Superluminálne cestovanie je jedným zo základov science fiction. Pravdepodobne však každý - aj ľudia ďaleko od fyziky - vie, že maximálna možná rýchlosť pohybu materiálových objektov alebo šírenie akýchkoľvek signálov je rýchlosť svetla vo vákuu. Označuje sa písmenom ca je takmer 300 tisíc kilometrov za sekundu; presná hodnota je c = 299 792 458 m / s.
Rýchlosť svetla vo vákuu je jednou zo základných fyzikálnych konštánt. Nemožnosť dosiahnuť rýchlosti vyššie ako c vyplýva z Einsteinovej špeciálnej teórie relativity (SRT). Keby bolo možné dokázať, že signály sa môžu prenášať superluminálnymi rýchlosťami, klesla by teória relativity. Doteraz sa tak nestalo napriek početným pokusom o vyvrátenie zákazu rýchlosti vyššej ako c. Avšak v nedávnych experimentálnych štúdiách boli objavené niektoré veľmi zaujímavé javy, ktoré naznačujú, že v špeciálne vytvorených podmienkach je možné pozorovať superluminálne rýchlosti a neporušujú sa princípy teórie relativity.
Na začiatok si pripomeňme hlavné aspekty týkajúce sa problému rýchlosti svetla.
Po prvé: prečo je nemožné (za normálnych podmienok) prekročiť svetelný limit? Od tej doby je porušený základný zákon nášho sveta - zákon kauzality, podľa ktorého účinok nemôže prekonať príčinu. Nikto nikdy nesledoval, napríklad, najprv padol medveď a potom vystrelil poľovník. Pri rýchlostiach presahujúcich s sa obráti sled udalostí, páska času sa previnie. Toto je ľahké overiť z nasledujúceho jednoduchého zdôvodnenia.
Predpokladajme, že sme na nejakej vesmírnej zázračnej lodi, pohybujúcej sa rýchlejšie ako svetlo. Potom by sme postupne doháňali svetlo vyžarované zdrojom skôr a včas. Najprv by sme dohnali emitované fotóny, povedzme včera, potom tie, ktoré vyžarovali deň pred včera, potom týždeň, mesiac, rok, atď. Keby bol svetelný zdroj zrkadlom odrážajúcim život, potom by sme najskôr videli udalosti včera, potom deň pred včerajškom atď. Videli sme, povedzme, starého muža, ktorý sa postupne zmenil na muža stredného veku, potom na mladíka, na mládež, na dieťa … To znamená, že čas by sa obrátil späť, presunuli by sme sa z prítomnosti do minulosti. Príčiny a účinky by sa zvrátili.
Aj keď táto úvaha úplne ignoruje technické podrobnosti procesu pozorovania svetla, zo základného hľadiska jasne ukazuje, že pohyb superluminálnou rýchlosťou vedie k nemožnej situácii v našom svete. Príroda však stanovila ešte prísnejšie podmienky: nie je možné sa pohybovať nielen superluminálnou rýchlosťou, ale aj rýchlosťou rovnajúcou sa rýchlosti svetla - môžete sa k nej iba priblížiť. Z teórie relativity vyplýva, že so zvýšením rýchlosti pohybu vznikajú tri okolnosti: hmotnosť pohybujúceho sa objektu sa zvyšuje, jeho veľkosť sa zmenšuje v smere pohybu a tok času na tomto objekte sa spomaľuje (z hľadiska externého „odpočinku“pozorovateľa). Pri bežných rýchlostiach sú tieto zmeny zanedbateľné, ale keď sa blížia k rýchlosti svetla, stávajú sa viditeľnejšími,a na hranici - pri rýchlosti rovnajúcej sa c - sa hmota stáva nekonečne veľkou, objekt úplne stráca svoju veľkosť v smere pohybu a čas sa na ňom zastaví. Preto žiadne materiálové teleso nemôže dosiahnuť rýchlosť svetla. Len svetlo samotné má takú rýchlosť! (A tiež „všadeprítomná“častica - neutríno, ktoré sa rovnako ako fotón nemôže pohybovať rýchlosťou nižšou ako s.)
