În septembrie 2011, fizicianul Antonio Ereditato a șocat întreaga lume. Anunțul pe care l-a făcut promitea să răstoarne întreaga înțelegere a universului. Și dacă datele culese de cei 160 de oameni de știință care au participat la programul OPERA erau corecte, atunci asta însemna că s-a descoperit ceva incredibil. Particulele, în acest caz neutrinii, se mișcau mai repede decât viteza luminii.

Descoperire incredibilă

Conform teoriilor relativității lui Einstein, acesta nu ar trebui să fie cazul. Și consecințele de a demonstra că s-a întâmplat ar fi enorme. Multe puncte din fizică ar trebui revizuite. Și deși Ereditato și echipa sa au raportat că au un nivel ridicat de încredere în ceea ce au găsit, ei nu au declarat că sunt sută la sută siguri de acuratețea observațiilor lor. De fapt, ei cereau altor oameni de știință să-i ajute să înțeleagă ce s-a întâmplat.

O eroare în experiment

Drept urmare, s-a dovedit că programul OPERA a fost greșit. Problema cu citirea timpului s-a datorat faptului că cablul era prost conectat, care trebuia să transmită semnale incredibil de precise de la sateliții GPS. În consecință, a existat o întârziere neașteptată în transmiterea semnalului. Astfel, măsurătorile de cât timp a luat un neutrin o anumită distanță au avut o eroare de aproximativ 73 de nanosecunde. Acest lucru a dat impresia că aceste particule se mișcă mai repede decât particulele de lumină.

Efecte

În ciuda lunilor de verificări atente înainte de începerea experimentului, a unui număr mare de verificări repetate ale informațiilor obținute în timpul experimentului, de data aceasta oamenii de știință încă s-au înșelat. Ereditato s-a retras, deși mulți oameni au remarcat că astfel de erori în tehnologia extrem de complexă a acceleratoarelor de particule se întâmplă destul de des. Dar de ce contează atât de mult chiar și cea mai mică sugestie că ceva poate călători mai repede decât viteza luminii? Și chiar cred oamenii că nimic nu poate face asta?

viteza luminii

Să ne uităm mai întâi la a doua dintre aceste întrebări. Viteza luminii în vid este de 299792,458 de kilometri pe secundă - puțin mai puțin față de frumoasa cifră rotundă de 300.000 de kilometri pe secundă. Este foarte rapid. Soarele se află la 150 de milioane de kilometri de Pământ, iar lumina durează doar opt minute și douăzeci de secunde pentru a călători în acest fel. Poate ceva creat de om să concureze cu lumina? Unul dintre cele mai rapide obiecte realizate vreodată de om este sonda spațială New Horizons care a zburat pe lângă Pluto și Charon în 2015. Viteza maximă pe care a putut să o atingă este de 16 kilometri pe secundă, adică mult mai puțin de 300 de mii de kilometri pe secundă.

Experimentați cu electroni

Cu toate acestea, oamenii au reușit să facă particulele mici să se miște cu viteze mult mai mari. La începutul anilor şaizeci, William Bertozzi de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts a experimentat accelerarea electronilor. Deoarece electronii au o sarcină negativă, este posibil să-i puneți în mișcare prin repulsie dacă materialul este încărcat cu aceeași sarcină. Cu cât se folosește mai multă energie, cu atât electronii au devenit mai rapid.

De ce să nu aplici energie maximă?

S-ar putea crede că este suficient să creștem energia aplicată într-o asemenea măsură încât viteza particulei să se dezvolte până la 300.000 de kilometri pe secundă necesari. Cu toate acestea, s-a dovedit că electronii nu se pot mișca atât de repede. Experimentele lui Bertozzi au arătat că utilizarea mai multă energie nu a creat o creștere proporțională a vitezei electronilor. A trebuit să aplice din ce în ce mai multă energie pentru a obține creșteri din ce în ce mai mici ale vitezei particulelor. S-au apropiat din ce în ce mai mult de viteza luminii, dar nu au atins-o niciodată.

Imposibilitatea realizării

Imaginați-vă că trebuie să ajungeți la ușă, făcând pași, dar fiecare pas ulterior va fi jumătate din cel anterior. Mai simplu spus, nu vei ajunge niciodată la ușă, pentru că la fiecare pas ulterior, va exista totuși o anumită distanță între tine și ușă. Aceasta este exact problema pe care Bertozzi a întâlnit-o în experimentul său cu electroni. Cu toate acestea, lumina este formată din particule numite fotoni. De ce se pot mișca aceste particule cu viteza luminii dacă electronii nu pot face treaba?

