legătură cu ele. Pioneer 10 se îndreaptă către steaua Aldebaran. Dacă nu i se va întâmpla nimic, va ajunge în vecinătatea acestei stele... peste 2 milioane de ani. În același mod, târăște-te prin întinderile Universului și alte dispozitive.
Deci, indiferent dacă o navă este locuită sau nu, pentru a zbura spre stele, are nevoie de o viteză mare, apropiată de viteza luminii. Cu toate acestea, acest lucru va ajuta la rezolvarea problemei de a zbura numai către cele mai apropiate stele.
„Chiar dacă am reuși să construim o navă stelară care ar putea zbura cu o viteză apropiată de viteza luminii”, a scris K. Feoktistov, „timpul de călătorie numai în Galaxia noastră va fi calculat în milenii și zeci de milenii, din moment ce diametrul său. este de aproximativ 100.000 de ani lumină. Dar pe Pământ vor trece mult mai multe în această perioadă.
Conform teoriei relativității, cursul timpului în două sisteme care se mișcă unul față de celălalt este diferit. Deoarece la distanțe mari nava va avea timp să dezvolte o viteză foarte apropiată de viteza luminii, diferența de timp pe Pământ și pe navă va fi deosebit de mare.
Se presupune că primul obiectiv al zborurilor interstelare va fi alfa Centauri (un sistem de trei stele) - cel mai apropiat de noi. Cu viteza luminii, poți zbura acolo în 4,5 ani, pe Pământ vor trece zece ani în acest timp. Dar cu cât distanța este mai mare, cu atât diferența de timp este mai mare.
Îți amintești de celebra Nebuloasă Andromeda de Ivan Efremov? Acolo, zborul se măsoară în ani, iar cei pământești. O poveste frumoasa, cel putin. Cu toate acestea, această nebuloasă râvnită (mai precis, galaxia Andromeda) este situată la o distanță de 2,5 milioane de ani lumină de noi.
Potrivit unor calcule, călătoria astronauților va dura mai bine de 60 de ani (după orele navei stelare), dar pe Pământ va trece o eră întreagă. Cum vor fi întâmpinați „neanderthalienii” spațiului de descendenții lor îndepărtați? Și va fi Pământul viu? Adică, întoarcerea este practic lipsită de sens. Cu toate acestea, ca și zborul în sine: trebuie să ne amintim că vedem galaxia Andromeda așa cum era acum 2,5 milioane de ani - atât de mult din lumina sa ajunge la noi. Ce rost are să zbori către o țintă necunoscută, care, poate, nu mai există de mult timp, în orice caz, în forma ei anterioară și în vechiul loc?
Aceasta înseamnă că chiar și zborurile cu viteza luminii sunt justificate doar până la stelele relativ apropiate. Cu toate acestea, vehiculele care zboară cu viteza luminii trăiesc până acum doar într-o teorie care seamănă cu science-fiction, deși științifică.
O NAVĂ DE DIMENSIUNEA PLANETEI
Desigur, în primul rând, oamenii de știință au venit cu ideea de a folosi cea mai eficientă reacție termonucleară în motorul navei - așa cum a fost deja stăpânită parțial (în scopuri militare). Cu toate acestea, pentru a călători în ambele direcții la o viteză apropiată de viteza luminii, chiar și cu un design ideal al sistemului, raportul dintre masa inițială și masa finală nu este mai mic de 10 la a treizecea putere. Adică, nava spațială va arăta ca un tren uriaș cu combustibil de dimensiunea unei planete mici. Este imposibil să lansezi un astfel de colos în spațiu de pe Pământ. Da, și colectați pe orbită - de asemenea, nu degeaba oamenii de știință nu discută această opțiune.
Ideea unui motor fotonic care folosește principiul anihilării materiei este foarte populară.
Anihilarea este transformarea unei particule și a unei antiparticule în timpul ciocnirii lor în orice alte particule care sunt diferite de cele originale. Cea mai studiată este anihilarea unui electron și a unui pozitron, care generează fotoni, a căror energie va mișca nava spațială. Calculele fizicienilor americani Ronan Keane și Wei-ming Zhang arată că, pe baza tehnologiilor moderne, este posibil să se creeze un motor de anihilare capabil să accelereze o navă spațială la 70% din viteza luminii.
Totuși, încep și alte probleme. Din păcate, folosirea antimateriei ca combustibil pentru rachete este foarte dificilă. În timpul anihilării, apar fulgerări ale celor mai puternice radiații gamma, care sunt dăunătoare pentru astronauți. În plus, contactul combustibilului cu pozitroni cu nava este plin de o explozie fatală. În cele din urmă, nu există încă tehnologii care să obțină suficientă antimaterie și să o depoziteze pentru o lungă perioadă de timp: de exemplu, un atom de antihidrogen „trăiește” acum mai puțin de 20 de minute, iar producția unui miligram de pozitroni costă 25 de milioane de dolari.
Dar, să presupunem, în timp, aceste probleme pot fi rezolvate. Cu toate acestea, va mai fi nevoie de mult combustibil, iar masa de pornire a unei nave fotonice va fi comparabilă cu masa Lunii (conform lui Konstantin Feoktistov).
VELA RUPTĂ!
Cea mai populară și realistă navă de astăzi este considerată o barcă cu pânze solară, a cărei idee îi aparține savantului sovietic Friedrich Zander.
O velă solară (luminoasă, fotonică) este un dispozitiv care utilizează presiunea luminii solare sau un laser pe suprafața unei oglinzi pentru a propulsa o navă spațială.
În 1985, fizicianul american Robert Forward a propus proiectarea unei sonde interstelare accelerată de energia microundelor. Proiectul prevedea ca sonda să ajungă la cele mai apropiate stele în 21 de ani.
La cel de-al XXXVI-lea Congres Astronomic Internațional a fost propus un proiect pentru o navă spațială cu laser, a cărei mișcare este asigurată de energia laserelor optice situate pe orbită în jurul lui Mercur. Potrivit calculelor, drumul unei nave spațiale cu acest design până la steaua Epsilon Eridani (10,8 ani lumină) și înapoi ar dura 51 de ani.
„Este puțin probabil să reușim să facem progrese semnificative în înțelegerea lumii în care trăim, pe baza datelor obținute din călătoriile în sistemul nostru solar. Desigur, gândul se îndreaptă către stele. La urma urmei, mai devreme s-a înțeles că zborurile în jurul Pământului, zborurile către alte planete ale sistemului nostru solar nu sunt scopul final. A deschide calea către stele părea a fi sarcina principală.Aceste cuvinte nu aparțin unui scriitor de science-fiction, ci designerului și cosmonautului de nave spațiale Konstantin Feoktistov. Potrivit omului de știință, nu se va găsi nimic deosebit de nou în sistemul solar. Și asta în ciuda faptului că omul a zburat până acum doar pe Lună...
Cu toate acestea, în afara sistemului solar, presiunea luminii solare se va apropia de zero. Prin urmare, există un proiect de accelerare a unei barca cu pânze solare cu sisteme laser de la un asteroid.
Toate acestea sunt încă teorie, dar primii pași sunt deja făcuți.
În 1993, o velă solară de 20 de metri lățimea a fost instalată pentru prima dată pe nava rusă Progress M-15, ca parte a proiectului Znamya-2. La andocarea Progress cu stația Mir, echipajul său a instalat o unitate de desfășurare a reflectoarelor la bordul Progress. Drept urmare, reflectorul a creat un punct luminos de 5 km lățime, care a trecut prin Europa până în Rusia cu o viteză de 8 km/s. Peticul de lumină avea o luminozitate aproximativ echivalentă cu cea a lunii pline.
Deci, avantajul unei barca cu pânze solare este lipsa combustibilului la bord, dezavantajele sunt vulnerabilitatea designului pânzei: de fapt, este o folie subțire întinsă peste un cadru. Unde este garanția că vela nu va primi găuri de la particulele cosmice pe parcurs?