Teraz o rýchlosti prenosu signálu. Tu je vhodné použiť znázornenie svetla vo forme elektromagnetických vĺn. Čo je to signál? Toto je nejaký druh informácií, ktoré sa majú prenášať. Ideálna elektromagnetická vlna je nekonečná sínusoid striktne jednej frekvencie a nemôže prenášať žiadne informácie, pretože každá perióda takéhoto sínusoidu presne opakuje predchádzajúcu. Rýchlosť pohybu fázy sínusovej vlny - tzv. Fázová rýchlosť - môže za určitých podmienok prekročiť rýchlosť svetla vo vákuu. Nie sú tu žiadne obmedzenia, pretože fázová rýchlosť nie je rýchlosť signálu - ešte tam nie je. Ak chcete vytvoriť signál, musíte urobiť nejakú „značku“na vlne. Takáto značka môže byť napríklad zmena v ktoromkoľvek z parametrov vlny - amplitúda, frekvencia alebo počiatočná fáza. Ale akonáhle je značka urobená,vlna stráca sínusoiditu. Stáva sa modulovaným, pozostávajúcim zo súboru jednoduchých sínusových vĺn s rôznymi amplitúdami, frekvenciami a počiatočnými fázami - skupinou vĺn. Rýchlosť, ktorou sa značka pohybuje v modulovanej vlne, je rýchlosť signálu. Pri množení v médiu sa táto rýchlosť zvyčajne zhoduje so skupinovou rýchlosťou, ktorá charakterizuje šírenie vyššie uvedenej skupiny vĺn ako celku (pozri Science and Life No. 2, 2000). Za normálnych podmienok je skupinová rýchlosť, a teda aj rýchlosť signálu, nižšia ako rýchlosť svetla vo vákuu. Nie je náhoda, že sa používa výraz „za normálnych podmienok“, pretože v niektorých prípadoch môže rýchlosť skupiny prekročiť c alebo dokonca stratiť svoj význam, ale potom sa nevzťahuje na šírenie signálu. V SRT je stanovené, že je nemožné vysielať signál s rýchlosťou vyššou ako s. Stáva sa modulovaným, pozostávajúcim zo súboru jednoduchých sínusových vĺn s rôznymi amplitúdami, frekvenciami a počiatočnými fázami - skupinou vĺn. Rýchlosť, ktorou sa značka pohybuje v modulovanej vlne, je rýchlosť signálu. Pri množení v médiu sa táto rýchlosť zvyčajne zhoduje so skupinovou rýchlosťou, ktorá charakterizuje šírenie vyššie uvedenej skupiny vĺn ako celku (pozri Science and Life No. 2, 2000). Za normálnych podmienok je skupinová rýchlosť, a teda aj rýchlosť signálu, nižšia ako rýchlosť svetla vo vákuu. Nie je náhodou používaný výraz „za normálnych podmienok“, pretože v niektorých prípadoch môže rýchlosť skupiny prekročiť c alebo dokonca stratiť svoj význam, ale potom sa nevzťahuje na šírenie signálu. V SRT je stanovené, že je nemožné vysielať signál s rýchlosťou vyššou ako s. Stáva sa modulovaným, pozostávajúcim zo súboru jednoduchých sínusových vĺn s rôznymi amplitúdami, frekvenciami a počiatočnými fázami - skupinou vĺn. Rýchlosť, ktorou sa značka pohybuje v modulovanej vlne, je rýchlosť signálu. Pri množení v médiu sa táto rýchlosť zvyčajne zhoduje so skupinovou rýchlosťou, ktorá charakterizuje šírenie vyššie uvedenej skupiny vĺn ako celku (pozri Science and Life No. 2, 2000). Za normálnych podmienok je skupinová rýchlosť, a teda aj rýchlosť signálu, nižšia ako rýchlosť svetla vo vákuu. Nie je náhodou používaný výraz „za normálnych podmienok“, pretože v niektorých prípadoch môže rýchlosť skupiny prekročiť c alebo dokonca stratiť svoj význam, ale potom sa nevzťahuje na šírenie signálu. V SRT je stanovené, že je nemožné vysielať signál s rýchlosťou vyššou ako s.pozostávajúca zo súboru jednoduchých sínusových vĺn s rôznymi amplitúdami, frekvenciami a počiatočnými fázami - skupina vĺn. Rýchlosť, ktorou sa značka pohybuje v modulovanej vlne, je rýchlosť signálu. Pri množení v médiu sa táto rýchlosť zvyčajne zhoduje so skupinovou rýchlosťou, ktorá charakterizuje šírenie vyššie uvedenej skupiny vĺn ako celku (pozri Science and Life No. 2, 2000). Za normálnych podmienok je skupinová rýchlosť, a teda aj rýchlosť signálu, nižšia ako rýchlosť svetla vo vákuu. Nie je náhodou používaný výraz „za normálnych podmienok“, pretože v niektorých prípadoch môže rýchlosť skupiny prekročiť c alebo dokonca stratiť svoj význam, ale potom sa nevzťahuje na šírenie signálu. V SRT je stanovené, že je nemožné vysielať signál s rýchlosťou vyššou ako s.pozostávajúca zo súboru jednoduchých sínusových vĺn s rôznymi amplitúdami, frekvenciami a počiatočnými fázami - skupina vĺn. Rýchlosť, ktorou sa značka pohybuje v modulovanej vlne, je rýchlosť signálu. Pri množení v médiu sa táto rýchlosť zvyčajne zhoduje so skupinovou rýchlosťou, ktorá charakterizuje šírenie vyššie uvedenej skupiny vĺn ako celku (pozri Science and Life, No. 2, 2000). Za normálnych podmienok je skupinová rýchlosť, a teda aj rýchlosť signálu, nižšia ako rýchlosť svetla vo vákuu. Nie je náhodou používaný výraz „za normálnych podmienok“, pretože v niektorých prípadoch môže rýchlosť skupiny prekročiť c alebo dokonca stratiť svoj význam, ale potom sa nevzťahuje na šírenie signálu. V SRT je stanovené, že je nemožné vysielať signál s rýchlosťou vyššou ako s.frekvencie a počiatočné fázy - skupiny vĺn. Rýchlosť, ktorou sa