Ми часто говоримо про те, що швидкість світла максимальнау нашому Всесвіті, і що немає нічого, що могло б рухатися швидше за швидкість світла у вакуумі. І тим більше - ми. Наближаючись до навколосвітньої швидкості, об'єкт набуває маси та енергії, яка або його руйнує, або суперечить загальній теорії відносності Ейнштейна. Припустимо, ми повіримо в це і шукатимемо обхідні шляхи (начебто або розбиратимемося), щоб летіти до найближчої зірки не 75 000 років, а кілька тижнів. Але оскільки мало хто з нас має вищу фізичну освіту, незрозуміло: чому на вулицях кажуть, що швидкість світла максимальна, постійна та дорівнює 300 000 км/с?

Є багато простих та інтуїтивних пояснень, чому все так, але їх можна починати ненавидіти. Пошук в Інтернеті виведе вас на поняття «релятивістської маси» і на те, що вона потребує більших сил для прискорення об'єкта, який і так рухається з високою швидкістю. Це звичний спосіб інтерпретації математичного апарату спеціальної теорії відносності, але він вводить багатьох в оману, і особливо вас наші дорогі читачі. Оскільки багато хто з вас (та й нас теж) пробують високу фізику на смак, немов занурюючи один палець у її солону воду, перш ніж увійти викупатися. В результаті, стає набагато складнішою і менш красивою, ніж є насправді.

Давайте обговоримо це питання з погляду геометричної інтерпретації, яка узгоджується із загальною теорією відносності. Вона менш очевидна, але трохи складніше, ніж малювання стрілочок на папері, тому багато хто з вас з півслова зрозуміє теорію, яка ховається за абстракціями на кшталт «сили» та відвертої брехні на кшталт «релятивістської маси».

По-перше, давайте визначимо, що такий напрямок, щоб чітко позначити своє місце. «Вниз» – це напрямок. Воно визначається як напрямок, у якому падають речі, коли ви їх відпускаєте. «Вгору» - це напрям, протилежний напряму «вниз». Візьміть до рук компас та визначте додаткові напрямки: північ, південь, захід та схід. Всі ці напрями визначаються серйозними дядьками як «ортонормований (або ортогональний) базис», але про це краще не думати. Давайте припустимо, що ці шість напрямків є абсолютними, оскільки вони існуватимуть там, де ми розбиратимемо наше складне питання.

А тепер давайте додамо ще два напрями: у майбутнє та минуле. Ви не можете легко рухатися в цих напрямках за власним бажанням, але представити їх для вас має бути досить просто. Майбутнє – це напрямок, де настає завтра; минуле – напрямок, де знаходиться вчора.

Ці вісім основних напрямів - вгору, вниз, північ, південь, захід, схід, минуле та майбутнє - описують фундаментальну геометрію Всесвіту. Кожну пару цих напрямів ми можемо назвати «вимірюванням», тому ми живемо у чотиривимірному Всесвіті. Інший термін для визначення цього чотиривимірного розуміння буде «простір-час», але ми намагатимемося уникнути використання цього терміна. Просто запам'ятайте, що в нашому контексті «простір-час» буде рівнозначним поняттю «Всесвіт».

Завітайте на сцену. Давайте подивимося на акторів.

Сидячи зараз перед комп'ютером, ви перебуваєте в русі. Ви її не відчуваєте. Вам здається, що ви можете спокою. Але це тільки тому, що все навколо вас теж рухається. Ні, не подумайте, що ми говоримо про те, що Земля кружляє навколо Сонця або Сонце рухається галактикою і тягне нас за собою. Це, звичайно, так, але ми зараз не про це. Під рухом ми маємо на увазі рух у напрямку «майбутнє».

Уявіть, що ви перебуваєте у вагоні поїзда із закритими вікнами. Ви не можете бачити вулицю і, припустимо, рейки настільки бездоганні, що ви не відчуваєте, чи їде поїзд. Тому просто сидячи всередині поїзда, ви не можете стверджувати, їдете ви чи ні насправді. Вигляньте на вулицю - і зрозумієте, що краєвид проноситься повз. Але вікна зачинені.

Є лише один спосіб дізнатися, рухаєтеся ви чи ні. Просто сидіти та чекати. Якщо поїзд стоятиме на станції, нічого не станеться. Але якщо поїзд рухається, рано чи пізно ви приїдете на нову станцію.

У цій метафорі вагон є все, що ми можемо побачити в навколишньому світі - будинок, кота Ваську, зірки на небі тощо. «Наступна станція – Завтра».

Якщо ви сидітимете нерухомо, а кіт Васька безтурботно спатиме свої належні на добу години, ви не відчуєте руху. Але завтра неодмінно прийде.

Ось що означає рухатися у напрямі майбутнього. Тільки час покаже, що правда: рух чи стоянка.

Поки вам мало досить просто все це уявляти. Можливо, складно думати про час як про напрям і вже тим більше про себе - як про об'єкт, що проходить крізь час. Але ви зрозумієте. Тепер увімкніть уяву.

Уявіть, що коли ви їдете у своєму автомобілі, трапляється щось страшне: відмовляють гальма. За дивним збігом в той же час заклинює газ та коробку передач. Ви не можете прискоритися, ні зупинитися. Єдине, що у вас є – кермо. Ви можете змінити напрямок руху, але не його швидкість.

Звичайно, перше, що ви зробите, це спробуєте в'їхати в м'який кущ і якось акуратно зупинити автомобіль. Але давайте поки не користуватимемося таким прийомом. Просто зосередимося на особливостях вашого несправного автомобіля: ви можете змінити напрямок, але не швидкість.

Ось так ми рухаємось крізь Всесвіт. У вас є кермо, але немає педалі. Сидячи та читаючи цю статтю, ви котитесь у світле майбутнє на максимальній швидкості. І коли ви встаєте, щоб зробити собі чайку, ви змінюєте напрямок руху в просторі-часі, але не його швидкість. Якщо ви будете дуже швидко рухатися по простору, час тектиме трохи повільніше.

Це легко уявити, намалювавши пару осей на папері. Вісь, яка йтиме вгору і вниз – це вісь часу, вгору – значить у майбутнє. Горизонтальна вісь представляє простір. Ми можемо намалювати лише один вимір простору, оскільки аркуш паперу двомірний, але давайте просто уявімо, що це поняття відноситься до всіх трьох вимірів простору.

Намалюйте стрілку з початку осі координат, де сходяться, і направте її вгору вздовж вертикальної осі. Неважливо, наскільки довгою вона буде, майте на увазі, що в неї буде тільки одна довжина. Ця стрілка, яка зараз спрямована в майбутнє, є величиною, яку фізики називають «чотири-швидкістю». Це швидкість вашого пересування за простором-часом. Зараз ви перебуваєте в нерухомому стані, тому стрілка спрямована тільки в майбутнє.

Якщо ви хочете рухатися крізь простір - праворуч по осі координат - вам потрібно змінити вашу чотиришвидкість і включити горизонтальний компонент. Виходить, вам необхідно повернути стрілку. Але як тільки ви це зробите, ви помітите, що стрілка вже не так упевнено вказує нагору, у майбутнє, як раніше. Тепер ви рухаєтеся крізь простір, але вам довелося пожертвувати рухом у майбутньому, оскільки стрілка чотири-швидкості може обертатися, але ніколи не розтягуватися або стискатися.

Звідси починається знаменитий ефект «уповільнення часу», про який говорять усі, хоч трохи присвячені спеціальній теорії відносності. Якщо ви рухаєтеся у просторі, ви не рухаєтеся у часі так швидко, як могли б, якби сиділи на місці. Ваш годинник буде відраховувати час повільніше, ніж годинник людини, яка не рухається.

А тепер ми підходимо до вирішення питання чому фраза « швидше світла» не має сенсу у нашому всесвіті. Дивіться, що відбувається, якщо ви хочете рухатися по простору якнайшвидше. Ви повертаєте стрілку чотири-швидкості до упору, доки вона не вказуватиме вздовж горизонтальної осі. Ми пам'ятаємо, що стрілка неспроможна розтягуватися. Вона може лише обертатися. Отже, ви збільшили швидкість у просторі наскільки це можливо. Але стало неможливо рухатися ще швидше. Стрілку нікуди повернути, інакше вона стане «пряміше прямого» або «горизонтальніше горизонтального». Ось до цього поняття і прирівнюйте «швидше за світло». Це просто неможливо, як нагодувати трьома рибками та сімома хлібами величезний народ.

Ось чому в нашому всесвіті ніщо не може рухатися швидше за світло. Тому що фраза «швидше світла» у нашому всесвіті еквівалентна фразі «пряміше прямого» або «горизонтальніше горизонтального».

Так, у вас залишилося кілька запитань. Чому вектори чотиришвидкості можуть лише обертатися, але не розтягуватись? На це питання є відповідь, але вона пов'язана з інваріантністю швидкості світла, і ми залишимо її на потім. І якщо ви просто повірите в це, то трохи менш поінформовані з цього питання, ніж найблискучіші фізики, що коли-небудь існували на нашій планеті.

