ذره ای شناسایی شده است که سریعتر از نور حرکت می کند. حس: فیزیکدانان بیش از حد سرعت نور را ثبت کرده اند ذراتی که سریعتر از سرعت نور حرکت می کنند.

به اندازه گیری مستقیم سرعت حرکت نوترینوها اختصاص دارد. نتایج هیجان انگیز به نظر می رسد: سرعت نوترینو کمی - اما از نظر آماری قابل توجه است! - بیشتر از سرعت نور مقاله همکاری حاوی تحلیلی از منابع مختلف خطاها و عدم قطعیت ها است، اما واکنش اکثریت قریب به اتفاق فیزیکدانان بسیار مشکوک است، در درجه اول به این دلیل که چنین نتیجه ای با سایر داده های تجربی در مورد خواص نوترینوها ناسازگار است.

برنج. 1.

جزئیات آزمایش

ایده آزمایش (به آزمایش OPERA مراجعه کنید) بسیار ساده است. پرتو نوترینو در CERN متولد می شود، از طریق زمین به آزمایشگاه ایتالیایی Gran Sasso پرواز می کند و از طریق آشکارساز نوترینویی OPERA از آنجا عبور می کند. نوترینوها برهمکنش بسیار ضعیفی با ماده دارند، اما به دلیل این واقعیت که شار آنها از سرن بسیار زیاد است، برخی از نوترینوها همچنان با اتم های داخل آشکارساز برخورد می کنند. در آنجا آبشاری از ذرات باردار تولید می کنند و در نتیجه سیگنال خود را در آشکارساز باقی می گذارند. نوترینوها در سرن به طور مداوم متولد نمی شوند، بلکه "ترک می کنند" و اگر لحظه تولد نوترینو و لحظه جذب آن در آشکارساز و همچنین فاصله بین دو آزمایشگاه را بدانیم، می توانیم سرعت نوترینو را محاسبه کنیم. .

فاصله بین منبع و آشکارساز در یک خط مستقیم تقریباً 730 کیلومتر است و با دقت 20 سانتی متر اندازه گیری شد (فاصله دقیق بین نقاط مرجع 730534.61 ± 0.20 متر است). درست است، فرآیندی که منجر به تولید نوترینو می شود به هیچ وجه با چنین دقتی محلی نیست. در سرن، یک پرتو پروتون پرانرژی از شتاب دهنده SPS ساطع می شود، روی یک هدف گرافیتی می ریزد و ذرات ثانویه از جمله مزون ها را در آن تولید می کند. آنها هنوز با سرعت نزدیک به نور به جلو پرواز می کنند و در حال پرواز به میون تبدیل می شوند و نوترینو منتشر می کنند. میون ها نیز تجزیه می شوند و نوترینوهای اضافی تولید می کنند. سپس تمام ذرات به جز نوترینوها در قسمت عمده ماده جذب می شوند و بدون مانع به محل تشخیص می رسند. طرح کلی این بخش از آزمایش در شکل 1 نشان داده شده است. 1.

کل آبشار منتهی به ظهور یک پرتو نوترینو می تواند صدها متر کشیده شود. با این حال، از آنجایی که همهذرات این دسته با سرعت نزدیک به نور به جلو پرواز می کنند، برای زمان تشخیص عملاً تفاوتی وجود ندارد که نوترینو بلافاصله متولد شود یا پس از یک کیلومتر مسیر (با این حال، اهمیت زیادی دارد که دقیقاً چه زمانی پروتون اولیه منجر به ایجاد یک نوترینوی معین از شتاب دهنده خارج شد). در نتیجه، نوترینوهای تولید شده به طور کلی به سادگی نمایه پرتو پروتون اولیه را تکرار می کنند. بنابراین، پارامتر کلیدی در اینجا دقیقاً مشخصات زمانی پرتو پروتون ساطع شده از شتاب دهنده، به ویژه موقعیت دقیق لبه های پیشرو و انتهایی آن است و این مشخصات با یک زمان بندی خوب اندازه گیری می شود. NSوضوح m (شکل 2 را ببینید).

هر جلسه پرتاب یک پرتو پروتون بر روی یک هدف (در زبان انگلیسی به چنین جلسه ای گفته می شود ریختن"Splash") حدود 10 میکروثانیه طول می کشد و منجر به ایجاد تعداد زیادی نوترینو می شود. با این حال، تقریباً همه آنها بدون تعامل از طریق زمین (و آشکارساز) پرواز می کنند. در آن موارد نادر، وقتی آشکارساز یک نوترینو را ثبت می‌کند، نمی‌توان گفت در چه نقطه‌ای از فاصله 10 میکروثانیه منتشر شده است. تجزیه و تحلیل را می توان فقط به صورت آماری انجام داد، یعنی موارد زیادی از تشخیص نوترینو را جمع آوری کرد و توزیع آنها را در طول زمان نسبت به نقطه شروع برای هر جلسه ایجاد کرد. در آشکارساز، نقطه مرجع آن لحظه ای در زمان در نظر گرفته می شود که سیگنال شرطی، با سرعت نور حرکت می کند و دقیقاً در لحظه لبه جلویی پرتو پروتون منتشر می شود، به آشکارساز می رسد. اندازه گیری دقیق این لحظه به لطف همگام سازی ساعت ها در دو آزمایشگاه با دقت چند نانوثانیه امکان پذیر شد.

در شکل 3 نمونه ای از چنین توزیعی را نشان می دهد. نقاط سیاه داده های واقعی نوترینو هستند که توسط آشکارساز ثبت شده و در تعداد زیادی از جلسات جمع می شوند. منحنی قرمز یک سیگنال "مرجع" معمولی را نشان می دهد که با سرعت نور حرکت می کند. می توان مشاهده کرد که داده ها از حدود 1048.5 ns شروع می شوند زودترسیگنال مرجع با این حال، این بدان معنا نیست که نوترینو واقعاً یک میکروثانیه جلوتر از نور است، بلکه تنها دلیلی است برای اندازه‌گیری دقیق طول کابل، نرخ پاسخ تجهیزات، زمان‌های تأخیر الکترونیک و غیره. این بررسی مجدد انجام شد و معلوم شد که لحظه "مرجع" را با 988 ns جابجا می کند. بنابراین، معلوم می شود که سیگنال نوترینو در واقع از سیگنال مرجع سبقت می گیرد، اما فقط حدود 60 نانوثانیه. از نظر سرعت نوترینوها، این مربوط به بیش از سرعت نور در حدود 0.0025٪ است.

خطای این اندازه گیری توسط نویسندگان آنالیز 10 نانوثانیه تخمین زده شد که شامل خطاهای آماری و سیستماتیک است. بنابراین، نویسندگان ادعا می‌کنند که حرکت ابرشورایی نوترینوها را در سطح اطمینان آماری شش انحراف استاندارد «می‌بینند».

تفاوت بین نتایج و انتظارات با شش انحراف استاندارد در حال حاضر بسیار زیاد است و در فیزیک ذرات ابتدایی با کلمه بلند "کشف" نامیده می شود. با این حال، این عدد باید به درستی درک شود: این فقط به این معنی است که احتمال آمارینوسانات در داده ها بسیار اندک است، اما نمی گوید که تکنیک پردازش داده ها چقدر قابل اعتماد است و فیزیکدانان تا چه حد تمام خطاهای ابزاری را در نظر گرفته اند. از این گذشته، نمونه‌های زیادی در فیزیک ذرات وجود دارد که سیگنال‌های غیرمعمول با اطمینان آماری فوق‌العاده بالا توسط آزمایش‌های دیگر تأیید نشده‌اند.

نوترینوهای ابرشنوایی با چه چیزی تناقض دارند؟

برخلاف تصور رایج، نظریه نسبیت خاص به خودی خود وجود ذراتی را که با سرعتی بیشتر از نور حرکت می کنند منع نمی کند. با این حال، برای چنین ذرات (آنها در مجموع "تاکیون" نامیده می شوند)، سرعت نور نیز یک حد است، اما فقط از پایین - آنها نمی توانند آهسته تر از آن حرکت کنند. در این حالت، وابستگی انرژی ذرات به سرعت معکوس می شود: هر چه انرژی بیشتر باشد، سرعت تاکیون ها به سرعت نور نزدیک تر است.

مشکلات بسیار جدی تر در نظریه میدان کوانتومی شروع می شود. وقتی صحبت از ذرات کوانتومی با انرژی بالا می شود، این نظریه جایگزین مکانیک کوانتومی می شود. در این نظریه، ذرات نقطه نیستند، بلکه، به طور نسبی، توده های یک میدان مادی هستند و نمی توان آنها را جدا از میدان در نظر گرفت. به نظر می رسد که تاکیون ها انرژی میدان را کاهش می دهند، به این معنی که خلاء را ناپایدار می کنند. پس از آن برای پوچی سودمندتر است که خود به خود به تعداد زیادی از این ذرات متلاشی شود، و بنابراین در نظر گرفتن حرکت یک تاکیون در فضای خالی معمولی بی معنی است. می توان گفت که تاکیون یک ذره نیست، بلکه ناپایداری خلاء است.

در مورد تاکیون‌ها-فرمیون‌ها، وضعیت تا حدودی پیچیده‌تر است، اما حتی در آنجا، مشکلات مشابهی پیش می‌آید که از ایجاد یک نظریه میدان کوانتومی تاکیون خودسازگار، از جمله نظریه نسبیت معمول، جلوگیری می‌کند.

