Як відомо, на швидкості світла рухаються фотони, частинки світла, з яких він складається. У цьому питанні нам допоможе спеціальна теорія відносності.

У фантастичних фільмах космічні міжзоряні кораблі поголовно літають майже зі швидкістю світла. Зазвичай це так звана фантастами Гіпершвидкість. І письменники, і режисери фільмів описують і показують його нам практично однаковим художнім прийомом. Найчастіше, що б корабель здійснив стрімкий ривок, герої смикають або натискають кнопку керуючого елемента, і транспортний засіб миттєво прискорюється, розганяючись практично до швидкості світла з оглушливим бавовною. Зірки, які глядач бачить за бортом корабля, спочатку миготять, а потім і зовсім витягуються в лінії. Але так чи виглядають зірки в ілюмінаторі космічного корабля на гіперскорості насправді? Дослідники запевняють, що немає. В реальності пасажири корабля замість вишикувалися в лінії зірок побачили б лише яскравий диск.

Якщо об'єкт буде рухатися майже зі швидкістю світла, то він може побачити в дії ефект Доплера. У фізиці так називають зміну частоти і довжини хвиль через швидке пересування приймача. Частота світла зірок, мерехтливих перед глядачем з корабля, збільшиться настільки, що зміститься з видимого діапазону в рентгенівську частина спектра. Зірки немов зникнуть! Одночасно зменшиться довжина реліктового електромагнітного випромінювання, Що залишився після Великого Вибуху. Фонове випромінювання стане видимим і постане світлим диском, загасаючим по краях.

А як же виглядає світ з боку об'єкта, який досягне швидкості світла? Як відомо, на таких швидкостях рухаються фотони, частинки світла, з яких він складається. У цьому питанні нам допоможе спеціальна теорія відносності. Відповідно до неї при русі об'єкта зі швидкістю світла як завгодно довго, час, витрачений на рух цим об'єктом, стає рівним нулю. Простою мовою, якщо рухатися зі швидкістю світла, то неможливо зробити ніяка дія, на кшталт спостереження, бачення, зору і так далі. Об'єкт, що летить зі швидкістю світла, фактично нічого не побачить.

Фотони завжди летять зі швидкістю світла. Вони не витрачають час на розгін і гальмування, тому вся їх життя для них тривати нуль часу. Якби ми були фотонами, то наші моменти народження і смерті збіглися б, тобто ми б просто не усвідомили, що світ взагалі існує. Варто зауважити, що якщо об'єкт розженеться до швидкості світла, то його швидкість у всіх системах відліку стає рівною швидкості світла. Ось така фот фізика. Застосовуючи спеціальну теорію відносності, можна зробити висновок, що для об'єкта, що рухається зі швидкістю світла, весь навколишній світпостане нескінченно сплющеним, а все що відбуваються в ньому події відбудуться в один момент часу.

Швидкість поширення світла дорівнює 299 792 458 метрів в секунду, але граничною величиною вона давно вже не є. «Футурист» зібрав 4 теорії, де світло вже не Міхаель Шумахер.

Американський вчений японського походження, фахівець в галузі теоретичної фізики Митио Каку впевнений, що швидкість світла цілком може бути подолана.

великий вибух

Найвідомішим прикладом, коли був подоланий світловий бар'єр, Митио Каку називає Великий вибух - надшвидкий «хлопок», що став початком розширення Всесвіту, до якого вона перебувала в сингулярному стані.

«Жоден матеріальний об'єкт не може подолати світловий бар'єр. Але порожній простір, безумовно, може рухатися швидше за світло. Ніщо не може бути більш порожнім, ніж вакуум, значить він може розширюватися швидше за швидкість світла », - упевнений учений.

Ліхтарик в нічному небі

Якщо світити ліхтарем в нічному небі, то в принципі промінь, який йде з однієї частини Всесвіту в іншу, що знаходиться на відстані багатьох світлових років, може рухатися швидше за швидкість світла. Проблема в тому, що в цьому випадку не буде матеріального об'єкта, який дійсно рухається швидше за світло. Уявіть, що ви оточені гігантської сферою діаметром один світловий рік. Зображення променя світла промчить по цій сфері за лічені секунди, не дивлячись на її розміри. Але тільки зображення променя може рухатися по нічному небу швидше за світло, а не інформація або матеріальний об'єкт.