Versiunea cu vele poate fi potrivită pentru lansarea de sonde automate, stații și nave de marfă, dar nu este potrivită pentru zboruri retur cu echipaj. Există și alte modele pentru navele stelare, dar ele seamănă cumva cu cele enumerate mai sus (cu aceleași probleme masive).
SURPRIZE ÎN SPATIUL INTERSTELAR
Se pare că multe surprize îi așteaptă pe călători în univers. De exemplu, tocmai aplecându-se în afara sistemului solar, dispozitivul american „Pioneer-10” a început să experimenteze o forță de origine necunoscută, provocând o decelerare slabă. Au fost făcute multe sugestii, până la efectele încă necunoscute ale inerției sau chiar ale timpului. Nu există încă o explicație clară pentru acest fenomen, sunt luate în considerare o varietate de ipoteze: de la cele tehnice simple (de exemplu, forța reactivă de la o scurgere de gaz într-un aparat) până la introducerea de noi legi fizice.
O altă navă spațială, Voyager 1, a detectat o zonă cu un câmp magnetic puternic la marginea sistemului solar. În ea, presiunea particulelor încărcate din spațiul interstelar determină îngroșarea câmpului creat de Soare. Dispozitivul a mai înregistrat:
- o creștere a numărului de electroni de înaltă energie (de aproximativ 100 de ori) care pătrund în sistemul solar din spațiul interstelar;
- o creștere bruscă a nivelului razelor cosmice galactice - particule încărcate cu energie înaltă de origine interstelară.
Spațiul dintre stele nu este gol. Peste tot există resturi de gaz, praf, particule. Când încercați să vă mișcați cu o viteză apropiată de viteza luminii, fiecare atom care se ciocnește cu nava va fi ca o particulă de raze cosmice de înaltă energie. Nivelul de radiații dure în timpul unui astfel de bombardament va crește inacceptabil chiar și în timpul zborurilor către cele mai apropiate stele.
Și impactul mecanic al particulelor la astfel de viteze va fi asemănat cu gloanțe explozive. Conform unor calcule, fiecare centimetru al ecranului de protecție al navei ar fi tras în mod continuu cu o rată de 12 focuri pe minut. Este clar că niciun ecran nu poate rezista la o asemenea expunere timp de câțiva ani de zbor. Sau va trebui să aibă o grosime inacceptabilă (zeci și sute de metri) și o greutate (sute de mii de tone).
De fapt, atunci nava va consta în principal din acest ecran și combustibil, care va necesita câteva milioane de tone. Datorită acestor împrejurări, zborurile cu astfel de viteze sunt imposibile, cu atât mai mult cu cât pe parcurs poți să dai peste praf, ci și cu ceva mai mare, sau să fii prins într-un câmp gravitațional necunoscut. Și apoi moartea este din nou inevitabilă. Astfel, chiar dacă este posibilă accelerarea navei spațiale la viteza subluminală, atunci aceasta nu va atinge obiectivul final - vor fi prea multe obstacole pe drum. Prin urmare, zborurile interstelare pot fi efectuate doar la viteze semnificativ mai mici. Dar apoi factorul timp face ca aceste zboruri să nu aibă sens.
Se dovedește că este imposibil de rezolvat problema transportului corpurilor materiale pe distanțe galactice la viteze apropiate de viteza luminii. Nu are sens să străpungi spațiul și timpul cu ajutorul unei structuri mecanice.
GAURA DE CATIȚĂ
Science-fiction, încercând să depășească timpul inexorabil, a inventat cum să „rodă găuri” în spațiu (și timp) și să-l „plieze”. Au venit cu o varietate de salturi de hiperspațiu dintr-un punct al spațiului în altul, ocolind zonele intermediare. Acum oamenii de știință s-au alăturat scriitorilor de science fiction.
Fizicienii au început să caute stări extreme ale materiei și lacune exotice în univers, în care te poți mișca cu o viteză superluminală contrară teoriei relativității a lui Einstein.
Așa s-a născut ideea găurii de vierme. Această vizuină leagă cele două părți ale Universului ca un tunel sculptat care leagă două orașe separate de un munte înalt. Din păcate, găurile de vierme sunt posibile doar în vid absolut. În universul nostru, aceste vizuini sunt extrem de instabile: pur și simplu se pot prăbuși înainte ca o navă spațială să ajungă acolo.
Totuși, pentru a crea găuri de vierme stabile, poți folosi efectul descoperit de olandezul Hendrik Casimir. Constă în atracția reciprocă a corpurilor neîncărcate conducătoare sub acțiunea oscilațiilor cuantice în vid. Se dovedește că vidul nu este complet gol, există fluctuații în câmpul gravitațional, în care particulele și găurile de vierme microscopice apar și dispar spontan.
Rămâne doar să găsiți una dintre găuri și să o întindeți, așezând-o între două bile supraconductoare. O gură a găurii de vierme va rămâne pe Pământ, cealaltă va fi mutată de nava spațială cu o viteză apropiată de lumina către stea - obiectul final. Adică, nava spațială va pătrunde, parcă, printr-un tunel. Odată ce nava ajunge la destinație, gaura de vierme se va deschide pentru o călătorie interstelară cu o viteză fulgerătoare, a cărei durată va fi calculată în minute.
BUBILĂ DE URZEZI
Asemănător cu teoria curburii bulelor găurilor de vierme. În 1994, fizicianul mexican Miguel Alcubierre a efectuat calcule conform ecuațiilor lui Einstein și a găsit posibilitatea teoretică de deformare a undelor a continuumului spațial. În acest caz, spațiul se va micșora în fața navei spațiale și simultan se va extinde în spatele acesteia. Nava spațială este, parcă, plasată într-o bulă warp capabilă să se miște cu o viteză nelimitată. Geniul ideii este că nava spațială se odihnește într-o bula de curbură, iar legile teoriei relativității nu sunt încălcate. În același timp, bula de curbură în sine se mișcă, distorsionând local spațiu-timp.
În ciuda imposibilității de a călători mai repede decât lumina, nimic nu împiedică spațiul să se miște sau să propage curbele spațiu-timp mai repede decât lumina, ceea ce se crede că s-a întâmplat imediat după Big Bang la formarea Universului.
Toate aceste idei nu se încadrează încă în cadrul științei moderne, dar în 2012, reprezentanții NASA au anunțat pregătirea unui test experimental al teoriei dr. Alcubierre. Cine știe, poate că teoria relativității a lui Einstein va deveni într-o zi parte a unei noi teorii globale. La urma urmei, procesul de învățare este nesfârșit. Așadar, într-o zi vom putea străpunge spinii până la stele.