značka pohybuje v modulovanej vlne, je rýchlosť signálu. Pri množení v médiu sa táto rýchlosť zvyčajne zhoduje so skupinovou rýchlosťou, ktorá charakterizuje šírenie vyššie uvedenej skupiny vĺn ako celku (pozri Science and Life, No. 2, 2000). Za normálnych podmienok je skupinová rýchlosť, a teda aj rýchlosť signálu, nižšia ako rýchlosť svetla vo vákuu. Nie je náhodou používaný výraz „za normálnych podmienok“, pretože v niektorých prípadoch môže rýchlosť skupiny prekročiť c alebo dokonca stratiť svoj význam, ale potom sa nevzťahuje na šírenie signálu. V SRT je stanovené, že je nemožné vysielať signál s rýchlosťou vyššou ako s.frekvencie a počiatočné fázy - skupiny vĺn. Rýchlosť, ktorou sa značka pohybuje v modulovanej vlne, je rýchlosť signálu. Pri množení v médiu sa táto rýchlosť zvyčajne zhoduje so skupinovou rýchlosťou, ktorá charakterizuje šírenie vyššie uvedenej skupiny vĺn ako celku (pozri Science and Life No. 2, 2000). Za normálnych podmienok je skupinová rýchlosť, a teda aj rýchlosť signálu, nižšia ako rýchlosť svetla vo vákuu. Nie je náhoda, že sa používa výraz „za normálnych podmienok“, pretože v niektorých prípadoch môže rýchlosť skupiny prekročiť c alebo dokonca stratiť svoj význam, ale potom sa nevzťahuje na šírenie signálu. V SRT je stanovené, že je nemožné vysielať signál s rýchlosťou vyššou ako s. Pri množení v médiu sa táto rýchlosť zvyčajne zhoduje so skupinovou rýchlosťou, ktorá charakterizuje šírenie vyššie uvedenej skupiny vĺn ako celku (pozri Science and Life No. 2, 2000). Za normálnych podmienok je skupinová rýchlosť, a teda aj rýchlosť signálu, nižšia ako rýchlosť svetla vo vákuu. Nie je náhoda, že sa používa výraz „za normálnych podmienok“, pretože v niektorých prípadoch môže rýchlosť skupiny prekročiť c alebo dokonca stratiť svoj význam, ale potom sa nevzťahuje na šírenie signálu. V SRT je stanovené, že je nemožné vysielať signál s rýchlosťou vyššou ako s. Pri množení v médiu sa táto rýchlosť zvyčajne zhoduje so skupinovou rýchlosťou, ktorá charakterizuje šírenie vyššie uvedenej skupiny vĺn ako celku (pozri Science and Life No. 2, 2000). Za normálnych podmienok je skupinová rýchlosť, a teda aj rýchlosť signálu, nižšia ako rýchlosť svetla vo vákuu. Nie je náhoda, že sa používa výraz „za normálnych podmienok“, pretože v niektorých prípadoch môže rýchlosť skupiny prekročiť c alebo dokonca stratiť svoj význam, ale potom sa nevzťahuje na šírenie signálu. V SRT je stanovené, že je nemožné vysielať signál s rýchlosťou vyššou ako s. Nie je náhoda, že sa používa výraz „za normálnych podmienok“, pretože v niektorých prípadoch môže rýchlosť skupiny prekročiť c alebo dokonca stratiť svoj význam, ale potom sa nevzťahuje na šírenie signálu. V SRT je stanovené, že je nemožné vysielať signál s rýchlosťou vyššou ako s. Nie je náhoda, že sa používa výraz „za normálnych podmienok“, pretože v niektorých prípadoch môže rýchlosť skupiny prekročiť c alebo dokonca stratiť svoj význam, ale potom sa nevzťahuje na šírenie signálu. V SRT je stanovené, že je nemožné vysielať signál s rýchlosťou vyššou ako s.
Propagačné video:
Prečo je to tak? Pretože ten istý zákon o kauzalite slúži ako prekážka prenosu akéhokoľvek signálu s rýchlosťou vyššou ako c. Predstavme si nasledujúcu situáciu. V určitom bode A svetelný blesk (udalosť 1) zapne zariadenie, ktoré vysiela určitý rádiový signál, a vo vzdialenom bode B dôjde k explózii pôsobením tohto rádiového signálu (udalosť 2). Je zrejmé, že udalosť 1 (blesk) je príčinou a udalosť 2 (výbuch) je dôsledok, ktorý nastane neskôr ako príčina. Ak by sa však rádiový signál šíril superluminálnou rýchlosťou, pozorovateľ blízko bodu B by najskôr videl explóziu a až potom - blesk, ktorý sa k nemu dostane rýchlosťou blesku, je príčinou explózie. Inými slovami, pre tohto pozorovateľa by udalosť 2 nastala skôr ako udalosť 1, to znamená, že účinok by bol pred príčinou.
Je potrebné zdôrazniť, že „superluminálny zákaz“teórie relativity sa ukladá iba na pohyb materiálnych tiel a prenos signálov. V mnohých situáciách je možný pohyb ľubovoľnou rýchlosťou, ale nebude to pohyb materiálnych objektov alebo signálov. Napríklad si predstavte dve pomerne dlhé pravítka ležiace v rovnakej rovine, z ktorých jedno je horizontálne a druhé pretína v malom uhle. Ak sa prvé pravítko pohybuje vysokou rýchlosťou nadol (v smere naznačenom šípkou), priesečník pravítka môže byť nastavený tak, aby bežal tak rýchlo, ako chcete, ale tento bod nie je materiálnym telom. Ďalší príklad: ak zoberiete baterku (alebo, napríklad, laser, ktorý vydáva úzky lúč) a rýchlo popíšete elektrický oblúk, lineárna rýchlosť svetelného bodu sa so vzdialenosťou zvýši a pri dostatočne veľkej vzdialenosti prekročí c. Svetelný bod sa bude pohybovať medzi bodmi A a B superluminálnou rýchlosťou, ale nejde o prenos signálu z bodu A do bodu B, pretože taký svetelný bod neobsahuje žiadne informácie o bode A.