Caracteristicile fotonilor

Pe măsură ce un obiect se mișcă din ce în ce mai repede, devine din ce în ce mai greu și, astfel, le devine mai greu să prindă viteză, motiv pentru care nu pot atinge niciodată viteza luminii. Fotonii nu au masă. Dacă ar avea masă, nu s-ar putea deplasa cu viteza luminii. Fotonii sunt particule unice. Nu au masă, ceea ce le oferă posibilități nelimitate în timp ce se deplasează în vid, nu au nevoie să accelereze. Energia naturală pe care o posedă în timp ce se mișcă în valuri asigură că, în momentul creării, fotonii au deja limita de viteză.

Am fost învățați de la școală că este imposibil să depășim viteza luminii și, prin urmare, mișcarea unei persoane în spațiul cosmic este o mare problemă insolubilă (cum să zbori către cel mai apropiat sistem solar dacă lumina poate depăși această distanță doar în câteva minute). o mie de ani?). Poate că oamenii de știință americani au găsit o modalitate de a zbura la viteze superioare, nu numai fără a înșela, ci și urmând legile fundamentale ale lui Albert Einstein. În orice caz, așa spune Harold White, autorul proiectului motorului de deformare a spațiului.

Noi, cei de la redacție, am considerat știrea absolut fantastică, așa că astăzi, în ajunul Zilei Cosmonauticii, publicăm un raport al lui Konstantin Kakaes pentru revista Popular Science despre un proiect fenomenal NASA, dacă va avea succes, o persoană va putea depăși. sistemul solar.

În septembrie 2012, câteva sute de oameni de știință, ingineri și pasionați de spațiu s-au reunit pentru cea de-a doua întâlnire publică a grupului numită Nava stelară a 100 de ani. Grupul este condus de fostul astronaut May Jemison și fondat de DARPA. Scopul conferinței este „de a face posibilă călătoria umană dincolo de sistemul solar către alte stele în următoarele sute de ani”. Majoritatea participanților la conferință recunosc că progresul în explorarea spațiului cu echipaj este prea mic. În ciuda miliardelor de dolari cheltuite în ultimele trimestre, agențiile spațiale pot face aproape cât au putut în anii 1960. De fapt, 100 Year Starship este convocată pentru a rezolva toate acestea.

Dar mai la obiect. După câteva zile de conferință, participanții săi au ajuns la cele mai fantastice subiecte: regenerarea organelor, problema religiei organizate la bordul navei etc. Una dintre cele mai interesante prezentări de la întâlnirea Starship 100 Year a fost numită Warp Field Mechanics 102 și a fost susținută de Harold „Sonny” White de la NASA. Veteran al agenției, White conduce Programul Advanced Pulse la Centrul Spațial Johnson (JSC). Împreună cu cinci colegi, a creat „Foaia de parcurs pentru sistemele de propulsie spațială”, care subliniază obiectivele NASA pentru viitoarele călătorii în spațiu. Planul enumeră tot felul de proiecte de propulsie, de la rachete chimice avansate până la dezvoltări de anvergură precum antimaterie sau mașini nucleare. Dar aria de cercetare a lui White este cea mai futuristă dintre toate: se referă la motorul space warp.

așa este de obicei înfățișată bula lui Alcubierre

Conform planului, un astfel de motor va asigura mișcarea în spațiu cu o viteză care depășește viteza luminii. Este în general acceptat că acest lucru este imposibil, deoarece este o încălcare clară a teoriei relativității a lui Einstein. Dar White argumentează contrariul. Ca confirmare a cuvintelor sale, el face apel la așa-numitele bule Alcubierre (ecuații derivate din teoria lui Einstein, conform căreia un corp din spațiul cosmic este capabil să atingă viteze superluminale, spre deosebire de un corp în condiții normale). În prezentare, el a povestit cum a reușit recent să obțină rezultate teoretice care duc direct la crearea unui adevărat motor spațial warp.

Este clar că toate acestea sună absolut fantastic: astfel de evoluții reprezintă o adevărată revoluție care va dezlega mâinile tuturor astrofizicienilor din lume. În loc să petrecem 75.000 de ani călătorind la Alpha Centauri, cel mai apropiat sistem stelar de al nostru, astronauții de pe o navă cu un astfel de motor ar putea face călătoria în câteva săptămâni.

Având în vedere închiderea programului de navetă și rolul din ce în ce mai mare al zborurilor private către orbita joasă a Pământului, NASA spune că se reorientează pe planuri de anvergură, mult mai îndrăznețe, care depășesc cu mult călătoria pe Lună. Aceste obiective pot fi atinse doar prin dezvoltarea de noi sisteme de propulsie - cu cât mai devreme, cu atât mai bine. La câteva zile după conferință, șeful NASA, Charles Bolden, a făcut ecou cuvintele lui White: „Vrem să călătorim mai repede decât viteza luminii și fără oprire pe Marte”.

DE CUM ȘTIM DESPRE ACEST MOTOR

Prima utilizare populară a termenului „space warp drive” datează din 1966, când Star Trek a fost lansat de Jen Roddenberry. În următorii 30 de ani, acest motor a existat doar ca parte a acestei serii fantastice. Un fizician pe nume Miguel Alcubierre a vizionat un episod al seriei exact în timp ce lucra la doctoratul în relativitate generală și se întreba dacă este posibil să creeze o unitate de deformare a spațiului în realitate. În 1994, a publicat o lucrare în care stabilește această poziție.