квантова заплутаність

Швидше за швидкість світла може бути не якийсь об'єкт, а ціле явище, а точніше взаємозв'язок, яка називається квантовою заплутаністю. Це квантовомеханічної явище, при якому квантові стану двох або декількох об'єктів взаємозалежні. Щоб отримати пару квантовозапутанних фотонів, можна посвітити на нелінійний кристал лазером з певними частотою та інтенсивністю. В результаті розсіювання лазерного променя, виникнуть фотони в двох різних конусах поляризації, зв'язок між якими і буде називатися квантової заплутаністю. Отже, квантова заплутаність - це один способів взаємодії субатомних частинок, і процес зв'язку з цим може відбуватися швидше за світло.

«Якщо два електрона звести разом, вони будуть вібрувати в унісон, відповідно до квантової теорії. Але якщо потім розділити ці електрони безліччю світлових років, вони все одно будуть підтримувати зв'язок один з одним. Якщо похитнути один електрон, інший відчує цю вібрацію, причому станеться це швидше за швидкість світла. Альберт Ейнштейн думав, що це явище спростує квантову теорію, Тому що ніщо не може рухатися швидше за світло, але насправді він помилявся », - каже Митио Каку.

кротові нори

Тема подолання швидкості світла обігрується в багатьох науково-фантастичних фільмах. Зараз навіть у тих, хто далекий від астрофізики, на слуху словосполучення «Кротова нора», завдяки фільму «Інтерстеллар». Це особливе викривлення в системі простір-час, тунель в просторі, що дозволяє долати величезні відстані за мізерно малий час.

Про таких викривленнях говорять не тільки сценаристи фільмів, а й вчені. Митио Каку вважає, що Кротова нора (wormhole), або, як її ще називають, червоточина - один з двох найбільш реальних способів передавати інформацію швидше, ніж зі швидкістю світла.

Другий спосіб, пов'язаний також із змінами матерії - стиснення простору попереду вас і розширення позаду. У цьому деформованому просторі виникає хвиля, яка рухається швидше за швидкість світла, якщо управляється темною матерією.

Таким чином, єдиний реальний шанс для людини навчитися долати світловий бар'єр може ховатися в загальній теорії відносності та викривленні простору і часу. Однак все впирається в ту саму темну матерію: ніхто так і не знає, чи існує вона точно, і стабільні чи кротові нори.

Зі шкільної лави нас вчили - перевищити швидкість світла неможливо, і тому переміщення людини в космічному просторі є великий нерозв'язною проблемою (як долетіти до найближчої сонячної системи, якщо світло зможе подолати цю відстань лише за кілька тисяч років?). Можливо, американські вчені знайшли спосіб літати на шалених швидкостях, не тільки не обдуривши, а й виходячи з основоположних законів Альберта Ейнштейна. У всякому разі так стверджує автор проекту двигуна деформації простору Гарольд Уайт.

Ми в редакції визнали новина зовсім фантастичною, тому сьогодні, напередодні Дня космонавтики, публікуємо репортаж Костянтина Какаеса для журналу Popular Science про феноменальному проект NASA, в разі успіху якого людина зможе відправитися за межі сонячної системи.

У вересні 2012 року кілька сотень вчених, інженерів і космічних ентузіастів зібралися разом для другої публічної зустрічі групи під назвою 100 Year Starship. Групою керує колишній астронавт травня Джемісон, і заснована вона DARPA. Мета конференції - «уможливити подорож людини за межі Сонячної системи до інших зірок протягом найближчих ста років». Більшість учасників конференції визнають, що зрушення в пілотованому вивченні космічного простору занадто незначні. Незважаючи на мільярди доларів, витрачених в останні кілька кварталів, космічні агентстваможуть майже стільки ж, скільки могли в 1960-х. Власне, 100 Year Starship скликана, щоб все це виправити.

Але ближче до справи. Через кілька днів конференції її учасники дійшли до найфантастичніших тем: регенерація органів, проблема організованої релігії на борту корабля і так далі. Одна з найбільш цікавих презентацій на зборах 100 Year Starship називалася «Механіка деформаційного поля 102», і провів її Гарольд «Сонні» Уайт з NASA. Ветеран агентства, Уайт керує просунутої імпульсної програмою в космічному центрі Джонсона (JSC). Разом з п'ятьма колегами він створив «Дорожню карту космічних рухових систем», яка озвучує мети NASA в найближчих космічні подорожі. На плані перераховуються всі види рухових проектів: від вдосконалених хімічних ракет до далекосяжних розробок, на зразок антиматерії або ядерних машин. Але область досліджень Уайта сама футуристична з усіх: вона стосується двигуна деформації простору.