Irina GROMOVA
Actualul record de viteză în spațiu este deținut de 46 de ani. Când va fi bătut? Noi, oamenii, suntem obsedați de viteză. Așadar, abia în ultimele luni s-a știut că studenții din Germania au stabilit un record de viteză pentru o mașină electrică, iar în SUA plănuiesc să îmbunătățească aeronavele hipersonice în așa fel încât să dezvolte viteze de cinci ori mai mari decât viteza sunetului, adică. peste 6100 km/h. Astfel de aeronave nu vor avea echipaj, dar nu pentru că oamenii nu se pot deplasa cu o viteză atât de mare. De fapt, oamenii s-au deplasat deja cu o viteză care este de câteva ori mai mare decât viteza sunetului.Totuși, există o limită, după ce au depășit-o, corpurile noastre care se grăbesc rapid nu vor mai putea rezista la suprasarcini?Recordul actual de viteză este la fel de deținut de trei astronauți care au participat la misiunea spațială Apollo 10", - Tom Stafford, John Young și Eugene Cernan. În 1969, când astronauții au zburat în jurul Lunii și s-au întors înapoi, capsula în care se aflau, a dezvoltat o viteză care pe Pământul ar fi egal cu 39,897 km/h. „Cred că acum o sută de ani, cu greu ne-am fi putut imagina că o persoană s-ar putea deplasa în spațiu cu o viteză de aproape 40 de mii de kilometri pe oră”, spune Jim Bray despre concernul aerospațial Lockheed Martin. ), care este dezvoltat de Agenția Spațială SUA NASA. Așa cum a fost concepută de dezvoltatori, nava spațială Orion este o navă spațială multifuncțională și parțial reutilizabilă - ar trebui să aducă astronauții pe orbita joasă a Pământului. S-ar putea ca cu ajutorul acestuia să se poată doborî recordul de viteză stabilit pentru o persoană în urmă cu 46 de ani.Noua rachetă super-grea, care face parte din Sistemul de Lansare Spațială, ar trebui, conform planului, să-și facă primul zbor cu echipaj în 2021. Acesta va fi un zbor al unui asteroid pe o orbită lunară, apoi ar trebui să urmeze expediții de mai multe luni pe Marte. Acum, potrivit designerilor, viteza maximă obișnuită a lui Orion ar trebui să fie de aproximativ 32.000 km/h. Cu toate acestea, viteza atinsă de Apollo 10 ar putea fi depășită chiar dacă s-ar menține configurația de bază a lui Orion.ceea ce plănuim acum.Dar nici măcar Orionul nu va reprezenta vârful potențialului vitezei umane. „Practic, nu există altă limită pentru viteza cu care putem călători, în afară de viteza luminii”, spune Bray. Viteza luminii este de un miliard de km/h. Există vreo speranță că vom putea depăși decalajul dintre 40 de mii de km/h și aceste valori?În mod surprinzător, viteza ca mărime vectorială care denotă viteza de mișcare și direcția de mișcare nu este o problemă pentru oameni în sens fizic, atâta timp cât este relativ constantă și îndreptată într-o singură direcție.De aceea oamenii – teoretic – se pot deplasa în spațiu doar puțin mai lent decât „limita de viteză a universului”, adică. viteza luminii. Dar chiar și presupunând că depășim obstacolele tehnologice semnificative asociate cu construirea de nave spațiale rapide, corpurile noastre fragile, în mare parte de apă, se vor confrunta cu noi pericole asociate cu efectele vitezei mari. Și până acum pot apărea doar pericole imaginare, dacă oamenii poate călători mai repede decât viteza luminii prin exploatarea lacunelor din fizica modernă sau prin descoperiri care sparg tiparul. Cum să reziste la suprasarcină Cu toate acestea, dacă intenționăm să ne mișcăm cu o viteză de peste 40 de mii de km/h, va trebui să o atingem, apoi să încetinim, încet și cu răbdare.Accelerația rapidă și decelerația la fel de rapidă sunt pline de pericol de moarte. la corpul uman. Acest lucru este dovedit de gravitatea vătămărilor corporale rezultate în urma accidentelor de mașină, în care viteza scade de la câteva zeci de kilometri pe oră la zero. Care este motivul pentru aceasta? În acea proprietate a Universului, care se numește inerție sau capacitatea unui corp fizic cu masă de a rezista unei schimbări a stării sale de repaus sau de mișcare în absența sau compensarea influențelor externe.Această idee este formulată în prima lege a lui Newton, care spune: „Fiecare corp continuă să fie menținut în starea sa de repaus sau de mișcare uniformă și rectilinie, atâta timp cât nu este forțat de forțele aplicate să schimbe această stare. „Starea de repaus și mișcare cu o viteză constantă este normală pentru om. corp", explică Bray. „Ar trebui să ne îngrijorăm mai degrabă cu privire la starea unei persoane în momentul accelerării „În urmă cu aproximativ un secol, dezvoltarea aeronavelor durabile care puteau manevra cu viteză i-a determinat pe piloți să vorbească despre simptome ciudate cauzate de schimbările de viteză. și direcția de zbor. Aceste simptome includ pierderea temporară a vederii și o senzație fie de greutate, fie de imponderabilitate.Motivul este forțele g, măsurate în unități de G, care este raportul dintre accelerația liniară și accelerația datorată gravitației de pe suprafața Pământului sub influența atracție sau gravitație. Aceste unități reflectă efectul accelerației în cădere liberă asupra masei, de exemplu, a corpului uman.O suprasarcină de 1 G este egală cu greutatea unui corp care se află în câmpul gravitațional al Pământului și este atras de centrul planetei. la o viteză de 9,8 m/s (la nivelul mării).pe care o persoană le experimentează pe verticală din cap până în picioare sau invers sunt o veste cu adevărat proastă pentru piloți și pasageri. încetinind, sângele curge de la degetele de la picioare la cap, există o senzație de suprasaturare, ca într-o poziție de mână. „Valul roșu” (sentimentul pe care îl experimentează o persoană când sângele curge la cap) apare atunci când sângele umflat, translucid. pleoapele inferioare se ridică și închid pupilele ochilor. Și, dimpotrivă, în timpul accelerării sau al forțelor G pozitive, sângele se scurge de la cap la picioare, ochii și creierul încep să experimenteze o lipsă de oxigen, deoarece sângele se acumulează. in extremitatile inferioare. are loc o pierdere a vederii culorii și se rostogolește, după cum se spune, un „voal gri”, apoi apare o pierdere completă a vederii sau un „voal negru”, dar persoana rămâne conștientă. Supraîncărcările excesive duc la pierderea completă a conștienței. Această afecțiune se numește sincopă indusă de congestie. Mulți piloți au murit din cauza faptului că un „voal negru" le-a căzut peste ochi - și s-au prăbușit. O persoană obișnuită poate suporta o suprasolicitare de aproximativ cinci G înainte de a-și pierde cunoștința. Piloții îmbrăcați în costume speciale anti-g și antrenați într-un mod special de a încorda și relaxa mușchii trunchiului, astfel încât sângele să nu se scurgă din cap, sunt capabili să piloteze un avion la forțe g de aproximativ nouă Gs. „Pentru perioade scurte de timp, corpul uman poate rezista mult mai multe forţe G decât nouă G", spune Jeff Sventek, director executiv al Asociaţiei Aerospace Medicine, cu sediul în Alexandria, Virginia. - Dar foarte puţini oameni pot rezista forţelor G mari pentru o perioadă lungă de timp. „Noi, oamenii suntem capabili să suporte forțe G uriașe fără răni grave, totuși, doar pentru câteva momente. pune pe căpitanul forțelor aeriene americane Eli Bieding Jr. viabase Holloman în New Mexico. În 1958, la frânarea pe o sanie specială propulsată de rachetă, după ce a accelerat la 55 km/h în 0,1 secunde, a experimentat o suprasarcină de 82,3 G. Acest rezultat a fost înregistrat de un accelerometru atașat la piept. Ochii lui Beeding au fost acoperiți de asemenea cu un „voal negru”, dar a scăpat doar cu vânătăi în timpul acestei demonstrații remarcabile a rezistenței corpului uman. Adevărat, după sosire, a petrecut trei zile în spital. Și acum în spațiu, astronauții, în funcție de vehicul, au experimentat și ei forțe G destul de mari - de la trei până la cinci G - în timpul decolărilor și, respectiv, la întoarcerea în straturile dense ale atmosferei, poziție predispusă în direcția zborului. atingând o viteză stabilă de croazieră de 26.000 km/h pe orbită, astronauții experimentează viteza nu mai mult decât pasagerii zborurilor comerciale.Dacă supraîncărcările nu sunt o problemă pentru expedițiile lungi pe navele spațiale Orion, atunci cu roci spațiale mici - micrometeoriți - sunt din ce în ce mai dificile. Aceste particule de mărimea unui bob de orez pot dezvolta viteze impresionante și în același timp distructive de până la 300 de mii de km/h. Pentru a asigura integritatea navei și siguranța echipajului său, Orion este echipat cu un strat de protecție extern, a cărui grosime variază de la 18 la 30 cm. În plus, sunt prevăzute scuturi suplimentare de ecranare și plasarea inteligentă a echipamentului în interior. nava este folosită. important pentru întreaga navă spațială, trebuie să calculăm cu precizie unghiurile de apropiere ale micrometeoriților”, spune Jim Bray. Fii sigur că micrometeoriții nu sunt singurul obstacol în calea misiunilor spațiale, în timpul cărora vitezele mari de zbor ale omului în vid vor juca un rol important. rol din ce în ce mai important.