Alcubierre și-a imaginat o bulă în spațiu. În partea din față a bulei, spațiul-timp se micșorează, iar în spate se extinde (cum a fost la Big Bang, conform fizicienilor). Deformarea va face ca nava să alunece lin prin spațiul cosmic, ca și cum ar fi navigat pe un val, în ciuda zgomotului din jur. În principiu, o bula deformată se poate mișca arbitrar rapid; limitările în viteza luminii, conform teoriei lui Einstein, se aplică numai în contextul spațiu-timpului, dar nu și în astfel de distorsiuni ale spațiului-timp. În interiorul bulei, a prezis Alcubierre, spațiu-timp nu s-ar schimba și călătorii în spațiu nu vor fi afectați.

Ecuațiile lui Einstein în relativitatea generală sunt dificil de rezolvat într-o singură direcție, dând seama cum materia curbează spațiul, dar este realizabil. Folosindu-le, Alcubierre a stabilit că distribuția materiei este o condiție necesară pentru crearea unei bule deformate. Singura problemă este că soluțiile au condus la o formă nedefinită de materie numită energie negativă.

În termeni simpli, gravitația este forța de atracție dintre două obiecte. Fiecare obiect, indiferent de dimensiunea lui, exercită o anumită forță de atracție asupra materiei înconjurătoare. Potrivit lui Einstein, această forță este o curbură a spațiului-timp. Energia negativă este însă negativă gravitațional, adică respingătoare. În loc să conecteze timpul și spațiul, energia negativă le respinge și le separă. În linii mari, pentru ca acest model să funcționeze, Alcubierra are nevoie de energie negativă pentru a extinde spațiul-timp din spatele navei.

În ciuda faptului că nimeni nu a măsurat vreodată în mod specific energia negativă, conform mecanicii cuantice, aceasta există, iar oamenii de știință au învățat cum să o creeze în laborator. O modalitate de a o recrea este prin efectul Kazimirov: două plăci conductoare paralele plasate una lângă cealaltă creează o anumită cantitate de energie negativă. Punctul slab al modelului Alcubierre este că implementarea lui necesită o cantitate imensă de energie negativă, cu câteva ordine de mărime mai mare decât estimează oamenii de știință că poate fi produsă.

White spune că a găsit o cale de a ocoli această limitare. Într-o simulare computerizată, White a modificat geometria câmpului warp, astfel încât, teoretic, să poată produce o bula deformată folosind de milioane de ori mai puțină energie negativă decât a estimat Alcubierra necesară și poate suficient de puțină pentru ca o navă spațială să-și poată transporta mijloacele de producție. . „Descoperirile”, spune White, „schimbă metoda lui Alcubierre de la nepractică la destul de plauzibilă”.

RAPORT DE LA LAB WHITE

Centrul Spațial Johnson este situat lângă lagunele Houston, de unde se deschide calea către Golful Galveston. Centrul este un pic ca un campus de colegiu suburban, având ca scop doar formarea astronauților. În ziua vizitei mele, White mă întâlnește la Clădirea 15, un labirint cu mai multe etaje de coridoare, birouri și laboratoare de testare a motoarelor. White poartă un tricou polo Eagleworks, așa cum își numește experimentele cu motorul, brodat cu un vultur care plutește deasupra unei nave spațiale futuriste.

White și-a început cariera ca inginer făcând cercetări ca parte a unui grup robotic. De-a lungul timpului, el a preluat comanda întregii aripi robotice a ISS în timp ce își termina doctoratul în fizica plasmei. Abia în 2009 și-a mutat atenția către studiul mișcării, iar acest subiect l-a captat suficient pentru a deveni principalul motiv pentru care a plecat să lucreze pentru NASA.

„Este o persoană destul de neobișnuită”, spune șeful său, John Applewhite, care conduce divizia de sisteme de propulsie. - Este cu siguranță un mare visător, dar în același timp un inginer talentat. Știe cum să-și transforme fanteziile într-un adevărat produs de inginerie.” Cam în aceeași perioadă în care sa alăturat NASA, White a cerut permisiunea de a-și deschide propriul laborator dedicat sistemelor avansate de propulsie. El însuși a venit cu numele Eagleworks și chiar a cerut NASA să creeze un logo pentru specializarea sa. Apoi a început această lucrare.

White mă conduce la biroul lui, pe care îl împarte cu un coleg care caută apă pe Lună, apoi mă conduce în jos la Eagleworks. Pe drum, îmi povestește despre cererea lui de a deschide un laborator și îl numește „un proces lung și dificil de găsire a unei mișcări avansate care să-l ajute pe om să exploreze spațiul”.