Зрозуміло, що звучить це все абсолютно фантастично: подібні розробки - це справжня революція, яка розв'яже руки всім астрофізикам світу. Замість того, щоб витрачати 75 тисяч років на подорож до Альфа-Центаврі, найближчої до нашої зоряної системи, астронавти на кораблі з таким двигуном зможуть здійснити цю подорож за пару тижнів.

У світлі закриття програми запуску шатлів і все зростаючу роль приватних польотів до навколоземній орбіті NASA заявляє, що переорієнтується на далекосяжні, набагато більш сміливі плани, що виходять далеко за рамки подорожей на Місяць. Досягти цих цілей можна лише за допомогою розвитку нових рухових систем - чим швидше, тим краще. Кілька днів по тому після конференції глава NASA Чарльз Болден, повторив слова Уайта: «Ми хочемо переміщатися швидше за швидкість світла і без зупинок на Марсі».

ЗВІДКИ МИ ЗНАЄМО ПРО ЦЕЙ ДВИГУН

Перше популярне використання виразу «двигун деформації простору» датується 1966 роком, коли Джен Родденберрі випустив « Зоряний шлях». Наступні 30 років цей двигун існував тільки як частина цього фантастичного серіалу. Фізик на ім'я Мігель Алькубьерре подивився один з епізодів цього серіалу якраз в той момент, коли працював над докторською в галузі загальної теорії відносності та задавався питанням, чи можливе створення двигуна деформації простору в реальності. У 1994 році він опублікував документ, що викладає цю позицію.

Алькубьерре представив в космосі міхур. У передній частині міхура час-простір скорочується, а в задній - розширюється (як було при великий вибух, На думку фізиків). Деформація змусить корабель гладко ковзати в космічному просторі, як якщо б він Серф на хвилі, незважаючи на навколишній шум. В принципі деформований міхур може рухатися скільки завгодно швидко; обмеження в швидкості світла, по теорії Ейнштейна, поширюються тільки в контексті простору-часу, але не в таких викривлення простору-часу. Усередині міхура, як припускав Алькубьерре, простір-час не зміниться, а космічним мандрівникам не буде завдано ніякої шкоди.

Рівняння Ейнштейна в загальній теорії відносності складно вирішити в одному напрямку, з'ясовуючи, як матерія викривляє простір, але це можливо. Використовуючи їх, Алькубьерре визначив, що розподіл матерії є необхідною умовою для створення деформованого міхура. Проблема тільки в тому, що рішення приводили до невизначеній формі матерії під назвою негативна енергія.

Говорячи простою мовою, гравітація - це сила тяжіння між двома об'єктами. Кожен об'єкт незалежно від його розмірів надає деяку силу тяжіння на навколишню матерію. На думку Ейнштейна, ця сила є викривленням простору-часу. Негативна енергія, однак, гравітаційно негативна, тобто відштовхуюче. Замість того щоб з'єднувати час і простір, негативна енергія відштовхує і роз'єднує їх. Грубо кажучи, щоб така модель працювала, Алькубьерре необхідна негативна енергія, щоб розширювати простір-час позаду корабля.

Незважаючи на те, що ніхто і ніколи не вельми вимірював негативну енергію, згідно квантовій механіці, Вона існує, а вчені навчилися створювати її в лабораторних умовах. Один із способів її відтворення - через Казиміров ефект: дві паралельно проводять пластини, розташовані близько один до одного, створюють деяку кількість негативної енергії. Слабке місцемоделі Алькубьерре в тому, що для її здійснення потрібно величезна кількістьнегативної енергії, на кілька порядків вище, ніж, за оцінками вчених, її можна зробити.

Уайт говорить, що він знайшов, як піти в обхід цього обмеження. У комп'ютерному симуляторі Уайт змінив геометрію деформаційного поля так, що в теорії він міг би виробляти деформований міхур, використовуючи в мільйони разів менше негативної енергії, ніж було потрібно за оцінками Алькубьерре, і, можливо, досить мало, щоб космічний корабель міг нести кошти його виробництва. «Відкриття, - говорить Уайт, - змінюють метод Алькубьерре з непрактичного на цілком правдоподібний».

РЕПОРТАЖ ІЗ ЛАБОРАТОРИИ УАЙТА

Космічний центр Джонсона розташувався поруч з лагунами Х'юстона, звідки відкривається шлях до затоки Гальвестон. Центр трохи нагадує приміський кампус коледжу, тільки спрямований на підготовку астронавтів. У день мого відвідування Уайт зустрічає мене в будинку 15, багатоповерховому лабіринті коридорів, офісів і лабораторій, в яких проводяться випробування двигуна. На Уайті сорочка поло з емблемою Eagleworks (так він називає свої експерименти зі створення двигуна), на якій вишитий орел, ширяє над футуристичним космічним кораблем.