Скептики можуть засумніватися, чому ми використовуємо спрощену модель геометрії простору, говорячи про евклідові обертання та круги. У реальному світі геометрія простору-часу підпорядковується геометрії Мінковського, а повороти є гіперболічними. Але найпростіший варіант пояснення має право на життя.

Як і просте пояснення цього, .

. За словами Антоніо Ередітато (Antonio Ereditato), співробітника центру фізики частинок на франко-швейцарському кордоні, після трьох років вимірювань виявилося, що пучок нейтрино, запущених з Женеви в італійську лабораторію Гран Сассо подолали відстань у 730 км на 60 наносекунд.

"Ми маємо високу впевненість у результатах. Але необхідно, щоб інші колеги проробили свої тести та підтвердили наші результати.", - зазначив він. За словами вченого, похибка вимірів не перевищує 10 нс.

Якщо результати досліджень підтвердяться, це може поставити під сумнів основу спеціальної теорії відносності Альберта Ейнштейна (1905), яка свідчить, що ніщо у всесвіті неспроможна рухатися швидше світла, тобто. зі швидкістю вище 299792 км/с.

0 0

Тут написана, на жаль, повна нісенітниця. Агентство "Рейтер" звичайно солідна організація, але новини науки необхідно черпати все-таки не з тих самих рук, які приносять новини політики, світського життя.

"основу спеціальної теорії відносності Альберта Ейнштейна (1905), яка говорить, що ніщо у всесвіті не може рухатися швидше за світло"

Нічого такого теорія відносності не стверджує. Теорія відносності стверджує, що ніщо не може рухатися швидше за світло у вакуумі. І частинки, які рухаються швидше світла, знайдені давним давно, точніше - знайдені такі середовища, в яких деякі частинки можуть рухатися швидше фотонів.
Яким чином йшов пучок нейтрино з Женеву кудись там, мені незрозуміло, але вже не у вакуумі. Якщо, наприклад, він йшов повітрям, то нічого дивного немає в тому, що фотони, що розсіюються повітрям, дійшли до кінцевої точки пізніше, ніж майже не взаємодіють з речовиною нейтрино.

0 0

0 0

По суті, нейтрино завжди рухатимуся швидше світла:) Просто тому, що вони з матерією практично не взаємодіють, а світло (фотони) взаємодіє чудово. І тільки у вакуумі фотони розганяються до повного кайфу:)
А ось цікаво було знайти таке середовище, в якому електрони могли б рухатися швидше за швидкість світла. І таке середовище знайшли й давно. І при цьому виникають надзвичайні ефекти. Подивися у вікіпедії "Випромінювання Вавилова-Черенкова".

0 0

0 0

Ще одна публікація на тему:

Фізики дослідницького центру Європейської організаціїпо ядерним дослідженням(ЦЕРН) в ході проведення експерименту з'ясували, що субатомні частинки можуть рухатися зі швидкістю, що перевищує швидкість світла.

Пучок нейтрино, спрямований із ЦЕРН до підземної лабораторії Гран-Сассо в Італії на відстань у 732 км, прибув на місце призначення, як повідомляється, на кілька мільярдних часток секунди раніше, ніж якби пересувався зі швидкістю світла.

Якщо дані експерименту будуть підтверджені, то буде спростовано теорію відносності Ейнштейна, згідно з якою швидкість світла становить 299 792 458 метрів за секунду.

За даними вчених, пучки нейтрино обігнали її на 60 наносекунд, що суперечить постулату, що елементарні частинки не можуть рухатися швидше за швидкість світла.

Російська служба Бі-бі-сі поговорила про результати експерименту з Рубеном Саакяном, професором фізики Університетського коледжуЛондон.

Бі-бі-сі: Ви працювали в лабораторії Гран-Сассо, і, мабуть, добре знайомі з експериментом "Опера".

Рубен Саакян: Я покинув лабораторію Гран-Сассо більше 10 років тому, коли "Опера" лише будувалася. "Опера" - це експеримент, який займається пошуком такого явища, як нейтринні осциляції, тобто перетворення одного типу нейтрино на інший.

Нейтрино - це фундаментальні частинки, так звані цеглини світобудови. Вони мають низку цікавих властивостей, зокрема перетворення з одного типу на інший. "Опера" призначена для того, щоб вивчати цю проблему.

Той результат (дані, що нейтрино рухаються зі швидкістю, що перевищує швидкість світла) був побічним продуктом експерименту, який вони робили.

Бі-бі-сі: Чи переконливі представлені вченими результати?

Р.С.: Опубліковані результати виглядають переконливо. В експериментальній науці існує чисельна міра довіри до результату, тобто ваш вимір має перевищувати похибку виміру принаймні вп'ятеро. А у них воно перевищує у шість разів.

З іншого боку, це складний вимір, у ньому багато елементів, і кожному етапі існує багато способів зробити його неправильно. І тому слід сприймати його зі здоровим скептицизмом. На честь авторів, вони не інтерпретують результат, а просто констатують дані, отримані під час експерименту.

Бі-бі-сі: Як відреагувало світове наукове співтовариство на ці дані?

Р.С.: Світова спільнота відреагувала зі здоровим скептицизмом і навіть консерватизмом. Адже це серйозний експеримент, а чи не популістська заява.

Наслідки, якщо буде доведена істинність цих даних, є надто серйозними, щоб їх легко сприймати.

Зміняться наші фундаментальні уявлення про світ. Тепер люди чекатимуть подальших публікацій систематичних помилок експерименту та, найголовніше, даних незалежних експериментів.

Бі-бі-сі: Яких, наприклад?

Р.С.: Існує американський експеримент "Мінус", який може цей вимір підтвердити. Він дуже схожий на "Оперу". На прискорювачі виробляється пучок нейтрино, потім посилається на 730 кілометрів та вимірюється у підземній лабораторії. Суть вимірювання проста: ви знаєте відстань між вашим джерелом та вашим детектором, ви вимірюєте час, за який він прийшов, і таким чином визначаєте швидкість.

Він у деталях. "Мінус" вже чотири роки тому зробив схожий вимір, але тоді у них та величина, яку вони виміряли, і похибка були порівняні один з одним. Їхня ключова проблема полягала в тому, що у них не було точної відстані.

730 кілометрів між джерелом та детектором складно виміряти з абсолютною точністю, а "Опера" нещодавно зуміла геодезичними методами виміряти цю відстань аж до 20 сантиметрів. "Мінус" намагатиметься зробити те саме і тоді зможе перевірити дані цього експерименту.

Якщо результат експерименту підтвердиться, як це вплине на традиційні уявлення про світ?

Р.С.: Якщо це підтвердиться, результат буде серйозний. Наразі існують дві теорії, які пояснюють з наукового погляду весь світ, який нас оточує: квантова теоріямікросвіту та теорія відносності Ейнштейна.

Результат експерименту (нейтрино рухаються зі швидкістю, що перевищує швидкість світла) прямо суперечать теорії відносності Ейнштейна, яка стверджує, що в будь-якій точці відліку швидкість світла постійна і ніщо не може випередити швидкість світла.

Існує велика кількістьзапаморочливих наслідків, зокрема, можливість подорожі у часі (для частинок).

Http://www.bbc.co.uk/russian/science/2011/09/110923_interview_expert_neutrino_discovery.shtml

0 0

Публікацій буде багато, але обговорювати їх безглуздо на 10, тому що ти навіть не уявляєш собі, напевно - наскільки фізика пішла вперед з 1905 року:), коли Ейнштейн тільки сформулював принципи теорії віднос. Існує маса абсолютно несподіваних аспектів всього цього, і якщо ними нехтувати, то легко висмоктувати сенсації. Експериментатори нічого не висмоктували, мабуть, але тільки характерно, що ні самі вони, ні вчені, які займаються цими проблемами, жодних криків не видають - вони просто зафіксували ось такий результат і пропонують тепер його перевірити і або спростувати, або підтвердити, і "Підтвердити" - ще не означає, що теорія відносності повинна бути скоригована, так як можуть бути різні пояснення цих даних в умовах існуючої моделі.
Наприклад уяви собі - якась частка так розігнана, що її швидкість майже дорівнює швидкості світла - дуже близько. при цьому, якщо її координата буде досить слабо невизначена, то згідно з принципом невизначеності гейзенберга невизначеність її швидкості стає такою, що існує ненульова ймовірність того, що частка рухається швидше за швидкість світла. Це відомий парадокс, з якого зокрема витікає гіпотеза існування антиматерії, яка все чудово зрештою і пояснює в рамках існуючої моделі.
Ну і згадай таку охрененную штуку, як вакуум Казимира - ваккум це не порожнеча, це облатся простору, яка кишить незліченними кількостями віртуальних частинок, що народжуються і вмирають. Віртуальні вони названі тому, що народжуються і анігілюють швидше, ніж ти можеш це виявити, щоб зафіксувати порушення законів збереження. Тим не менш, при певних уявних дослідах можна "розсунути" пари віртуальних частинок, і вони не зможуть зхлопнутися. Крім того, якщо взяти виключно малий розмір області простору, то в ньому з'явиться лише одна частка, а друга буде з іншого боку стіни. Ефект Казимира експериментально вже доведено, та його вивчення стоїть мало зрушуючись у силу те, що дуже складно проводити експерименти у таких малих областях простору.
Я вже не кажу про теорію тахіонів, яка теж спокійно може бути покликана до підтримки теорії відносності (якщо її пристосувати до пояснення таємничих перетворень нейтрино з одного типу в інший і можливої ​​ось цієї гтуки з перевищенням швидкості світла
Загалом, там деталей стільки, що до межі можливостей зберегти теорію відносності в недоторканому вигляді. Але деякі з можливих інтерпретацій можуть істотно зрушити фізику вперед.

