به اندازه گیری مستقیم سرعت 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، با این حال، 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 مطابقت ندارد.

برنج. یکی

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 یک آشکارساز نوترینو ویژه OPERA در 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 بنابراین سیگنال خود را در آشکارساز باقی می گذارند. نوترینوها در سرن به طور پیوسته به دنیا نمی آیند، بلکه به صورت "انفجار" متولد می شوند و اگر لحظه تولد یک نوترینو و لحظه جذب آن در آشکارساز و همچنین فاصله بین دو آزمایشگاه را بدانیم، می توانیم سرعت را محاسبه کنیم. از نوترینو

فاصله بین منبع و آشکارساز در یک خط مستقیم حدود 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 تولد یک نوترینو می شود به هیچ وجه با چنین دقتی محلی نیست. در سرن، پرتوی از پروتون‌های پرانرژی از شتاب‌دهنده SPS خارج می‌شود، روی یک هدف گرافیتی پرتاب می‌شود و ذرات ثانویه از جمله مزون‌ها را در آن تولید می‌کند. آنها با سرعت نزدیک به نور به پرواز به جلو ادامه می دهند و در حین پرواز با انتشار نوترینوها به میون تبدیل می شوند. میون‌ها نیز تجزیه می‌شوند و نوترینوهای بیشتری تولید می‌کنند. سپس تمام ذرات به جز نوترینوها در ضخامت ماده جذب می شوند و آزادانه به محل تشخیص می رسند. طرح کلی این بخش از آزمایش در شکل 1 نشان داده شده است. یکی

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، عملاً هیچ تفاوتی برای زمان تشخیص وجود ندارد، اینکه نوترینو بلافاصله متولد شود یا بعد از یک کیلومتر از راه (اما، پراهمیت، دقیقاً چه زمانی پروتون اصلی که منجر به تولد این نوترینو شد از شتاب دهنده به پرواز درآمد). در نتیجه، نوترینوهای تولید شده به سادگی نمایه پرتو پروتون اصلی را تکرار می کنند. بنابراین، پارامتر کلیدی در اینجا دقیقاً مشخصات زمانی پرتو پروتون منتشر شده از شتاب دهنده، به ویژه موقعیت دقیق لبه های جلویی و انتهایی آن است و این مشخصات با زمان مناسب اندازه گیری می شود. سوضوح m (نگاه کنید به شکل 2).

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 تولد تعداد زیادی نوترینو می شود. با این حال، تقریباً همه آنها بدون تعامل از طریق زمین (و آشکارساز) پرواز می کنند. در موارد نادری که آشکارساز یک نوترینو را ثبت می‌کند، نمی‌توان گفت که در چه لحظه‌ای در بازه 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 زمانی آنها را نسبت به نقطه شروع برای هر جلسه ساخت. در آشکارساز، نقطه زمانی به عنوان مبدأ در نظر گرفته می شود که سیگنال شرطی که با سرعت نور حرکت می کند و دقیقاً در لحظه ای که لبه جلویی پرتو پروتون منتشر می شود به آشکارساز می رسد. اندازه گیری دقیق این لحظه با همگام سازی ساعت ها در دو آزمایشگاه در عرض چند نانوثانیه امکان پذیر شد.

روی انجیر شکل 3 نمونه ای از چنین توزیعی را نشان می دهد. نقاط سیاه، داده‌های واقعی نوترینو هستند که توسط آشکارساز ثبت و جمع‌بندی شده‌اند تعداد زیادیجلسات منحنی قرمز یک سیگنال "مرجع" معمولی را نشان می دهد که با سرعت نور حرکت می کند. می بینید که داده ها از حدود 1048.5 ns شروع می شوند. قبل ازسیگنال مرجع با این حال، این هنوز به این معنا نیست که نوترینو در واقع یک میکروثانیه جلوتر از نور است، بلکه تنها دلیلی است برای اندازه‌گیری دقیق طول کابل، سرعت پاسخ تجهیزات، زمان‌های تاخیر الکترونیک و غیره. این بررسی مجدد انجام شد و مشخص شد که لحظه "مرجع" را 988 ns تغییر می دهد. بنابراین، معلوم می شود که سیگنال نوترینو در واقع از سیگنال مرجع پیشی می گیرد، اما فقط حدود 60 نانوثانیه. از نظر سرعت نوترینو، 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 کلمه پر سر و صدا "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 نشان نمی دهد که تکنیک پردازش داده تا چه حد قابل اعتماد است و فیزیکدانان تا چه حد تمام خطاهای ابزاری را در نظر گرفته اند. از این گذشته، نمونه‌های زیادی در فیزیک ذرات ابتدایی وجود دارد که سیگنال‌های غیرعادی با قطعیت آماری فوق‌العاده بالا توسط آزمایش‌های دیگر تأیید نشده‌اند.

نوترینوهای ابرشنوایی با چه چیزی تناقض دارند؟

برخلاف تصور رایج، نسبیت خاص به خودی خود وجود ذراتی را که با آن حرکت می کنند منع نمی کند سرعت فوق العاده. با این حال، برای چنین ذرات (به طور کلی آنها را "تاکیون" می نامند)، سرعت نور نیز یک حد است، اما فقط از پایین - آنها نمی توانند آهسته تر از آن حرکت کنند. در این مورد، 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. این نظریه در حال جایگزینی است مکانیک کوانتومیوقتی صحبت از ذرات کوانتومی با انرژی بالا می شود. در این نظریه، ذرات نقطه نیستند، بلکه به طور نسبی، توده های 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. در این صورت، تجزیه خودبه‌خود به تعداد زیادی از این ذرات برای فضای خالی سودآورتر است، و بنابراین در نظر گرفتن حرکت یک تاکیون در فضای خالی معمولی بی‌معنی است. می توان گفت که تاکیون یک ذره نیست، بلکه ناپایداری خلاء است.