Уайт починав свою кар'єру з роботи інженером - проводив дослідження в складі роботичних групи. Згодом він узяв на себе командування всіма крилом, які займаються роботами на МКС, одночасно закінчуючи писати докторську в галузі фізики плазми. Тільки в 2009-му він змінив свої інтереси на вивчення руху, і ця тема захопила його настільки, що стала основною причиною, по якій він відправився працювати на NASA.

«Він досить незвичайна людина, - каже його бос Джон Епплуайт, який очолює відділення рухових систем. - Він абсолютно точно великий фантазер, але одночасно і талановитий інженер. Він вміє перетворювати свої фантазії в реальний інженерний продукт ». Приблизно в той же час, коли він приєднався до NASA, Уайт попросив дозволу відкрити власну лабораторію, присвячену просунутим руховим системам. Він сам і придумав назву Eagleworks і навіть попросив NASA створити логотип для його спеціалізації. Тоді й почалася ця робота.

Уайт веде мене до свого офісу, який ділить з колегою, які займаються пошуками води на Місяці, а після веде вниз до Eagleworks. На ходу він розповідає мені про своє прохання відкрити лабораторію і називає це «довгим важким процесом пошуку просунутого руху, щоб допомогти людині дослідити космос».

Уайт демонструє мені об'єкт і показує його центральну функцію - щось, що він називає «квантовий вакуумний плазмовий двигун» (QVPT). Це пристосування зовні схоже на величезний червоний оксамитовий пончик з проводами, щільно обплітають серцевину. Це одна з двох ініціатив Eagleworks (друга - деформаційний двигун). Ще це секретна розробка. Коли я питаю, що це, Уайт відповідає, що може сказати тільки, що ця технологія навіть крутіше, ніж деформаційний двигун). Згідно зі звітом NASA за 2011 рік, написаному Уайтом, апарат використовує квантові флуктації в порожньому просторів якості джерела палива, а значить, космічний корабель, що приводиться в рух QVPT, не вимагає палива.

Двигун використовує квантові флуктації в порожньому просторі в якості джерела палива,
а значить, космічний корабель,
приводиться в рух QVPT, не вимагає палива.

Коли девайс працює, система Уайта виглядає кінематографічно ідеально: колір лазера червоний, і два променя схрещені, як шаблі. Усередині кільця знаходяться чотири керамічних конденсатора, зроблених з титанату барію, який Уайт заряджає до 23 тисяч вольт. Уайт провів останні два з половиною роки, розробляючи експеримент, і він каже, що конденсатори демонструють величезну потенційну енергію. Однак, коли я питаю, як створити негативну енергію, необхідну для деформованого простору-часу, він ухиляється від відповіді. Він пояснює, що підписав угоду про нерозголошення, і тому не може розкривати подробиці. Я питаю, з ким він укладав ці угоди. Він каже: «З людьми. Вони приходять і хочуть поговорити. Більше подробиць я вам повідомити не можу ».

СУПРОТИВНИКИ ІДЕЇ ДВИГУНА

Поки що теорія деформованого подорожі досить інтуїтивна - деформація часу і простору, щоб створити рухомий міхур, - і в ній є кілька значних недоліків. Навіть якщо Уайт значно зменшить кількість негативної енергії, яку просять Алькубьерре, її все одно буде потрібно більше, ніж здатні зробити вчені, заявляє Лоуренс Форд, фізик-теоретик в університеті Тафтс, за останні 30 років написав безліч статей на тему негативної енергії. Форд і інші фізики заявляють, що є фундаментальні фізичні обмеження, причому справа не стільки в інженерних недосконалості, скільки в тому, що така кількість негативної енергії не може існувати в одному місці тривалий час.

Інша складність: для створення деформаційного кулі, який рухається швидше за світло, вченим потрібно провести негативну енергію навколо космічного корабля і в тому числі над ним. Уайт не вважає, що це проблема; він вельми туманно відповідає, що двигун, швидше за все, буде працювати завдяки якомусь наявного «апарату, який створює необхідні умови». Однак створення цих умов перед кораблем означатиме забезпечення постійної поставки негативної енергії, яка переміщується швидше за швидкість світла, що знову суперечить загальній теорії відносності.

Нарешті, двигун деформації простору ставить концептуальне питання. У загальній теорії відносності подорож на надсвітовою швидкості еквівалентно подорожі в часі. Якщо такий двигун реальний, Уайт створює машину часу.