Zdá sa, že otázka nadsvetelných rýchlostí bola vyriešená. Ale v 60. rokoch dvadsiateho storočia teoretickí fyzici predložili hypotézu o existencii superluminálnych častíc nazývaných tachyóny. Sú to veľmi zvláštne častice: teoreticky sú možné, ale aby sa vyhli rozporom s teóriou relativity, museli pripísať imaginárnu pokojnú hmotu. Fyzikálne imaginárna masa neexistuje, je to čisto matematická abstrakcia. To však nespôsobilo veľa poplachu, pretože tachyóny nemôžu byť v pokoji - existujú (ak existujú!) Iba pri rýchlostiach presahujúcich rýchlosť svetla vo vákuu, a v tomto prípade sa hmotnosť tachyónu javí ako skutočná. Existuje niekoľko analógií s fotónmi: fotón má nulovú pokojovú hmotnosť, ale to jednoducho znamená, že fotón nemôže byť v pokoji - svetlo nemožno zastaviť.
Najťažšie, podľa očakávania, bolo zladiť hypotézu tachyónu so zákonom kauzality. Pokusy v tomto smere, hoci boli dosť dômyselné, neviedli k zjavnému úspechu. Ani experimentálne sa nepodarilo zaregistrovať tachyóny. V dôsledku toho záujem o tachyóny ako superluminálne elementárne častice postupne ustupoval.
Avšak v 60. rokoch bol experimentálne objavený jav, ktorý spočiatku zmätil fyzikov. Toto je podrobne opísané v článku A. N. Oraevského "Superluminálne vlny v amplifikačných médiách" (Phys. Phys. No. 12, 1998). Tu stručne zhrnieme túto záležitosť a odkážeme čitateľa, ktorý sa zaujíma o podrobnosti, na uvedený článok.
Čoskoro po objavení laserov - na začiatku 60. rokov - nastal problém so získavaním krátkych (asi 1 ns = 10-9 s) vysokovýkonných svetelných impulzov. Za týmto účelom prešiel optický kvantový zosilňovač krátky laserový impulz. Pulz bol rozdelený na dve časti zrkadlom deliacim lúč. Jeden z nich, silnejší, bol poslaný do zosilňovača, zatiaľ čo druhý sa šíril vo vzduchu a slúžil ako referenčný impulz, s ktorým bolo možné porovnávať impulz, ktorý prešiel zosilňovačom. Oba impulzy boli privádzané do fotodetektorov a ich výstupné signály bolo možné vizuálne pozorovať na obrazovke osciloskopu. Očakávalo sa, že svetelný impulz prechádzajúci zosilňovačom v ňom zaznamená určité oneskorenie v porovnaní s referenčným impulzom, to znamená, že rýchlosť šírenia svetla v zosilňovači bude nižšia ako vo vzduchu. Predstavte si prekvapenie vedcov, keď zistili, že pulz šírený zosilňovačom nie je väčší ako vo vzduchu, ale niekoľkokrát tiež prekračuje rýchlosť svetla vo vákuu!
Keď sa fyzici zotavili z prvého šoku, začali hľadať príčinu takého neočakávaného výsledku. Nikto nemal ani najmenšie pochybnosti o princípoch špeciálnej teórie relativity a práve to pomohlo nájsť správne vysvetlenie: ak sa zachovajú princípy špeciálnej relativity, potom by sa mala hľadať odpoveď vo vlastnostiach zosilňovacieho média.