White îmi arată obiectul și îmi arată funcția lui centrală, ceva pe care el îl numește „Quantum Vacuum Plasma Thruster” (QVPT). Acest dispozitiv arată ca o gogoașă uriașă de catifea roșie, cu fire împletite strâns în jurul miezului. Aceasta este una dintre cele două inițiative Eagleworks (cealaltă este motorul warp). Este, de asemenea, o dezvoltare secretă. Când întreb ce este, White îmi răspunde că nu poate decât să spună că această tehnologie este chiar mai rece decât motorul warp). Potrivit unui raport NASA din 2011 scris de White, ambarcațiunea folosește ca sursă de combustibil fluctuațiile cuantice din spațiul gol, ceea ce înseamnă că o navă spațială alimentată cu QVPT nu necesită combustibil.

Motorul folosește fluctuațiile cuantice din spațiul gol ca sursă de combustibil,
ceea ce înseamnă navă spațială
alimentat de QVPT, nu necesită combustibil.

Când dispozitivul funcționează, sistemul lui White arată perfect cinematografic: culoarea laserului este roșie, iar cele două fascicule sunt încrucișate ca săbiile. În interiorul inelului sunt patru condensatoare ceramice din titanat de bariu, pe care White îl încarcă până la 23.000 de volți. White și-a petrecut ultimii doi ani și jumătate dezvoltând experimentul și spune că condensatoarele arată o energie potențială extraordinară. Cu toate acestea, când întreb cum să creez energia negativă necesară pentru spațiu-timp deformat, el se sustrage de la răspuns. El explică că a semnat un acord de confidențialitate și, prin urmare, nu poate dezvălui detalii. Întreb cu cine a făcut aceste înțelegeri. El spune: „Cu oamenii. Ei vin și vor să vorbească. Nu vă pot da mai multe detalii.”

OPOZITII IDEEI DE MOTOR

Până acum, teoria călătoriei deformate este destul de intuitivă - deformarea timpului și a spațiului pentru a crea o bulă în mișcare - și are câteva defecte semnificative. Chiar dacă White reduce semnificativ cantitatea de energie negativă pe care o cere Alcubierra, va necesita totuși mai mult decât pot produce oamenii de știință, spune Lawrence Ford, un fizician teoretician la Universitatea Tufts, care a scris numeroase lucrări pe tema energiei negative în ultimii 30 de ani. . Ford și alți fizicieni susțin că există limitări fizice fundamentale și nu este vorba atât de imperfecțiuni de inginerie, ci de faptul că o astfel de cantitate de energie negativă nu poate exista într-un loc mult timp.

O altă complicație: pentru a crea o minge de deformare care se mișcă mai repede decât lumina, oamenii de știință vor trebui să genereze energie negativă în jurul navei spațiale, inclusiv deasupra acesteia. White nu crede că aceasta este o problemă; el răspunde destul de vag că cel mai probabil motorul va funcționa din cauza unor „aparate existente care creează condițiile necesare”. Cu toate acestea, crearea acestor condiții în fața navei ar însemna furnizarea unui aport constant de energie negativă care călătorește mai repede decât viteza luminii, contrazicând din nou relativitatea generală.

În cele din urmă, motorul space warp ridică o întrebare conceptuală. În relativitatea generală, călătoria FTL este echivalentă cu călătoria în timp. Dacă un astfel de motor este real, White creează o mașină a timpului.

Aceste obstacole dau naștere unor îndoieli serioase. „Nu cred că fizica pe care o cunoaștem și legile ei ne permit să presupunem că va realiza ceva cu experimentele sale”, spune Ken Olum, fizician la Universitatea Tufts, care a participat și la dezbaterea despre mișcarea exotică la Starship 100th. Întâlnire aniversară.” Noah Graham, un fizician la Middlebury College, care a citit două dintre lucrările lui White la cererea mea, mi-a trimis un e-mail: „Nu văd nicio dovadă științifică valoroasă, în afară de referințe la lucrările sale anterioare”.

Alcubierre, acum fizician la Universitatea Națională Autonomă din Mexic, are propriile îndoieli. „Chiar dacă stau pe o navă spațială și am energie negativă disponibilă, nu am cum să o pot pune acolo unde este nevoie”, îmi spune el la telefon din casa lui din Mexico City. - Nu, ideea este magică, îmi place, am scris-o singur. Dar are câteva defecte serioase pe care le văd deja de-a lungul anilor și nu știu o singură modalitate de a le remedia.”

VIITORUL SUPERSPEED-urilor

În stânga porții principale a Centrului de Știință Johnson, o rachetă Saturn-B se află pe o parte, cu etapele decuplate pentru a-și dezvălui conținutul. Este gigantic - dimensiunea unuia dintre multele motoare este de dimensiunea unei mașini mici, iar racheta în sine este cu câțiva metri mai lungă decât un teren de fotbal. Aceasta, desigur, este o dovadă destul de elocventă a particularităților navigației spațiale. În plus, ea are 40 de ani și timpul pe care îl reprezintă - când NASA făcea parte dintr-un plan național uriaș de a trimite un bărbat pe Lună - a trecut de mult. JSC astăzi este doar un loc care a fost cândva grozav, dar de atunci a părăsit avangarda spațială.