Ці перешкоди народжують деякі серйозні сумніви. «Не думаю, що відома нам фізика і її закони дозволяють припустити, що він чогось доб'ється своїми експериментами», - говорить Кен Олум, фізик з університету Тафтс, який також брав участь у дебатах щодо екзотичного руху на зборах «100-річчя зоряного корабля ». Ноа Грехам, фізик з коледжу Міддлбёрі, який читав дві роботи Уайта на моє прохання, написав мені e-mail: «Не бачу цінних наукових доказів, крім відсилань до його попередніх робіт».

Алькубьерре, нині фізик в Національному автономному університеті Мексики, і сам висловлює сумнів. «Навіть якщо я стою на космічному корабліі у мене є в наявності негативна енергія, мені ні за що не помістити її туди, куди потрібно, - каже він мені по телефону зі свого будинку в Мехіко. - Ні, ідея-то чарівна, мені подобається, я ж її сам і написав. Але в ній є пара серйозних недоліків, які я вже зараз, з роками, бачу, і я не знаю жодного способу їх виправити ».

МАЙБУТНЄ шалених швидкостях

Зліва від головних воріт Джонсонского наукового центрулежить на боці ракета «Сатурн-В», її ступені роз'єднані для демонстрації внутрішнього вмісту. Він гігантський - розмір одного з безлічі двигунів дорівнює розміру маленького автомобіля, а сама ракета на пару футів довше, ніж футбольне поле. Це, звичайно, цілком красномовне свідчення особливостей космічного плавання. Крім того, їй 40 років, і час, який вона представляє - коли NASA було частиною величезного національного плану по відправленню людини не Місяць, - давно минуло. Сьогодні JSC - це просто місце, яке колись було великим, але з тих пір покинуло космічний авангард.

Прорив в русі може означати нову еру для JSC і NASA, і в якійсь мірі частина цієї ери починається вже зараз. Зонд Dawn ( «Світанок»), запущений в 2007-му, вивчає кільце астероїдів за допомогою іонних двигунів. У 2010-му японці ввели в експлуатацію «Ікар», перший міжпланетний зоряний корабель, що приводиться в рух сонячним вітрилом, ще один вид експериментального руху. І в 2016-му вчені планують випробувати VASMIR, систему, що працює на плазмі, зроблену спеціально для високої рухової тяги в ISS. Але коли ці системи, можливо, доставлять астронавтів на Марс, вони все ще не будуть здатні закинути їх за межі Сонячної системи. Щоб домогтися цього, за словами Уайта, NASA буде потрібно піти на більш ризиковані проекти.

Деформаційний двигун - можливо, саме притягнуте за вуха з НАСАвських зусиль зі створення проектів руху. Наукове співтовариство заявляє, що Уайт не може створити його. Експерти заявляють, що він працює проти законів природи і фізики. Незважаючи на це, за проектом стоїть NASA. «Його субсидують не на тому високому державному рівні, На якому повинні були б, - каже Апплуайт. - Я думаю, що у дирекції є якийсь особливий інтерес в тому, щоб він продовжував свою роботу; це одна з тих теоретичних концепцій, В разі успіхів яких гра міняється повністю ».

У січні Уайт зібрав свій деформаційний интерферометр і рушив до наступної мети. Eagleworks переріс власний будинок. Нова лабораторія більше і, як він заявляє з ентузіазмом, «сейсмічно ізольована», маючи на увазі, що він захищений від коливань. Але, можливо, краще в новій лабораторії (і найбільш вражаюче) - то, що NASA створило Уайту такі ж умови, що були у Ніла Армстронга і Базза Олдрина на Місяці. Що ж, подивимося.

Астрофізики з Університету Бейлора (США) розробили математичну модельгіперпросторового приводу, що дозволяє долати космічні відстані зі швидкістю вище швидкості світла в 10³² раз, що дозволяє протягом пари годин злітати в сусідню галактику і повернутися назад.

При польоті люди не відчуватимуть перевантажень, які відчуваються в сучасних авіалайнерах, правда, в металі такий двигун зможе з'явитися хіба що через кілька сотень років.

Механізм дії приводу заснований на принципі двигуна деформації простору (Warp Drive), який запропонував в 1994 р мексиканський фізик Мігель Алькубіерре. Американцям залишилося лише доопрацювати модель і провести більш детальні підрахунки.
"Якщо перед кораблем стискати простір, а позаду нього, навпаки, розширювати, то навколо корабля з'являється просторово-часової міхур, - каже один з авторів дослідження, Річард Обоусі. - Він огортає корабель і вириває його зі звичайного світу в свою систему координат. За рахунок різниці тиску простору-часу ця бульбашка здатний рухатися в будь-якому напрямку, долаючи світловий поріг на тисячі порядків ".