0 0

Мені ще ось що не ясно: з того що я прочитав і побачив слід, що вчені запустили пучок нейтрино на відстань 700км на реєструючий пристрій. Але ж землю постійно, щомиті пронизують хуеліони нейтрино, які ніяк не взаємодіють з матерією. Як вони визначили, що на реєстраторі зафіксовано саме "їхнє" нейтрино, а не прилетів із космосу?

Лікар технічних наук А. ГОЛУБЄВ.

У середині минулого року у журналах з'явилося сенсаційне повідомлення. Група американських дослідників виявила, що дуже короткий лазерний імпульс рухається в особливо підібраному середовищі в сотні разів швидше, ніж у вакуумі. Це явище здавалося зовсім неймовірним (швидкість світла в середовищі завжди менша, ніж у вакуумі) і навіть породило сумніви у справедливості спеціальної теорії відносності. Тим часом надсвітловий фізичний об'єкт - лазерний імпульс у посилюючому середовищі - був вперше виявлений не 2000 року, а на 35 років раніше, 1965 року, і можливість надсвітлового руху широко обговорювалася до початку 70-х років. Сьогодні дискусія навколо цього дивного явища спалахнула з новою силою.

Приклади "надсвітлового" руху.

На початку 60-х років короткі світлові імпульси великої потужності стали одержувати, пропускаючи через квантовий підсилювач (середовище з інверсною заселеністю) лазерний спалах.

У посилюючому середовищі початкова область світлового імпульсу викликає вимушене випромінювання атомів середовища підсилювача, а кінцева область - поглинання ними енергії. В результаті спостерігачеві здаватиметься, що імпульс рухається швидше за світло.

Експеримент Ліджуна Вонґа.

Промінь світла, що проходить крізь призму з прозорого матеріалу (наприклад, скла), переломлюється, тобто відчуває дисперсію.

Світловий імпульс є набір коливань різної частоти.

Напевно, всім - навіть людям, далеким від фізики, - відомо, що максимально можливою швидкістю руху матеріальних об'єктів чи поширення будь-яких сигналів є швидкість світла у вакуумі. Вона позначається буквою зі становить майже 300 тисяч кілометрів на секунду; точна величина з= 299792 458 м/с. Швидкість світла у вакуумі – одна з фундаментальних фізичних констант. Неможливість досягнення швидкостей, що перевищують з, Випливає зі спеціальної теорії відносності (СТО) Ейнштейна. Якби вдалося довести, що можлива передача сигналів із надсвітловою швидкістю, теорія відносності впала б. Поки що цього не сталося, незважаючи на численні спроби спростувати заборону існування швидкостей, великих з. Проте в експериментальних дослідженнях останнього часу виявилися деякі дуже цікаві явища, що свідчать про те, що за спеціально створених умов можна спостерігати надсвітлову швидкість і при цьому принципи теорії відносності не порушуються.

Для початку нагадаємо основні аспекти, що стосуються проблеми швидкості світла. Насамперед: чому не можна (за звичайних умов) перевищити світлову межу? Тому що тоді порушується фундаментальний закон нашого світу – закон причинності, відповідно до якого слідство не може випереджати причину. Ніхто ніколи не спостерігав, щоб, наприклад, спочатку мертве впав ведмідь, а потім вистрілив мисливець. При швидкостях, що перевищують з, Послідовність подій стає зворотною, стрічка часу відмотується назад. У цьому легко переконатись з наступного простого міркування.

Припустимо, що ми знаходимося на якомусь космічному диво-кораблі, що рухається швидше за світло. Тоді ми поступово наздоганяли б світло, випущене джерелом у дедалі більш ранні моменти часу. Спочатку ми наздогнали фотони, випущені, скажімо, вчора, потім - випущені позавчора, потім - тиждень, місяць, рік тому і так далі. Якби джерелом світла було дзеркало, що відбиває життя, ми спочатку побачили б події вчорашнього дня, потім позавчорашнього і так далі. Ми могли б побачити, скажімо, старого, який поступово перетворюється на людину середніх років, потім на молоду, на юнака, на дитину... Тобто час повернув би назад, ми рухалися б із сьогодення в минуле. Причини і наслідки у своїй помінялися б місцями.

Хоча в цьому міркуванні повністю ігноруються технічні деталі процесу спостереження за світлом, з принципової точки зору воно наочно демонструє, що рух із надсвітловою швидкістю призводить до неможливої ​​у нашому світі ситуації. Проте природа поставила ще жорсткіші умови: недосяжний рух як із надсвітловою швидкістю, а й зі швидкістю, що дорівнює швидкості світла, - до неї можна лише наближатися. З теорії відносності випливає, що при збільшенні швидкості руху виникають три обставини: зростає маса об'єкта, що рухається, зменшується його розмір у напрямку руху і сповільнюється перебіг часу на цьому об'єкті (з точки зору зовнішнього "спочиваючого" спостерігача). При звичайних швидкостях ці зміни мізерно малі, але в міру наближення до швидкості світла вони стають все відчутнішими, а в межі - при швидкості, що дорівнює з, - Маса стає нескінченно великий, об'єкт повністю втрачає розмір у напрямку руху і час на ньому зупиняється. Тому ніяке матеріальне тіло не може досягти швидкості світла. Таку швидкість має тільки саме світло! (А також "всепроникна" частка - нейтрино, яка, як і фотон, не може рухатися зі швидкістю, меншою с.)

Тепер про швидкість передачі сигналу. Тут доречно користуватися уявленням світла як електромагнітних хвиль. Що таке сигнал? Це якась інформація, що підлягає передачі. Ідеальна електромагнітна хвиля- це нескінченна синусоїда строго однієї частоти, і вона не може нести жодної інформації, бо кожен період такої синусоїди точно повторює попередній. Швидкість переміщення фази синусоїдальної хвилі - так звана фазова швидкість - може в середовищі за певних умов перевищувати швидкість світла у вакуумі. Тут обмеження відсутні, оскільки фазова швидкість не є швидкістю сигналу – його ще немає. Щоб створити сигнал, треба зробити якусь відмітку на хвилі. Такою відміткою може бути, наприклад, зміна будь-якого параметра хвилі - амплітуди, частоти або початкової фази. Але як тільки позначка зроблена, хвиля втрачає синусоїдальність. Вона стає модульованою, що складається з набору простих синусоїдальних хвиль з різними амплітудами, частотами та початковими фазами - групи хвиль. Швидкість переміщення позначки в модульованій хвилі є швидкістю сигналу. При поширенні в середовищі ця швидкість зазвичай збігається з груповою швидкістю, що характеризує поширення вищезгаданої групи хвиль як цілого (див. "Наука життя" № 2, 2000 р.). За звичайних умов групова швидкість, отже, і швидкість сигналу менше швидкості світла у вакуумі. Тут не випадково вжито вираз "за звичайних умов", бо в деяких випадках і групова швидкість може перевищувати забо взагалі втрачати сенс, але тоді вона не відноситься до поширення сигналу. У СТО встановлюється, що неможлива передача сигналу зі швидкістю більшою з.

Чому це так? Тому що перешкодою для передачі будь-якого сигналу зі швидкістю більше зслужить той самий закон причинності. Уявімо таку ситуацію. У деякій точці А світловий спалах (подія 1) включає пристрій, що посилає певний радіосигнал, а у віддаленій точці під дією цього радіосигналу відбувається вибух (подія 2). Зрозуміло, що подія 1 (спалах) - причина, а подія 2 (вибух) - наслідок, що настає пізніше. Але якби радіосигнал поширювався з надсвітловою швидкістю, спостерігач поблизу точки В побачив би спочатку вибух, а вже потім - швидкість, що дійшла до нього. зсвітловий спалах, причина вибуху. Іншими словами, для цього спостерігача подія 2 відбулася б раніше, ніж подія 1, тобто слідство випередило причину.