با این حال، این نیز آخرین کلمه در تئوری نیست. همانطور که آزمایش‌کنندگان هر چیزی را که قابل اندازه‌گیری است اندازه‌گیری می‌کنند، نظریه‌پردازان نیز تمام مدل‌های فرضی ممکن را که با داده‌های موجود در تضاد نیستند، آزمایش می‌کنند. به طور خاص، نظریه هایی وجود دارد که در آنها یک انحراف کوچک و هنوز متوجه نشده از فرضیه های نظریه نسبیت مجاز است - به عنوان مثال، سرعت نور خود می تواند یک متغیر باشد. چنین تئوری هایی هنوز از پشتیبانی تجربی مستقیم برخوردار نیستند، اما هنوز بسته نشده اند.

این طرح کوتاه از احتمالات نظری را می‌توان به صورت زیر خلاصه کرد: اگرچه در برخی مدل‌های نظری حرکت با سرعت فوق‌شورایی امکان‌پذیر است، اما آنها ساختارهای کاملاً فرضی باقی می‌مانند. تمام داده های تجربی موجود تا به امروز توسط تئوری های استاندارد بدون حرکت ابر نوری توصیف شده اند. بنابراین، اگر حتی برای برخی از ذرات به طور قابل اعتماد تأیید می شد، نظریه میدان کوانتومی باید به طور اساسی تغییر می کرد.

آیا باید نتیجه OPERA را به این معنا «نخستین نشانه» بدانیم؟ نه هنوز. شاید مهم ترین دلیل برای شک این واقعیت است که نتیجه OPERA با سایر داده های تجربی در مورد نوترینوها مطابقت ندارد.

ابتدا، در طول ابرنواختر معروف SN1987A، نوترینوها نیز شناسایی شدند که چندین ساعت قبل از پالس نور وارد شدند. این بدان معنا نیست که نوترینوها سریعتر از نور حرکت کردند، بلکه فقط نشان دهنده این واقعیت است که نوترینوها در مرحله اولیه فروپاشی هسته در یک انفجار ابرنواختری نسبت به نور منتشر می شوند. با این حال، از آنجایی که نوترینوها و نور، با گذراندن 170 هزار سال در راه خود، بیش از چند ساعت از هم جدا نشدند، به این معنی است که سرعت آنها بسیار نزدیک است و بیش از یک میلیاردم کسری با هم تفاوت ندارند. آزمایش OPERA اختلاف هزار بار قوی‌تر را نشان می‌دهد.

البته در اینجا می‌توان گفت که نوترینوهای تولید شده در انفجارهای ابرنواختر و نوترینوهای سرن از نظر انرژی بسیار متفاوت هستند (چند ده مگا الکترون ولت در ابرنواخترها و 10 تا 40 گیگا ولت در آزمایش توصیف شده)، و سرعت نوترینو بسته به انرژی تغییر می‌کند. اما این تغییر در این مورد در جهت "اشتباه" عمل می کند: از این گذشته ، هر چه انرژی تاکیون ها بیشتر باشد ، سرعت آنها باید به سرعت نور نزدیک تر باشد. البته، در اینجا می توانید به اصلاحاتی در نظریه تاکیون فکر کنید، که در آن این وابستگی کاملاً متفاوت خواهد بود، اما در این مورد لازم است مدل "دو فرضی" مورد بحث قرار گیرد.

علاوه بر این، از مجموعه داده‌های تجربی در مورد نوسانات نوترینو به‌دست‌آمده در سال‌های اخیر، چنین برمی‌آید که جرم همه نوترینوها تنها با کسری از یک الکترون ولت با یکدیگر متفاوت است. اگر نتیجه OPERA به عنوان جلوه ای از حرکت ابرشنوایی نوترینوها درک شود، آنگاه مقدار مجذور جرم حداقل یک نوترینو از مرتبه - (100 مگا ولت) 2 خواهد بود (مربع منفی جرم برابر است با تجلی ریاضی این واقعیت است که ذره یک تاکیون در نظر گرفته می شود). سپس شما باید این را اعتراف کنید همهانواع نوترینوها تاکیون هستند و جرم تقریباً یکسانی دارند. از سوی دیگر، اندازه گیری مستقیم جرم نوترینو در واپاشی بتا هسته های تریتیوم نشان می دهد که جرم نوترینو (در مقدار مطلق) نباید از 2 الکترون ولت تجاوز کند. به عبارت دیگر، همه این داده ها را نمی توان با یکدیگر تطبیق داد.

نتیجه گیری از این می تواند به شرح زیر باشد: نتیجه اعلام شده از همکاری OPERA به سختی در هر یک، حتی عجیب ترین مدل های نظری قرار می گیرد.

بعدش چی؟

در همه همکاری‌های بزرگ در فیزیک ذرات، زمانی که هر تجزیه و تحلیل خاص توسط گروه کوچکی از شرکت‌کنندگان انجام می‌شود، عملی عادی است و تنها پس از آن نتایج برای بحث کلی مطرح می‌شوند. در این مورد، ظاهراً این مرحله بسیار کوتاه بود، در نتیجه همه شرکت کنندگان در همکاری موافقت نکردند که امضاهای خود را تحت مقاله جایگزین کنند (لیست کامل شامل 216 شرکت کننده در آزمایش است و پیش چاپ فقط 174 نویسنده دارد) . بنابراین، در آینده نزدیک، به احتمال زیاد، بررسی های اضافی زیادی در چارچوب همکاری انجام خواهد شد و تنها پس از آن مقاله برای چاپ ارسال می شود.

البته اکنون می‌توان منتظر یک سری مقالات تئوریک با انواع توضیحات عجیب و غریب برای این نتیجه بود. با این حال، تا زمانی که نتیجه اعلام شده به طور قابل اعتماد تأیید نشود، نمی توان آن را یک کشف تمام عیار در نظر گرفت.

سفر ابر نور یکی از پایه های داستان های علمی تخیلی فضایی است. با این حال، احتمالاً همه - حتی افرادی که از علم فیزیک دور هستند - می دانند که حداکثر سرعت ممکن حرکت اجسام مادی یا انتشار هر سیگنالی، سرعت نور در خلاء است. با حرف c نشان داده می شود و تقریباً 300 هزار کیلومتر در ثانیه است. مقدار دقیق c = 299 792 458 m / s است.

سرعت نور در خلاء یکی از ثابت های فیزیکی اساسی است. عدم امکان دستیابی به سرعت بیش از c از نظریه نسبیت خاص اینشتین (SRT) ناشی می شود. اگر می‌توانست ثابت کند که سیگنال‌ها می‌توانند با سرعت‌های فوق‌شورایی منتقل شوند، نظریه نسبیت سقوط می‌کرد. با وجود تلاش های متعدد برای رد ممنوعیت وجود سرعت های بیشتر از c، تاکنون این اتفاق نیفتاده است. با این حال، در مطالعات تجربی اخیر، پدیده‌های بسیار جالبی کشف شده است که نشان می‌دهد در شرایط خاص ایجاد شده می‌توان سرعت‌های ابرشورایی را بدون نقض اصول نظریه نسبیت مشاهده کرد.

برای شروع، اجازه دهید جنبه های اصلی مربوط به مشکل سرعت نور را یادآوری کنیم.

اول از همه: چرا فراتر از حد نور (در شرایط عادی) غیرممکن است؟ زیرا در این صورت قانون اساسی جهان ما نقض می شود - قانون علیت که بر اساس آن معلول نمی تواند از علت پیشی بگیرد. هیچ کس تا به حال تماشا نکرده است که مثلاً اول یک خرس مرده افتاد و بعد یک شکارچی شلیک کرد. در سرعت‌های بیش از s، توالی رویدادها معکوس می‌شود، نوار زمان برمی‌گردد. تأیید این موضوع از استدلال ساده زیر آسان است.

بیایید فرض کنیم که ما در نوعی کشتی معجزه فضایی هستیم که سریعتر از نور حرکت می کند. سپس ما به تدریج با نور ساطع شده از منبع در مقاطع قبل و قبل از زمان می‌رسیم. ابتدا فوتون‌هایی را که مثلاً دیروز ساطع شده‌اند، می‌گیریم، سپس فوتون‌هایی که پریروز ساطع شده‌اند، سپس یک هفته، یک ماه، یک سال پیش و غیره. اگر منبع نور آینه ای بود که زندگی را منعکس می کرد، در آن صورت ما ابتدا وقایع دیروز و سپس پریروز و غیره را می دیدیم. مثلاً می‌توانستیم پیرمردی را ببینیم که کم کم تبدیل می‌شود به یک مرد میانسال، سپس به یک جوان، به یک جوان، به یک کودک... یعنی زمان به عقب برمی‌گردد، ما از زمان حال به گذشته. علل و آثار معکوس خواهد شد.