Bez toho, aby sme tu uvádzali podrobnosti, poukazujeme iba na to, že podrobná analýza mechanizmu pôsobenia zosilňovacieho média situáciu úplne objasnila. Ide o zmenu koncentrácie fotónov počas šírenia impulzov - zmenu spôsobenú zmenou zisku zosilneného média až na zápornú hodnotu počas priechodu zadnej časti impulzu, keď médium už absorbuje energiu, pretože jeho vlastná rezerva už bola utratená kvôli jeho prenosu na svetelný impulz. Absorpcia nespôsobuje zosilnenie, ale oslabenie impulzu, a teda impulz je zosilnený vpredu a oslabený v chrbte. Predstavme si, že pozorujeme pulz pomocou zariadenia pohybujúceho sa rýchlosťou svetla v zosilňovacom médiu. Keby bolo médium priehľadné, videli by sme impulz zamrznutý v nehybnosti. V prostredív ktorom nastáva vyššie uvedený proces, sa pozorovateľovi objaví zosilnenie prednej hrany a oslabenie zadnej hrany impulzu takým spôsobom, že médium posunulo impulz vpred tak, ako by bolo. Ale pretože zariadenie (pozorovateľ) sa pohybuje rýchlosťou svetla a pulz ho predbieha, rýchlosť pulzu prekračuje rýchlosť svetla! Experti experimentálne zaregistrovali tento efekt. A tu skutočne nie je žiadny rozpor s teóriou relativity: iba proces amplifikácie je taký, že koncentrácia fotónov, ktorá vyšla skôr, sa ukázala byť viac ako tá, ktorá vyšla neskôr. Na osciloskope nie sú pozorované fotóny, ktoré sa pohybujú superluminálnou rýchlosťou, ale predovšetkým jeho maximálna obálka impulzov. Ale pretože zariadenie (pozorovateľ) sa pohybuje rýchlosťou svetla a pulz ho predbieha, rýchlosť pulzu prekračuje rýchlosť svetla! Experti experimentálne zaregistrovali tento efekt. A tu skutočne nie je žiadny rozpor s teóriou relativity: iba proces amplifikácie je taký, že koncentrácia fotónov, ktorá vyšla skôr, sa ukázala byť viac ako tá, ktorá vyšla neskôr. Na osciloskope nie sú pozorované fotóny, ktoré sa pohybujú superluminálnou rýchlosťou, ale predovšetkým jeho maximálna obálka impulzov. Ale pretože zariadenie (pozorovateľ) sa pohybuje rýchlosťou svetla a pulz ho predbieha, rýchlosť pulzu prekračuje rýchlosť svetla! Experti experimentálne zaregistrovali tento efekt. A tu skutočne nie je žiadny rozpor s teóriou relativity: iba proces amplifikácie je taký, že koncentrácia fotónov, ktorá vyšla skôr, sa ukázala byť viac ako tá, ktorá vyšla neskôr. Na osciloskope nie sú pozorované fotóny, ktoré sa pohybujú superluminálnou rýchlosťou, ale predovšetkým jeho maximálna obálka impulzov. Na osciloskope nie sú pozorované fotóny, ktoré sa pohybujú superluminálnou rýchlosťou, ale predovšetkým jeho maximálna obálka impulzov. Na osciloskope nie sú pozorované fotóny, ktoré sa pohybujú superluminálnou rýchlosťou, ale predovšetkým jeho maximálna obálka impulzov.
Teda, zatiaľ čo v bežných médiách vždy dochádza k útlmu svetla a poklesu jeho rýchlosti, určovanému indexom lomu, v aktívnych laserových médiách, pozoruje sa nielen zosilnenie svetla, ale aj šírenie impulzov superluminálnou rýchlosťou.
Niektorí fyzici sa experimentálne pokúsili dokázať existenciu superluminálneho pohybu v tunelovaní - jeden z najúžasnejších javov v kvantovej mechanike. Tento efekt spočíva v tom, že mikročastica (presnejšie mikrobus, vykazujúca vlastnosti častice aj vlastnosti vlny za rôznych podmienok) je schopná preniknúť cez takzvanú potenciálnu bariéru - jav, ktorý je v klasickej mechanike úplne nemožný (v ktorom by bol analogický stav).: Guľa hodená do steny by bola na druhej strane steny, alebo by sa zvlnený pohyb spôsobený lanu priviazanému k stene prenášal na lano priviazané k stene na druhej strane). Podstata tunelového efektu v kvantovej mechanike je nasledovná. Ak sa mikrorámik s určitou energiou stretne s oblasťou s potenciálnou energiou na svojej ceste,Pri prekročení energie mikroobjektu je táto oblasť bariérou, ktorej výška je určená rozdielom energie. Mikroobjekt však „presiakne“cez bariéru! Túto možnosť mu dáva známy vzťah Heisenbergovej neistoty, písaný pre čas energie a interakcie. Pokiaľ k interakcii mikroobjektu s bariérou dôjde dostatočne dlho, potom sa energia mikroobjektu bude vyznačovať neistotou a ak je táto neistota rádovo výšky bariéry, potom tento mikroobjekt prestane byť neprekonateľnou prekážkou pre mikroobjekt. Rýchlosť prieniku potenciálnou bariérou sa tu stala predmetom výskumu mnohých fyzikov, ktorí sa domnievajú, že môžu prekročiť s. Mikroobjekt však „presiakne“cez bariéru! Túto možnosť mu dáva známy vzťah Heisenbergovej neistoty, písaný pre čas energie a interakcie. Pokiaľ k interakcii mikroobjektu s bariérou dôjde dostatočne dlho, potom sa energia mikroobjektu bude vyznačovať neistotou, a ak je táto neistota rádovo výšky bariéry, potom tento mikroobjekt prestane byť neprekonateľnou prekážkou pre mikroobjekt. Rýchlosť prieniku potenciálnou bariérou sa tu stala predmetom výskumu mnohých fyzikov, ktorí sa domnievajú, že môžu prekročiť s. Mikroobjekt však „presiakne“cez bariéru! Túto možnosť mu dáva známy vzťah Heisenbergovej neistoty, písaný pre čas energie a interakcie. Pokiaľ k interakcii mikroobjektu s bariérou dôjde dostatočne dlho, potom sa energia mikroobjektu bude vyznačovať neistotou, a ak je táto neistota rádovo výšky bariéry, potom tento mikroobjekt prestane byť neprekonateľnou prekážkou pre mikroobjekt. Rýchlosť prieniku potenciálnou bariérou sa tu stala predmetom výskumu mnohých fyzikov, ktorí sa domnievajú, že môžu prekročiť s. Pokiaľ k interakcii mikroobjektu s bariérou dôjde dostatočne dlho, potom sa energia mikroobjektu bude vyznačovať neistotou, a ak je táto neistota rádovo výšky bariéry, potom tento mikroobjekt prestane byť neprekonateľnou prekážkou pre mikroobjekt. Rýchlosť prieniku potenciálnou bariérou sa tu stala predmetom výskumu mnohých fyzikov, ktorí sa domnievajú, že môžu prekročiť s. Pokiaľ k interakcii mikroobjektu s bariérou dôjde dostatočne dlho, potom sa energia mikroobjektu bude vyznačovať neistotou, a ak je táto neistota rádovo výšky bariéry, potom tento mikroobjekt prestane byť neprekonateľnou prekážkou pre mikroobjekt. Rýchlosť prieniku potenciálnou bariérou sa tu stala predmetom výskumu mnohých fyzikov, ktorí sa domnievajú, že môžu prekročiť s.