Доречно підкреслити, що "надсвітла заборона" теорії відносності накладається тільки на рух матеріальних тіл і передачу сигналів. У багатьох ситуаціях можливий рух із будь-якою швидкістю, але це буде рух не матеріальних об'єктів і не сигналів. Наприклад, уявимо собі дві довгі лінійки, що лежать в одній площині, одна з яких розташована горизонтально, а інша перетинає її під малим кутом. Якщо першу лінійку рухати вниз (в напрямку, вказаному стрілкою) з великою швидкістю, точку перетину лінійок можна змусити бігти як завгодно швидко, але ця точка - не матеріальне тіло. Інший приклад: якщо взяти ліхтарик (або, скажімо, лазер, що дає вузький промінь) і швидко описати їм у повітрі дугу, то лінійна швидкість світлового зайчика збільшуватиметься з відстанню і на досить великому видаленні перевищить с.Світлова пляма переміститься між точками А і В з надсвітловою швидкістю, але це не буде передачею сигналу з А в, так як такий світловий зайчик не несе жодної інформації про точку А.

Здавалося б, питання надсвітлових швидкостей вирішено. Але в 60-х роках ХХ століття фізиками-теоретиками була висунута гіпотеза існування надсвітлових частинок, названих тахіонами. Це дуже дивні частинки: теоретично вони можливі, але, щоб уникнути протиріч із теорією відносності, їм довелося приписати уявну масу спокою. Фізично уявна маса немає, це суто математична абстракція. Однак це не викликало особливої ​​тривоги, оскільки тахіони не можуть бути спокій - вони існують (якщо існують!) тільки при швидкостях, що перевищують швидкість світла у вакуумі, а в цьому випадку маса тахіону виявляється речовою. Тут є деяка аналогія з фотонами: у фотона маса спокою дорівнює нулю, але це просто означає, що фотон не може бути спокій - світло не можна зупинити.

Найбільш складним виявилося, як і слід очікувати, примирити тахіонну гіпотезу із законом причинності. Спроби, що робилися в цьому напрямку, хоч і були дотепними, не призвели до явного успіху. Експериментально зареєструвати тахіони також нікому не вдалося. У результаті інтерес до тахіонів як до надсвітлових елементарним часткампоступово зійшов нанівець.

Однак у 60-х роках було експериментально виявлено явище, спочатку що привело фізиків у замішання. Про це докладно розказано у статті А. Н. Ораєвського "Надсвітлові хвилі у посилюючих середовищах" (УФН № 12, 1998). Тут ми коротко наведемо суть справи, відсилаючи читача, який цікавиться подробицями, до цієї статті.

Незабаром після відкриття лазерів – на початку 60-х років – виникла проблема отримання коротких (тривалістю порядку 1 нс = 10 -9 с) імпульсів світла великої потужності. Для цього короткий лазерний імпульс пропускався через квантовий оптичний підсилювач. Імпульс розщеплювався світлоробним дзеркалом на дві частини. Одна з них, сильніша, прямувала в підсилювач, а інша поширювалася в повітрі і служила опорним імпульсом, з яким можна було порівнювати імпульс, що пройшов через підсилювач. Обидва імпульси подавалися на фотоприймачі, які вихідні сигнали могли візуально спостерігатися на екрані осцилографа. Очікувалося, що світловий імпульс, що проходить через підсилювач, зазнає в ньому деякої затримки порівняно з опорним імпульсом, тобто швидкість поширення світла в підсилювачі буде меншою, ніж у повітрі. Яке ж було подив дослідників, коли вони виявили, що імпульс поширювався через підсилювач зі швидкістю не тільки більшою, ніж у повітрі, а й перевищує швидкість світла у вакуумі у кілька разів!

Оговтавшись від першого шоку, фізики стали шукати причину такого несподіваного результату. Ні в кого не виникло навіть найменшого сумніву в принципах спеціальної теорії відносності, і саме це допомогло знайти правильне пояснення: якщо принципи СТО зберігаються, відповідь слід шукати у властивостях посилюючого середовища.

Не вдаючись тут до деталей, зазначимо лише, що докладний аналіз механізму дії посилюючого середовища повністю прояснив ситуацію. Справа полягала у зміні концентрації фотонів при поширенні імпульсу - зміні, обумовленому зміною коефіцієнта посилення середовища аж до негативного значенняпри проходженні задньої частини імпульсу, коли середовище вже поглинає енергію, бо її власний запас вже витрачено внаслідок передачі світлового імпульсу. Поглинання викликає не посилення, а ослаблення імпульсу, і, таким чином, імпульс виявляється посиленим у передній та ослабленим у задній його частині. Уявімо, що ми спостерігаємо за імпульсом за допомогою приладу, що рухається зі швидкістю світла серед підсилювача. Якби середовище було прозорим, ми бачили б застиглий у нерухомості імпульс. У середовищі ж, у якій відбувається згаданий вище процес, посилення переднього та ослаблення заднього фронту імпульсу буде представлятися спостерігачеві так, що середовище як би посунуло імпульс уперед. Але якщо прилад (спостерігач) рухається зі швидкістю світла, а імпульс обганяє його, то швидкість імпульсу перевищує швидкість світла! Саме цей ефект був зареєстрований експериментаторами. І тут справді немає суперечності з теорією відносності: просто процес посилення такий, що концентрація фотонів, що вийшли раніше, виявляється більшою, ніж вийшли пізніше. З надсвітловою швидкістю переміщуються не фотони, а загальна імпульсу, зокрема його максимум, який і спостерігається на осцилографі.

Таким чином, у той час як у звичайних середовищах завжди відбувається ослаблення світла та зменшення його швидкості, що визначається показником заломлення, в активних лазерних середовищах спостерігається не тільки посилення світла, але й поширення імпульсу з надсвітловою швидкістю.

Деякі фізики намагалися експериментально довести наявність надсвітлового руху при тунельному ефекті - одному з найдивовижніших явищ у квантової механіки. Цей ефект полягає в тому, що мікрочастинка (точніше кажучи, мікрооб'єкт, що в різних умовах виявляє як властивості частинки, так і властивості хвилі) здатна проникати через так званий потенційний бар'єр - явище, абсолютно неможливе в класичній механіці (в якій аналогом була б така ситуація : кинутий у стіну м'яч виявився б по інший бік стіни або хвилеподібний рух, наданий прив'язаної до стіни мотузці, передавалося б мотузці, прив'язаної до стіни з іншого боку). Сутність тунельного ефекту у квантовій механіці полягає в наступному. Якщо мікрооб'єкт, що має певну енергію, зустрічає на своєму шляху область з потенційною енергією, що перевищує енергію мікрооб'єкта, ця область є для нього бар'єром, висота якого визначається різницею енергій. Але мікрооб'єкт "просочується" через бар'єр! Таку можливість дає йому відоме співвідношення невизначеностей Гейзенберга, записане для енергії та часу взаємодії. Якщо взаємодія мікрооб'єкта з бар'єром відбувається протягом досить певного часу, то енергія мікрооб'єкта, навпаки, характеризуватиметься невизначеністю, і якщо ця невизначеність буде порядку висоти бар'єру, то останній перестає бути для мікрооб'єкта непереборною перешкодою. Ось швидкість проникнення через потенційний бар'єр і стала предметом досліджень низки фізиків, які вважають, що вона може перевищувати з.

У червні 1998 року у Кельні відбувся міжнародний симпозіум з проблем надсвітлових рухів, де обговорювалися результати, отримані у чотирьох лабораторіях - у Берклі, Відні, Кельні та у Флоренції.

І, нарешті, в 2000 році з'явилися повідомлення про два нові експерименти, в яких проявилися ефекти надсвітлового поширення. Один з них виконав Ліджун Вонг із співробітниками в дослідницькому інституті у Прінстоні (США). Його результат полягає в тому, що світловий імпульс, що входить у камеру, наповнену парами цезію, збільшує свою швидкість у 300 разів. Виходило, що головна частина імпульсу виходить із далекої стінки камери навіть раніше, ніж імпульс входить у камеру через передню стінку. Така ситуація суперечить не лише здоровому глузду, Але, по суті, і теорії відносності.

Повідомлення Л. Вонга викликало інтенсивне обговорення у колі фізиків, більшість яких не схильні бачити в отриманих результатах порушення принципів відносності. Завдання полягає в тому, чи вважають вони, щоб правильно пояснити цей експеримент.

В експерименті Л.Вонга світловий імпульс, що входить у камеру з парами цезію, мав тривалість близько 3 мкс. Атоми цезію можуть бути в шістнадцяти можливих квантовомеханічних станах, званих "надтонкі магнітні підрівні основного стану". За допомогою оптичного лазерного накачування майже всі атоми наводилися тільки в один із цих шістнадцяти станів, що відповідає майже абсолютному нулю температури за шкалою Кельвіна (-273,15 о C). Довжина цезієвої камери складала 6 сантиметрів. У вакуумі світло проходить 6 см за 0,2 нс. Через камеру з цезієм, як показали виконані вимірювання, світловий імпульс проходив за час на 62 нс менше, ніж у вакуумі. Іншими словами, час проходження імпульсу через цезієве середовище має знак "мінус"! Справді, якщо з 0,2 нс відняти 62 нс, отримаємо "негативний" час. Ця "негативна затримка" в середовищі - незбагненний тимчасовий стрибок - дорівнює часу, протягом якого імпульс зробив би 310 проходів через камеру у вакуумі. Наслідком цього "тимчасового перевороту" стало те, що імпульс, що виходить з камери, встиг відійти від неї на 19 метрів, перш ніж приходить імпульс досяг ближньої стінки камери. Як можна пояснити таку неймовірну ситуацію (якщо, звичайно, не сумніватися в чистоті експерименту)?