اگرچه این استدلال به طور کامل جزئیات فنی فرآیند مشاهده نور را نادیده می گیرد، اما از نقطه نظر اساسی، به وضوح نشان می دهد که حرکت با سرعت فوق العاده به وضعیت غیرممکن در جهان ما منجر می شود. با این حال، طبیعت حتی شرایط سخت تری را تعیین کرده است: حرکت نه تنها با سرعت فوق العاده، بلکه با سرعتی برابر با سرعت نور نیز غیرممکن است - فقط می توان به آن نزدیک شد. از نظریه نسبیت چنین برمی‌آید که با افزایش سرعت حرکت، سه حالت ایجاد می‌شود: جرم یک جسم متحرک افزایش می‌یابد، اندازه آن در جهت حرکت کاهش می‌یابد، و جریان زمان روی این جسم کاهش می‌یابد. دیدگاه یک ناظر "در حال استراحت" خارجی). در سرعت های معمولی، این تغییرات ناچیز است، اما با نزدیک شدن به سرعت نور، قابل توجه تر می شوند و در حد - با سرعت مساوی c - جرم بی نهایت بزرگ می شود، جسم به طور کامل اندازه خود را در جهت از دست می دهد. حرکت و زمان روی آن متوقف می شود. بنابراین هیچ جسم مادی نمی تواند به سرعت نور برسد. این سرعت فقط در اختیار خود نور است! (و همچنین یک ذره فراگیر - یک نوترینو که مانند فوتون نمی تواند با سرعت کمتر از s حرکت کند.)

حالا در مورد سرعت انتقال سیگنال. در اینجا مناسب است که از نمایش نور به شکل امواج الکترومغناطیسی استفاده کنیم. سیگنال چیست؟ این نوعی اطلاعات است که باید منتقل شود. یک موج الکترومغناطیسی ایده آل یک سینوسی بی نهایت با یک فرکانس است و نمی تواند هیچ اطلاعاتی را حمل کند، زیرا هر دوره از چنین سینوسی دقیقاً دوره قبلی را تکرار می کند. سرعت جابجایی فاز یک موج سینوسی - به اصطلاح سرعت فاز - می تواند در یک محیط، تحت شرایط خاص، از سرعت نور در خلاء بیشتر شود. در اینجا هیچ محدودیتی وجود ندارد، زیرا سرعت فاز، سرعت سیگنال نیست - هنوز وجود ندارد. برای ایجاد یک سیگنال، باید نوعی "علامت" روی موج ایجاد کنید. چنین علامتی می تواند، به عنوان مثال، تغییر در هر یک از پارامترهای موج - دامنه، فرکانس یا فاز اولیه باشد. اما به محض ایجاد علامت، موج سینوسی خود را از دست می دهد. مدوله می شود، متشکل از مجموعه ای از امواج سینوسی ساده با دامنه ها، فرکانس ها و فازهای اولیه متفاوت - گروهی از امواج. سرعتی که علامت در موج مدوله شده حرکت می کند، سرعت سیگنال است. هنگام انتشار در یک محیط، این سرعت معمولاً با سرعت گروهی منطبق است، که مشخصه انتشار گروه امواج فوق الذکر به عنوان یک کل است (نگاه کنید به علم و زندگی، شماره 2، 2000). در شرایط عادی، سرعت گروه و در نتیجه سرعت سیگنال کمتر از سرعت نور در خلاء است. تصادفی نیست که از عبارت "در شرایط عادی" استفاده می شود، زیرا در برخی موارد سرعت گروه نیز می تواند از c تجاوز کند یا حتی معنای خود را از دست بدهد، اما پس از آن برای انتشار سیگنال اعمال نمی شود. در SRT ثابت شده است که انتقال سیگنال با سرعت بیشتر از s غیرممکن است.

چرا اینطور است؟ زیرا همین قانون علیت به عنوان مانعی برای انتقال هر سیگنالی با سرعت بیشتر از c عمل می کند. بیایید وضعیت زیر را تصور کنیم. در نقطه ای A، فلاش نور (رویداد 1) دستگاهی را روشن می کند که سیگنال رادیویی خاصی را ارسال می کند و در نقطه دور B، انفجاری تحت تأثیر این سیگنال رادیویی رخ می دهد (رویداد 2). روشن است که رویداد 1 (فلش) یک علت است و رویداد 2 (انفجار) نتیجه ای است که دیرتر از علت رخ می دهد. اما اگر سیگنال رادیویی با سرعت فوق‌العاده منتشر شود، ناظری در نزدیکی نقطه B ابتدا یک انفجار را می‌بیند و تنها پس از آن - فلاشی که با سرعت یک فلاش نور به او می‌رسد، علت انفجار است. به عبارت دیگر، برای این ناظر، رویداد 2 زودتر از رویداد 1 رخ می دهد، یعنی معلول جلوتر از علت خواهد بود.

شایان ذکر است که «ممنوعیت ابرشورایی» نظریه نسبیت تنها بر حرکت اجسام مادی و ارسال سیگنال ها اعمال می شود. در بسیاری از شرایط، حرکت با هر سرعتی امکان پذیر است، اما حرکت اجسام یا سیگنال های مادی نخواهد بود. به عنوان مثال، دو خط کش نسبتاً طولانی را تصور کنید که در یک صفحه قرار دارند، یکی از آنها افقی است، و دیگری آن را با یک زاویه کوچک قطع می کند. اگر خط کش اول با سرعت زیاد به سمت پایین (در جهتی که با فلش نشان داده شده است) حرکت داده شود، می توان نقطه تقاطع خط کش ها را به سرعتی که می خواهید اجرا کرد، اما این نقطه یک جسم مادی نیست. مثال دیگر: اگر یک چراغ قوه (یا مثلاً لیزری که پرتو باریکی می دهد) بگیرید و به سرعت یک قوس در هوا را با آن توصیف کنید، سرعت خطی نقطه نور با فاصله افزایش می یابد و در فاصله به اندازه کافی زیاد می شود. بیش از c. نقطه نوری بین نقاط A و B با سرعت فوق‌العاده حرکت می‌کند، اما این انتقال سیگنال از A به B نخواهد بود، زیرا چنین نقطه نوری هیچ اطلاعاتی در مورد نقطه A ندارد.

به نظر می رسد که مسئله سرعت های ابر نوری حل شده است. اما در دهه 60 قرن بیستم، فیزیکدانان نظری فرضیه وجود ذرات ابرشورایی به نام تاکیون ها را مطرح کردند. اینها ذرات بسیار عجیبی هستند: از نظر تئوری امکان پذیر هستند، اما برای جلوگیری از تضاد با نظریه نسبیت، مجبور شدند یک توده سکون خیالی نسبت دهند. جرم فیزیکی از نظر فیزیکی وجود ندارد، این یک انتزاع کاملاً ریاضی است. با این حال، این باعث زنگ خطر زیادی نشد، زیرا تاکیون ها نمی توانند در حال استراحت باشند - آنها وجود دارند (اگر وجود داشته باشند!) فقط در سرعت هایی که بیش از سرعت نور در خلاء هستند، و در این مورد جرم تاکیون واقعی است. . در اینجا قیاسی با فوتون ها وجود دارد: یک فوتون جرم سکون صفر دارد، اما این به سادگی به این معنی است که یک فوتون نمی تواند در حالت سکون باشد - نور نمی تواند متوقف شود.

همانطور که انتظار می رفت، آشتی دادن فرضیه تاکیون با قانون علیت دشوارترین کار بود. تلاش‌ها در این راستا، اگرچه کاملاً مبتکرانه بود، اما به موفقیت آشکاری منجر نشد. هیچ کس در ثبت تجربی تاکیون ها نیز موفق نشد. در نتیجه، علاقه به تاکیون ها به عنوان ذرات بنیادی ابرشورایی به تدریج محو شد.

با این حال، در دهه 60، پدیده ای به طور تجربی کشف شد که در ابتدا فیزیکدانان را سردرگم کرد. این به طور مفصل در مقاله A. N. Oraevsky "امواج ابر نور در رسانه های تقویت کننده" (Phys. Phys. Nos. 12, 1998) توضیح داده شده است. در اینجا به طور مختصر موضوع را خلاصه می کنیم و خواننده علاقه مند به جزئیات را به مقاله مشخص شده ارجاع می دهیم.

به زودی پس از کشف لیزر - در اوایل دهه 60 - مشکل بدست آوردن پالس های نوری کوتاه (با مدت زمان حدود 1 ns = 10-9 ثانیه) با قدرت بالا به وجود آمد. برای این کار، یک پالس لیزر کوتاه از یک تقویت کننده کوانتومی نوری عبور داده شد. نبض توسط یک آینه تقسیم پرتو به دو قسمت تقسیم شد. یکی از آنها، قوی تر، به سمت تقویت کننده هدایت می شود، در حالی که دیگری در هوا منتشر می شود و به عنوان یک پالس مرجع عمل می کند که با آن می توان پالسی را که از تقویت کننده عبور می کند مقایسه کرد. هر دو پالس به ردیاب‌های نوری داده شدند و سیگنال‌های خروجی آن‌ها را می‌توان به صورت بصری روی صفحه اسیلوسکوپ مشاهده کرد. انتظار می رفت پالس نوری که از تقویت کننده عبور می کند در مقایسه با پالس مرجع تاخیر خاصی را تجربه کند، یعنی سرعت انتشار نور در تقویت کننده کمتر از هوا باشد. تعجب محققان را تصور کنید وقتی متوجه شدند که پالس از طریق تقویت کننده با سرعتی نه تنها بیشتر از سرعت هوا، بلکه چندین برابر سریعتر از سرعت نور در خلاء منتشر می شود!

پس از بهبودی از اولین شوک، فیزیکدانان شروع به جستجوی دلیل چنین نتیجه غیرمنتظره ای کردند. هیچ کس حتی کوچکترین تردیدی در مورد اصول نظریه نسبیت خاص نداشت و این بود که به یافتن توضیح صحیح کمک کرد: اگر اصول نسبیت خاص حفظ شود، باید پاسخ را در ویژگی های تقویت کننده جستجو کرد. متوسط.