V júni 1998 sa v Kolíne uskutočnilo medzinárodné sympózium o problémoch FTL, kde sa diskutovalo o výsledkoch získaných v štyroch laboratóriách - v Berkeley, Viedni, Kolíne nad Rýnom a vo Florencii.
A nakoniec, v roku 2000 boli hlásené dva nové experimenty, v ktorých sa objavili účinky superluminálnej propagácie. Jeden z nich vystúpil Lijun Wong a spolupracovníci vo výskumnom ústave v Princetone (USA). Jeho výsledkom je, že svetelný impulz vstupujúci do komory naplnenej parami cézia zvyšuje svoju rýchlosť 300-krát. Ukázalo sa, že hlavná časť impulzu opúšťa vzdialenú stenu komory ešte skôr, ako pulz vstúpi do komory cez prednú stenu. Táto situácia je v rozpore nielen so zdravým rozumom, ale v podstate s teóriou relativity.
Posolstvo L. Wonga vyvolalo intenzívnu diskusiu medzi fyzikmi, z ktorých väčšina nie je ochotná vidieť vo výsledkoch, porušila princípy relativity. Výzvou je podľa nich správny výklad tohto experimentu.
V experimente L. Wonga mal svetelný pulz vstupujúci do komory s párou cézia trvanie asi 3 μs. Atómy cézia môžu byť v šestnástich možných kvantovo-mechanických stavoch, ktoré sa nazývajú „magnetické hyperjemné podzemné úrovne“. Pomocou optického laserového pumpovania sa takmer všetky atómy dostali do iba jedného z týchto šestnástich stavov, čo zodpovedá takmer absolútnej nulovej teplote v Kelvinovej stupnici (-273,15 ° C). Céziová komora bola dlhá 6 centimetrov. Vo vákuu svetlo prechádza 6 centimetrov za 0,2 ns. Merania ukázali, že svetelný pulz prešiel komorou s céziom za 62 ns kratší čas ako vo vákuu. Inými slovami, čas prenosu impulzu céznym médiom má znamienko mínus! Ak sa odpočíta 62 ns od 0,2 ns, dostaneme „negatívny“čas. Toto „negatívne oneskorenie“v médiu - nezrozumiteľný časový skok - sa rovná času, počas ktorého by impulz 310 urobil prechodu komorou vo vákuu. Dôsledkom tohto „dočasného prevrátenia“bolo to, že impulz opúšťajúci komoru mal čas sa od neho vzdialiť o 19 metrov predtým, ako prichádzajúci impulz dosiahol blízku stenu komory. Ako možno vysvetliť takúto neuveriteľnú situáciu (ak, samozrejme, nie sú pochybnosti o čistote experimentu)?nespochybniť čistotu experimentu)?nespochybniť čistotu experimentu)?
Podľa pokračujúcej diskusie nebolo ešte nájdené presné vysvetlenie, ale niet pochýb o tom, že tu zohrávajú úlohu neobvyklé disperzné vlastnosti média: výpary cézia, pozostávajúce z atómov excitovaných laserovým svetlom, sú médiom s anomálnym rozptylom. Dovoľte nám stručne pripomenúť, o čo ide.
Disperzia látky je závislosť fázového (konvenčného) indexu lomu n od vlnovej dĺžky svetla l. Pri normálnej disperzii sa index lomu zvyšuje so znižujúcou sa vlnovou dĺžkou, a to sa vyskytuje v skle, vode, vzduchu a všetkých ďalších látkach priehľadných na svetlo. V látkach, ktoré silne absorbujú svetlo, sa priebeh indexu lomu mení opačne so zmenou vlnovej dĺžky a stáva sa oveľa strmší: so znížením l (zvýšenie frekvencie w) sa index lomu prudko znižuje a v určitej oblasti vlnových dĺžok sa stáva menej ako jednota (fázová rýchlosť Vph> s). Toto je neobvyklá disperzia, v ktorej sa radikálne mení obraz šírenia svetla v hmote. Skupinová rýchlosť Vgr sa stáva väčšou ako fázová rýchlosť vĺn a môže prekročiť rýchlosť svetla vo vákuu (a tiež sa stane zápornou). L. Na túto okolnosť poukazuje nesprávne dôvody, ktoré sú základom možnosti vysvetliť výsledky jeho experimentu. Je však potrebné poznamenať, že podmienka Vgr> c je čisto formálna, pretože koncept skupinovej rýchlosti bol zavedený v prípade malej (normálnej) disperzie, pre priehľadné médiá, keď skupina vĺn počas šírenia takmer nezmení svoj tvar. Na druhej strane v oblastiach anomálneho rozptylu sa svetelný pulz rýchlo deformuje a pojem skupinovej rýchlosti stráca svoj význam; v tomto prípade sa zavádzajú koncepcie rýchlosti signálu a rýchlosti šírenia energie, ktoré sa v priehľadnom médiu zhodujú so skupinovou rýchlosťou a v médiu s absorpciou zostávajú menšie ako rýchlosť svetla vo vákuu. Ale tu je to, čo je zaujímavé v Wongovom experimente: ľahký pulz, ktorý prešiel médiom s anomálnym rozptylom, nie je zdeformovaný - presne si zachováva svoj tvar!A to zodpovedá predpokladu o šírení impulzu skupinovou rýchlosťou. Ak áno, potom sa ukáže, že v médiu nedochádza k absorpcii, hoci anomálna disperzia média je dôsledkom absorpcie! Sám Wong, ktorý pripúšťa, že veľa je stále nejasný, sa domnieva, že to, čo sa deje v jeho experimentálnom usporiadaní, možno v prvej aproximácii jasne vysvetliť takto.