în timpul expediției pe Marte vor trebui rezolvate și alte probleme practice, de exemplu, pentru aprovizionarea echipajului cu alimente și contracararea riscului crescut de cancer din cauza efectelor radiațiilor spațiale asupra corpului uman.Reducerea timpului de călătorie. va reduce severitatea unor astfel de probleme, astfel încât viteza de mișcare va deveni din ce în ce mai de dorit Oh. Zborul spațial de generație următoareAceastă nevoie de viteză va ridica noi obstacole în calea călătorilor în spațiu.Noua navă spațială a NASA, care amenință să doboare recordul de viteză Apollo 10, va continua să se bazeze pe sisteme chimice de propulsie a rachetelor testate în timp, folosite încă de la primele zboruri spațiale. Dar aceste sisteme au limite severe de viteză datorită eliberării de cantități mici de energie pe unitatea de combustibil. Prin urmare, pentru a crește semnificativ viteza de zbor pentru oamenii care merg pe Marte și nu numai, așa cum recunosc oamenii de știință, sunt necesare abordări complet noi. „Sistemele pe care le avem astăzi sunt destul de capabile să ne ducă acolo”, spune Bray, „dar cu toții ne-ar plăcea să asistăm la o revoluție a propulsiei.” Eric Davis, fizician cercetător senior la Institutul pentru Studii Avansate din Austin, Texas, și membru al Programului de fizică a mișcării de la NASA, un proiect de cercetare de șase ani care s-a încheiat în 2002, au identificat trei dintre cele mai promițătoare mijloace, din punctul de vedere al fizicii tradiționale, capabile să ajute umanitatea să atingă viteze rezonabile suficiente pentru călătoria interplanetară.Pe scurt, vorbim despre fenomenele de eliberare a energiei în timpul divizării materiei, fuziunea termonucleară și anihilarea antimateriei.Prima metoda consta in fisiunea atomilor si se foloseste in reactoare nucleare comerciale.A doua, fuziunea termonucleara, este creând atomi mai grei din atomi mai simpli — genul de reacții care alimentează soarele. Aceasta este o tehnologie care fascinează, dar nu este dată mâinilor; este „întotdeauna la 50 de ani distanță” – și va fi întotdeauna, așa cum spune vechiul motto al industriei. „Acestea sunt tehnologii foarte avansate”, spune Davis, „dar se bazează pe fizica tradițională și s-au stabilit ferm încă de la începutul anului. epoca atomică”. Potrivit estimărilor optimiste, sistemele de propulsie bazate pe conceptele de fisiune atomică și fuziune termonucleară, în teorie, sunt capabile să accelereze o navă până la 10% din viteza luminii, adică. până la o viteză foarte demnă de 100 de milioane de km / h. Cea mai preferată, deși evazivă, sursă de energie pentru o navă spațială rapidă este antimateria, geamăna și antipodul materiei obișnuite. Când două tipuri de materie intră în contact, se distrug reciproc, rezultând în eliberarea de energie pură .Tehnologii pentru producerea și stocarea - până acum extrem de mici - cantități de antimaterie există deja astăzi.Totodată, producția de antimaterie în cantități utile va necesita noi capacități speciale ale următoarei generații și inginerie. va trebui să intre într-o cursă competitivă pentru a crea o navă spațială adecvată. Dar, spune Davis, destul de multe idei grozave sunt deja puse la punct pe planșele de desen. Navele spațiale alimentate cu energie antimaterie ar putea accelera luni și chiar ani și ar putea ajunge la procente mai mari. a vitezei luminii. În același timp, supraîncărcările de la bord vor rămâne acceptabile pentru locuitorii navelor.În același timp, astfel de viteze fantastice noi vor fi, de asemenea, pline de alte pericole pentru corpul uman. Grindină energică Cu o viteză de câteva sute de milioane de kilometri pe oră, orice fir de praf din spațiu, de la atomi de hidrogen pulverizat la micrometeoriți, devine inevitabil un glonț de mare energie care poate străpunge corpul unei nave.” Când te miști cu o viteză foarte mare, aceasta înseamnă că particulele care zboară spre tine se mișcă cu aceleași viteze", spune Arthur Edelstein. Împreună cu regretatul său tată, William Edelstein, profesor de radiologie la Școala de Medicină a Universității Johns Hopkins, a lucrat la o lucrare științifică care a examinat efectele expunerii la atomii de hidrogen cosmic (asupra oamenilor și a echipamentelor) în timpul călătoriilor ultrarapide în spațiu.Deși conținutul său nu depășește un atom pe centimetru cub, hidrogenul împrăștiat în spațiu poate dobândi proprietățile unui bombardament intens cu radiații.Hidrogenul va începe să se descompună în particule subatomice care vor pătrunde în navă și vor expune radiații atât către echipaj, cât și către echipament. La o viteză egală cu 95% din viteza luminii, expunerea la astfel de radiații ar însemna moarte aproape instantanee. , va fierbe imediat. „Toate acestea sunt probleme extrem de neplăcute”, remarcă Edelstein cu umor sumbru. se deplasează cu o viteză mai mică de jumătate din viteza sunetului. Atunci oamenii de la bord au o șansă de a supraviețui. Mark Millis, un fizician translațional și fost șef al Programului de fizică a mișcării al NASA, avertizează că această limită potențială de viteză pentru zborurile spațiale rămâne o problemă pentru viitorul îndepărtat. „Pe baza cunoștințelor fizice acumulate. până în prezent, se poate spune că va fi extrem de dificil să dezvolți o viteză de peste 10% din viteza luminii", spune Millis. "Nu suntem încă în pericol. O simplă analogie: de ce să ne îngrijorăm că ne putem îneca , daca tot nu am intrat in apa. Mai rapid decat lumina? Dacă presupunem că, ca să spunem așa, am învățat să înotăm, putem stăpâni atunci alunecarea prin spațiu-timp - dacă dezvoltăm această analogie în continuare - și zburăm cu viteză superluminală? Ipoteza unei capacități înnăscute de a supraviețui într-un mediu superluminal , deși îndoielnic, nu este lipsit de anumite scăpări de iluminare educată în întunericul total. Unul dintre aceste moduri de transport intrigante se bazează pe tehnologii similare cu cele utilizate în „warp drive” sau „warp drive” din seria Star Trek. Principiul Funcționarea acestui sistem de propulsie, cunoscut și sub denumirea de „Motor Alcubierre”* (numit după fizicianul teoretician mexican Miguel Alcubierre) este că permite navei să comprime spațiul-timp normal descris de Albert Einstein în fața sa și să o extindă. în spatele ei. În esență, nava se mișcă într-un anumit volum de spațiu-timp, un fel de „bule de curbură” care se mișcă mai repede decât viteza luminii. Astfel, nava rămâne staționară în spațiu-timp normal în această „bulă” fără a fi deformată și evitând încălcările limitei universale de viteză a luminii. ca un surfer care se repezi pe o placă de-a lungul creastei unui val. „Există o anumită captură aici. Pentru a implementa această idee, este nevoie de o formă exotică de materie cu masă negativă care să comprima și să extindă spațiu-timp. „Fizica nu conține contraindicații privind masa negativă”, spune Davis, „dar nu există exemple în acest sens și avem nu l-am văzut niciodată în natură.” .Există o altă captură. Într-o lucrare publicată în 2012, cercetătorii de la Universitatea din Sydney au speculat că „bula de urzeală” va acumula particule cosmice de înaltă energie, deoarece în mod inevitabil începea să interacționeze cu conținutul universului. Unele dintre particule ar pătrunde în bula însăși și pompa nava cu radiații. Blocați la viteze sub-lumină? Suntem într-adevăr condamnați să rămânem blocați la viteze sub-lumină din cauza biologiei noastre delicate?! Nu este atât de mult despre stabilirea unui nou record mondial (galactic?) de viteză pentru oameni, ci despre perspectiva umanității transformându-se într-o societate interstelară .La jumătate din viteza luminii - care este limita pe care, conform cercetărilor lui Edelstein, corpul nostru o poate rezista - o călătorie dus-întors la cea mai apropiată stea va dura mai mult de 16 ani. (Efectele dilatării timpului, care ar face ca echipajul unei nave spațiale să treacă mai puțin timp în sistemul lor de coordonate decât oamenii rămași pe Pământ în sistemul lor de coordonate nu ar fi dramatice la jumătate din viteza luminii.) Mark Millis este plin de speranță . Având în vedere că omenirea a dezvoltat costume anti-g și protecție împotriva micrometeoriților, permițând oamenilor să călătorească în siguranță pe marea distanță albastră și în întunericul spațiului plin de stele, el este încrezător că putem găsi modalități de a supraviețui, indiferent cât de mare viteză. frontierele pe care le atingem în viitor. „Însuși tehnologiile care ne pot ajuta să atingem noi viteze incredibile de mișcare, muzea Millis, ne vor oferi capacități noi, încă necunoscute, pentru protejarea echipajelor. Și în 1995, fizicianul teoretician rus Serghei Krasnikov a propus conceptul unui dispozitiv pentru călătorii în spațiu mai rapid decât viteza sunetului. Ideea a fost numită „țevile lui Krasnikov.” Aceasta este o curbură artificială a spațiului-timp conform principiului așa-numitei găuri de vierme. Ipotetic, nava se va deplasa în linie dreaptă de la Pământ la o stea dată printr-un spațiu-timp curbat, trecând prin alte dimensiuni.Conform teoriei lui Krasnikov, călătorul spațial se va întoarce înapoi în același timp în care a pornit.