در مورد تاکیون فرمیون‌ها، وضعیت تا حدودی پیچیده‌تر است، اما حتی در آنجا، مشکلات مشابهی پیش می‌آید که مانع ایجاد یک نظریه میدان کوانتومی تاکیون خودسازگار می‌شود، که شامل نظریه نسبیت معمول است.

با این حال، این نیز آخرین کلمه در تئوری نیست. همانطور که آزمایش‌کنندگان هر چیزی را که می‌توان اندازه‌گیری کرد، اندازه‌گیری می‌کنند، نظریه‌پردازان نیز همه 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 جزئی 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 می توان به صورت زیر خلاصه کرد: علیرغم این واقعیت که در برخی از مدل های نظری حرکت با سرعت فوق نور ممکن است، آنها فقط ساختارهای فرضی باقی می مانند. تمام داده‌های تجربی موجود در حال حاضر توسط تئوری‌های استاندارد بدون حرکت ابر نوری توصیف می‌شوند. بنابراین، اگر به طور قابل اعتمادی حداقل برای برخی از ذرات تأیید می شد، نظریه میدان کوانتومی باید به طور اساسی بازنگری شود.

آیا ارزش دارد که نتیجه OPERA را به این معنا به عنوان "نخستین نشانه" در نظر بگیریم؟ 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 ثبت شدند که چند ساعت قبل از پالس نور وارد شدند. این بدان معنا نیست که نوترینوها بودند سریعتر از نور، اما فقط این واقعیت را منعکس می کند که نوترینوها بیشتر ساطع می شوند مرحله اولیهفروپاشی هسته در یک انفجار ابرنواختری نسبت به نور. با این حال، از آنجایی که نوترینوها و نور، با گذراندن 170000 سال در جاده، بیش از چند ساعت از هم جدا نشدند، به این معنی است که سرعت آنها بسیار نزدیک است و بیش از یک میلیاردم تفاوت ندارند. آزمایش OPERA اختلاف هزار بار قوی‌تر را نشان می‌دهد.

البته در اینجا می‌توان گفت که نوترینوهای تولید شده در طول انفجارهای ابرنواختری و نوترینوهای CERN 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 متفاوت است. 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، حتی در اینجا می توان به نوعی اصلاح نظریه تاکیون رسید، 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 بسیاری از داده های تجربی در نوسانات نوترینودریافت شده برای سال های گذشته، نتیجه می شود که جرم همه نوترینوها فقط بر اساس کسری از یک الکترون ولت با یکدیگر متفاوت است. اگر نتیجه OPERA به عنوان جلوه ای از حرکت ابرشنوایی یک نوترینو در نظر گرفته شود، آنگاه مقدار مجذور جرم حداقل یک نوترینو از مرتبه – (100 MeV) 2 (مربع منفی) خواهد بود. جرم تجلی ریاضی این واقعیت است که ذره یک تاکیون در نظر گرفته می شود). سپس 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 (مدول) نباید از 2 الکترون ولت تجاوز کند. به عبارت دیگر، تطبیق همه این داده ها با یکدیگر امکان پذیر نخواهد بود.

نتیجه گیری از این را می توان به شرح زیر گرفت: نتیجه اعلام شده از همکاری OPERA به سختی در هر مدل تئوریک، حتی عجیب و غریب ترین، قرار می گیرد.

بعدش چی؟

در تمام همکاری‌های بزرگ در فیزیک ذرات، برای هر یک از آنها تمرین عادی است تحلیل بتنتوسط گروه کوچکی از شرکت کنندگان انجام می شود و تنها پس از آن نتایج برای بحث عمومی ارائه می شود. در این مورد، ظاهراً این مرحله بسیار کوتاه بود، در نتیجه همه شرکت کنندگان در همکاری موافقت نکردند که امضای خود را در زیر مقاله بگذارند (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 در حال حاضر نیز می توان منتظر جریانی از مقالات نظری با توضیحات عجیب و غریب مختلف از این نتیجه بود. با این حال، تا زمانی که نتیجه ادعا شده به طور قابل اعتماد دوباره بررسی نشود، نمی توان آن را یک کشف تمام عیار در نظر گرفت.

اما معلوم شد که ممکن است; اکنون اعتقاد بر این است که ما هرگز نخواهیم توانست سریعتر از نور سفر کنیم ... ". اما در واقع این درست نیست که زمانی کسی معتقد بود که نمی توان سریعتر از صدا سفر کرد. مدتها قبل از ظهور هواپیمای مافوق صوت، قبلاً وجود داشت. می‌دانیم که گلوله‌ها سریع‌تر از صدا پرواز می‌کنند. اداره می شودپرواز مافوق صوت، و این اشتباه بود. جنبش اس اس یک موضوع کاملا متفاوت است. از همان ابتدا مشخص بود که پرواز مافوق صوت به دلیل مشکلات فنی که به سادگی باید حل می شد با مشکل مواجه شد. اما کاملاً مشخص نیست که آیا مشکلاتی که مانع جنبش SS می شود، هرگز قابل حل است یا خیر. نظریه نسبیت در این مورد حرف های زیادی برای گفتن دارد. اگر سفر SS یا حتی انتقال سیگنال امکان پذیر باشد، علیت نقض می شود و نتایج کاملاً باورنکردنی از این نتیجه حاصل می شود.