Імовірно, деформуватися простір навколо корабля зможе за рахунок маловивченою поки темної енергії. " темна енергія- дуже погано вивчена субстанція, відкрита порівняно недавно і пояснює, чому галактики як би розлітаються одна від одної, - розповів старший науковий співробітник відділу релятивістської астрофізики Державного астрономічного інституту ім. Штернберга МГУ Сергій Попов. - Існує кілька її моделей, але якоїсь загальноприйнятої поки немає. Американці взяли за основу модель, засновану на додаткових вимірах, і кажуть, що можна локально змінювати властивості цих вимірювань. Тоді вийде, що в різних напрямках можуть бути різні космологічні константи. І тоді корабель в міхурі почне рухатися ".

Пояснити таке "поведінку" Всесвіту може "теорія струн", згідно з якою все наше простір пронизаний безліччю інших вимірів. Їх взаємодія між собою породжує відразливу силу, яка здатна розширювати не тільки речовина, як, наприклад, галактики, але і саме тіло простору. Цей ефект отримав назву "інфляція Всесвіту".

"З перших секунд свого існування Всесвіт розтягується, - пояснює доктор фізико-математичних наук, співробітник Астро-космічного центру Фізичного інституту ім. Лебедєва Руслан Мецаєв. - І цей процес триває досі". Знаючи все це, можна спробувати розширювати або звужувати простір штучно. Для цього передбачається впливати на інші виміри, тим самим шматок простору нашого світу почне рух в потрібному напрямку під дією сил темної енергії.

При цьому закони теорії відносності не порушуються. Усередині міхура залишаться ті ж самі закони фізичного світу, а швидкість світла буде граничною. На цю ситуацію не поширюється і так званий ефект близнюків, що оповідає про те, що при космічні подорожі зі світловими швидкостями час усередині корабля значно сповільнюється і космонавт, повернувшись на Землю, зустріне свого брата-близнюка вже глибоким старцем. Двигун Warp Drive позбавляє від цієї неприємності, тому як штовхає простір, а не корабель.

Американці вже підшукали і мета для майбутнього польоту. Це планета Gliese 581 (Глізе 581), на якій кліматичні умовиі сила тяжіння наближаються до земних. Відстань до неї становить 20 світлових років, і навіть за умови, що Warp Drive буде працювати в трильйони разів слабкіше максимальної потужності, час у дорозі до неї складе всього кілька секунд.

Присвячена прямому вимірюванню швидкості руху нейтрино. Результати звучать сенсаційно: швидкість нейтрино виявилася злегка - але статистично достовірно! - більше швидкості світла. Стаття колаборації містить аналіз різноманітних джерел похибок і невизначеностей, проте реакція переважної більшості фізиків залишається дуже скептичною, перш за все тому, що такий результат не узгоджується з іншими експериментальними даними по властивостям нейтрино.

подробиці експерименту

Ідея експерименту (див. OPERA experiment) дуже проста. Нейтринний пучок народжується в ЦЕРНі, летить крізь Землю в італійську лабораторію Гран-Сассо і проходить там крізь спеціальний нейтринний детектор OPERA. Нейтрино дуже слабо взаємодіють з речовиною, але через те, що їх потік з ЦЕРНу дуже великий, деякі нейтрино все ж стикаються з атомами всередині детектора. Там вони породжують каскад заряджених частинок і тим самим залишають в детекторі свій сигнал. Нейтрино в ЦЕРНі народжуються не безперервно, а «сплесками», і якщо ми знаємо момент народження нейтрино і момент його поглинання в детекторі, а також відстань між двома лабораторіями, ми можемо обчислити швидкість руху нейтрино.

Відстань між джерелом і детектором по прямій становить приблизно 730 км і виміряно воно з точністю 20 см (точну відстань між крапками реперів становить 730 534,61 ± 0,20 метрів). Правда, процес, що приводить до народження нейтрино, зовсім не локалізована з такою точністю. У ЦЕРНі пучок протонів високої енергії вилітає з прискорювача SPS, скидається на графітову мішень і породжує в ній вторинні частки, в тому числі мезони. Вони як і раніше летять вперед зі швидкістю, близькою і на льоту розпадаються на мюони з випусканням нейтрино. Мюони теж розпадаються і породжують додаткові нейтрино. Потім всі частинки, крім нейтрино, поглинаються в товщі речовини, а ті безперешкодно долітають до місця детектування. Загальна схема цієї частини експерименту наведена на рис. 1.