Doctor în Științe Tehnice A. GOLUBEV.
La jumătatea anului trecut, în reviste a apărut un reportaj senzațional. Un grup de cercetători americani a descoperit că un impuls laser foarte scurt se deplasează de sute de ori mai repede într-un mediu special selectat decât în vid. Acest fenomen părea absolut incredibil (viteza luminii într-un mediu este întotdeauna mai mică decât în vid) și chiar a dat naștere la îndoieli cu privire la validitatea teoriei relativității speciale. Între timp, un obiect fizic superluminal - un impuls laser într-un mediu de amplificare - a fost descoperit pentru prima dată nu în 2000, ci cu 35 de ani mai devreme, în 1965, iar posibilitatea mișcării superluminale a fost discutată pe larg până la începutul anilor '70. Astăzi, discuția despre acest fenomen ciudat a izbucnit cu o vigoare reînnoită.
Exemple de mișcare „superluminală”.
La începutul anilor 1960, impulsurile de lumină scurte de mare putere au început să fie obținute prin trecerea unui bliț laser printr-un amplificator cuantic (un mediu cu o populație inversă).
Într-un mediu de amplificare, regiunea inițială a unui impuls de lumină determină emisia stimulată de atomi în mediul de amplificare, iar regiunea sa finală determină absorbția de energie de către aceștia. Ca rezultat, observatorului i se va părea că pulsul se mișcă mai repede decât lumina.
Experimentul Lijun Wong.
Un fascicul de lumină care trece printr-o prismă dintr-un material transparent (cum ar fi sticla) este refractat, adică experimentează dispersie.
Un impuls de lumină este un set de oscilații de diferite frecvențe.
Probabil că toată lumea – chiar și oamenii departe de fizică – știe că viteza maximă posibilă de mișcare a obiectelor materiale sau de propagare a oricăror semnale este viteza luminii în vid. Este marcat cu litera cuși este de aproape 300 de mii de kilometri pe secundă; valoare exacta cu= 299 792 458 m/s. Viteza luminii în vid este una dintre constantele fizice fundamentale. Imposibilitatea de a atinge viteze depășite cu, rezultă din teoria relativității speciale (SRT) a lui Einstein. Dacă ar fi posibil să se demonstreze că transmisia de semnale cu viteză superluminală este posibilă, teoria relativității ar cădea. Până acum, acest lucru nu s-a întâmplat, în ciuda numeroaselor încercări de a respinge interzicerea existenței unor viteze mai mari decât cu. Cu toate acestea, studii experimentale recente au scos la iveală unele fenomene foarte interesante, indicând faptul că în condiții special create este posibil să se observe viteze superluminale fără a încălca principiile teoriei relativității.
Pentru început, să reamintim principalele aspecte legate de problema vitezei luminii. În primul rând: de ce este imposibil (în condiții normale) să se depășească limita de lumină? Pentru că atunci legea fundamentală a lumii noastre este încălcată - legea cauzalității, potrivit căreia efectul nu poate depăși cauza. Nimeni nu a observat vreodată că, de exemplu, un urs a căzut mai întâi mort, iar apoi un vânător împușcat. La viteze care depășesc cu, succesiunea evenimentelor este inversată, banda de timp este rebobinată. Acest lucru se poate observa cu ușurință din următorul raționament simplu.
Să presupunem că ne aflăm pe o anumită navă miracolă cosmică care se mișcă mai repede decât lumina. Apoi, vom ajunge treptat din urmă cu lumina emisă de sursă în momente din ce în ce mai timpurii. În primul rând, am ajunge din urmă cu fotonii emiși, să zicem, ieri, apoi - emiși alaltăieri, apoi - o săptămână, o lună, un an în urmă și așa mai departe. Dacă sursa de lumină ar fi o oglindă care reflectă viața, atunci am vedea mai întâi evenimentele de ieri, apoi alaltăieri și așa mai departe. Am putea vedea, să zicem, un bătrân care treptat se transformă într-un bărbat de vârstă mijlocie, apoi într-un tânăr, într-un tânăr, într-un copil... Adică timpul s-ar întoarce, am trece din prezent la trecutul. Cauza și efectul ar fi apoi inversate.
Deși acest argument ignoră complet detaliile tehnice ale procesului de observare a luminii, din punct de vedere fundamental, demonstrează clar că mișcarea cu o viteză superluminală duce la o situație imposibilă în lumea noastră. Cu toate acestea, natura a stabilit condiții și mai stricte: mișcarea este de neatins nu numai la viteza superluminală, ci și la o viteză egală cu viteza luminii - poți doar să te apropii de ea. Din teoria relativității rezultă că, odată cu creșterea vitezei de mișcare, apar trei circumstanțe: masa unui obiect în mișcare crește, dimensiunea acestuia scade în direcția mișcării și trecerea timpului pe acest obiect încetinește (de la punctul de vedere al unui observator extern „odihnitor). La viteze obișnuite, aceste modificări sunt neglijabile, dar pe măsură ce ne apropiem de viteza luminii, ele devin din ce în ce mai vizibile, iar în limită - la o viteză egală cu cu, - masa devine infinit de mare, obiectul își pierde complet dimensiunea în direcția mișcării și timpul se oprește asupra lui. Prin urmare, niciun corp material nu poate atinge viteza luminii. Doar lumina în sine are o asemenea viteză! (Și, de asemenea, particula „tot-penetrează” - neutrinul, care, ca și fotonul, nu se poate mișca cu o viteză mai mică decât cu.)