ابتدا در مورد موارد ساده حرکت CC بحث خواهیم کرد. ما به آنها اشاره می کنیم نه به این دلیل که جالب هستند، بلکه به این دلیل که بارها و بارها در بحث های جنبش STS ظاهر می شوند و بنابراین باید با آنها برخورد کرد. سپس مواردی را که از نظر ما به عنوان موارد دشوار حرکت یا ارتباط STS است مورد بحث قرار می دهیم و برخی از استدلال ها را علیه آنها بررسی می کنیم. در نهایت، ما جدی ترین فرضیات را در مورد جنبش STS واقعی در نظر خواهیم گرفت.

حرکت SS ساده

1. پدیده تابش چرنکوف

یک راه برای حرکت سریعتر از نور این است که ابتدا سرعت نور را کاهش دهید! :-) در خلاء، نور با سرعت حرکت می کند جو این مقدار یک ثابت جهانی است (به سوال آیا سرعت نور ثابت است مراجعه کنید) و در یک محیط متراکم تر مانند آب یا شیشه، سرعت آن به سرعت کاهش می یابد. c/n، جایی که nضریب شکست محیط است (10003 برای هوا، 1.4 برای آب). بنابراین، ذرات می توانند در آب یا هوا سریعتر از حرکت نور در آنجا حرکت کنند. در نتیجه، تشعشعات واویلف-چرنکوف ظاهر می شود (به سوال مراجعه کنید).

اما وقتی از حرکت SS صحبت می کنیم، البته منظور ما تجاوز از سرعت نور در خلاء است. ج(299 792 458 m/s). بنابراین، پدیده چرنکوف را نمی توان نمونه ای از حرکت SS در نظر گرفت.

2. شخص ثالث

اگر موشک آبا سرعت از من دور می شود 0.6cغرب و دیگری ب- از من با سرعت 0.6cشرق، سپس کل فاصله بین آو بدر چارچوب مرجع من با سرعت افزایش می یابد 1.2c. بنابراین، سرعت نسبی ظاهری بزرگتر از c را می توان "از شخص ثالث" مشاهده کرد.

با این حال، این سرعت آن چیزی نیست که ما معمولاً با سرعت نسبی درک می کنیم. سرعت واقعی موشک آدر مورد موشک ب- این میزان افزایش فاصله بین موشک ها است که توسط ناظر در موشک مشاهده می شود ب. دو سرعت باید بر اساس فرمول نسبیتی برای جمع سرعت ها اضافه شوند (به سوال چگونه سرعت ها را در نسبیت خاص اضافه کنیم مراجعه کنید). در این حالت سرعت نسبی تقریباً می باشد 0.88c، یعنی فوق نورانی نیست.

3. سایه ها و خرگوش ها

به این فکر کنید که سایه با چه سرعتی می تواند حرکت کند؟ اگر سایه‌ای را روی دیواری دور از انگشت خود از یک لامپ نزدیک ایجاد کنید و سپس انگشت خود را حرکت دهید، آنگاه سایه بسیار سریع‌تر از انگشت شما حرکت می‌کند. اگر انگشت به موازات دیوار حرکت کند، سرعت سایه خواهد بود DDبرابر سرعت انگشت، جایی که دفاصله انگشت تا لامپ است و دی- فاصله از لامپ تا دیوار. و اگر دیوار در زاویه قرار گرفته باشد، می توانید سرعت بیشتری داشته باشید. اگر دیوار خیلی دور باشد، حرکت سایه از حرکت انگشت عقب می ماند، زیرا نور همچنان باید از انگشت به دیوار پرواز کند، اما سرعت سایه چندین برابر خواهد بود. بزرگتر یعنی سرعت سایه با سرعت نور محدود نمی شود.

علاوه بر سایه‌ها، خرگوش‌ها می‌توانند سریع‌تر از نور نیز حرکت کنند، به عنوان مثال، یک ذره از پرتو لیزری که به ماه هدایت می‌شود. با دانستن اینکه فاصله تا ماه 385000 کیلومتر است، اگر لیزر را کمی حرکت دهید، سعی کنید سرعت خرگوش را محاسبه کنید. همچنین می توانید تصور کنید که موج دریا به صورت مایل به ساحل برخورد می کند. نقطه ای که موج می شکند با چه سرعتی می تواند حرکت کند؟

اتفاقات مشابهی می تواند در طبیعت رخ دهد. به عنوان مثال، یک پرتو نور از یک تپ اختر می تواند از میان ابری از غبار عبور کند. یک فلاش روشن یک پوسته در حال گسترش از نور یا تشعشعات دیگر تولید می کند. هنگامی که از سطح عبور می کند، حلقه ای از نور ایجاد می کند که سریعتر از سرعت نور رشد می کند. در طبیعت، این زمانی اتفاق می افتد که یک پالس الکترومغناطیسی از رعد و برق به بالای جو می رسد.

همه اینها نمونه هایی از اشیا بودند که سریعتر از نور حرکت می کردند، اما اینطور نبودند بدن های فیزیکی. با کمک یک سایه یا یک اسم حیوان دست اموز، نمی توانید پیام CC را منتقل کنید، بنابراین ارتباط سریعتر از نور امکان پذیر نیست. و دوباره، احتمالاً این چیزی نیست که ما می خواهیم با حرکت CC بفهمیم، اگرچه مشخص می شود که تعیین دقیقاً به چه چیزی نیاز داریم چقدر دشوار است (به سؤال FTL Shears مراجعه کنید).

4. بدنه های صلب

اگر یک چوب سخت بلند بردارید و یک سر آن را فشار دهید، آیا سر دیگر آن فورا حرکت می کند یا خیر؟ آیا می توان انتقال SS پیام را از این طریق انجام داد؟

آره اینجوری بود خواهد شداگر چنین اجسام جامدی وجود داشته باشند، می توان انجام داد. در حقیقت، تأثیر ضربه ای که به انتهای یک چوب وارد می شود با سرعت صوت در یک ماده معین در امتداد آن منتشر می شود و سرعت صوت به کشش و چگالی ماده بستگی دارد. نسبیت محدودیت مطلقی را بر سختی احتمالی هر جسمی اعمال می کند به طوری که سرعت صوت در آنها نمی تواند از آن تجاوز کند. ج.