Судячи з дискусії, що розгорнулася, точне пояснення ще не знайдено, але безсумнівно, що тут грають роль незвичайні дисперсійні властивості середовища: пари цезію, що складаються з збуджених лазерним світлом атомів, є середовище з аномальною дисперсією. Нагадаємо коротко, що це таке.

Дисперсією речовини називається залежність фазового (звичайного) показника заломлення nвід довжини хвилі світла l. При нормальній дисперсії показник заломлення збільшується зі зменшенням довжини хвилі, і це має місце у склі, воді, повітрі та всіх інших прозорих для світла речовинах. У речовинах, що сильно поглинають світло, хід показника заломлення зі зміною довжини хвилі змінюється на зворотний і стає набагато крутішим: при зменшенні l (збільшенні частоти w) показник заломлення різко зменшується і в деякій області довжин хвиль стає менше одиниці (фазова швидкість Vф > з). Це і є аномальна дисперсія, за якої картина поширення світла в речовині змінюється радикальним чином. Групова швидкість Vгр стає більше фазової швидкості хвиль і може перевищити швидкість світла у вакуумі (а також стати негативною). Л. Вонг вказує на цю обставину як на причину, яка лежить в основі можливості пояснення результатів його експерименту. Слід зазначити, що умова Vгр > зє чисто формальним, оскільки поняття груповий швидкості введено випадку малої (нормальної) дисперсії, для прозорих середовищ, коли група хвиль при поширенні майже змінює своєї форми. У областях аномальної дисперсії світловий імпульс швидко деформується і поняття груповий швидкості втрачає сенс; в цьому випадку вводяться поняття швидкості сигналу і швидкості поширення енергії, які в прозорих середовищах збігаються з груповою швидкістю, а в середовищах з поглинанням залишаються менше швидкості світла у вакуумі. Але ось що цікаво в експерименті Вонга: світловий імпульс, пройшовши через середовище з аномальною дисперсією, не деформується – він точно зберігає свою форму! І це відповідає припущенню поширення імпульсу з груповий швидкістю. Але якщо так, то виходить, що в середовищі немає поглинання, хоча аномальна дисперсія середовища зумовлена ​​саме поглинанням! Сам Вонг, визнаючи, що ще залишається незрозумілим, вважає, що що у його експериментальної установці можна у першому наближенні наочно пояснити так.

Світловий імпульс складається з безлічі складових із різними довжинами хвиль (частотами). На малюнку показано три з цих складових (хвилі 1-3). У певній точці всі три хвилі знаходяться у фазі (їх максимуми збігаються); тут вони, складаючись, посилюють один одного і утворюють імпульс. У міру подальшого поширення у просторі хвилі розфазуються і цим "гасять" один одного.

В області аномальної дисперсії (всередині цезієвої комірки) хвиля, яка була коротшою (хвиля 1), стає довшою. І навпаки, хвиля, що була найдовшою з трьох (хвиля 3), стає найкоротшою.

Отже, відповідно змінюються фази хвиль. Коли хвилі пройшли через цезієвий осередок, їх хвильові фронти відновлюються. Зазнавши незвичайну фазову модуляцію в речовині з аномальною дисперсією, три хвилі, що розглядаються, знову опиняються у фазі в деякій точці. Тут вони знову складаються і утворюють імпульс такої ж форми, як і входить в цезієве середовище.

Зазвичай у повітрі і практично в будь-якому прозорому середовищі з нормальною дисперсією світловий імпульс не може точно зберігати свою форму при поширенні на віддалену відстань, тобто всі його складові не можуть бути сфазовані в будь-якій віддаленій точці вздовж шляху розповсюдження. І в звичайних умовах світловий імпульс у такій віддаленій точці з'являється через деякий час. Однак внаслідок аномальних властивостей використаного в експерименті середовища імпульс у віддаленій точці виявився сфазований так само, як і при вході до цього середовища. Таким чином, світловий імпульс веде себе так, ніби він мав негативну тимчасову затримку на шляху до віддаленої точки, тобто прийшов би в неї не пізніше, а раніше ніж пройшов середу!

Більшість фізиків схильна пов'язувати цей результат із виникненням низькоінтенсивного провісника в диспергуючому середовищі камери. Справа в тому, що при спектральному розкладанні імпульсу в спектрі присутні складові скільки завгодно високих частот з мізерно малою амплітудою, так званий провісник, що йде попереду "головної частини" імпульсу. Характер встановлення і форма провісника залежить від закону дисперсії серед. Маючи це на увазі, послідовність подій в експерименті Вонга пропонується інтерпретувати так. Приходить хвиля, "простираючи" передвісник перед собою, наближається до камери. Перш ніж пік хвилі, що приходить, потрапить на ближню стінку камери, провісник ініціює виникнення імпульсу в камері, який доходить до далекої стінки і відображається від неї, утворюючи "зворотну хвилю". Ця хвиля, поширюючись у 300 разів швидше з, досягає ближньої стінки і зустрічається з хвилею, що приходить. Піки однієї хвилі зустрічаються з западинами іншої, тому вони знищують один одного і в результаті нічого не залишається. Виходить, що хвиля, що приходить, "повертає борг" атомам цезію, які "позичили" їй енергію на іншому кінці камери. Той, хто спостерігав би тільки початок і кінець експерименту, побачив би лише імпульс світла, що "стрибнув" уперед у часі, рухаючись швидше с.

Л. Вонг вважає, що його експеримент не узгоджується з теорією відносності. Твердження про недосяжність надсвітлової швидкості, вважає він, застосовується тільки до об'єктів, що мають масу спокою. Світло може бути представлене або у вигляді хвиль, до яких взагалі не застосовується поняття маси, або у вигляді фотонів з масою спокою, як відомо, що дорівнює нулю. Тому швидкість світла у вакуумі, вважає Вонг, не межа. Тим не менш, Вонг визнає, що виявлений ним ефект не дає можливості передавати інформацію зі швидкістю більше. з.

"Інформація тут вже укладена в передньому краї імпульсу, - каже П. Мілонні, фізик з Лос-Аламоської національної лабораторії США. - І може скластися враження про надсвітлову посилку інформації, навіть коли ви її не посилаєте".

Більшість фізиків вважають, що нова робота не завдає нищівного удару за фундаментальними принципами. Але не всі фізики вважають, що проблему вирішено. Професор А. Ранфагні з італійської дослідницької групи, яка здійснила ще один цікавий експеримент 2000 року, вважає, що питання залишається відкритим. Цей експеримент, проведений Даніелом Мугнаї, Анедіо Ранфагні та Рокко Руггері, виявив, що радіохвилі сантиметрового діапазону у звичайному повітрі поширюються зі швидкістю, що перевищує зна 25%.

Резюмуючи, можна сказати таке. Роботи останніх роківпоказують, що за певних умов надсвітлова швидкість може мати місце. Але що саме рухається із надсвітловою швидкістю? Теорія відносності, як згадувалося, забороняє таку швидкість для матеріальних тіл й у сигналів, несуть інформацію. Проте деякі дослідники дуже наполегливо намагаються продемонструвати подолання світлового бар'єру саме для сигналів. Причина цього у тому, що у спеціальній теорії відносності немає строгого математичного обгрунтування (базується, скажімо, на рівняннях Максвелла для електромагнітного поля) неможливості передачі сигналів зі швидкістю більше з. Така неможливість у СТО встановлюється, можна сказати, суто арифметично, виходячи з ейнштейнівської формули складання швидкостей, але фундаментально це підтверджується принципом причинності. Сам Ейнштейн, розглядаючи питання про надсвітлову передачу сигналів, писав, що в цьому випадку "...ми змушені вважати можливим механізм передачі сигналу, при використанні якого досягнута дія передує причині. Але, хоча цей результат з суто логічного погляду і не містить собі, на мою думку, ніяких суперечностей, він все ж таки настільки суперечить характеру всього нашого досвіду, що неможливість припущення V > зпредставляється в достатній мірі доведеною". Принцип причинності - ось той наріжний камінь, який лежить в основі неможливості надсвітлової передачі сигналів. І про цей камінь, мабуть, спотикаються всі без винятку пошуки надсвітлових сигналів, як би експериментаторам не хотілося виявити такі сигнали , Бо така природа нашого світу.