در اینجا بدون پرداختن به جزئیات، تنها به این نکته اشاره می کنیم که تجزیه و تحلیل دقیق مکانیسم عملکرد محیط تقویت کننده، وضعیت را کاملاً روشن کرده است. این ماده شامل تغییر در غلظت فوتون ها در حین انتشار پالس است - تغییری به دلیل تغییر در بهره محیط تا یک مقدار منفی در طول عبور از پشت پالس، زمانی که محیط از قبل انرژی را جذب می کند، زیرا ذخیره خود قبلاً به دلیل انتقال آن به پالس نور خرج شده است. جذب باعث تقویت نه، بلکه تضعیف ضربه می شود، و بنابراین، ضربه در جلو افزایش می یابد و در عقب ضعیف می شود. بیایید تصور کنیم که در حال مشاهده یک پالس با کمک وسیله ای هستیم که با سرعت نور در یک محیط تقویت کننده حرکت می کند. اگر رسانه شفاف بود، ما یک تکانه را می دیدیم که در بی حرکتی منجمد می شود. در محیطی که فرآیند فوق الذکر در آن انجام می شود، تقویت لبه پیشرو و ضعیف شدن لبه انتهایی پالس به گونه ای به نظر ناظر ظاهر می شود که محیط، به عنوان مثال، پالس را به حرکت درآورده است. رو به جلو. اما از آنجایی که دستگاه (ناظر) با سرعت نور حرکت می کند و پالس از آن سبقت می گیرد، پس سرعت پالس از سرعت نور بیشتر می شود! این اثر است که توسط آزمایشگران ثبت شد. و در اینجا واقعاً هیچ تناقضی با نظریه نسبیت وجود ندارد: فقط فرآیند تقویت به گونه ای است که غلظت فوتون هایی که زودتر بیرون آمده اند بیشتر از فوتون هایی است که دیرتر بیرون آمده اند. این فوتون ها نیستند که با سرعت ابر نوری حرکت می کنند، بلکه پوشش پالس، به ویژه، حداکثر آن است که روی یک اسیلوسکوپ مشاهده می شود.

بنابراین، در حالی که در رسانه های معمولی همیشه کاهش نور و کاهش سرعت آن وجود دارد که توسط ضریب شکست تعیین می شود، در رسانه های لیزر فعال، نه تنها تقویت نور مشاهده می شود، بلکه انتشار یک پالس با یک ابر نوری نیز مشاهده می شود. سرعت

برخی از فیزیکدانان سعی کرده اند وجود حرکت ابرشورایی را در اثر تونل زنی - یکی از شگفت انگیزترین پدیده های مکانیک کوانتومی - به صورت تجربی اثبات کنند. این اثر شامل این واقعیت است که یک ریزذره (به طور دقیق تر، یک ریز شی که هم خواص یک ذره و هم خواص یک موج را در شرایط مختلف نشان می دهد) می تواند به اصطلاح مانع پتانسیل نفوذ کند - پدیده ای که کاملاً غیرممکن است. در مکانیک کلاسیک (که در آن آنالوگ چنین وضعیتی است: توپی که به دیوار پرتاب می‌شود در طرف دیگر دیوار قرار می‌گیرد، یا حرکت موج‌دار وارد شده به طناب بسته شده به دیوار به طناب بسته شده منتقل می‌شود. دیوار در طرف دیگر). ماهیت اثر تونل زنی در مکانیک کوانتومی به شرح زیر است. اگر یک ریز شی با انرژی معین در راه خود با ناحیه ای با انرژی پتانسیل بیش از انرژی میکرو شی ملاقات کند، این ناحیه برای آن مانعی است که ارتفاع آن با اختلاف انرژی تعیین می شود. اما ریز شیء از مانع "نفوذ" می کند! این فرصت توسط رابطه عدم قطعیت هایزنبرگ معروف که برای انرژی و زمان تعامل نوشته شده است به او داده شده است. اگر برهمکنش ریز شی با مانع برای مدت زمان کافی مشخص اتفاق بیفتد، برعکس، انرژی میکرو شی با عدم قطعیت مشخص می شود و اگر این عدم قطعیت در حد ارتفاع مانع باشد، سپس دومی مانعی غیرقابل عبور برای شیء خرد نمی شود. در اینجا سرعت نفوذ از یک مانع بالقوه است و موضوع تحقیق تعدادی از فیزیکدانان است که معتقدند می تواند از s بیشتر شود.

در ژوئن 1998، یک سمپوزیوم بین المللی در مورد مشکلات FTL در کلن برگزار شد، که در آن نتایج به دست آمده در چهار آزمایشگاه مورد بحث قرار گرفت - در برکلی، وین، کلن و در فلورانس.

و سرانجام، در سال 2000، گزارش هایی از دو آزمایش جدید وجود داشت که در آنها تأثیرات انتشار ابرشورایی آشکار شد. یکی از آنها توسط لیجون وانگ و همکارانش در یک موسسه تحقیقاتی در پرینستون (ایالات متحده آمریکا) اجرا شد. نتیجه آن این است که یک پالس نوری که وارد محفظه ای پر از بخار سزیم می شود سرعت آن را 300 برابر افزایش می دهد. معلوم شد که قسمت اصلی پالس از دیواره دور محفظه خارج می شود حتی زودتر از اینکه پالس از طریق دیواره جلویی وارد محفظه شود. این وضعیت نه تنها با عقل سلیم، بلکه در اصل با نظریه نسبیت در تضاد است.

پیام L. Wong بحث های شدیدی را در میان فیزیکدانان برانگیخت، که اکثر آنها تمایلی به مشاهده نتایج به دست آمده به عنوان نقض اصول نسبیت ندارند. آنها معتقدند چالش این است که این آزمایش را به درستی توضیح دهیم.

در آزمایش L. Wong، پالس نوری که با بخار سزیم وارد محفظه می شود، مدت زمان حدود 3 میکرو ثانیه داشت. اتم های سزیم می توانند در شانزده حالت مکانیکی کوانتومی ممکن به نام «سطوح فرعی حالت پایه مغناطیسی فوق ریز» باشند. با کمک پمپاژ لیزری نوری، تقریباً همه اتم‌ها تنها به یکی از این شانزده حالت، مطابق با دمای تقریباً صفر مطلق در مقیاس کلوین (-273.15 درجه سانتیگراد) آورده شدند. طول محفظه سزیوم 6 سانتی متر بود. در خلاء، نور 6 سانتی متر در 0.2 ns حرکت می کند. اندازه‌گیری‌ها نشان داد که پالس نور از محفظه با سزیم در 62 ns زمان کمتری نسبت به خلاء عبور می‌کند. به عبارت دیگر زمان عبور پالس از محیط سزیوم علامت منفی دارد! در واقع، اگر 62 ns از 0.2 ns کم شود، زمان "منفی" به دست می آید. این "تاخیر منفی" در محیط - یک پرش زمانی نامفهوم - برابر با زمانی است که طی آن پالس 310 عبور از محفظه را در خلاء انجام می دهد. پیامد این "کودتای موقت" این بود که ضربه ای که از اتاق خارج می شد فرصت داشت تا 19 متر از آن دور شود قبل از اینکه ضربه ورودی به دیوار نزدیک اتاق برسد. چگونه می توانید چنین وضعیت باورنکردنی را توضیح دهید (البته اگر در خلوص آزمایش شکی وجود نداشته باشد)؟

با قضاوت بر اساس بحث در حال گسترش، توضیح دقیقی هنوز پیدا نشده است، اما شکی نیست که خواص پراکندگی غیرعادی محیط در اینجا نقش دارد: بخارات سزیم، متشکل از اتم های برانگیخته شده توسط نور لیزر، محیطی با پراکندگی غیرعادی هستند. اجازه دهید به طور خلاصه یادآوری کنیم که چیست.

پراکندگی یک ماده وابستگی فاز (معمولی) ضریب شکست n به طول موج نور l است. با پراکندگی طبیعی، ضریب شکست با کاهش طول موج افزایش می‌یابد و این در شیشه، آب، هوا و سایر مواد شفاف به نور رخ می‌دهد. در موادی که به شدت نور را جذب می کنند، سیر ضریب شکست با تغییر طول موج برعکس تغییر می کند و بسیار تندتر می شود: با کاهش l (افزایش فرکانس w)، ضریب شکست به شدت کاهش می یابد و در یک ناحیه خاصی از طول موجها کمتر از واحد می شود (سرعت فاز Vph> s). این دقیقا همان پراکندگی غیرعادی است که در آن تصویر انتشار نور در ماده به شدت تغییر می کند. سرعت گروهی Vgr از سرعت فاز امواج بیشتر می شود و می تواند از سرعت نور در خلاء تجاوز کند (و همچنین منفی شود). L. Wong به این شرایط به عنوان دلیل امکان توضیح نتایج آزمایش خود اشاره می کند. با این حال، باید توجه داشت که شرط Vgr>c کاملاً رسمی است، زیرا مفهوم سرعت گروهی برای حالت پراکندگی کم (عادی) برای رسانه‌های شفاف، زمانی که گروهی از امواج تقریباً شکل خود را تغییر نمی‌دهند، معرفی شد. در طول تکثیر از سوی دیگر، در مناطق پراکندگی غیرعادی، پالس نور به سرعت تغییر شکل می‌دهد و مفهوم سرعت گروهی معنای خود را از دست می‌دهد. در این حالت مفاهیم سرعت سیگنال و سرعت انتشار انرژی معرفی می شوند که در محیط های شفاف با سرعت گروه منطبق است و در محیط های با جذب کمتر از سرعت نور در خلاء باقی می ماند. اما در آزمایش وونگ جالب اینجاست: یک پالس نور که از محیطی با پراکندگی غیرعادی عبور کرده است، تغییر شکل نمی‌دهد - دقیقاً شکل خود را حفظ می‌کند! و این با فرض انتشار پالس با سرعت گروه مطابقت دارد. اما اگر اینطور باشد، معلوم می شود که هیچ جذبی در محیط وجود ندارد، اگرچه پراکندگی غیرعادی محیط دقیقاً به دلیل جذب است! خود وونگ، با اعتراف به اینکه خیلی چیزها نامشخص است، معتقد است که آنچه در مجموعه آزمایشی او اتفاق می‌افتد را می‌توان در اولین تقریب به وضوح به شرح زیر توضیح داد.