همین اتفاق می افتد اگر در میدان جاذبه باشید و ابتدا رشته یا میله را به صورت عمودی از انتهای بالایی بگیرید و سپس رها کنید. نقطه ای که رها می کنید بلافاصله شروع به حرکت می کند و انتهای پایینی نمی تواند شروع به سقوط کند تا زمانی که تأثیر رها کردن با سرعت صوت به آن نرسد.

فرموله کردن یک نظریه کلی مواد الاستیک از نظر نسبیت دشوار است، اما ایده اصلی را می توان با استفاده از مثال مکانیک نیوتنی نیز نشان داد. معادله حرکت طولی یک جسم کاملاً کشسان را می توان از قانون هوک به دست آورد. در متغیرهای جرم در واحد طول پو مدول یانگ Y، جابجایی طولی ایکسمعادله موج را برآورده می کند.

محلول موج صفحه با سرعت صوت حرکت می کند س، و س 2 = Y/P. این معادله به معنای امکان انتشار سریعتر تأثیر علی نیست س. بنابراین، نسبیت یک محدودیت نظری بر میزان کشش اعمال می کند: Y < pc2. عملاً هیچ ماده ای حتی نزدیک به آن وجود ندارد. به هر حال، حتی اگر سرعت صوت در مواد نزدیک به ج، ماده به خودی خود نیازی به حرکت با سرعت نسبیتی ندارد. اما از کجا بدانیم که اصولاً هیچ ماده ای نمی تواند بر این حد غلبه کند؟ پاسخ این است که همه مواد از ذراتی تشکیل شده اند که برهمکنش بین آنها از مدل استاندارد ذرات بنیادی تبعیت می کند و در این مدل هیچ برهمکنشی نمی تواند سریعتر از نور منتشر شود (در مورد نظریه میدان کوانتومی به زیر مراجعه کنید).

5. سرعت فاز

به این معادله موج نگاه کنید:

راه حل هایی مانند:

این راه حل ها امواج سینوسی هستند که با سرعت حرکت می کنند

اما این سریعتر از نور است، بنابراین ما معادله میدان تاکیون را در دست داریم؟ نه، این فقط معادله نسبیتی معمول یک ذره اسکالر عظیم است!

اگر تفاوت بین این سرعت را که سرعت فاز نیز نامیده می شود را درک کنیم، تناقض حل خواهد شد vphاز سرعت دیگری به نام سرعت گروهی v grکه با فرمول ارائه می شود

اگر محلول موج دارای یک گستردگی فرکانس باشد، به شکل یک بسته موج است که با سرعت گروهی حرکت می کند که بیشتر از آن نباشد. ج. فقط تاج های موج با سرعت فاز حرکت می کنند. انتقال اطلاعات با استفاده از چنین موجی فقط با سرعت گروهی امکان پذیر است، بنابراین سرعت فاز نمونه دیگری از سرعت ابر نور را به ما می دهد که نمی تواند اطلاعات را حمل کند.

7. موشک نسبیتی

یک کنترل کننده روی زمین، یک فضاپیما را که با سرعت 0.8 حرکت می کند، تماشا می کند ج. طبق تئوری نسبیت، حتی پس از در نظر گرفتن جابجایی سیگنال‌های داپلر از کشتی، می‌بیند که زمان کشتی کاهش می‌یابد و ساعت‌ها در آنجا با ضریب 0.6 کندتر می‌شوند. اگر ضریب مسافت طی شده توسط کشتی را تقسیم بر زمان سپری شده با ساعت کشتی محاسبه کند، 4/3 بدست می آید. ج. این بدان معناست که مسافران کشتی با سرعت مؤثری بیشتر از سرعت نوری که در صورت اندازه‌گیری خواهند داشت، در فضای بین ستاره‌ای حرکت می‌کنند. از منظر مسافران کشتی، فواصل بین ستاره ای با همان ضریب 0.6 در معرض انقباض لورنتسی هستند، به این معنی که آنها نیز باید بپذیرند که فواصل بین ستاره ای شناخته شده را با نرخ 4/3 پوشش می دهند. ج.

این یک پدیده واقعی است و اصولاً مسافران فضایی می توانند از آن برای غلبه بر مسافت های بزرگ در طول زندگی خود استفاده کنند. اگر آنها با شتاب ثابتی برابر با شتاب سقوط آزاد روی زمین شتاب بگیرند، نه تنها گرانش مصنوعی کاملی در کشتی خواهند داشت، بلکه هنوز هم در 12 سال از زندگی خود فرصت عبور از کهکشان را خواهند داشت! (به این سوال توجه کنید که معادلات یک موشک نسبیتی چیست؟)

با این حال، این یک جنبش واقعی اس اس نیست. سرعت موثر از فاصله در یک فریم مرجع و زمان در دیگری محاسبه می شود. این سرعت واقعی نیست. فقط مسافران کشتی از این سرعت سود می برند. به عنوان مثال، اعزام کننده در زندگی خود وقت نخواهد داشت که ببیند چگونه آنها در یک مسافت عظیم پرواز می کنند.

موارد دشوار حرکت اس اس

9. پارادوکس انیشتین، پودولسکی، روزن (EPR)

10. فوتون های مجازی

11. تونل زنی کوانتومی

نامزدهای واقعی برای مسافران اس اس

این بخش حاوی فرضیات گمانه‌زنی اما جدی در مورد امکان سفر FTL است. اینها چیزهایی نیستند که معمولاً در سؤالات متداول قرار می گیرند، زیرا سؤالات بیشتری نسبت به پاسخ آنها ایجاد می شود. آنها در اینجا عمدتا برای نشان دادن این موضوع ارائه شده اند این جهتتحقیقات جدی در حال انجام است. فقط یک مقدمه کوتاه در هر جهت ارائه شده است. اطلاعات دقیق تر را می توان در اینترنت یافت.