Насамкінець слід підкреслити, що все вищевикладене відноситься саме до нашого світу, до нашого Всесвіту. Таке застереження зроблено тому, що останнім часом в астрофізиці та космології з'являються нові гіпотези, що допускають існування безлічі прихованих від нас Всесвітів, з'єднаних топологічними тунелями-перемичками. Такий погляд дотримується, наприклад, відомий астрофізик М. З. Кардашев. Для зовнішнього спостерігача входи в ці тунелі позначаються аномальними полями тяжіння, подібно до чорних дірок. Переміщення в таких тунелях, як припускають автори гіпотез, дозволять обійти обмеження швидкості руху, що накладається в звичайному просторі швидкістю світла, і, отже, реалізувати ідею про створення машини часу... Не виключено, що в подібних Всесвітах дійсно можуть відбуватися незвичайні для нас речі. І хоча поки такі гіпотези надто вже нагадують сюжети з наукової фантастики, навряд чи слід категорично відкидати принципову можливість багатоелементної моделі устрою матеріального світу. Інша річ, що всі ці інші Всесвіти, швидше за все, залишаться чисто математичними побудовами фізиків-теоретиків, які живуть у нашому Всесвіті і силою своєї думки намагаються намацати закриті для нас світи.

в номері на ту ж тему

Подорож на надсвітловій швидкості одна з основ космічної наукової фантастики. Проте, напевно, всім – навіть людям, далеким від фізики, – відомо, що гранично можливою швидкістю руху матеріальних об'єктів чи розповсюдження будь-яких сигналів є швидкість світла у вакуумі. Вона позначається буквою з і становить майже 300 тисяч кілометрів на секунду; точна величина з = 299792458 м/с.

Швидкість світла у вакуумі – одна з фундаментальних фізичних констант. Неможливість досягнення швидкостей, що перевищують с, випливає із спеціальної теорії відносності (СТО) Ейнштейна. Якби вдалося довести, що можлива передача сигналів із надсвітловою швидкістю, теорія відносності впала б. Поки що цього не трапилося, незважаючи на численні спроби спростувати заборону на існування швидкостей великих с. Проте в експериментальних дослідженнях останнього часу виявилися деякі дуже цікаві явища, що свідчать про те, що за спеціально створених умов можна спостерігати надсвітлову швидкість і при цьому принципи теорії відносності не порушуються.

Для початку нагадаємо основні аспекти, що стосуються проблеми швидкості світла.

Насамперед: чому не можна (за звичайних умов) перевищити світлову межу? Тому що тоді порушується фундаментальний закон нашого світу – закон причинності, відповідно до якого слідство не може випереджати причину. Ніхто ніколи не спостерігав, щоб, наприклад, спочатку мертве впав ведмідь, а потім вистрілив мисливець. При швидкостях, що перевищують с, послідовність подій стає зворотною, стрічка часу відмотується назад. У цьому легко переконатись з наступного простого міркування.

Припустимо, що ми знаходимося на якомусь космічному диво-кораблі, що рухається швидше за світло. Тоді ми поступово наздоганяли б світло, випущене джерелом у дедалі більш ранні моменти часу. Спочатку ми наздогнали фотони, випущені, скажімо, вчора, потім - випущені позавчора, потім - тиждень, місяць, рік тому і так далі. Якби джерелом світла було дзеркало, що відбиває життя, ми спочатку побачили б події вчорашнього дня, потім позавчорашнього і так далі. Ми могли б побачити, скажімо, старого, який поступово перетворюється на людину середніх років, потім на молоду, на юнака, на дитину... Тобто час повернув би назад, ми рухалися б із сьогодення в минуле. Причини і наслідки у своїй помінялися б місцями.

Хоча в цьому міркуванні повністю ігноруються технічні деталі процесу спостереження за світлом, з принципової точки зору воно наочно демонструє, що рух із надсвітловою швидкістю призводить до неможливої ​​у нашому світі ситуації. Проте природа поставила ще жорсткіші умови: недосяжний рух як із надсвітловою швидкістю, а й зі швидкістю, що дорівнює швидкості світла, - до неї можна лише наближатися. З теорії відносності випливає, що при збільшенні швидкості руху виникають три обставини: зростає маса об'єкта, що рухається, зменшується його розмір у напрямку руху і сповільнюється перебіг часу на цьому об'єкті (з точки зору зовнішнього "спочиваючого" спостерігача). При звичайних швидкостях ці зміни мізерно малі, але в міру наближення до швидкості світла вони стають все відчутнішими, а в межі - при швидкості, що дорівнює, - маса стає нескінченно великий, об'єкт повністю втрачає розмір у напрямку руху і час на ньому зупиняється. Тому ніяке матеріальне тіло не може досягти швидкості світла. Таку швидкість має тільки саме світло! (А також "всепроникна" частка - нейтрино, яка, як і фотон, не може рухатися зі швидкістю, меншою за с.)

Тепер про швидкість передачі сигналу. Тут доречно користуватися уявленням світла як електромагнітних хвиль. Що таке сигнал? Це якась інформація, що підлягає передачі. Ідеальна електромагнітна хвиля - це нескінченна синусоїда строго однієї частоти, і вона не може нести жодної інформації, бо кожен період такої синусоїди точно повторює попередній. Швидкість переміщення фази синусоїдальної хвилі - так звана фазова швидкість - може в середовищі за певних умов перевищувати швидкість світла у вакуумі. Тут обмеження відсутні, оскільки фазова швидкість не є швидкістю сигналу – його ще немає. Щоб створити сигнал, треба зробити якусь відмітку на хвилі. Такою відміткою може бути, наприклад, зміна будь-якого параметра хвилі - амплітуди, частоти або початкової фази. Але як тільки позначка зроблена, хвиля втрачає синусоїдальність. Вона стає модульованою, що складається з набору простих синусоїдальних хвиль з різними амплітудами, частотами та початковими фазами - групи хвиль. Швидкість переміщення позначки в модульованій хвилі є швидкістю сигналу. При поширенні в середовищі ця швидкість зазвичай збігається з груповою швидкістю, що характеризує поширення вищезгаданої групи хвиль як цілого (див. "Наука життя" № 2, 2000 р.). За звичайних умов групова швидкість, отже, і швидкість сигналу менше швидкості світла у вакуумі. Тут не випадково вжито вираз "за звичайних умов", бо в деяких випадках і групова швидкість може перевищувати або взагалі втрачати сенс, але тоді вона не відноситься до поширення сигналу. У СТО встановлюється, що неможлива передача сигналу зі швидкістю, більшою за с.

Чому це так? Тому, що перешкодою для передачі будь-якого сигналу зі швидкістю більше служить той самий закон причинності. Уявімо таку ситуацію. У деякій точці А світловий спалах (подія 1) включає пристрій, що посилає певний радіосигнал, а у віддаленій точці під дією цього радіосигналу відбувається вибух (подія 2). Зрозуміло, що подія 1 (спалах) - причина, а подія 2 (вибух) - наслідок, що настає пізніше. Але якби радіосигнал поширювався з надсвітловою швидкістю, спостерігач поблизу точки В побачив би спочатку вибух, а вже потім - швидкий зі світловим спалахом, що дійшов до нього, причину вибуху. Іншими словами, для цього спостерігача подія 2 відбулася б раніше, ніж подія 1, тобто слідство випередило причину.

Доречно підкреслити, що "надсвітла заборона" теорії відносності накладається тільки на рух матеріальних тіл і передачу сигналів. У багатьох ситуаціях можливий рух із будь-якою швидкістю, але це буде рух не матеріальних об'єктів і не сигналів. Наприклад, уявимо собі дві довгі лінійки, що лежать в одній площині, одна з яких розташована горизонтально, а інша перетинає її під малим кутом. Якщо першу лінійку рухати вниз (в напрямку, вказаному стрілкою) з великою швидкістю, точку перетину лінійок можна змусити бігти як завгодно швидко, але ця точка - не матеріальне тіло. Інший приклад: якщо взяти ліхтарик (або, скажімо, лазер, що дає вузький промінь) і швидко описати їм у повітрі дугу, то лінійна швидкість світлового зайчика збільшуватиметься з відстанню і на досить великому видаленні перевищить с. Світлова пляма переміститься між точками А і В з надсвітловою швидкістю, але це не буде передачею сигналу з А в, так як такий світловий зайчик не несе жодної інформації про точку А.

Здавалося б, питання надсвітлових швидкостей вирішено. Але в 60-х роках ХХ століття фізиками-теоретиками була висунута гіпотеза існування надсвітлових частинок, названих тахіонами. Це дуже дивні частинки: теоретично вони можливі, але, щоб уникнути протиріч із теорією відносності, їм довелося приписати уявну масу спокою. Фізично уявна маса немає, це суто математична абстракція. Однак це не викликало особливої ​​тривоги, оскільки тахіони не можуть бути спокій - вони існують (якщо існують!) тільки при швидкостях, що перевищують швидкість світла у вакуумі, а в цьому випадку маса тахіону виявляється речовою. Тут є деяка аналогія з фотонами: у фотона маса спокою дорівнює нулю, але це просто означає, що фотон не може бути спокій - світло не можна зупинити.

Найбільш складним виявилося, як і слід очікувати, примирити тахіонну гіпотезу із законом причинності. Спроби, що робилися в цьому напрямку, хоч і були дотепними, не призвели до явного успіху. Експериментально зареєструвати тахіони також нікому не вдалося. У результаті інтерес до тахіонів як до надсвітлових елементарних частинок поступово зійшов нанівець.