یک پالس نوری از اجزای زیادی با طول موج (فرکانس) متفاوت تشکیل شده است. شکل سه مورد از این مؤلفه ها را نشان می دهد (امواج 1-3). در نقطه ای، هر سه موج در فاز هستند (حداکثر آنها منطبق هستند). در اینجا آنها جمع می شوند، یکدیگر را تقویت می کنند و یک انگیزه را تشکیل می دهند. با انتشار بیشتر در فضا، امواج از فاز خارج می شوند و در نتیجه یکدیگر را "خاموش می کنند".

در ناحیه پراکندگی غیرعادی (داخل سلول سزیم)، موجی که کوتاهتر بود (موج 1) بلندتر می شود. برعکس، موجی که طولانی ترین موج از این سه بود (موج 3) کوتاه ترین موج می شود.

در نتیجه، فازهای امواج نیز بر این اساس تغییر می کنند. هنگامی که امواج از سلول سزیوم عبور می کنند، جبهه موج آنها بازیابی می شود. پس از انجام یک مدولاسیون فاز غیرمعمول در یک ماده با پراکندگی غیرعادی، سه موج مورد بررسی دوباره در یک نقطه خاص در فاز هستند. در اینجا دوباره جمع می شوند و پالسی دقیقاً به همان شکلی که وارد محیط سزیوم می شوند تشکیل می دهند.

معمولاً در هوا و تقریباً در هر محیط شفاف با پراکندگی معمولی، یک پالس نور نمی‌تواند شکل خود را هنگام انتشار در فاصله‌ای دور حفظ کند، یعنی تمام اجزای آن نمی‌توانند در هر نقطه دور از مسیر انتشار فاز شوند. و در شرایط عادی، یک پالس نور در چنین نقطه دور پس از مدتی ظاهر می شود. با این حال، به دلیل خواص غیرعادی محیط مورد استفاده در آزمایش، مشخص شد که پالس در یک نقطه دور به همان روشی که هنگام ورود به این محیط فازبندی شده است. بنابراین، پالس نور طوری رفتار می کند که گویی در مسیر رسیدن به نقطه ای دور، تاخیر زمانی منفی داشته است، یعنی نه دیرتر، بلکه زودتر از زمانی که از محیط عبور کرده است، به آن می رسد!

اکثر فیزیکدانان تمایل دارند که این نتیجه را با ظهور یک پیش ماده با شدت کم در محیط پراکنده محفظه مرتبط کنند. واقعیت این است که در تجزیه طیفی یک پالس، طیف شامل اجزایی از فرکانس های خودسرانه بالا با دامنه ناچیز است، به اصطلاح پیشرو، که جلوتر از "قسمت اصلی" پالس می رود. ماهیت استقرار و شکل پیش ساز به قانون پراکندگی در محیط بستگی دارد. با در نظر گرفتن این موضوع، توالی وقایع در آزمایش ونگ به صورت زیر تفسیر می شود. موج ورودی که منادی را در مقابل خود "کشش" می کند، به دوربین نزدیک می شود. قبل از اینکه اوج موج ورودی به دیواره نزدیک محفظه برخورد کند، پیش ساز یک ضربه را در محفظه آغاز می کند که به دیواره دور می رسد و از آن منعکس می شود و یک "موج عقب" را تشکیل می دهد. این موج که 300 برابر سریعتر از c منتشر می شود، به دیوار نزدیک می رسد و با موج ورودی برخورد می کند. قله های یک موج با فرورفتگی موج دیگر برخورد می کنند، بنابراین یکدیگر را نابود می کنند و در نتیجه چیزی باقی نمی ماند. معلوم می‌شود که موج ورودی «بدهی» را به اتم‌های سزیم باز می‌گرداند که در انتهای دیگر محفظه به آن انرژی «قرض دادند». هرکسی که فقط شروع و پایان آزمایش را مشاهده کند، تنها یک پالس نور را می‌بیند که در زمان به جلو می‌پرید و با سرعت بیشتری حرکت می‌کرد.

L. Wong معتقد است که آزمایش او با نظریه نسبیت موافق نیست. او معتقد است که این بیانیه در مورد دست نیافتنی بودن سرعت ابرشورایی فقط برای اجسامی با جرم سکون قابل استفاده است. نور را می توان یا به صورت امواج، که مفهوم جرم برای آنها به طور کلی غیرقابل استفاده است، یا به شکل فوتون هایی با جرم سکون، همانطور که مشخص است، برابر با صفر نشان داد. بنابراین، سرعت نور در خلاء، وونگ معتقد است، محدودیت نیست. با این وجود، وونگ اعتراف می‌کند که اثری که او کشف کرد، انتقال اطلاعات با سرعتی بیشتر از s را ممکن نمی‌سازد.

P. Milonny، فیزیکدان در آزمایشگاه ملی لوس آلاموس، ایالات متحده، می گوید: "اطلاعات در اینجا در لبه اصلی پالس هستند."

اکثر فیزیکدانان معتقدند که کار جدید ضربه کوبنده ای به اصول اساسی وارد نمی کند. اما همه فیزیکدانان معتقد نیستند که این مشکل حل شده است. پروفسور A. Ranfagni از گروه تحقیقاتی ایتالیایی، که آزمایش جالب دیگری را در سال 2000 انجام داد، معتقد است که این سوال هنوز باز است. این آزمایش که توسط Daniel Mugnai، Anedio Ranfagni و Rocco Ruggeri انجام شد، دریافت که امواج رادیویی باند سانتی متری در سفرهای هوایی معمولی با سرعت 25 درصد بیش از c.

به طور خلاصه می توان موارد زیر را بیان کرد.

کار سال‌های اخیر نشان می‌دهد که تحت شرایط خاص، سرعت ابر نوری واقعاً می‌تواند رخ دهد. اما واقعاً سفر با سرعت فوق‌العاده چیست؟ تئوری نسبیت، همانطور که قبلا ذکر شد، چنین سرعتی را برای اجسام مادی و سیگنال های حامل اطلاعات ممنوع می کند. با این وجود، برخی از محققان به طور مداوم در تلاش هستند تا نشان دهند چگونه بر سد نوری برای سیگنال ها غلبه کنند. دلیل این امر در این واقعیت نهفته است که در نظریه نسبیت خاص هیچ توجیه ریاضی دقیقی (مثلاً بر اساس معادلات ماکسول برای میدان الکترومغناطیسی) مبنی بر عدم امکان ارسال سیگنال با سرعت بیشتر از s وجود ندارد. این غیرممکن در SRT، می‌توان گفت، صرفاً از نظر محاسباتی، بر اساس فرمول اینشتین برای جمع سرعت‌ها ایجاد می‌شود، اما این امر اساساً توسط اصل علیت تأیید می‌شود. خود انیشتین با توجه به مسئله انتقال سیگنال ابرشورایی نوشت که در این مورد "... ما مجبوریم مکانیزم انتقال سیگنالی را در نظر بگیریم که هنگام استفاده از آن عمل به دست آمده مقدم بر علت است. اما اگرچه این از یک نقطه کاملا منطقی ناشی می شود این دیدگاه در خود من وجود ندارد، به نظر من، هیچ تناقضی وجود ندارد، همچنان با ماهیت کل تجربه ما در تضاد است، به طوری که به نظر می رسد غیرممکن بودن فرض V>c به اندازه کافی ثابت شده باشد. اصل علیت سنگ بنای عدم امکان انتقال سیگنال FTL است. و بر روی این سنگ، ظاهراً، همه جستجوها برای سیگنال‌های ابر نوری، بدون استثنا، دچار لغزش می‌شوند، مهم نیست که آزمایش‌کنندگان چقدر بخواهند چنین سیگنال‌هایی را شناسایی کنند، زیرا طبیعت جهان ما چنین است.

اما با این حال، بیایید تصور کنیم که ریاضیات نسبیت همچنان با سرعت های سریعتر از نور کار می کند. این بدان معناست که از نظر تئوری ما هنوز می‌توانیم بفهمیم که اگر جسم از سرعت نور تجاوز کند چه اتفاقی می‌افتد.