19. تاکیون ها

تاکیون ها ذرات فرضی هستند که به صورت محلی سریعتر از نور حرکت می کنند. برای این کار باید جرم خیالی داشته باشند اما انرژی و تکانه آنها مثبت باشد. گاهی اوقات تصور می شود که تشخیص چنین ذرات CC غیرممکن است، اما در واقع دلیلی برای این باور وجود ندارد. سایه‌ها و خرگوش‌ها به ما می‌گویند که پنهان کاری از CC جنبش ناشی نمی‌شود.

تاکیون ها هرگز مشاهده نشده اند و اکثر فیزیکدانان به وجود آنها شک دارند. زمانی بیان شد که آزمایش‌هایی برای اندازه‌گیری جرم نوترینوهای ساطع شده در طول فروپاشی تریتیوم انجام شد و این نوترینوها تاکیون بودند. این بسیار مشکوک است، اما هنوز مستثنی نیست. نظریه‌های تاکیون مشکلاتی دارند، زیرا از نظر نقض احتمالی علیت، خلاء را بی‌ثبات می‌کنند. ممکن است بتوان این مشکلات را دور زد، اما در این صورت استفاده از تاکیون ها در پیام SS که نیاز داریم غیرممکن خواهد بود.

حقیقت این است که اکثر فیزیکدانان تاکیون ها را نشانه ای از خطا در نظریه های میدانی خود می دانند و علاقه عموم مردم به آنها عمدتاً توسط داستان های علمی تخیلی تقویت می شود (به مقاله تاکیونز مراجعه کنید).

20. کرمچاله ها

شناخته شده ترین احتمال فرضی سفر STS استفاده از کرم چاله است. کرم چاله ها تونل هایی در فضا-زمان هستند که یک مکان در جهان را به مکان دیگر متصل می کنند. آنها می توانند بین این نقاط سریعتر از مسیر معمول خود حرکت کنند. کرمچاله ها یک پدیده کلاسیک هستند نسبیت عام، اما برای ایجاد آنها، باید توپولوژی فضا-زمان را تغییر دهید. امکان این ممکن است در نظریه گرانش کوانتومی وجود داشته باشد.

برای باز نگه داشتن کرم چاله ها به مقادیر زیادی انرژی منفی نیاز است. Misnerو خارپیشنهاد کرد که از اثر کازمیر در مقیاس بزرگ می توان برای تولید انرژی منفی استفاده کرد و ویسرراه حلی با استفاده از ریسمان های کیهانی پیشنهاد کرد. همه این ایده ها بسیار حدس و گمان هستند و ممکن است به سادگی غیر واقعی باشند. یک ماده غیر معمول با انرژی منفی ممکن است به شکل لازم برای پدیده وجود نداشته باشد.

تورن دریافت که اگر کرم‌چاله‌ها ایجاد شوند، می‌توانند حلقه‌های زمانی بسته ایجاد کنند که سفر در زمان را ممکن می‌سازد. همچنین پیشنهاد شده است که تفسیر چند متغیره مکانیک کوانتومی نشان می‌دهد که سفر در زمان هیچ تناقضی ایجاد نمی‌کند، و زمانی که به گذشته می‌روید، رویدادها به‌طور متفاوتی آشکار می‌شوند. هاوکینگ می گوید که کرم چاله ها ممکن است به سادگی ناپایدار باشند و در نتیجه در عمل غیر قابل استفاده باشند. اما این موضوع به خودی خود یک منطقه پربار برای آزمایش‌های فکری باقی می‌ماند و به شما امکان می‌دهد بر اساس قوانین شناخته شده و مفروض فیزیک بفهمید چه چیزی ممکن است و چه چیزی ممکن نیست.
مراجع:
W. G. Morris و K. S. Thorne، مجله آمریکایی فیزیک 56 , 395-412 (1988)
W. G. Morris، K. S. Thorne و U. Yurtsever، Phys. کشیش نامه ها 61 , 1446-9 (1988)
مت ویسر، بررسی فیزیکی D39, 3182-4 (1989)
همچنین به "سیاه چاله ها و زمان پیچیدگی" Kip Thorn, Norton & Co مراجعه کنید. (1994)
برای توضیحی در مورد چندجهان، به «پارچه واقعیت» دیوید دویچ، انتشارات پنگوئن مراجعه کنید.

21. موتورهای تغییر شکل دهنده

[من نمی دانم چگونه این را ترجمه کنم! درایو اصلی Warp. - تقریبا مترجم
ترجمه شده به قیاس با مقاله غشاء]

تار می تواند مکانیزمی برای چرخاندن فضا-زمان باشد تا یک جسم بتواند سریعتر از نور حرکت کند. میگل الکابییربه دلیل توسعه هندسه ای که چنین تغییر شکل دهنده ای را توصیف می کند مشهور شد. اعوجاج فضا-زمان این امکان را برای یک جسم فراهم می کند که سریعتر از نور حرکت کند در حالی که در منحنی زمان مانند باقی می ماند. موانع مانند هنگام ایجاد کرم چاله است. برای ایجاد یک تغییر شکل دهنده، به ماده ای با چگالی انرژی منفی u نیاز دارید. حتی اگر چنین ماده ای امکان پذیر باشد، هنوز مشخص نیست که چگونه می توان آن را به دست آورد و چگونه از آن برای کارکرد تغییر شکل دهنده استفاده کرد.
مرجع M. Alcubierre، گرانش کلاسیک و کوانتومی، 11 ، L73-L77، (1994)