Acum despre viteza de transmisie a semnalului. Aici este potrivit să folosim reprezentarea luminii sub formă de unde electromagnetice. Ce este un semnal? Acestea sunt câteva informații care trebuie transmise. O undă electromagnetică ideală este o sinusoidă infinită de strict o frecvență și nu poate transporta nicio informație, deoarece fiecare perioadă a unui astfel de sinusoid o repetă exact pe cea anterioară. Viteza cu care se mișcă faza undei sinusoidale - așa-numita viteză de fază - poate depăși viteza luminii în vid în anumite condiții. Nu există restricții aici, deoarece viteza de fază nu este viteza semnalului - nu există încă. Pentru a crea un semnal, trebuie să faceți un fel de „marcă” pe val. Un astfel de marcaj poate fi, de exemplu, o modificare a oricăruia dintre parametrii undei - amplitudine, frecvență sau fază inițială. Dar de îndată ce se face marcajul, unda își pierde sinusoidalitatea. Ea devine modulată, constând dintr-un set de unde sinusoidale simple cu diferite amplitudini, frecvențe și faze inițiale - un grup de unde. Viteza de mișcare a semnului în unda modulată este viteza semnalului. Când se propagă într-un mediu, această viteză coincide de obicei cu viteza grupului care caracterizează propagarea grupului de unde de mai sus în ansamblu (a se vedea „Știința și viața” nr. 2, 2000). În condiții normale, viteza grupului și, prin urmare, viteza semnalului, este mai mică decât viteza luminii în vid. Nu este o coincidență că aici este folosită expresia „în condiții normale”, deoarece în unele cazuri viteza de grup poate depăși și cu sau chiar pierde sensul, dar atunci nu se aplică propagarii semnalului. În SRT se stabilește că este imposibil să se transmită un semnal la o viteză mai mare decât cu.
De ce este așa? Deoarece obstacol în calea transmiterii oricărui semnal la o viteză mai mare decât cu se aplică aceeași lege a cauzalității. Să ne imaginăm o astfel de situație. La un moment dat A, un fulger luminos (evenimentul 1) pornește un dispozitiv care trimite un anumit semnal radio, iar la un punct la distanță B, sub acțiunea acestui semnal radio, are loc o explozie (evenimentul 2). Este clar că evenimentul 1 (flash) este cauza, iar evenimentul 2 (explozia) este efectul care apare mai târziu decât cauza. Dar dacă semnalul radio s-ar propaga cu o viteză superluminală, un observator din apropierea punctului B ar vedea mai întâi o explozie și abia apoi - aceasta a ajuns la el cu o viteză. cu fulger de lumină, cauza exploziei. Cu alte cuvinte, pentru acest observator, evenimentul 2 s-ar fi petrecut înaintea evenimentului 1, adică efectul ar fi precedat cauza.
Este oportun să subliniem că „interdicția superluminală” a teoriei relativității se impune numai mișcării corpurilor materiale și transmiterii semnalelor. În multe situații este posibil să se deplaseze cu orice viteză, dar va fi mișcarea obiectelor nemateriale și a semnalelor. De exemplu, imaginați-vă două rigle destul de lungi situate în același plan, dintre care unul este situat orizontal, iar celălalt îl intersectează într-un unghi mic. Dacă prima linie este deplasată în jos (în direcția indicată de săgeată) cu viteză mare, punctul de intersecție al liniilor poate fi făcut să ruleze arbitrar rapid, dar acest punct nu este un corp material. Un alt exemplu: dacă luați o lanternă (sau, să zicem, un laser care dă un fascicul îngust) și descrieți rapid un arc în aer, atunci viteza liniară a punctului luminos va crește odată cu distanța și, la o distanță suficient de mare, va depăşi cu. Punctul de lumină se va deplasa între punctele A și B la viteză superluminală, dar aceasta nu va fi o transmisie de semnal de la A la B, deoarece un astfel de punct de lumină nu conține nicio informație despre punctul A.
S-ar părea că problema vitezelor superluminale a fost rezolvată. Dar în anii 60 ai secolului XX, fizicienii teoreticieni au avansat ipoteza existenței particulelor superluminale, numite tahioni. Acestea sunt particule foarte ciudate: sunt posibile teoretic, dar pentru a evita contradicțiile cu teoria relativității, a trebuit să li se atribuie o masă imaginară de repaus. Masa imaginară fizic nu există, este o abstractizare pur matematică. Cu toate acestea, acest lucru nu a provocat prea multă îngrijorare, deoarece tahionii nu pot fi în repaus - ei există (dacă există!) numai la viteze care depășesc viteza luminii în vid, iar în acest caz masa tahionului se dovedește a fi reală. Există o analogie aici cu fotonii: un foton are masa de repaus zero, dar asta înseamnă pur și simplu că fotonul nu poate fi în repaus - lumina nu poate fi oprită.
Cel mai dificil lucru a fost, așa cum era de așteptat, să reconciliezi ipoteza tahionică cu legea cauzalității. Încercările făcute în această direcție, deși au fost destul de ingenioase, nu au dus la un succes evident. Nici nimeni nu a reușit să înregistreze experimental tahionii. Ca rezultat, interesul pentru tahioni ca particule elementare superluminale a dispărut treptat.
Cu toate acestea, în anii 60, s-a descoperit experimental un fenomen care i-a dus la început pe fizicieni în confuzie. Acest lucru este descris în detaliu în articolul lui A. N. Oraevsky „Superluminal waves in amplifying media” (UFN nr. 12, 1998). Aici rezumăm pe scurt esența problemei, trimițând cititorul interesat de detalii la articolul menționat.
La scurt timp după descoperirea laserelor, la începutul anilor 1960, a apărut problema obținerii unor impulsuri luminoase scurte (cu o durată de ordinul a 1 ns = 10 -9 s) de mare putere. Pentru a face acest lucru, un scurt impuls laser a fost trecut printr-un amplificator cuantic optic. Pulsul a fost împărțit de o oglindă care diviza fasciculul în două părți. Unul dintre ei, mai puternic, a fost trimis la amplificator, iar celălalt s-a propagat în aer și a servit drept impuls de referință, cu care a fost posibil să se compare pulsul care a trecut prin amplificator. Ambele impulsuri au fost transmise fotodetectorilor, iar semnalele lor de ieșire au putut fi observate vizual pe ecranul osciloscopului. Era de așteptat ca impulsul de lumină care trece prin amplificator să experimenteze o oarecare întârziere în comparație cu impulsul de referință, adică viteza de propagare a luminii în amplificator să fie mai mică decât în aer. Care a fost uimirea cercetătorilor când au descoperit că pulsul se propaga prin amplificator cu o viteză nu numai mai mare decât cea în aer, ci și de câteva ori mai mare decât viteza luminii în vid!
După ce și-au revenit din primul șoc, fizicienii au început să caute motivul unui rezultat atât de neașteptat. Nimeni nu a avut nici cea mai mică îndoială cu privire la principiile teoriei speciale a relativității și tocmai acesta este ceea ce a ajutat la găsirea explicației corecte: dacă principiile SRT sunt păstrate, atunci răspunsul ar trebui căutat în proprietățile mediului de amplificare. .