Svetelný impulz pozostáva z mnohých komponentov s rôznymi vlnovými dĺžkami (frekvenciami). Obrázok ukazuje tri z týchto zložiek (vlny 1 - 3). V určitom okamihu sú všetky tri vlny vo fáze (ich maximá sa zhodujú); tu sa navzájom sčítajú, posilňujú a vytvárajú impulz. Keď sa vlny šíria ďalej vo vesmíre, vlny sú mimo fázy a tým sa navzájom „zhasnú“.
V oblasti anomálnej disperzie (vo vnútri céznej bunky) sa vlna, ktorá bola kratšia (vlna 1), predlžuje. Naopak vlna, ktorá bola najdlhšia z troch (vlna 3), sa stáva najkratšou.
V dôsledku toho sa fázy vĺn zodpovedajúco menia. Keď vlny prešli céziovou bunkou, obnovia sa ich vlny. Po podrobení nezvyčajnej fázovej modulácii v látke s anomálnym rozptylom sú tri uvažované vlny opäť v určitom bode vo fáze. Tu sa znova zložia a vytvoria pulz presne rovnakého tvaru ako vstup do cézneho média.
Zvyčajne vo vzduchu a prakticky v akomkoľvek priehľadnom médiu s normálnou disperziou si svetelný pulz nemôže presne udržať svoj tvar, keď sa šíri na vzdialenú vzdialenosť, to znamená, že všetky jeho komponenty nemôžu byť fázované v žiadnom vzdialenom bode pozdĺž propagačnej cesty. Za normálnych podmienok sa po určitom čase objaví svetelný impulz v takom vzdialenom bode. Avšak kvôli anomálnym vlastnostiam média použitého v experimente sa ukázalo, že pulz vo vzdialenom bode bol fázovaný rovnakým spôsobom ako pri vstupe do tohto média. Svetelný pulz sa tak správa, akoby mal na ceste do vzdialeného bodu negatívne časové oneskorenie, to znamená, že by k nemu došiel až neskôr, ale skôr, ako prešiel prostredím!
Väčšina fyzikov je naklonená spojiť tento výsledok s výskytom prekurzora s nízkou intenzitou v disperznom médiu v komore. Faktom je, že pri spektrálnom rozklade impulzu spektrum obsahuje zložky ľubovoľne vysokých frekvencií so zanedbateľnou amplitúdou, tzv. Prekurzor, ktorý ide ďalej ako „hlavná časť“impulzu. Povaha zariadenia a forma predchodcu závisia od zákona o disperzii v médiu. S ohľadom na to sa navrhuje, aby sa sled udalostí v Wongovom experimente interpretoval takto. Prichádzajúca vlna „natahujúca“predkrm pred seba sa blíži ku kamere. Predtým, ako vrchol prichádzajúcej vlny zasiahne blízku stenu komory, prekurzor iniciuje impulz v komore, ktorý dosiahne vzdialenú stenu a je od nej odrazený, čím vytvára „spätnú vlnu“. Táto vlnašíri sa 300 krát rýchlejšie ako c, dosiahne blízku stenu a stretne sa s prichádzajúcou vlnou. Vrcholy jednej vlny sa stretávajú so žľabmi druhej, takže sa navzájom ničia a nezostane v dôsledku toho nič. Ukazuje sa, že prichádzajúca vlna „vracia dlh“na atómy cézia, ktoré jej „požičiavali“energiu na druhom konci komory. Každý, kto bude pozorovať iba začiatok a koniec experimentu, uvidí iba pulz svetla, ktorý „včas vyskočil“vpred a rýchlejšie sa pohyboval. Videl by som iba pulz svetla, ktorý „včas vyskočil“vpred a rýchlejšie sa pohyboval. Videl by som iba pulz svetla, ktorý „včas vyskočil“vpred a rýchlejšie sa pohyboval.
L. Wong verí, že jeho experiment nesúhlasí s teóriou relativity. Verí, že vyhlásenie o nedosiahnuteľnosti nadsvetelnej rýchlosti sa vzťahuje iba na objekty s pokojovou hmotnosťou. Svetlo môže byť reprezentované buď vo forme vĺn, na ktoré sa všeobecne nedá aplikovať pojem hmoty, alebo vo forme fotónov s pokojovou hmotnosťou, ako je známe, rovnou nule. Preto je podľa Wonga rýchlosť svetla vo vákuu limitom. Wong však pripúšťa, že účinok, ktorý objavil, neumožňuje prenášať informácie rýchlosťou vyššou ako s.