نتیجه

اولاً، تعریف کلی منظور از سفر SS و پیام SS آسان نبود. خیلی چیزها مثل سایه ها باعث می شود CC حرکت کند، اما به گونه ای که نمی توان از آن برای مثال برای انتقال اطلاعات استفاده کرد. اما احتمالات جدی جنبش اس اس واقعی نیز وجود دارد که در آن پیشنهاد شده است ادبیات علمی، اما اجرای آنها هنوز از نظر فنی امکان پذیر نیست. اصل عدم قطعیت هایزنبرگ استفاده از حرکت CC ظاهری را در مکانیک کوانتومی غیرممکن می کند. در نسبیت عام ابزارهای بالقوه ای برای پیشرانه SS وجود دارد، اما ممکن است امکان استفاده از آنها وجود نداشته باشد. بسیار بعید به نظر می رسد که در آینده قابل پیش بینی، یا اصلاً، فناوری بتواند فضاپیماهایی با موتورهای SS ایجاد کند، اما عجیب است که فیزیک نظری، همانطور که اکنون می شناسیم، در را به روی پیشرانه SS نمی بندد. حرکت اس اس در سبک رمان های علمی تخیلی ظاهراً کاملاً غیرممکن است. برای فیزیکدانان، این سوال جالب است: "در واقع چرا این غیرممکن است و چه چیزی می توان از آن آموخت؟"

سایه ها می توانند سریعتر از نور حرکت کنند، اما نمی توانند ماده یا اطلاعات را حمل کنند

آیا پرواز سوپرلومینال امکان پذیر است؟

بخش های این مقاله دارای زیر عنوان هستند و می توانید به هر بخش به طور جداگانه مراجعه کنید.

نمونه های ساده سفر FTL

1. اثر چرنکوف

وقتی از حرکت ابرشورایی صحبت می کنیم، منظور سرعت نور در خلاء است. ج(299 792 458 m/s). بنابراین نمی توان اثر چرنکوف را به عنوان نمونه ای از حرکت ابرشورایی در نظر گرفت.

2. ناظر سوم

اگر موشک آبا سرعت از من دور می شود 0.6cبه سمت غرب و موشک ببا سرعت از من دور می شود 0.6cشرق، سپس می بینم که فاصله بین آو ببا سرعت افزایش می یابد 1.2c. تماشای پرواز موشک ها آو باز بیرون، ناظر سوم می بیند که سرعت حذف کل موشک ها بیشتر از ج .

ولی سرعت نسبیبا مجموع سرعت ها برابر نیست. سرعت موشک آدر مورد موشک بسرعت افزایش فاصله تا موشک است آ، که توسط ناظری در حال پرواز بر روی موشک مشاهده می شود ب. سرعت نسبی باید با استفاده از فرمول جمع سرعت نسبیتی محاسبه شود. (نگاه کنید به چگونه سرعت ها را در نسبیت خاص اضافه می کنید؟) در این مثال، سرعت نسبی تقریباً است. 0.88c. بنابراین در این مثال ما FTL دریافت نکردیم.

3. نور و سایه

به این فکر کنید که سایه با چه سرعتی می تواند حرکت کند. اگر لامپ نزدیک است، سایه انگشت شما روی دیوار دور خیلی سریعتر از حرکت انگشت حرکت می کند. هنگام حرکت دادن انگشت به موازات دیوار، سرعت سایه به داخل DDبار بیشتر از سرعت یک انگشت اینجا دفاصله لامپ تا انگشت است و دی- از لامپ تا دیوار. اگر دیوار در زاویه باشد، سرعت حتی بیشتر خواهد شد. اگر دیوار خیلی دور باشد، حرکت سایه از حرکت انگشت عقب می ماند، زیرا نور برای رسیدن به دیوار زمان می برد، اما سرعت حرکت سایه در امتداد دیوار حتی بیشتر می شود. سرعت سایه با سرعت نور محدود نمی شود.

جسم دیگری که می‌تواند سریع‌تر از نور حرکت کند، نقطه‌ای از نور لیزری است که ماه را هدف گرفته است. فاصله تا ماه 385000 کیلومتر است. شما می توانید با نوسانات کوچک نشانگر لیزری که در دست دارید، سرعت حرکت نقطه نورانی روی سطح ماه را خودتان محاسبه کنید. همچنین ممکن است مثالی از برخورد موج با خط مستقیم ساحل با زاویه ای جزئی را دوست داشته باشید. نقطه تقاطع موج و ساحل با چه سرعتی می تواند در امتداد ساحل حرکت کند؟

همه این چیزها ممکن است در طبیعت اتفاق بیفتد. به عنوان مثال، یک پرتو نور از یک تپ اختر می تواند در امتداد یک ابر غبار حرکت کند. انفجار قویمی تواند امواج کروی نور یا تابش ایجاد کند. هنگامی که این امواج با یک سطح تلاقی می کنند، دایره هایی از نور در آن سطح ظاهر می شوند و سریعتر از نور منبسط می شوند. چنین پدیده ای مشاهده می شود، برای مثال، زمانی که یک پالس الکترومغناطیسی از یک رعد و برق از اتمسفر بالایی عبور می کند.

4. بدن جامد

اگر یک میله سفت و بلند داشته باشید و به یک سر میله ضربه بزنید، آیا سر دیگر آن بلافاصله حرکت نمی کند؟ آیا این روشی برای انتقال اطلاعات فوق العاده نیست؟

این درست خواهد بود اگربدن های کاملا سفت و سختی وجود داشت. در عمل، ضربه در طول میله با سرعت صوت منتقل می شود که به کشسانی و چگالی مواد میله بستگی دارد. علاوه بر این، نظریه نسبیت محدودیت دارد سرعت های ممکنصدا در مواد ج .