Однак у 60-х роках було експериментально виявлено явище, спочатку що привело фізиків у замішання. Про це докладно розказано у статті А. Н. Ораєвського "Надсвітлові хвилі у посилюючих середовищах" (УФН № 12, 1998). Тут ми коротко наведемо суть справи, відсилаючи читача, який цікавиться подробицями, до цієї статті.

Незабаром після відкриття лазерів – на початку 60-х років – виникла проблема отримання коротких (тривалістю порядку 1 нс = 10-9 с) імпульсів світла великої потужності. Для цього короткий лазерний імпульс пропускався через квантовий оптичний підсилювач. Імпульс розщеплювався світлоробним дзеркалом на дві частини. Одна з них, сильніша, прямувала в підсилювач, а інша поширювалася в повітрі і служила опорним імпульсом, з яким можна було порівнювати імпульс, що пройшов через підсилювач. Обидва імпульси подавалися на фотоприймачі, які вихідні сигнали могли візуально спостерігатися на екрані осцилографа. Очікувалося, що світловий імпульс, що проходить через підсилювач, зазнає в ньому деякої затримки порівняно з опорним імпульсом, тобто швидкість поширення світла в підсилювачі буде меншою, ніж у повітрі. Яке ж було подив дослідників, коли вони виявили, що імпульс поширювався через підсилювач зі швидкістю не тільки більшою, ніж у повітрі, а й перевищує швидкість світла у вакуумі у кілька разів!

Оговтавшись від першого шоку, фізики стали шукати причину такого несподіваного результату. Ні в кого не виникло навіть найменшого сумніву в принципах спеціальної теорії відносності, і саме це допомогло знайти правильне пояснення: якщо принципи СТО зберігаються, відповідь слід шукати у властивостях посилюючого середовища.

Не вдаючись тут до деталей, зазначимо лише, що докладний аналіз механізму дії посилюючого середовища повністю прояснив ситуацію. Справа полягала у зміні концентрації фотонів при поширенні імпульсу - зміні, обумовленому зміною коефіцієнта посилення середовища аж до негативного значення при проходженні задньої частини імпульсу, коли середовище вже поглинає енергію, бо її власний запас вже витрачено внаслідок передачі світлового імпульсу. Поглинання викликає не посилення, а ослаблення імпульсу, і, таким чином, імпульс виявляється посиленим у передній та ослабленим у задній його частині. Уявімо, що ми спостерігаємо за імпульсом за допомогою приладу, що рухається зі швидкістю світла серед підсилювача. Якби середовище було прозорим, ми бачили б застиглий у нерухомості імпульс. У середовищі ж, у якій відбувається згаданий вище процес, посилення переднього та ослаблення заднього фронту імпульсу буде представлятися спостерігачеві так, що середовище як би посунуло імпульс уперед. Але якщо прилад (спостерігач) рухається зі швидкістю світла, а імпульс обганяє його, то швидкість імпульсу перевищує швидкість світла! Саме цей ефект був зареєстрований експериментаторами. І тут справді немає суперечності з теорією відносності: просто процес посилення такий, що концентрація фотонів, що вийшли раніше, виявляється більшою, ніж вийшли пізніше. З надсвітловою швидкістю переміщуються не фотони, а загальна імпульсу, зокрема його максимум, який і спостерігається на осцилографі.

Таким чином, у той час як у звичайних середовищах завжди відбувається ослаблення світла та зменшення його швидкості, що визначається показником заломлення, в активних лазерних середовищах спостерігається не тільки посилення світла, але й поширення імпульсу з надсвітловою швидкістю.

Деякі фізики намагалися експериментально довести наявність надсвітлового руху при тунельному ефекті - одному з найдивовижніших явищ у квантовій механіці. Цей ефект полягає в тому, що мікрочастинка (точніше кажучи, мікрооб'єкт, що в різних умовах виявляє як властивості частинки, так і властивості хвилі) здатна проникати через так званий потенційний бар'єр - явище, абсолютно неможливе в класичній механіці (в якій аналогом була б така ситуація : кинутий у стіну м'яч виявився б по інший бік стіни або хвилеподібний рух, наданий прив'язаної до стіни мотузці, передавалося б мотузці, прив'язаної до стіни з іншого боку). Сутність тунельного ефекту у квантовій механіці полягає в наступному. Якщо мікрооб'єкт, що має певну енергію, зустрічає на своєму шляху область з потенційною енергією, що перевищує енергію мікрооб'єкта, ця область є для нього бар'єром, висота якого визначається різницею енергій. Але мікрооб'єкт "просочується" через бар'єр! Таку можливість дає йому відоме співвідношення невизначеностей Гейзенберга, записане для енергії та часу взаємодії. Якщо взаємодія мікрооб'єкта з бар'єром відбувається протягом досить певного часу, то енергія мікрооб'єкта, навпаки, характеризуватиметься невизначеністю, і якщо ця невизначеність буде порядку висоти бар'єру, то останній перестає бути для мікрооб'єкта непереборною перешкодою. Ось швидкість проникнення через потенційний бар'єр і стала предметом досліджень низки фізиків, які вважають, що вона може перевищувати с.

У червні 1998 року у Кельні відбувся міжнародний симпозіум з проблем надсвітлових рухів, де обговорювалися результати, отримані у чотирьох лабораторіях - у Берклі, Відні, Кельні та у Флоренції.

І, нарешті, в 2000 році з'явилися повідомлення про два нові експерименти, в яких проявилися ефекти надсвітлового поширення. Один з них виконав Ліджун Вонг із співробітниками в дослідницькому інституті у Прінстоні (США). Його результат полягає в тому, що світловий імпульс, що входить у камеру, наповнену парами цезію, збільшує свою швидкість у 300 разів. Виходило, що головна частина імпульсу виходить із далекої стінки камери навіть раніше, ніж імпульс входить у камеру через передню стінку. Така ситуація суперечить не тільки здоровому глузду, але, по суті, і теорії відносності.

Повідомлення Л. Вонга викликало інтенсивне обговорення у колі фізиків, більшість яких не схильні бачити в отриманих результатах порушення принципів відносності. Завдання полягає в тому, чи вважають вони, щоб правильно пояснити цей експеримент.

В експерименті Л.Вонга світловий імпульс, що входить у камеру з парами цезію, мав тривалість близько 3 мкс. Атоми цезію можуть бути в шістнадцяти можливих квантовомеханічних станах, званих "надтонкі магнітні підрівні основного стану". За допомогою оптичного лазерного накачування майже всі атоми наводилися тільки в один із цих шістнадцяти станів, що відповідає майже абсолютному нулю температури за шкалою Кельвіна (-273,15оC). Довжина цезієвої камери складала 6 сантиметрів. У вакуумі світло проходить 6 см за 0,2 нс. Через камеру з цезієм, як показали виконані вимірювання, світловий імпульс проходив за час на 62 нс менше, ніж у вакуумі. Іншими словами, час проходження імпульсу через цезієве середовище має знак "мінус"! Справді, якщо з 0,2 нс відняти 62 нс, отримаємо "негативний" час. Ця "негативна затримка" в середовищі - незбагненний тимчасовий стрибок - дорівнює часу, протягом якого імпульс зробив би 310 проходів через камеру у вакуумі. Наслідком цього "тимчасового перевороту" стало те, що імпульс, що виходить з камери, встиг відійти від неї на 19 метрів, перш ніж приходить імпульс досяг ближньої стінки камери. Як можна пояснити таку неймовірну ситуацію (якщо, звичайно, не сумніватися в чистоті експерименту)?

Судячи з дискусії, що розгорнулася, точне пояснення ще не знайдено, але безсумнівно, що тут грають роль незвичайні дисперсійні властивості середовища: пари цезію, що складаються з збуджених лазерним світлом атомів, є середовище з аномальною дисперсією. Нагадаємо коротко, що це таке.

Дисперсією речовини називається залежність фазового (звичайного) показника заломлення від довжини хвилі світла l. При нормальній дисперсії показник заломлення збільшується зі зменшенням довжини хвилі, і це має місце у склі, воді, повітрі та всіх інших прозорих для світла речовинах. У речовинах, що сильно поглинають світло, хід показника заломлення зі зміною довжини хвилі змінюється на зворотний і стає набагато крутішим: при зменшенні l (збільшенні частоти w) показник заломлення різко зменшується і в деякій області довжин хвиль стає менше одиниці (фазова швидкість Vф > с ). Це і є аномальна дисперсія, за якої картина поширення світла в речовині змінюється радикальним чином. Групова швидкість Vгр стає більшою за фазову швидкість хвиль і може перевищити швидкість світла у вакуумі (а також стати негативною). Л. Вонг вказує на цю обставину як на причину, яка лежить в основі можливості пояснення результатів його експерименту. Слід зазначити, що умова Vгр > з є чисто формальним, оскільки поняття груповий швидкості введено для випадку малої (нормальної) дисперсії, для прозорих середовищ, коли група хвиль при поширенні майже змінює своєї форми. У областях аномальної дисперсії світловий імпульс швидко деформується і поняття груповий швидкості втрачає сенс; в цьому випадку вводяться поняття швидкості сигналу і швидкості поширення енергії, які в прозорих середовищах збігаються з груповою швидкістю, а в середовищах з поглинанням залишаються менше швидкості світла у вакуумі. Але ось що цікаво в експерименті Вонга: світловий імпульс, пройшовши через середовище з аномальною дисперсією, не деформується – він точно зберігає свою форму! І це відповідає припущенню поширення імпульсу з груповий швидкістю. Але якщо так, то виходить, що в середовищі немає поглинання, хоча аномальна дисперсія середовища зумовлена ​​саме поглинанням! Сам Вонг, визнаючи, що ще залишається незрозумілим, вважає, що що у його експериментальної установці можна у першому наближенні наочно пояснити так.