Весь каскад, що приводить до появи нейтринного пучка, може розтягнутися на сотні метрів. Однак оскільки всічастинки в цьому згустку летять вперед зі швидкістю, близькою, для часу детектування немає практично ніякої різниці, народилося нейтрино відразу або через кілометр шляху (проте має велике значення, Коли саме той вихідний протон, який привів до народження даного нейтрино, вилетів з прискорювача). В результаті народжені нейтрино за великим рахунком просто повторюють профіль вихідного протонного пучка. Тому ключовим параметром тут є саме тимчасової профіль пучка протонів, що вилітають з прискорювача, особливо - точне положення його переднього і заднього фронтів, а цей профіль вимірюється з хорошим временн им дозволом (див. рис. 2).

Кожен сеанс скидання протонного пучка на мішень (по-англійськи такий сеанс називається spill, «Виплеск») триває приблизно 10 мікросекунд і призводить до народження величезного числа нейтрино. Однак практично всі вони пролітають Землю (і детектор) наскрізь без взаємодії. У тих же рідкісних випадках, коли детектор все-таки реєструє нейтрино, неможливо сказати, в який саме момент протягом 10-мікросекундного інтервалу воно було видано. Аналіз можна провести лише статистично, тобто накопичити багато випадків детектування нейтрино і побудувати їх розподіл за часами щодо моменту початку відліку для кожного сеансу. У детекторі за початок відліку приймається той момент часу, коли умовний сигнал, що рухається зі швидкістю світла і випромінювань рівно в момент переднього фронту протонного пучка, досягає детектора. Точне вимірювання цього моменту стало можливо завдяки синхронізації годин в двох лабораторіях з точністю в кілька наносекунд.

На рис. 3 показаний приклад такого розподілу. Чорні точки - це реальні нейтринні дані, зареєстровані детектором і підсумовані по великому числу сеансів. Червона крива показує умовний «опорний» сигнал, який рухався б зі швидкістю світла. Видно, що дані починаються приблизно на 1048,5 нс ранішеопорного сигналу. Це, втім, ще не означає, що нейтрино дійсно на мікросекунду випереджає світло, а є лише приводом для того, щоб ретельно переміряти все довжини кабелів, швидкості спрацьовування апаратури, часи затримки електроніки і так далі. Ця перевірка була виконана, і виявилося, що вона зміщує «опорний» момент на 988 нс. Таким чином, виходить, що нейтрино сигнал дійсно обганяє опорний, але лише приблизно на 60 наносекунд. У перерахунку на швидкість нейтрино це відповідає перевищення швидкості світла приблизно на 0,0025%.

Похибка цього виміру була оцінена авторами аналізу в 10 наносекунд, що включає в себе і статистичну, і систематичну похибки. Таким чином, автори стверджують, що вони «бачать» сверхсветовое рух нейтрино на рівні статистичної достовірності в шість стандартних відхилень.

Відмінність результатів від очікувань на шість стандартних відхилень вже досить велика і називається у фізиці елементарних частинокгучним словом «відкриття». Однак треба правильно розуміти це число: воно лише означає, що ймовірність статистичноїфлуктуації в даних дуже мала, але не говорить про те, наскільки надійна методика обробки даних і наскільки добре фізики врахували всі інструментальні похибки. Зрештою, у фізиці елементарних частинок є чимало прикладів, коли незвичайні сигнали з виключно великий статистичною достовірністюне підтверджує іншими експериментами.

Чому суперечать сверхсветовие нейтрино?

Всупереч широко поширеній думці, спеціальна теорія відносності не забороняє саме по собі існування частинок, що рухаються зі сверхсветовой швидкістю. Однак для таких частинок (їх узагальнено називають «тахіони») швидкість світла теж є межею, але тільки знизу - вони не можуть рухатися повільніше неї. При цьому залежність енергії частинок від швидкості виходить зворотною: чим більше енергія, тим ближче швидкість тахіон до швидкості світла.

Набагато більш серйозні проблеми починаються в квантової теорії поля. Ця теорія приходить на зміну квантовій механіці, коли мова йде про квантові частинки з великими енергіями. У цій теорії частинки - це не точки, а, умовно кажучи, згустки матеріального поля, і розглядати їх окремо від поля не можна. Виявляється, що тахіони знижують енергію поля, а значить, роблять вакуум нестабільним. Порожнечі тоді вигідніше спонтанно розсипатися на величезне число цих частинок, і тому розглядати рух одного ТАХІОН в звичайному порожньому просторі просто безглуздо. Можна сказати, що Тахіон - це не частка, а нестабільність вакууму.