Fără a intra în detalii aici, menționăm doar că o analiză detaliată a mecanismului de acțiune a mediului de amplificare a clarificat complet situația. Punctul a fost o schimbare a concentrației de fotoni în timpul propagării pulsului - o schimbare datorată unei modificări a câștigului mediului până la o valoare negativă în timpul trecerii părții din spate a pulsului, când mediul este deja absorbind energie, deoarece propria sa rezervă a fost deja epuizată datorită transferului ei către impulsul luminos. Absorbția nu provoacă o creștere, ci o scădere a impulsului și astfel impulsul este întărit în față și slăbit în spate. Să ne imaginăm că observăm pulsul cu ajutorul unui instrument care se mișcă cu viteza luminii în mediul unui amplificator. Dacă mediul ar fi transparent, am vedea un impuls înghețat în imobilitate. În mediul în care are loc procesul menționat mai sus, întărirea marginii de atac și slăbirea marginii de fugă a pulsului vor apărea observatorului în așa fel încât mediul, așa cum ar fi, a mutat pulsul înainte. . Dar din moment ce dispozitivul (observatorul) se mișcă cu viteza luminii, iar impulsul îl depășește, atunci viteza impulsului depășește viteza luminii! Acest efect a fost înregistrat de experimentatori. Și aici chiar nu există nicio contradicție cu teoria relativității: doar că procesul de amplificare este de așa natură încât concentrația de fotoni care au ieșit mai devreme se dovedește a fi mai mare decât cei care au ieșit mai târziu. Nu fotonii se mișcă cu viteză superluminală, ci anvelopa pulsului, în special maximul său, care se observă la osciloscop.
Astfel, în timp ce în mediile obișnuite există întotdeauna o slăbire a luminii și o scădere a vitezei acesteia, determinate de indicele de refracție, în mediile active cu laser, se observă nu doar amplificarea luminii, ci și propagarea unui impuls cu viteză superluminală.
Unii fizicieni au încercat să demonstreze experimental prezența mișcării superluminale în efectul de tunel, unul dintre cele mai uimitoare fenomene din mecanica cuantică. Acest efect constă în faptul că o microparticulă (mai precis, un microobiect care prezintă atât proprietățile unei particule, cât și proprietățile unei unde în diferite condiții) este capabilă să pătrundă așa-numita barieră de potențial - un fenomen care este complet imposibil. în mecanica clasică (în care o astfel de situație ar fi analogă: o minge aruncată într-un perete ar ajunge pe cealaltă parte a peretelui, sau mișcarea ondulatorie dată de o frânghie legată de perete s-ar transmite unei frânghii legate de perete). peretele de pe cealaltă parte). Esența efectului de tunel în mecanica cuantică este următoarea. Dacă un micro-obiect cu o anumită energie întâlnește în drum o zonă cu o energie potențială care depășește energia micro-obiectului, această zonă este o barieră pentru el, a cărei înălțime este determinată de diferența de energie. Dar micro-obiectul „se scurge” prin barieră! Această posibilitate îi este dată de cunoscuta relație de incertitudine Heisenberg, scrisă pentru energia și timpul de interacțiune. Dacă interacțiunea microobiectului cu bariera are loc pentru un timp suficient de definit, atunci energia microobiectului, dimpotrivă, va fi caracterizată de incertitudine, iar dacă această incertitudine este de ordinul înălțimii barierei, atunci aceasta din urmă încetează. să fie un obstacol de netrecut pentru microobiect. Este rata de penetrare prin bariera potențială care a devenit subiectul cercetării unui număr de fizicieni care cred că poate depăși cu.
În iunie 1998, la Köln a avut loc un simpozion internațional despre problemele mișcărilor superluminale, unde au fost discutate rezultatele obținute în patru laboratoare - la Berkeley, Viena, Köln și Florența.
Și în sfârșit, în 2000, au fost raportate două noi experimente în care au apărut efectele propagării superluminale. Una dintre ele a fost realizată de Lijun Wong și colegii de muncă la un institut de cercetare din Princeton (SUA). Rezultatul său este că un impuls de lumină care intră într-o cameră plină cu vapori de cesiu își mărește viteza cu un factor de 300. S-a dovedit că partea principală a pulsului părăsește peretele îndepărtat al camerei chiar înainte ca pulsul să intre în cameră prin peretele frontal. O astfel de situație contrazice nu numai bunul simț, ci, în esență, și teoria relativității.
Raportul lui L. Wong a provocat discuții intense în rândul fizicienilor, dintre care majoritatea nu sunt înclinați să vadă în rezultatele obținute o încălcare a principiilor relativității. Provocarea, cred ei, este de a explica corect acest experiment.
În experimentul lui L. Wong, pulsul luminos care intră în cameră cu vapori de cesiu a avut o durată de aproximativ 3 μs. Atomii de cesiu pot fi în șaisprezece stări posibile de mecanică cuantică, numite „subniveluri magnetice hiperfine ale stării fundamentale”. Cu ajutorul pompei cu laser optic, aproape toți atomii au fost aduși la doar una dintre aceste șaisprezece stări, corespunzătoare temperaturii aproape zero absolute pe scara Kelvin (-273,15 o C). Lungimea camerei de cesiu a fost de 6 centimetri. În vid, lumina parcurge 6 centimetri în 0,2 ns. După cum au arătat măsurătorile, pulsul de lumină a trecut prin camera cu cesiu într-un timp cu 62 ns mai scurt decât în vid. Cu alte cuvinte, timpul de tranzit al unui puls printr-un mediu de cesiu are semnul „minus”! Într-adevăr, dacă scădem 62 ns din 0,2 ns, obținem un timp „negativ”. Această „întârziere negativă” în mediu - un salt de timp de neînțeles - este egală cu timpul în care pulsul ar face 310 treceri prin cameră în vid. Consecința acestei „inversari de timp” a fost că impulsul care părăsea camera a reușit să se îndepărteze de ea cu 19 metri înainte ca impulsul de intrare să ajungă la peretele apropiat al camerei. Cum poate fi explicată o situație atât de incredibilă (cu excepția cazului în care, desigur, nu există nicio îndoială cu privire la puritatea experimentului)?
Judecând după discuția în curs, încă nu a fost găsită o explicație exactă, dar nu există nicio îndoială că proprietățile neobișnuite de dispersie ale mediului joacă un rol aici: vaporii de cesiu, constând din atomi excitați de lumina laser, este un mediu cu dispersie anormală. . Să ne amintim pe scurt despre ce este vorba.
Dispersia unei substanțe este dependența de indicele de refracție de fază (obișnuit). n pe lungimea de undă a luminii l. Cu dispersia normală, indicele de refracție crește odată cu scăderea lungimii de undă, iar acesta este cazul în sticlă, apă, aer și toate celelalte substanțe transparente la lumină. În substanțele care absorb puternic lumina, cursul indicelui de refracție se inversează odată cu modificarea lungimii de undă și devine mult mai abruptă: pe măsură ce l scade (frecvența w crește), indicele de refracție scade brusc și într-un anumit interval de lungimi de undă devine mai mic decât unitatea (fază viteză V f > cu). Aceasta este dispersia anormală, în care modelul de propagare a luminii într-o substanță se schimbă radical. viteza de grup V cp devine mai mare decât viteza de fază a undelor și poate depăși viteza luminii în vid (și, de asemenea, devine negativă). L. Wong indică această împrejurare drept motivul care stă la baza posibilității de a explica rezultatele experimentului său. Cu toate acestea, trebuie remarcat faptul că condiția V gr > cu este pur formal, deoarece conceptul de viteză de grup a fost introdus pentru cazul dispersiei mici (normale), pentru medii transparente, când un grup de unde aproape că nu își schimbă forma în timpul propagării. În regiunile de dispersie anormală, totuși, pulsul luminos este rapid deformat și conceptul de viteză de grup își pierde sensul; in acest caz se introduc conceptele de viteza semnalului si viteza de propagare a energiei, care in mediile transparente coincid cu viteza de grup, in timp ce in mediile cu absorbtie raman mai mici decat viteza luminii in vid. Dar iată ce este interesant la experimentul lui Wong: un impuls de lumină, care trece printr-un mediu cu dispersie anormală, nu se deformează - își păstrează exact forma! Și aceasta corespunde ipotezei că impulsul se propagă cu viteza grupului. Dar dacă da, atunci se dovedește că nu există absorbție în mediu, deși dispersia anormală a mediului se datorează tocmai absorbției! Wong însuși, recunoscând că multe rămân neclare, crede că ceea ce se întâmplă în configurația sa experimentală poate fi explicat clar ca o primă aproximare, după cum urmează.