اگر یک رشته یا میله را به صورت عمودی نگه دارید، آن را رها کنید و تحت تأثیر گرانش شروع به سقوط کند، همین اصل اعمال می شود. انتهای بالایی که رها می کنید بلافاصله شروع به سقوط می کند، اما انتهای پایین تنها پس از مدتی شروع به حرکت می کند، زیرا از دست دادن نیروی نگهدارنده با سرعت صوت در ماده به پایین میله منتقل می شود.

فرمول بندی نظریه نسبیتی الاستیسیته نسبتاً پیچیده است، اما ایده کلی را می توان با استفاده از مکانیک نیوتنی نشان داد. معادله حرکت طولی یک جسم ایده آل الاستیک را می توان از قانون هوک به دست آورد. چگالی خطی میله را مشخص کنید ρ ، مدول یانگ Y. افست طولی ایکسمعادله موج را برآورده می کند

ρ d 2 X/dt 2 - Y d 2 X/dx 2 = 0

محلول موج صفحه با سرعت صوت حرکت می کند س، که از فرمول مشخص می شود s 2 = Y/ρ. معادله موج اجازه نمی دهد که آشفتگی های محیط سریعتر از سرعت حرکت کنند س. علاوه بر این، نظریه نسبیت محدودیتی برای مقدار کشش قائل است: Y< ρc 2 . در عمل، هیچ ماده شناخته شده ای به این حد نزدیک نمی شود. همچنین توجه داشته باشید که حتی اگر سرعت صوت نزدیک به ج، پس خود ماده لزوماً با سرعت نسبیتی حرکت نمی کند.

اگرچه در طبیعت وجود ندارد مواد جامد، وجود دارد حرکت اجسام صلبکه می توان از آن برای غلبه بر سرعت نور استفاده کرد. این موضوع متعلق به بخش سایه ها و نقاط روشن است. (به قیچی سوپرلومینال، دیسک چرخان صلب در نسبیت مراجعه کنید).

5. سرعت فاز

معادله موج
d 2 u/dt 2 - c 2 d 2 u/dx 2 + w 2 u = 0

راه حلی در فرم دارد
u \u003d A cos (ax - bt)، c 2 a 2 - b 2 + w 2 \u003d 0

این امواج سینوسی هستند که با سرعت v منتشر می شوند
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

اما بیشتر از c است. شاید این معادله تاکیون ها باشد؟ (به بخش زیر مراجعه کنید). نه، این معادله نسبیتی معمول برای یک ذره با جرم است.

برای از بین بردن پارادوکس، باید بین "سرعت فاز" تمایز قائل شوید. v ph و "سرعت گروهی" vگرم، و
v ph v gr = c 2

محلول به شکل موج ممکن است دارای پراکندگی فرکانس باشد. در این حالت بسته موج با سرعت گروهی حرکت می کند که کمتر از ج. با استفاده از یک بسته موج، اطلاعات فقط با سرعت گروهی قابل انتقال است. امواج در یک بسته موج با سرعت فاز حرکت می کنند. سرعت فاز نمونه دیگری از حرکت FTL است که نمی توان از آن برای برقراری ارتباط استفاده کرد.

6. کهکشان های ابرشنوایی

7. موشک نسبیتی

اجازه دهید ناظری روی زمین یک سفینه فضایی را ببیند که با سرعت دور می شود 0.8cمطابق با نظریه نسبیت، او خواهد دید که ساعت روشن است سفینه فضایی 5/3 برابر آهسته تر حرکت کنید اگر فاصله تا کشتی را بر اساس ساعت داخل هواپیما بر زمان پرواز تقسیم کنیم، سرعت را بدست می آوریم. 4/3c. ناظر نتیجه می گیرد که خلبان کشتی با استفاده از ساعت درونی خود، تشخیص می دهد که او با سرعت فوق العاده در حال پرواز است. از دید خلبان، ساعت او به طور عادی کار می کند و فضای بین ستاره ای ضریب 5/3 کوچک شده است. بنابراین، فواصل شناخته شده بین ستاره ها را سریعتر و با سرعتی طی می کند 4/3c .

اتساع زمان یک اثر واقعی است که در اصل می تواند در سفرهای فضایی برای طی کردن مسافت های طولانی در مدت زمان کوتاه از دیدگاه فضانوردان استفاده شود. با شتاب ثابت 1 گرم، فضانوردان نه تنها گرانش مصنوعی راحت خواهند داشت، بلکه می توانند کهکشان را تنها در 12 سال زمان مناسب طی کنند. در طول سفر، آنها 12 سال پیر می شوند.

اما هنوز یک پرواز فوق‌العاده نیست. شما نمی توانید سرعت را با استفاده از مسافت و زمان تعریف شده در فریم های مرجع مختلف محاسبه کنید.

8. سرعت جاذبه

برخی اصرار دارند که سرعت گرانش بسیار سریعتر است جیا حتی بی نهایت ببینید آیا جاذبه با سرعت نور حرکت می کند؟ و تابش گرانشی چیست؟ اغتشاشات گرانشی و امواج گرانشیبا سرعت انتشار دهید ج .