У разі тахіон-фермионов ситуація дещо складніша, але і там теж виникають порівнянні труднощі, що заважають створенню самоузгодженої тахіонної квантової теорії поля, що включає звичайну теорію відносності.

Втім, це теж не останнє слово в теорії. Так само, як експериментатори вимірюють все, що піддається виміру, теоретики теж перевіряють всі можливі гіпотетичні моделі, які не суперечать наявним даними. Зокрема, існують теорії, в яких допускається невелике, не помічене поки відхилення від постулатів теорії відносності - наприклад, швидкість світла сама по собі може бути змінною величиною. Прямий експериментальної підтримки у таких теорій поки немає, але вони поки що й не закриті.

Під цією короткою замальовкою теоретичних можливостей можна підвести такий підсумок: незважаючи на те що в деяких теоретичних моделях рух зі сверхсветовой швидкістю можливо, вони залишаються виключно гіпотетичними конструкціями. Всі наявні на сьогодні експериментальні дані описуються стандартними теоріями без сверхсветового руху. Тому якби воно достовірно підтвердилося хоч для якихось частинок, квантової теорії поля довелося б кардинально переробляти.

Чи варто вважати результат OPERA в цьому сенсі «першою ластівкою»? Поки немає. Мабуть, найголовнішим приводом для скепсису залишається той факт, що результат OPERA не узгоджується з іншими експериментальними даними по нейтрино.

По-перше, під час знаменитої спалаху наднової SN1987A були зареєстровані і нейтрино, які прийшли за кілька годин до світлового імпульсу. Це не означає, що нейтрино йшли швидше за світло, а лише відображає той факт, що нейтрино випромінюються на більш ранньому етапі колапсу ядра при спалаху наднової, ніж світло. Однак раз нейтрино і світло, провівши в дорозі 170 тисяч років, не розійшлися більш, ніж на кілька годин, значить, швидкості у них дуже близькі і розрізняються не більше ніж на мільярдні частки. Експеримент же OPERA показує в тисячі разів сильніше розбіжність.

Тут, звичайно, можна сказати, що нейтрино, що народжуються при спалахах наднових, і нейтрино з ЦЕРНу сильно розрізняються по енергії (кілька десятків МеВ в наднових і 10-40 ГеВ в описуваному експерименті), а швидкість нейтрино змінюється в залежності від енергії. Але ця зміна в даному випадку працює в «неправильну» сторону: адже чим вище енергія тахіон, тим ближче їх швидкість повинна бути до швидкості світла. Звичайно, і тут можна придумати якусь модифікацію тахіонної теорії, в якій ця залежність була б зовсім іншою, але в такому випадку доведеться вже обговорювати «двічі-гіпотетичну» модель.

Далі, з безлічі експериментальних даних по нейтринним осциляціям, отриманим за останні роки, Випливає, що маси всіх нейтрино відрізняються один від одного лише на частки електронвольт. Якщо результат OPERA сприймати як прояв сверхсветового руху нейтрино, то тоді величина квадрата маси хоча б одного нейтрино буде порядку - (100 МеВ) 2 (негативний квадрат маси - це і є математичне прояв того, що частка вважається ТАХІОН). Тоді доведеться визнати, що всісорту нейтрино - тахіони і володіють приблизно такою масою. З іншого боку, пряме вимірювання маси нейтрино в бета-розпаді ядер тритію показує, що маса нейтрино (по модулю) не повинна перевищувати 2 електронвольт. Іншими словами, всі ці дані узгодити один з одним не вдасться.

Висновок звідси можна зробити такий: заявлений результат колаборації OPERA важко вмістити в будь-які, навіть в самі екзотичні теоретичні моделі.

Що далі?

У всіх великих колабораціях у фізиці елементарних частинок нормальною практикою є ситуація, коли кожен конкретний аналіз виконується невеликою групою учасників, і лише потім результати виносяться на загальне обговорення. В даному випадку, очевидно, цей етап був дуже коротким, в результаті чого далеко не всі учасники колаборації погодилися підставити свій підпис під статтею (повний список налічує 216 учасників експерименту, а у препринта є лише 174 учасника). Тому найближчим часом, по всій видимості, всередині колаборації буде проведено безліч додаткових перевірок, і тільки після цього стаття буде надіслана до друку.

Звичайно, зараз можна очікувати і потік теоретичних статей з різноманітними екзотичними поясненнями цього результату. Однак поки заявлений результат не буде надійно перевірений ще раз, вважати його повноправним відкриттям можна.