دو فضاپیما را تصور کنید که از زمین به سمت ستاره ای می روند که 100 سال نوری از سیاره ما فاصله دارد. اولین کشتی با سرعت 50 درصد سرعت نور زمین را ترک می کند، بنابراین کل سفر 200 سال طول می کشد. کشتی دوم، مجهز به درایو فرضی Warp، با سرعت 200 درصد نور، اما 100 سال پس از اولین حرکت خواهد کرد. چه اتفاقی خواهد افتاد؟

بر اساس نظریه نسبیت، پاسخ صحیح تا حد زیادی به دیدگاه ناظر بستگی دارد. از روی زمین، به نظر می رسد که کشتی اول قبلاً مسافت قابل توجهی را طی کرده است، قبل از اینکه توسط کشتی دوم سبقت گیرد، که چهار برابر سریعتر حرکت می کند. اما از دید افراد حاضر در کشتی اول، همه چیز کمی متفاوت است.

کشتی شماره 2 سریعتر از نور حرکت می کند، به این معنی که حتی می تواند از نوری که خود ساطع می کند نیز سبقت بگیرد. این منجر به نوعی "موج نور" می شود (مشابه صدا، اما به جای ارتعاش هوا، امواج نور در اینجا ارتعاش می کنند)، که چندین اثر جالب ایجاد می کند. به یاد داشته باشید که نور کشتی شماره 2 کندتر از خود کشتی حرکت می کند. در نتیجه دو برابر شدن بصری رخ خواهد داد. به عبارت دیگر، در ابتدا خدمه کشتی شماره 1 خواهند دید که کشتی دوم در کنار آن ظاهر شده است. سپس نور کشتی دوم با کمی تاخیر به کشتی اول می رسد و نتیجه یک کپی قابل مشاهده خواهد بود که با کمی تاخیر در همان جهت حرکت می کند.

چیزی مشابه را می توان در بازی های رایانه ای مشاهده کرد، زمانی که در نتیجه خرابی سیستم، موتور مدل و الگوریتم های آن را در نقطه پایانی حرکت سریعتر از پایان خود انیمیشن بارگذاری می کند، به طوری که چندین عکس ایجاد می شود. احتمالاً به همین دلیل است که آگاهی ما آن جنبه فرضی جهان را که در آن اجسام با سرعت فوق‌العاده حرکت می‌کنند درک نمی‌کند - شاید این برای بهترین باشد.

P.S. ... اما در مثال آخر چیزی متوجه نشدم، چرا موقعیت واقعی کشتی با "نور ساطع شده از آن" همراه است؟ خوب، بگذارید او را ببینند که چیزی آنجا نیست، اما در واقع او از کشتی اول سبقت می گیرد!

منابع

گروهی از دانشمندان آزمایش OPERA با همکاری سازمان اروپایی تحقیقات هسته ای (سرن) نتایج هیجان انگیز آزمایشی را برای غلبه بر سرعت نور منتشر کردند. نتایج این آزمایش نظریه نسبیت خاص آلبرت انیشتین را که تمام فیزیک مدرن بر آن استوار است رد می کند. این تئوری می گوید که سرعت نور 299 792 458 متر بر ثانیه است و ذرات بنیادی نمی توانند سریعتر از سرعت نور حرکت کنند.

با این وجود، دانشمندان هنگام غلبه بر 732 کیلومتر، 60 نانوثانیه بیش از آن را با پرتو نوترینو ثبت کردند. این اتفاق در 22 سپتامبر طی آزمایشی که توسط یک گروه بین المللی از فیزیکدانان هسته ای از ایتالیا، فرانسه، روسیه، کره، ژاپن و سایر کشورها انجام شد، رخ داد.

آزمایش به شرح زیر انجام شد: پرتو پروتون در یک شتاب دهنده ویژه شتاب گرفت و با آن در مرکز یک هدف ویژه برخورد کرد. به این ترتیب مزون ها متولد شدند - ذرات متشکل از کوارک ها.

والری روباکوف، آکادمیسین RAS، محقق ارشد موسسه تحقیقات هسته ای RAS، به ایزوستیا توضیح داد که وقتی مزون ها تجزیه می شوند، نوترینوها متولد می شوند. - پرتو به گونه ای قرار دارد که نوترینو 732 کیلومتر پرواز می کند و به آزمایشگاه زیرزمینی ایتالیا در گران ساسو می افتد. این شامل یک آشکارساز ویژه است که سرعت پرتو نوترینو را ثبت می کند.

نتایج تحقیقات دنیای علمی را از هم جدا کرد. برخی از دانشمندان از باور نتایج خودداری می کنند.

آنچه در سرن انجام شد از دیدگاه مدرن فیزیک غیرممکن است. - بررسی این آزمایش و نتایج آن ضروری است - شاید آنها فقط اشتباه می کردند. تمام آزمایش‌هایی که قبل از این انجام شده‌اند با تئوری موجود مطابقت دارند و به دلیل یک آزمایش که یک بار انجام شده است، ارزش ایجاد وحشت را ندارد.

آکادمیک بلایف در همان زمان اذعان می کند: اگر بتوان ثابت کرد که نوترینو می تواند سریعتر از سرعت نور حرکت کند، کودتا خواهد بود.

سپس ما باید تمام فیزیک را بشکنیم، "او گفت.

اگر نتایج تأیید شود، این یک انقلاب است، - آکادمیک روباکوف موافق است. - سخت است که بگوییم این برای مردم شهر چگونه رقم خواهد خورد. به طور کلی، البته امکان تغییر نظریه نسبیت خاص وجود دارد، اما انجام این کار بسیار دشوار است و اینکه چه نوع نظریه ای در نتیجه متبلور خواهد شد، کاملاً مشخص نیست.

روباکوف خاطرنشان کرد که این گزارش می گوید که در طول سه سال آزمایش، 15 هزار رویداد ثبت و اندازه گیری شده است.

آمارها بسیار خوب است و یک گروه بین المللی از دانشمندان معتبر در این آزمایش شرکت کردند - خلاصه روباکوف.

دانشگاهیان تأکید کردند که جهان مرتباً سعی می کند به طور تجربی نظریه نسبیت خاص را رد کند. با این حال، هیچ یک از آنها تاکنون نتیجه مثبتی نداشته است.

در سپتامبر 2011، فیزیکدان آنتونیو اردیتاتو جهان را شوکه کرد. اظهارات او می تواند درک ما از جهان را وارونه کند. اگر داده‌های جمع‌آوری‌شده توسط 160 دانشمند OPERA درست بود، چیز باورنکردنی مشاهده می‌شد. ذرات - در این مورد نوترینوها - سریعتر از نور حرکت می کردند. بر اساس نظریه نسبیت انیشتین، این غیرممکن است. و عواقب چنین مشاهده ای باورنکردنی خواهد بود. شاید اصول فیزیک باید بازنگری شود.

اگرچه Ereditato گفت که او و تیمش به نتایج خود "بسیار مطمئن" هستند، آنها نگفتند که داده ها کاملاً دقیق هستند. برعکس، آنها از دانشمندان دیگر خواستند تا به آنها کمک کنند تا بفهمند چه اتفاقی دارد می افتد.

در نهایت معلوم شد که نتایج OPERA اشتباه بوده است. کابل اتصال ضعیف باعث مشکل همگام سازی شد و سیگنال های ماهواره های GPS دقیق نبود. یک تاخیر غیرمنتظره در سیگنال وجود داشت. در نتیجه، اندازه‌گیری زمانی که طول می‌کشد تا نوترینوها یک مسافت معین را طی کنند، ۷۳ نانوثانیه اضافی را نشان می‌دهد: به نظر می‌رسید که نوترینوها سریع‌تر از نور پرواز می‌کنند.

علیرغم ماه ها بررسی دقیق قبل از شروع آزمایش و بررسی مجدد داده ها پس از آن، دانشمندان به شدت در اشتباه بودند. Ereditato استعفا داد، برخلاف اظهارات بسیاری که چنین خطاهایی همیشه به دلیل پیچیدگی شدید دستگاه شتاب دهنده های ذرات رخ می دهد.

چرا این فرض - فقط این فرض - که چیزی می تواند سریعتر از نور حرکت کند، باعث ایجاد چنین صدایی شد؟ چقدر مطمئن هستیم که هیچ چیز نمی تواند بر این مانع غلبه کند؟

بیایید ابتدا به دومین سؤال از این سؤالات نگاه کنیم. سرعت نور در خلاء 299792.458 کیلومتر در ثانیه است - برای راحتی، این عدد به 300000 کیلومتر در ثانیه گرد شده است. این کاملا سریع است. خورشید 150 میلیون کیلومتر از زمین فاصله دارد و نور آن تنها در هشت دقیقه و بیست ثانیه به زمین می رسد.

آیا هیچ یک از مخلوقات ما می تواند در مسابقه با نور رقابت کند؟ کاوشگر فضایی نیوهورایزنز، یکی از سریعترین اجرام ساخته شده توسط بشر، در جولای 2015 از کنار پلوتون و شارون گذشت. او به سرعت نسبت به زمین 16 کیلومتر در ثانیه رسید. بسیار کمتر از 300000 کیلومتر بر ثانیه.

با این حال، ما ذرات ریزی داشتیم که خیلی سریع حرکت می کردند. در اوایل دهه 1960، ویلیام برتوزی در MIT با شتاب دادن به الکترون ها به سرعت های بالاتر آزمایش کرد.

از آنجایی که الکترون ها دارای بار منفی هستند، می توان آنها را با اعمال بار منفی مشابه به ماده شتاب داد - به طور دقیق تر، دفع کرد. هرچه انرژی بیشتری اعمال شود، الکترون ها سریعتر شتاب می گیرند.