O descoperire în trafic ar putea însemna o nouă eră pentru JSC și NASA și, într-o oarecare măsură, o parte a acelei ere este deja la început. Sonda Dawn, lansată în 2007, studiază inelul asteroizilor folosind propulsoare de ioni. În 2010, japonezii au pus în funcțiune Icarus, prima navă interplanetară alimentată de o velă solară, un alt tip de propulsie experimentală. Și în 2016, oamenii de știință intenționează să testeze VASMIR, un sistem alimentat cu plasmă creat special pentru propulsie înaltă la ISS. Dar atunci când aceste sisteme pot duce astronauți pe Marte, ei tot nu îi vor putea duce în afara sistemului solar. Pentru a realiza acest lucru, a spus White, NASA va trebui să își asume proiecte mai riscante.

Warp Drive este, probabil, cel mai înverșunat dintre eforturile NASA de proiectare a mișcării. Comunitatea științifică spune că White nu-l poate crea. Experții spun că funcționează împotriva legilor naturii și fizicii. În ciuda acestui fapt, NASA este în spatele proiectului. „Nu este subvenționat la nivel guvernamental înalt, ar trebui să fie”, spune Applewhite. - Cred că conducerea are un interes deosebit ca el să-și continue munca; este unul dintre acele concepte teoretice care, dacă au succes, schimbă complet jocul”.

În ianuarie, White și-a asamblat interferometrul warp și a trecut la următoarea sa țintă. Eagleworks și-a depășit propria casă. Noul laborator este mai mare și, așa cum afirmă el cu entuziasm, „izolat seismic”, ceea ce înseamnă că este protejat de vibrații. Dar poate cel mai bun lucru despre noul laborator (și cel mai impresionant) este că NASA i-a oferit lui White aceleași condiții pe care le-au avut Neil Armstrong și Buzz Aldrin pe Lună. Ei bine, să vedem.

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 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 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 de grup 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 într-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 în 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 înainte de evenimentul 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 cu fotonii aici: 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 să intrăm 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 pulsul 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 de lumină 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 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 care a avut loc, 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, alcătuiți 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: 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 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, 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

Umbrele pot călători mai repede decât lumina, dar nu pot transporta materie sau informații

Este posibil zborul superluminal?

Secțiunile din acest articol au subtitluri și vă puteți referi la fiecare secțiune separat.

Exemple simple de călătorie FTL

1. Efectul Cherenkov

Când vorbim despre mișcarea superluminală, ne referim la viteza luminii în vid. c(299 792 458 m/s). Prin urmare, efectul Cherenkov nu poate fi considerat un exemplu de mișcare superluminală.

2. Al treilea observator

Dacă racheta A zboară departe de mine cu viteză 0,6c spre vest, iar racheta B zboară departe de mine cu viteză 0,6c est, apoi văd că distanța dintre Ași B crește cu viteza 1.2c. Privind rachetele zburând Ași B din exterior, al treilea observator vede că viteza totală de îndepărtare a rachetelor este mai mare decât c .

in orice caz viteza relativa nu este egală cu suma vitezelor. viteza rachetei A referitor la rachetă B este viteza cu care crește distanța până la rachetă A, care este văzut de un observator care zboară pe o rachetă B. Viteza relativă trebuie calculată folosind formula de adunare a vitezei relativiste. (Vezi Cum se adaugă viteze în relativitatea specială?) În acest exemplu, viteza relativă este aproximativă 0,88c. Deci, în acest exemplu nu am primit FTL.

3. Lumină și umbră

Gândește-te cât de repede se poate mișca umbra. Dacă lampa este aproape, atunci umbra degetului de pe peretele îndepărtat se mișcă mult mai repede decât se mișcă degetul. Când deplasați degetul paralel cu perete, viteza umbrei intră D/d ori mai mare decât viteza unui deget. Aici d este distanța de la lampă la deget și D- de la lampă la perete. Viteza va fi și mai mare dacă peretele este înclinat. Dacă peretele este foarte departe, atunci mișcarea umbrei va rămâne în urma mișcării degetului, deoarece lumina durează timp pentru a ajunge la perete, dar viteza umbrei care se mișcă de-a lungul peretelui va crește și mai mult. Viteza unei umbre nu este limitată de viteza luminii.