Un impuls de lumină este format din mai multe componente cu lungimi de undă (frecvențe) diferite. Figura prezintă trei dintre aceste componente (valurile 1-3). La un moment dat, toate cele trei unde sunt în fază (maximele lor coincid); aici ei, adunându-se, se întăresc reciproc și formează un impuls. Pe măsură ce undele se propagă mai departe în spațiu, ele sunt defazate și astfel se „sting” unele pe altele.
În regiunea de dispersie anormală (în interiorul celulei de cesiu), unda care a fost mai scurtă (unda 1) devine mai lungă. În schimb, valul care a fost cel mai lung dintre cele trei (unda 3) devine cel mai scurt.
În consecință, fazele undelor se schimbă și ele în consecință. Când undele au trecut prin celula de cesiu, fronturile lor de undă sunt restaurate. După ce au suferit o modulare de fază neobișnuită într-o substanță cu dispersie anormală, cele trei unde considerate se regăsesc din nou în fază la un moment dat. Aici se adună din nou și formează un puls de exact aceeași formă cu cel care intră în mediul de cesiu.
De obicei, în aer, și într-adevăr în orice mediu transparent normal dispersiv, un impuls luminos nu își poate menține forma cu acuratețe atunci când se propagă pe o distanță îndepărtată, adică toate componentele sale nu pot fi în fază în niciun punct îndepărtat de-a lungul căii de propagare. Și în condiții normale, un impuls de lumină într-un astfel de punct îndepărtat apare după ceva timp. Cu toate acestea, din cauza proprietăților anormale ale mediului utilizat în experiment, pulsul din punctul îndepărtat s-a dovedit a fi fazat în același mod ca la intrarea în acest mediu. Astfel, pulsul luminos se comportă ca și cum ar fi avut o întârziere negativă în drumul său către un punct îndepărtat, adică ar fi ajuns la el nu mai târziu, ci mai devreme decât a trecut de mediu!
Majoritatea fizicienilor sunt înclinați să asocieze acest rezultat cu apariția unui precursor de intensitate scăzută în mediul dispersiv al camerei. Faptul este că în descompunerea spectrală a pulsului, spectrul conține componente de frecvențe arbitrar înalte cu amplitudine neglijabilă, așa-numitul precursor, care merge înaintea „partea principală” a pulsului. Natura stabilirii și forma precursorului depind de legea dispersiei în mediu. Având în vedere acest lucru, succesiunea evenimentelor din experimentul lui Wong se propune să fie interpretată după cum urmează. Valul care vine, „întinde” prevestitorul în fața sa, se apropie de cameră. Înainte ca vârful undei de intrare să lovească peretele apropiat al camerei, precursorul inițiază apariția unui impuls în cameră, care ajunge la peretele îndepărtat și este reflectat din acesta, formând o „undă inversă”. Acest val, se propagă de 300 de ori mai repede cu, ajunge la peretele din apropiere și întâlnește valul de intrare. Vârfurile unui val se întâlnesc cu jgheaburile altuia, astfel încât se anulează reciproc și nu rămâne nimic. Se pare că valul de intrare „returnează datoria” atomilor de cesiu, care i-au „împrumutat” energie la celălalt capăt al camerei. Cineva care urmărea doar începutul și sfârșitul experimentului ar vedea doar un puls de lumină care „sărea” înainte în timp, mișcându-se mai repede cu.
L. Wong crede că experimentul său nu este în concordanță cu teoria relativității. Declarația despre imposibilitatea vitezei superluminale, crede el, este aplicabilă numai obiectelor cu o masă de repaus. Lumina poate fi reprezentată fie sub formă de unde, cărora conceptul de masă este în general inaplicabil, fie sub formă de fotoni cu o masă în repaus, după cum se știe, egală cu zero. Prin urmare, viteza luminii în vid, potrivit lui Wong, nu este limita. Cu toate acestea, Wong admite că efectul pe care l-a descoperit nu face posibilă transmiterea informațiilor la o viteză mai mare decât cu.
„Informațiile de aici sunt deja conținute în vârful impulsului”, spune P. Milonni, fizician la Laboratorul Național Los Alamos din Statele Unite.
Majoritatea fizicienilor cred că noua lucrare nu aduce o lovitură zdrobitoare principiilor fundamentale. Dar nu toți fizicienii cred că problema este rezolvată. Profesorul A. Ranfagni, din echipa de cercetare italiană care a efectuat un alt experiment interesant în 2000, spune că întrebarea este încă deschisă. Acest experiment, realizat de Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni și Rocco Ruggeri, a constatat că undele radio cu unde centimetrice se propagă în aerul obișnuit cu o viteză care depășește cu cu 25%.
Rezumând, putem spune următoarele. Lucrările din ultimii ani arată că, în anumite condiții, viteza superluminală poate avea loc într-adevăr. Dar ce se mișcă exact cu viteza superluminală? Teoria relativității, așa cum sa menționat deja, interzice o astfel de viteză pentru corpurile materiale și pentru semnalele care transportă informații. Cu toate acestea, unii cercetători sunt foarte persistenti în încercările lor de a demonstra depășirea barierei luminoase în mod specific pentru semnale. Motivul pentru aceasta constă în faptul că în teoria relativității speciale nu există o justificare matematică riguroasă (bazată, să zicem, pe ecuațiile lui Maxwell pentru un câmp electromagnetic) pentru imposibilitatea de a transmite semnale la o viteză mai mare decât cu. O astfel de imposibilitate în SRT este stabilită, s-ar putea spune, pur aritmetic, pe baza formulei lui Einstein de adunare a vitezelor, dar în mod fundamental acest lucru este confirmat de principiul cauzalității. Însuși Einstein, luând în considerare problema transmiterii semnalului superluminal, a scris că în acest caz „... suntem forțați să considerăm posibil un mecanism de transmitere a semnalului, atunci când se folosește acțiunea realizată precedă cauza. Dar, deși aceasta rezultă dintr-un mod pur logic. punctul de vedere nu conține, în opinia mea, nicio contradicție, el contrazice totuși caracterul întregii experiențe noastre atât de mult încât imposibilitatea de a presupune V > c pare a fi suficient de dovedit." Principiul cauzalității este piatra de temelie care stă la baza imposibilității transmiterii semnalului superluminal. Și această piatră, aparent, va împiedica toate căutările de semnale superluminale, fără excepție, indiferent cât de mult ar dori experimentatorii să detecteze astfel de semnale. semnale pentru că aceasta este natura lumii noastre.
În concluzie, trebuie subliniat că toate cele de mai sus se aplică în mod specific lumii noastre, Universului nostru. O astfel de rezervare a fost făcută pentru că recent au apărut noi ipoteze în astrofizică și cosmologie care permit existența multor Universuri ascunse de noi, conectate prin tuneluri topologice - jumperi. Acest punct de vedere este împărtășit, de exemplu, de cunoscutul astrofizician N. S. Kardashev. Pentru un observator din exterior, intrările în aceste tuneluri sunt marcate de câmpuri gravitaționale anormale, similare găurilor negre. Mișcările în astfel de tuneluri, așa cum sugerează autorii ipotezelor, vor face posibilă ocolirea limitării vitezei de mișcare impusă în spațiul obișnuit de viteza luminii și, în consecință, realizarea ideii de a crea un mașina timpului... lucruri. Și deși până acum astfel de ipoteze amintesc prea mult de intrigile din science fiction, cu greu ar trebui să respingem categoric posibilitatea fundamentală a unui model multi-element al structurii lumii materiale. Un alt lucru este că toate aceste alte Universuri, cel mai probabil, vor rămâne construcții pur matematice ale fizicienilor teoreticieni care trăiesc în Universul nostru și încearcă să găsească lumi închise pentru noi cu puterea gândurilor lor...
Vedeți într-o cameră pe același subiect