کسی فکر می کند که برای شتاب گرفتن به سرعت 300000 کیلومتر در ثانیه فقط باید انرژی مصرفی را افزایش دهد. اما معلوم شد که الکترون ها نمی توانند به این سرعت حرکت کنند. آزمایشات برتوزی نشان داد که استفاده از انرژی بیشتر منجر به افزایش متناسب مستقیم در سرعت الکترون ها نمی شود.

در عوض، مقدار زیادی انرژی اضافی باید اعمال می شد تا سرعت الکترون ها حتی اندکی تغییر کند. به سرعت نور نزدیک و نزدیکتر می شد، اما هرگز به آن نمی رسید.

تصور کنید با قدم‌های کوچک به سمت در قدم می‌زنید، که هر یک از آنها نیمی از فاصله موقعیت فعلی شما تا در را طی می‌کنند. به بیان دقیق، هرگز به در نخواهید رسید، زیرا پس از هر قدمی که برمی دارید، فاصله ای خواهید داشت که باید بر آن غلبه کنید. برتوزی در برخورد با الکترون‌هایش تقریباً با همین مشکل مواجه شد.

اما نور از ذراتی به نام فوتون تشکیل شده است. چرا این ذرات می توانند با سرعت نور حرکت کنند، اما الکترون ها نمی توانند؟

راجر رسول، فیزیکدان دانشگاه ملبورن در استرالیا می گوید: "همانطور که اجسام سریعتر و سریعتر حرکت می کنند، سنگین تر می شوند - هر چه سنگین تر شوند، شتاب گرفتن برای آنها سخت تر می شود، بنابراین هرگز به سرعت نور نمی رسید." . یک فوتون جرم ندارد. اگر جرم داشت، نمی توانست با سرعت نور حرکت کند.»

فوتون ها خاص هستند. آنها نه تنها فاقد جرم هستند، که آزادی حرکت کامل را در خلاء فضا برای آنها فراهم می کند، بلکه نیازی به شتاب نیز ندارند. انرژی طبیعی که آنها در اختیار دارند مانند آنها به صورت امواج حرکت می کند، بنابراین در زمان ایجاد آنها از قبل حداکثر سرعت را دارند. به یک معنا، آسان‌تر است که نور را به‌عنوان انرژی در نظر بگیریم تا جریانی از ذرات، اگرچه در حقیقت، نور هر دو است.

با این حال، نور بسیار کندتر از آنچه ما انتظار داریم حرکت می کند. اگرچه فناوری‌های اینترنتی دوست دارند در مورد ارتباطاتی صحبت کنند که با "سرعت نور" در فیبر کار می‌کنند، نور در شیشه فیبر 40 درصد کندتر از خلاء حرکت می‌کند.

در واقعیت، فوتون‌ها با سرعت 300000 کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند، اما با مقدار معینی از تداخل مواجه می‌شوند، تداخلی که توسط فوتون‌های دیگری که هنگام عبور موج نور اصلی از اتم‌های شیشه ساطع می‌شوند، ایجاد می‌شود. شاید درک این موضوع آسان نباشد، اما حداقل ما سعی کردیم.

به همین ترتیب، در چارچوب آزمایش‌های ویژه با فوتون‌های منفرد، می‌توان سرعت آنها را به طرز چشمگیری کاهش داد. اما برای اکثر موارد، عدد 300000 معتبر خواهد بود. ما چیزی را ندیده‌ایم یا ایجاد نکرده‌ایم که بتواند به این سرعت یا حتی سریع‌تر حرکت کند. نکات خاصی وجود دارد، اما قبل از اینکه به آنها بپردازیم، اجازه دهید به سؤال دیگر خود بپردازیم. چرا اینقدر مهم است که قانون سرعت نور به شدت رعایت شود؟

پاسخ به نام شخص مربوط می شود، همانطور که اغلب در فیزیک چنین است. نظریه نسبیت خاص او پیامدهای بسیاری از محدودیت های سرعت جهانی او را بررسی می کند. یکی از مهمترین عناصر این نظریه این ایده است که سرعت نور ثابت است. مهم نیست کجا هستید یا با چه سرعتی در حال حرکت هستید، نور همیشه با همان سرعت حرکت می کند.

اما این چند مشکل مفهومی دارد.

تصور کنید نور از یک چراغ قوه به آینه ای روی سقف یک فضاپیما ثابت می افتد. نور بالا می رود، از آینه منعکس می شود و روی کف فضاپیما می افتد. فرض کنید مسافت 10 متری را طی می کند.

حال تصور کنید که این فضاپیما با سرعت عظیم هزاران کیلومتر در ثانیه شروع به حرکت کند. وقتی چراغ قوه را روشن می کنید، نور مانند قبل رفتار می کند: به سمت بالا می تابد، به آینه برخورد می کند و روی زمین منعکس می شود. اما برای انجام این کار، نور باید یک مسافت مورب را طی کند، نه عمودی. از این گذشته، آینه اکنون با فضاپیما به سرعت در حال حرکت است.

بر این اساس فاصله ای که نور طی می کند افزایش می یابد. فرض کنید 5 متر. در کل 15 متر معلوم میشه نه 10.

با وجود این، اگرچه فاصله افزایش یافته است، نظریه های اینشتین بیان می کنند که نور همچنان با همان سرعت حرکت می کند. از آنجایی که سرعت مسافت تقسیم بر زمان است، از آنجایی که سرعت یکسان است و فاصله افزایش یافته است، زمان نیز باید افزایش یابد. بله، زمان خود باید طولانی شود. اگرچه عجیب به نظر می رسد، اما به طور تجربی تایید شده است.

به این پدیده اتساع زمان می گویند. زمان برای افرادی که در وسایل نقلیه سریع حرکت می کنند، نسبت به افرادی که ساکن هستند، کندتر حرکت می کند.

به عنوان مثال، زمان برای فضانوردان در ایستگاه فضایی بین‌المللی 0.007 ثانیه کندتر می‌گذرد، که در مقایسه با انسان‌های روی سیاره با سرعت 7.66 کیلومتر بر ثانیه نسبت به زمین حرکت می‌کند. جالب تر از آن، وضعیت ذرات مانند الکترون های فوق الذکر است که می توانند نزدیک به سرعت نور حرکت کنند. در مورد این ذرات، درجه کاهش سرعت بسیار زیاد خواهد بود.

استفان کولتهمر، فیزیکدان تجربی در دانشگاه آکسفورد در بریتانیا، به مثالی با ذرات به نام میون اشاره می کند.

میون ها ناپایدار هستند: آنها به سرعت به ذرات ساده تر تجزیه می شوند. به قدری سریع که بیشتر میون هایی که خورشید را ترک می کنند باید تا زمانی که به زمین می رسند تجزیه شوند. اما در واقعیت، میون ها از خورشید در حجم عظیمی به زمین می رسند. فیزیکدانان برای مدت طولانی در تلاش برای کشف دلیل آن بودند.

کولتهامر می گوید: «پاسخ به این معما این است که میون ها با چنان انرژی تولید می شوند که با سرعتی نزدیک به نور حرکت می کنند. حس زمان آنها، به اصطلاح، ساعت درونی آنها به کندی کار می کند.

به لطف انحنای طبیعی زمان کنونی، میون‌ها نسبت به ما بیشتر از حد انتظار زنده می‌مانند. هنگامی که اجسام به سرعت نسبت به سایر اجسام حرکت می کنند، طول آنها نیز کاهش می یابد، منقبض می شود. این پیامدها، اتساع زمان و کاهش طول، نمونه‌هایی از چگونگی تغییر فضازمان بسته به حرکت چیزها - من، شما یا یک فضاپیما - با جرم هستند.

همانطور که انیشتین گفت آنچه مهم است، نور را تحت تأثیر قرار نمی دهد، زیرا جرم ندارد. به همین دلیل است که این اصول دست به دست هم می دهند. اگر اجسام می توانستند سریعتر از نور حرکت کنند، از قوانین اساسی که نحوه عملکرد جهان را توصیف می کند، اطاعت می کردند. اینها اصول کلیدی هستند. اکنون می توانیم در مورد چند استثنا و انحراف صحبت کنیم.

از یک طرف، اگرچه ما چیزی را با سرعتی بیشتر از نور ندیده‌ایم، اما این بدان معنا نیست که از نظر تئوری نمی‌توان این محدودیت سرعت را در شرایط بسیار خاص شکست. برای مثال، انبساط خود جهان را در نظر بگیرید. کهکشان ها در کیهان با سرعتی بسیار بیشتر از نور از یکدیگر دور می شوند.

موقعیت جالب دیگر مربوط به ذراتی است که بدون توجه به اینکه چقدر از هم فاصله دارند، خصوصیات یکسانی دارند. این به اصطلاح "درهم تنیدگی کوانتومی" است. فوتون به طور تصادفی از بین دو حالت ممکن به سمت بالا و پایین می چرخد، اما انتخاب جهت چرخش در صورت درهم تنیدگی فوتون دیگر به دقت بر روی فوتون دیگر منعکس می شود.

دو دانشمند که هر کدام فوتون خود را مطالعه می کنند، به طور همزمان به همان نتیجه خواهند رسید، سریعتر از سرعت نور که اجازه می دهد.

با این حال، در هر دوی این مثال ها، توجه به این نکته مهم است که هیچ اطلاعاتی سریعتر از سرعت نور بین دو جسم حرکت نمی کند. ما می‌توانیم انبساط جهان را محاسبه کنیم، اما نمی‌توانیم اشیایی را سریع‌تر از نور در آن مشاهده کنیم: آنها از میدان دید ناپدید شده‌اند.