Un alt obiect care poate călători mai repede decât lumina este un punct de lumină de la un laser îndreptat spre lună. Distanța până la Lună este de 385.000 km. Puteți calcula singur viteza de mișcare a punctului de lumină de pe suprafața Lunii, cu mici fluctuații ale indicatorului laser în mână. S-ar putea să vă placă și exemplul unui val care lovește o linie dreaptă a plajei la un unghi ușor. Cu ce ​​viteză se poate deplasa punctul de intersecție al valului și țărmului de-a lungul plajei?

Toate aceste lucruri se pot întâmpla în natură. De exemplu, un fascicul de lumină de la un pulsar poate rula de-a lungul unui nor de praf. O explozie puternică poate crea unde sferice de lumină sau radiații. Când aceste unde se intersectează cu o suprafață, pe acea suprafață apar cercuri de lumină și se extind mai repede decât lumina. Un astfel de fenomen se observă, de exemplu, atunci când un impuls electromagnetic de la un fulger trece prin atmosfera superioară.

4. Corp solid

Dacă ai o lansetă lungă și rigidă și lovești un capăt al lansetei, celălalt capăt nu se mișcă imediat? Nu este aceasta o modalitate de transmitere superluminală a informațiilor?

Așa ar fi corect dacă erau corpuri perfect rigide. În practică, impactul este transmis de-a lungul tijei cu viteza sunetului, care depinde de elasticitatea și densitatea materialului tijei. În plus, teoria relativității limitează vitezele posibile ale sunetului într-un material prin valoare c .

Același principiu se aplică dacă țineți o sfoară sau o tijă vertical, o eliberați și aceasta începe să cadă sub influența gravitației. Capătul superior pe care îl lăsați începe să cadă imediat, dar capătul inferior se va mișca abia după un timp, deoarece pierderea forței de reținere este transmisă în jos tijei cu viteza sunetului din material.

Formularea teoriei relativiste a elasticității este destul de complicată, dar ideea generală poate fi ilustrată folosind mecanica newtoniană. Ecuația mișcării longitudinale a unui corp ideal elastic poate fi derivată din legea lui Hooke. Indicați densitatea liniară a tijei ρ , modulul Young Y. Decalaj longitudinal X satisface ecuația de undă

ρ d 2 X/dt 2 - Y d 2 X/dx 2 = 0

Soluția de undă plană se deplasează cu viteza sunetului s, care se determină din formulă s 2 = Y/ρ. Ecuația undei nu permite perturbațiilor mediului să se miște mai repede decât cu viteza s. În plus, teoria relativității oferă o limită pentru cantitatea de elasticitate: Y< ρc 2 . În practică, niciun material cunoscut nu se apropie de această limită. De asemenea, rețineți că, chiar dacă viteza sunetului este aproape de c, atunci materia în sine nu se mișcă neapărat cu viteză relativistă.

Deși nu există corpuri solide în natură, există mișcarea corpurilor rigide, care poate fi folosit pentru a depăși viteza luminii. Acest subiect aparține secțiunii deja descrise de umbre și puncte de lumină. (Vezi Foarfecele superluminale, Discul rotativ rigid în relativitate).

5. Viteza fazei

ecuația de undă
d 2 u/dt 2 - c 2 d 2 u/dx 2 + w 2 u = 0

are o soluție în formă
u \u003d A cos (ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 \u003d 0

Acestea sunt unde sinusoidale care se propagă cu viteza v
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Dar este mai mult de c. Poate aceasta este ecuația pentru tahioni? (vezi secțiunea de mai jos). Nu, aceasta este ecuația relativistă obișnuită pentru o particulă cu masă.

Pentru a elimina paradoxul, trebuie să faceți distincția între „viteza de fază” v ph și „viteza grupului” v gr, și
v ph v gr = c 2

Soluția sub formă de undă poate avea dispersie în frecvență. În acest caz, pachetul de undă se mișcă cu o viteză de grup mai mică decât c. Folosind un pachet de unde, informațiile pot fi transmise numai la viteza grupului. Undele dintr-un pachet de undă se mișcă cu viteza de fază. Viteza de fază este un alt exemplu de mișcare FTL care nu poate fi folosită pentru a comunica.

6. Galaxii superluminale

7. Racheta relativista

Lăsați un observator de pe Pământ să vadă o navă spațială care se îndepărtează cu o viteză 0,8c Conform teoriei relativității, el va vedea că ceasul navei spațiale funcționează de 5/3 ori mai încet. Dacă împărțim distanța până la navă la timpul zborului în funcție de ceasul de la bord, obținem viteza 4/3c. Observatorul ajunge la concluzia că, folosind ceasul său de bord, pilotul navei va stabili și că zboară cu o viteză superluminală. Din punctul de vedere al pilotului, ceasul lui merge normal, iar spațiul interstelar s-a micșorat cu un factor de 5/3. Prin urmare, zboară distanțele cunoscute dintre stele mai repede, cu o viteză 4/3c .

Dar încă nu este un zbor superluminal. Nu puteți calcula viteza folosind distanța și timpul definite în diferite cadre de referință.