Світловий імпульс складається з безлічі складових із різними довжинами хвиль (частотами). На малюнку показано три з цих складових (хвилі 1-3). У певній точці всі три хвилі знаходяться у фазі (їх максимуми збігаються); тут вони, складаючись, посилюють один одного і утворюють імпульс. У міру подальшого поширення у просторі хвилі розфазуються і цим "гасять" один одного.

В області аномальної дисперсії (всередині цезієвої комірки) хвиля, яка була коротшою (хвиля 1), стає довшою. І навпаки, хвиля, що була найдовшою з трьох (хвиля 3), стає найкоротшою.

Отже, відповідно змінюються фази хвиль. Коли хвилі пройшли через цезієвий осередок, їх хвильові фронти відновлюються. Зазнавши незвичайну фазову модуляцію в речовині з аномальною дисперсією, три хвилі, що розглядаються, знову опиняються у фазі в деякій точці. Тут вони знову складаються і утворюють імпульс такої ж форми, як і входить в цезієве середовище.

Зазвичай у повітрі і практично в будь-якому прозорому середовищі з нормальною дисперсією світловий імпульс не може точно зберігати свою форму при поширенні на віддалену відстань, тобто всі його складові не можуть бути сфазовані в будь-якій віддаленій точці вздовж шляху розповсюдження. І в звичайних умовах світловий імпульс у такій віддаленій точці з'являється через деякий час. Однак внаслідок аномальних властивостей використаного в експерименті середовища імпульс у віддаленій точці виявився сфазований так само, як і при вході до цього середовища. Таким чином, світловий імпульс веде себе так, ніби він мав негативну тимчасову затримку на шляху до віддаленої точки, тобто прийшов би в неї не пізніше, а раніше ніж пройшов середу!

Більшість фізиків схильна пов'язувати цей результат із виникненням низькоінтенсивного провісника в диспергуючому середовищі камери. Справа в тому, що при спектральному розкладанні імпульсу в спектрі присутні складові скільки завгодно високих частот з мізерно малою амплітудою, так званий провісник, що йде попереду "головної частини" імпульсу. Характер встановлення і форма провісника залежить від закону дисперсії серед. Маючи це на увазі, послідовність подій в експерименті Вонга пропонується інтерпретувати так. Приходить хвиля, "простираючи" передвісник перед собою, наближається до камери. Перш ніж пік хвилі, що приходить, потрапить на ближню стінку камери, провісник ініціює виникнення імпульсу в камері, який доходить до далекої стінки і відображається від неї, утворюючи "зворотну хвилю". Ця хвиля, поширюючись в 300 разів швидше, досягає ближньої стінки і зустрічається з хвилею. Піки однієї хвилі зустрічаються з западинами іншої, тому вони знищують один одного і в результаті нічого не залишається. Виходить, що хвиля, що приходить, "повертає борг" атомам цезію, які "позичили" їй енергію на іншому кінці камери. Той, хто спостерігав би тільки початок і кінець експерименту, побачив би лише імпульс світла, який "стрибнув" уперед у часі, рухаючись швидше за с.

Л. Вонг вважає, що його експеримент не узгоджується з теорією відносності. Твердження про недосяжність надсвітлової швидкості, вважає він, застосовується тільки до об'єктів, що мають масу спокою. Світло може бути представлене або у вигляді хвиль, до яких взагалі не застосовується поняття маси, або у вигляді фотонів з масою спокою, як відомо, що дорівнює нулю. Тому швидкість світла у вакуумі, вважає Вонг, не межа. Тим не менш, Вонг визнає, що виявлений ним ефект не дає можливості передавати інформацію зі швидкістю більше с.

"Інформація тут вже укладена в передньому краї імпульсу, - каже П. Мілонні, фізик з Лос-Аламоської національної лабораторії США. - І може скластися враження про надсвітлову посилку інформації, навіть коли ви її не посилаєте".

Більшість фізиків вважають, що нова робота не завдає нищівного удару за фундаментальними принципами. Але не всі фізики вважають, що проблему вирішено. Професор А. Ранфагні з італійської дослідницької групи, яка здійснила ще один цікавий експеримент 2000 року, вважає, що питання залишається відкритим. Цей експеримент, проведений Даніелом Мугнаї, Анедіо Ранфагні та Рокко Руггері, виявив, що радіохвилі сантиметрового діапазону у звичайному повітрі поширюються зі швидкістю, що перевищує на 25%.

Резюмуючи, можна сказати таке.

Роботи останніх років показують, що за певних умов надсвітлова швидкість справді може мати місце. Але що саме рухається із надсвітловою швидкістю? Теорія відносності, як згадувалося, забороняє таку швидкість для матеріальних тіл й у сигналів, несуть інформацію. Проте деякі дослідники дуже наполегливо намагаються продемонструвати подолання світлового бар'єру саме для сигналів. Причина цього у тому, що у спеціальної теорії відносності немає строгого математичного обгрунтування (базується, скажімо, на рівняннях Максвелла для електромагнітного поля) неможливості передачі сигналів зі швидкістю більше. Така неможливість у СТО встановлюється, можна сказати, суто арифметично, виходячи з ейнштейнівської формули складання швидкостей, але фундаментально це підтверджується принципом причинності. Сам Ейнштейн, розглядаючи питання про надсвітлову передачу сигналів, писав, що в цьому випадку "...ми змушені вважати можливим механізм передачі сигналу, при використанні якого досягнута дія передує причині. Але, хоча цей результат з суто логічного погляду і не містить собі, на мою думку, ніяких суперечностей, він все ж таки настільки суперечить характеру всього нашого досвіду, що неможливість припущення V > з уявляється достатньою мірою доведеною». Принцип причинності - ось той наріжний камінь, який є основою неможливості надсвітової передачі сигналів. І про цей камінь, мабуть, спотикатимуться всі без винятку пошуки надсвітлових сигналів, як би експериментаторам не хотілося виявити такі сигнали, бо така природа нашого світу.

Але все ж таки уявимо, що математика відносності, як і раніше, працюватиме на надсвітлових швидкостях. Це означає, що теоретично ми все-таки можемо дізнатися, що сталося б, якби тілу перевищити швидкість світла.

Уявімо два космічних корабля, що прямують від Землі у бік зірки, яка віддалена від нашої планети на відстані 100 світлових років. Перший корабель залишає Землю зі швидкістю в 50% від швидкості світла, так що весь шлях у нього піде 200 років. Другий корабель, оснащений гіпотетичним варп-двигуном, вирушить зі швидкістю 200% від швидкості світла, але через 100 років після першого. Що ж станеться?

Відповідно до теорії відносності, правильна відповідь багато в чому залежить від перспективи спостерігача. З Землі здаватиметься, що перший корабель уже пройшов значну відстань, перш ніж його випередив другий корабель, який рухається вчетверо швидше. А ось з погляду людей, які перебувають на першому кораблі, все не так.

Корабель №2 рухається швидше світла, а значить може обігнати навіть світло, яке саме ж і випромінює. Це призводить до свого роду "світлової хвилі" (аналог звуковий, тільки замість вібрацій повітря тут вібрують світлові хвилі), що породжує кілька цікавих ефектів. Нагадаємо, що світло від корабля №2 рухається повільніше, ніж сам корабель. Внаслідок цього відбудеться візуальне подвоєння. Іншими словами, спочатку екіпаж корабля №1 побачить, що другий корабель виник поряд з ним немов із нізвідки. Потім світло від другого корабля з невеликим запізненням досягне першого, і в результаті вийде видима копія, яка рухатиметься в тому ж напрямку з невеликим відставанням.

Щось подібне можна побачити у комп'ютерних іграхКоли в результаті системного збою двигун провантажує модель і її алгоритми в кінцевій точці руху швидше, ніж закінчується сама анімація руху, так що виникають множинні дублі. Мабуть, саме тому наша свідомість і не сприймає той гіпотетичний аспект Всесвіту, в якому тіла рухаються на надсвітловій швидкості, можливо, це і на краще.

П.С. ... а ось в останньому прикладі я щось не зрозумів, чому реальне становище корабля пов'язується з "випромінюваним ним світлом"? Ну і нехай що бачитимуть його як то не там, але реально він обжене перший корабель!

джерела