در مورد این دو دانشمند با فوتون‌هایشان، اگرچه می‌توانستند نتیجه یکسانی را در یک زمان به دست آورند، اما نمی‌توانستند سریع‌تر از حرکت نور بین آنها به یکدیگر اطلاع دهند.

کولتهامر می‌گوید: «این هیچ مشکلی برای ما ایجاد نمی‌کند، زیرا اگر بتوانید سیگنال‌ها را سریع‌تر از نور ارسال کنید، پارادوکس‌های عجیبی دریافت می‌کنید که براساس آن اطلاعات می‌توانند به نحوی در زمان سفر کنند.»

راه ممکن دیگری برای امکان سفر سریعتر از نور از نظر فنی وجود دارد: شکاف هایی در فضا-زمان که به مسافر اجازه می دهد از قوانین سفر عادی اجتناب کند.

جرالد کلیور از دانشگاه بیلور در تگزاس معتقد است که روزی ممکن است بتوانیم فضاپیمایی بسازیم که سریعتر از نور حرکت کند. که از طریق یک کرم چاله حرکت می کند. کرم‌چاله‌ها حلقه‌هایی در فضا-زمان هستند که کاملاً با نظریه‌های اینشتین مطابقت دارند. آنها می توانند با استفاده از یک ناهنجاری در فضا-زمان، نوعی میانبر کیهانی، به فضانورد اجازه دهند تا از یک انتهای جهان به انتهای دیگر بپرد.

جسمی که در یک کرم چاله حرکت می کند از سرعت نور تجاوز نمی کند، اما از نظر تئوری می تواند سریعتر از نوری که در یک مسیر "عادی" حرکت می کند به مقصد برسد. اما کرمچاله ها ممکن است اصلاً برای سفرهای فضایی قابل دسترسی نباشند. آیا راه دیگری برای تحریف فعال فضازمان برای سفر سریعتر از 300000 کیلومتر بر ثانیه نسبت به شخص دیگری وجود دارد؟

کلیور همچنین ایده "موتور Alcubierre" را در سال 1994 بررسی کرد. او موقعیتی را توصیف می کند که در آن فضا-زمان در مقابل فضاپیما منقبض می شود، آن را به جلو می راند، و در پشت آن منبسط می شود و همچنین آن را به جلو می راند. کلیور می‌گوید: «اما پس از آن، مشکلاتی به وجود آمد: چگونه این کار را انجام دهیم و چقدر انرژی لازم است.»

در سال 2008، او و دانشجوی فارغ التحصیلش ریچارد ابوزی محاسبه کردند که چقدر انرژی مورد نیاز است.

ما یک فضاپیمای 10 متر در 10 متر در 10 متر - 1000 متر مکعب - را تصور کردیم و محاسبه کردیم که مقدار انرژی مورد نیاز برای شروع این فرآیند معادل جرم یک مشتری کامل خواهد بود.

پس از آن، انرژی باید دائماً "ریخته شود" تا این روند به پایان نرسد. هیچ کس نمی داند که آیا این هرگز امکان پذیر خواهد بود یا فناوری های مورد نیاز چگونه خواهند بود. کلیور می‌گوید: «نمی‌خواهم برای قرن‌ها از من نقل شود که چیزی را پیش‌بینی می‌کنم که هرگز اتفاق نخواهد افتاد، اما هنوز راه‌حلی نمی‌بینم.»

بنابراین، سفر با سرعتی بیشتر از سرعت نور در حال حاضر یک خیال است. تا اینجای کار، تنها راه این است که در انیمیشن های معلق عمیق فرو برویم. و با این حال همه چیز بد نیست. در بیشتر موارد، ما در مورد نور مرئی صحبت کردیم. اما در واقعیت، نور بسیار بیشتر است. از امواج رادیویی و مایکروویو گرفته تا نور مرئی، تابش فرابنفش، اشعه ایکس و پرتوهای گاما که از اتم ها در حین فروپاشی ساطع می شوند، این پرتوهای زیبا همه از یک چیز تشکیل شده اند: فوتون ها.

تفاوت در انرژی است، یعنی در طول موج. این پرتوها با هم طیف الکترومغناطیسی را می سازند. این واقعیت که امواج رادیویی، به عنوان مثال، با سرعت نور حرکت می کنند، برای ارتباطات فوق العاده مفید است.

کلتهامر در تحقیقات خود مداری ایجاد می کند که از فوتون ها برای انتقال سیگنال ها از یک قسمت مدار به قسمت دیگر استفاده می کند، بنابراین سزاوار است که در مورد سودمندی سرعت باورنکردنی نور اظهار نظر کند.

او خاطرنشان می‌کند: «این واقعیت که ما زیرساخت اینترنت، و قبل از آن رادیو را بر اساس نور ساخته‌ایم، به سهولت انتقال آن ربط دارد». و اضافه می کند که نور به عنوان نیروی ارتباطی جهان عمل می کند. هنگامی که الکترون‌های تلفن همراه شروع به تکان دادن می‌کنند، فوتون‌ها به بیرون پرواز می‌کنند و باعث می‌شوند الکترون‌های تلفن همراه دیگر نیز تکان بخورند. اینگونه است که یک تماس تلفنی متولد می شود. لرزش الکترون‌های خورشید نیز فوتون‌هایی را منتشر می‌کنند - در مقادیر بسیار زیاد - که البته نوری را تشکیل می‌دهند که به زمین گرما و نور را می‌دهد.

نور زبان جهانی جهان است. سرعت آن - 299792.458 کیلومتر در ثانیه - ثابت می ماند. در این میان فضا و زمان شکل پذیر هستند. شاید نباید به این فکر کنیم که چگونه سریعتر از نور حرکت کنیم، بلکه چگونه در این فضا و این زمان سریعتر حرکت کنیم؟ به طوری که می گویند ریشه در بالغ شدن؟

فیزیکدانان کشف کرده اند که ذرات نور (فوتون ها) می توانند حدود 1 تریلیون سال زندگی کنند و پس از فروپاشی، به نوبه خود ذرات بسیار سبکی را منتشر می کنند که می توانند سریعتر از نور حرکت کنند! با گذشت زمان، بسیاری از ذرات دچار پوسیدگی طبیعی می شوند. به عنوان مثال، اتم های رادیواکتیو ناپایدار در یک لحظه خاص به ذرات کوچک تجزیه می شوند و انفجاری انرژی آزاد می کنند.

اخیراً دانشمندان متقاعد شدند که فوتون ها تجزیه نمی شوند، زیرا اعتقاد بر این بود که آنها جرم ندارند. با این حال، دانشمندان در حال حاضر فرض می کنند که فوتون ها دارای جرم هستند، فقط آنقدر کوچک است که نمی توان آن را با ابزارهای مدرن اندازه گیری کرد.

حد بالایی فعلی برای جرم یک فوتون آنقدر کوچک است که کمتر از یک میلیاردم، میلیاردم، میلیاردم جرم یک پروتون است. بر اساس این رقم، دانشمندان محاسبه کرده اند که یک فوتون در طیف مرئی می تواند حدود 1 تریلیون سال زندگی کند. با این حال، این طول عمر بسیار طولانی برای همه فوتون ها صدق نمی کند؛ به طور متوسط ​​محاسبه می شود. این احتمال وجود دارد که برخی فوتون ها در مدت کوتاهی زنده بمانند. جهان بیگ بنگ ما در حال حاضر حدود 13.7 میلیارد سال سن دارد. و پروژه‌های تحقیقاتی در حال انجام نه تنها برای اندازه‌گیری درخشش پس از انفجار بزرگ، بلکه احتمالاً برای شناسایی نشانه‌های فروپاشی اولیه فوتون‌ها طراحی شده‌اند.

اگر یک فوتون در نتیجه فروپاشی شکسته شود، حتی ذرات سبک‌تری باید آزاد شوند، آنهایی که می‌توانند در جهان ما سریع‌تر از سرعت نور حرکت کنند. این ذرات شبح مانند (نوترینوها) به ندرت با ماده معمولی تعامل دارند. جریان های بی شماری از نوترینوها در هر کسری از ثانیه، نه تنها از فضا، ستارگان و اجسام، بلکه از طریق هر فردی که روی زمین زندگی می کند، بدون تأثیر بر ماده ما، هجوم می آورند.

هنگام فروپاشی، هر فوتون دو نوترینو نوری ساطع می کند که از نور سبک تر هستند، سریعتر از فوتون ها حرکت می کنند. به نظر می رسد کشف نوترینوها نظریه نسبیت انیشتین را که هیچ چیز نمی تواند سریعتر از نور حرکت کند، نقض می کند، اما اینطور نیست، زیرا این نظریه مبتنی بر این واقعیت است که فوتون جرم بدن ندارد. و این نظریه می گوید که هیچ ذره ای نمی تواند سریعتر از یک ذره بدون جرم حرکت کند.

علاوه بر این، نظریه نسبیت انیشتین نشان می دهد که ذرات با سرعت بسیار بالایی در فضای زمانی منحرف حرکت می کنند. یعنی اگر هوشیاری داشتند، این تصور را داشتند که همه چیزهایی که در اطرافشان اتفاق می‌افتد در حالت بسیار آهسته است. این بدان معنی است که در فضای زمانی ما، فوتون ها باید حدود 1 تریلیون سال زندگی کنند و در جریان زمانی خود - فقط حدود سه سال.

سرگئی واسیلنکوف