8. Viteza gravitației

Unii insistă că viteza gravitației este mult mai mare c sau chiar infinit. Vedeți Gravitația călătorește cu viteza luminii? și Ce este radiația gravitațională? Perturbațiile gravitaționale și undele gravitaționale se propagă cu o viteză c .

9. Paradoxul EPR

10. Fotoni virtuali

11. Efect de tunel cuantic

În mecanica cuantică, efectul de tunel permite unei particule să depășească o barieră, chiar dacă energia sa nu este suficientă pentru aceasta. Este posibil să se calculeze timpul de tunel printr-o astfel de barieră. Și se poate dovedi a fi mai puțin decât ceea ce este necesar pentru ca lumina să depășească aceeași distanță la o viteză c. Poate fi folosit pentru a trimite mesaje mai repede decât lumina?

Electrodinamica cuantică spune „Nu!” Cu toate acestea, a fost efectuat un experiment care a demonstrat transmiterea superluminală a informațiilor folosind efectul de tunel. Printr-o bariera de 11,4 cm latime la viteza de 4,7 c A fost prezentată Simfonia a 40-a de Mozart. Explicația pentru acest experiment este foarte controversată. Majoritatea fizicienilor cred că cu ajutorul efectului de tunel este imposibil de transmis informație mai rapid decat lumina. Dacă ar fi posibil, atunci de ce să nu trimiteți un semnal către trecut prin plasarea echipamentului într-un cadru de referință care se mișcă rapid.

17. Teoria câmpului cuantic

Cu excepția gravitației, toate fenomenele fizice observate corespund „Modelului standard”. Modelul standard este o teorie relativistică a câmpului cuantic care explică forțele electromagnetice și nucleare și toate particulele cunoscute. În această teorie, orice pereche de operatori corespunzători observabilelor fizice separate printr-un interval spațial de evenimente „commută” (adică se poate schimba ordinea acestor operatori). În principiu, acest lucru implică faptul că în modelul standard forța nu poate călători mai repede decât lumina, iar aceasta poate fi considerată echivalentul câmpului cuantic al argumentului energiei infinite.

Cu toate acestea, nu există dovezi impecabil de riguroase în teoria câmpului cuantic a modelului standard. Nimeni nu a dovedit încă că această teorie este consecventă intern. Cel mai probabil, nu este. În orice caz, nu există nicio garanție că nu există particule sau forțe încă nedescoperite care să nu se supună interdicției de mișcare superluminală. Nu există nicio generalizare a acestei teorii, inclusiv gravitația și relativitatea generală. Mulți fizicieni care lucrează în domeniul gravitației cuantice se îndoiesc că conceptele simple de cauzalitate și localitate vor fi generalizate. Nu există nicio garanție că într-o teorie viitoare mai completă viteza luminii va păstra sensul vitezei limită.

18. Paradoxul bunicului

În relativitatea specială, o particulă care călătorește mai repede decât lumina într-un cadru de referință se deplasează înapoi în timp într-un alt cadru de referință. Călătoria FTL sau transmiterea de informații ar face posibilă călătoria sau trimiterea unui mesaj în trecut. Dacă o astfel de călătorie în timp ar fi posibilă, atunci ai putea să te întorci în timp și să schimbi cursul istoriei ucigându-ți bunicul.

Acesta este un argument foarte puternic împotriva posibilității de a călători cu FTL. Adevărat, rămâne o posibilitate aproape improbabilă ca o călătorie superluminală limitată să nu permită o întoarcere în trecut. Sau poate că călătoria în timp este posibilă, dar cauzalitatea este încălcată într-un mod consistent. Toate acestea sunt foarte puțin plauzibile, dar dacă discutăm despre FTL, este mai bine să fim pregătiți pentru idei noi.

Este adevărat și invers. Dacă am putea călători înapoi în timp, am putea depăși viteza luminii. Poți să te întorci în timp, să zbori undeva cu viteză mică și să ajungi acolo înainte să sosească lumina transmisă în modul obișnuit. Consultați Călătoria în timp pentru detalii despre acest subiect.

Întrebări deschise de călătorie FTL

În această ultimă secțiune, voi descrie câteva idei serioase despre posibilele călătorii mai rapide decât lumina. Aceste subiecte nu sunt adesea incluse în Întrebări frecvente, deoarece sunt mai mult ca o mulțime de întrebări noi decât răspunsuri. Ele sunt incluse aici pentru a arăta că se fac cercetări serioase în această direcție. Se face doar o scurtă introducere a subiectului. Detalii pot fi găsite pe Internet. Ca și în cazul tuturor celor de pe internet, fii critic cu ei.

19. Tahioane

Tahionii sunt particule ipotetice care călătoresc mai repede decât lumina local. Pentru a face acest lucru, trebuie să aibă o valoare de masă imaginară. În acest caz, energia și impulsul tahionului sunt cantități reale. Nu există niciun motiv să credem că particulele superluminale nu pot fi detectate. Umbrele și luminile pot călători mai repede decât lumina și pot fi detectate.