„Informácie tu sú už na špičke impulzu,“hovorí P. Milonny, fyzik z amerického Los Alamos National Laboratory. „A môžete mať dojem, že odosielate informácie rýchlejšie ako svetlo, aj keď ich neposielate.“
Väčšina fyzikov verí, že nová práca nezasiahne zásadné princípy. Nie všetci fyzici sa však domnievajú, že problém je vyriešený. Profesor A. Ranfagni z talianskej výskumnej skupiny, ktorý v roku 2000 uskutočnil ďalší zaujímavý experiment, sa domnieva, že otázka zostáva otvorená. Tento experiment, ktorý uskutočnili Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni a Rocco Ruggeri, zistil, že rádiové vlny s centimetrovými pásmami pri normálnej leteckej doprave rýchlosťou 25% vyššou ako c.
V súhrne môžeme povedať nasledujúce
Práca v posledných rokoch ukázala, že za určitých podmienok môže skutočne dôjsť k superluminálnej rýchlosti. Čo presne však cestuje superluminálnou rýchlosťou? Teória relativity, ako už bolo uvedené, zakazuje takú rýchlosť pre hmotné telá a pre signály prenášajúce informácie. Niektorí vedci sa napriek tomu veľmi vytrvalo snažia demonštrovať, ako prekonať svetelnú bariéru pre signály. Dôvod tohto spočíva v skutočnosti, že v špeciálnej teórii relativity neexistuje prísne matematické odôvodnenie (založené napríklad na Maxwellových rovniciach pre elektromagnetické pole) nemožnosti prenosu signálov rýchlosťou vyššou ako s. Takáto nemožnosť v SRT je stanovená, dá sa povedať, čisto aritmeticky, vychádzajúc z Einsteinovho vzorca na pridávanie rýchlostí,to však v zásade potvrdzuje zásada kauzality. Sám Einstein, vzhľadom na otázku prenosu superluminálneho signálu, napísal, že v tomto prípade „… sme nútení zvážiť mechanizmus prenosu signálu, pri použití ktorého dosiahnutá akcia predchádza príčine. Avšak, hoci to vyplýva z čisto logického hľadiska, neobsahuje, podľa môjho názoru žiadne protirečenia stále protirečia charakteru celej našej skúsenosti, takže nemožnosť predpokladu V> c sa javí ako dostatočne preukázaná. ““Zásada kauzality je základným kameňom, ktorý je základom nemožnosti prenosu signálu FTL. A tento kameň zrejme zakopne všetky, bez výnimky, hľadanie superluminálnych signálov, bez ohľadu na to, do akej miery by experimentátori chceli nájsť takéto signály,pretože toto je povaha nášho sveta.
Predstavme si však, že matematika relativity bude stále pracovať rýchlejšie ako svetlo. To znamená, že teoreticky stále dokážeme zistiť, čo by sa stalo, keby telo prekročilo rýchlosť svetla.
Predstavte si dve kozmické lode, ktoré smerujú zo Zeme k hviezde vzdialenej 100 svetelných rokov od našej planéty. Prvá loď opúšťa Zem pri 50% rýchlosti svetla, takže to bude trvať 200 rokov po celú cestu. Druhá loď, vybavená hypotetickou osnovnou jednotkou, prejde rýchlosťou 200% rýchlosťou svetla, ale 100 rokov po prvej. Čo sa bude diať?
Podľa teórie relativity správna odpoveď do značnej miery závisí od perspektívy pozorovateľa. Zo Zeme sa ukáže, že prvá loď už prešla značnou vzdialenosťou, než ju predbehla druhá loď, ktorá sa pohybuje štyrikrát rýchlejšie. Ale z hľadiska ľudí na prvej lodi je všetko trochu iné.
Loď č. 2 sa pohybuje rýchlejšie ako svetlo, čo znamená, že dokáže dokonca predbiehať svetlo, ktoré sama emituje. To vedie k akejsi „svetelnej vlne“(analogickej so zvukom, len namiesto vibrácií vzduchu, tu vibrujú svetelné vlny), čo vytvára niekoľko zaujímavých efektov. Pripomeňme, že svetlo z lode č. 2 sa pohybuje pomalšie ako samotná loď. Výsledkom bude vizuálne zdvojnásobenie. Inými slovami, posádka lode č. 1 najskôr uvidí, že druhá loď sa objavila vedľa nej, akoby z ničoho nič. Potom svetlo z druhej lode dosiahne prvú s miernym oneskorením a výsledkom bude viditeľná kópia, ktorá sa bude pohybovať v rovnakom smere s miernym oneskorením.
Niečo podobné je možné vidieť v počítačových hrách, keď v dôsledku zlyhania systému motor načíta model a jeho algoritmy v koncovom bode pohybu rýchlejšie ako samotná animácia, takže dôjde k viacerým pokusom. Toto je pravdepodobne dôvod, prečo naše vedomie nevníma hypotetický aspekt vesmíru, v ktorom sa telá pohybujú superluminálnou rýchlosťou - možno to je najlepšie.
PS … ale v poslednom príklade som niečo nerozumel, prečo je skutočná poloha lode spojená s „ňou vyžarovaným svetlom“? Nech ich vidia ako niečo, čo tam nie je, ale v skutočnosti predbehne prvú loď!