Până acum, tahionii nu au fost găsiți, iar fizicienii se îndoiesc de existența lor. Au existat afirmații că în experimentele de măsurare a masei neutrinilor produse de degradarea beta a tritiului, neutrinii erau tahioni. Acest lucru este îndoielnic, dar nu a fost încă infirmat definitiv.

Există probleme în teoria tahionilor. Pe lângă posibila încălcare a cauzalității, tahionii fac, de asemenea, vidul instabil. Este posibil să ocolim aceste dificultăți, dar nici atunci nu vom putea folosi tahioni pentru transmiterea superluminală a mesajelor.

Majoritatea fizicienilor cred că apariția tahionilor într-o teorie este un semn al unor probleme cu această teorie. Ideea de tahioane este atât de populară în rândul publicului pur și simplu pentru că sunt adesea menționate în literatura fantastică. Vezi Tahioni.

20. Găuri de vierme

Cea mai faimoasă metodă de călătorie globală FTL este utilizarea „găurilor de vierme”. O gaură de vierme este o fantă în spațiu-timp de la un punct al universului la altul, care vă permite să ajungeți de la un capăt la altul al găurii mai repede decât calea obișnuită. Găurile de vierme sunt descrise de teoria generală a relativității. Pentru a le crea, trebuie să schimbați topologia spațiu-timpului. Poate că acest lucru va deveni posibil în cadrul teoriei cuantice a gravitației.

Pentru a menține o gaură de vierme deschisă, aveți nevoie de zone de spațiu cu energii negative. C.W.Misner și K.S.Thorne au propus să folosească efectul Casimir pe scară largă pentru a crea energie negativă. Visser a sugerat să folosească șiruri cosmice pentru asta. Acestea sunt idei foarte speculative și s-ar putea să nu fie posibile. Poate că forma necesară de materie exotică cu energie negativă nu există.

Chiar dacă am putea construi prototipuri de nave concepute de oamenii de știință de la NASA să se miște cu viteze relativiste și să găsim o sursă obscen de putere pentru a le lansa în cer, călătoria noastră nu ar fi atât de plăcută pe cât ar putea fi. Nu tehnologia ne separă de capacitatea de a zbura către stelele vecine, este doar o chestiune de câteva secole. Problema este cât de periculos este spațiul dacă se transformă într-un habitat și cât de fragil poate fi de fapt corpul uman.

Dacă am începe să ne mișcăm cu viteza luminii (300.000 km/s) în spațiul interstelar, am muri în câteva secunde. În ciuda faptului că densitatea materiei în spațiu este foarte mică, la această viteză, chiar și câțiva atomi de hidrogen pe centimetru cub se vor prăbuși în prova navei cu o accelerație care pe Pământ este realizabilă doar la Large Hadron Collider. Din această cauză, vom primi o doză de radiații egală cu zece mii de sieverti pe secundă. Având în vedere că doza letală pentru oameni este de șase sieverți, un astfel de fascicul radioactiv ar deteriora nava și ar distruge toată viața de la bord.

„Dacă am începe să ne mișcăm cu viteza luminii în spațiu, am muri în câteva secunde”

Potrivit cercetărilor oamenilor de știință de la Universitatea Johns Hopkins, nicio cantitate de armură nu ne poate proteja de această radiație ionizantă. Un perete de aluminiu cu grosimea de zece centimetri ar absorbi apoi mai puțin de 1% din energie – și nu poți crește dimensiunea pereților etanși la infinit fără a risca posibilitatea de a decola. Cu toate acestea, pe lângă hidrogenul radioactiv, nava noastră spațială la viteza luminii va fi amenințată de eroziune din cauza impactului prafului interstelar. În cel mai bun caz, va trebui să ne mulțumim cu 10% din viteza luminii, ceea ce va îngreuna să ajungem doar la cea mai apropiată stea - Proxima Centauri. Având în vedere o distanță de 4,22 ani lumină, un astfel de zbor va dura 40 de ani - adică o viață umană incompletă.

Radiația cosmică rămâne încă un obstacol de netrecut pentru noi, totuși, dacă într-un viitor îndepărtat o putem depăși, călătoria cu viteza luminii va fi cea mai incredibilă experiență disponibilă omului. La această viteză, timpul va încetini, iar îmbătrânirea va deveni un proces mult mai lung (la urma urmei, chiar și astronauții de pe ISS reușesc să îmbătrânească cu 0,007 secunde mai puțin în șase luni decât oamenii de pe Pământ). Câmpul nostru vizual în timpul unui astfel de zbor este îndoit, transformându-se într-un tunel. Vom zbura înainte prin acest tunel către un fulger alb strălucitor, nevăzând nicio urmă de stele și lăsând în urma noastră cel mai negru ca beznă, cel mai absolut întuneric imaginabil.