9. پارادوکس EPR

10. فوتون های مجازی

11. اثر تونل کوانتومی

در مکانیک کوانتومی، اثر تونل به ذره اجازه می دهد تا بر یک مانع غلبه کند، حتی اگر انرژی آن برای این کار کافی نباشد. محاسبه زمان حفر تونل از طریق چنین مانعی امکان پذیر است. و ممکن است کمتر از آن چیزی باشد که نور برای غلبه بر همان فاصله با سرعت لازم است ج. آیا می توان از آن برای ارسال پیام سریعتر از نور استفاده کرد؟

الکترودینامیک کوانتومی می گوید "نه!" با این وجود، آزمایشی انجام شد که انتقال ابر نوری اطلاعات را با استفاده از اثر تونل نشان داد. از یک مانع به عرض 11.4 سانتی متر با سرعت 4.7 جسمفونی چهلم موتزارت ارائه شد. توضیح این آزمایش بسیار بحث برانگیز است. اکثر فیزیکدانان معتقدند که با کمک اثر تونل انتقال آن غیرممکن است اطلاعاتسریعتر از نور. اگر ممکن بود، پس چرا با قرار دادن تجهیزات در یک چارچوب مرجع به سرعت در حال حرکت، سیگنالی به گذشته ارسال نکنید.

17. نظریه میدان کوانتومی

به استثنای گرانش، همه موارد قابل مشاهده پدیده های فیزیکیهمخوانی داشتن" مدل استانداردمدل استاندارد یک نظریه میدان کوانتومی نسبیتی است که فعل و انفعالات الکترومغناطیسی و هسته‌ای و همچنین تمام ذرات شناخته شده را توضیح می‌دهد. در این نظریه، هر جفت عملگر مربوط به مشاهده‌پذیرهای فیزیکی که با فاصله‌ای مانند فضایی از رویدادها از هم جدا شده‌اند، "مدت" می‌شوند (یعنی ، می توانید ترتیب این عملگرها را تغییر دهید) در اصل، این نشان می دهد که در مدل استاندارد نیرو نمی تواند سریعتر از نور حرکت کند و این را می توان معادل میدان کوانتومی آرگومان انرژی بی نهایت در نظر گرفت.

با این حال، هیچ دلیل دقیق و بی عیب و نقصی در نظریه میدان کوانتومی مدل استاندارد وجود ندارد. هنوز هیچ کس ثابت نکرده است که این نظریه از نظر درونی سازگار است. به احتمال زیاد، اینطور نیست. در هر صورت، هیچ تضمینی وجود ندارد که هنوز ذرات یا نیروهای کشف نشده ای وجود نداشته باشند که از ممنوعیت حرکت ابر نوری پیروی نکنند. همچنین تعمیم این نظریه از جمله گرانش و نسبیت عام وجود ندارد. بسیاری از فیزیکدانانی که در زمینه گرانش کوانتومی کار می کنند، تردید دارند که مفاهیم ساده علیت و محل تعمیم داده شوند. هیچ تضمینی وجود ندارد که در یک نظریه کاملتر در آینده، سرعت نور معنای سرعت محدود کننده را حفظ کند.

18. پارادوکس پدربزرگ

در نسبیت خاص، ذره ای که سریعتر از نور در یک چارچوب مرجع حرکت می کند، در چارچوب مرجع دیگر در زمان به عقب حرکت می کند. سفر FTL یا انتقال اطلاعات امکان سفر یا ارسال پیام به گذشته را فراهم می کند. اگر چنین سفری در زمان امکان پذیر بود، پس می توانستید به گذشته برگردید و با کشتن پدربزرگ خود، مسیر تاریخ را تغییر دهید.

این یک استدلال بسیار قوی در برابر امکان سفر FTL است. درست است، احتمال تقریباً غیرمحتملی وجود دارد که برخی سفرهای ابر نوری محدود امکان پذیر است که اجازه بازگشت به گذشته را نمی دهد. یا شاید سفر در زمان ممکن است، اما علیت به روشی ثابت نقض می شود. همه اینها بسیار غیرقابل قبول است، اما اگر در مورد FTL بحث می کنیم، بهتر است برای ایده های جدید آماده باشیم.

برعکس آن هم درست است. اگر می توانستیم به گذشته سفر کنیم، می توانستیم بر سرعت نور غلبه کنیم. می توانید به گذشته برگردید، با سرعت کم به جایی پرواز کنید و قبل از رسیدن نور ارسال شده به روش معمول، به آنجا برسید. برای جزئیات بیشتر در مورد این موضوع به سفر در زمان مراجعه کنید.

سوالات باز سفر FTL

در این بخش آخر، چند ایده جدی در مورد امکان سفر سریعتر از نور را شرح خواهم داد. این موضوعات اغلب در سؤالات متداول گنجانده نمی شوند، زیرا بیشتر شبیه به سؤالات جدید هستند تا پاسخ. آنها در اینجا گنجانده شده اند تا نشان دهند که تحقیقات جدی در این راستا در حال انجام است. فقط یک مقدمه کوتاه در مورد موضوع ارائه شده است. جزئیات را می توان در اینترنت یافت. مانند همه چیز در اینترنت، از آنها انتقاد کنید.

19. تاکیون ها

تاکیون ها ذرات فرضی هستند که سریعتر از نور به صورت محلی حرکت می کنند. برای انجام این کار، آنها باید یک مقدار جرم خیالی داشته باشند. در این حالت انرژی و تکانه تاکیون کمیت های واقعی هستند. هیچ دلیلی وجود ندارد که باور کنیم ذرات ابر نور قابل تشخیص نیستند. سایه ها و هایلایت ها می توانند سریعتر از نور حرکت کنند و قابل تشخیص باشند.

تاكنون تاكيون‌ها يافت نشده‌اند و فيزيكدان‌ها در وجود آنها شك دارند. ادعاهایی وجود داشت که در آزمایش‌هایی برای اندازه‌گیری جرم نوترینوهای تولید شده توسط فروپاشی بتا تریتیوم، نوترینوها تاکیون بودند. این موضوع مشکوک است، اما هنوز به طور قطعی رد نشده است.

در تئوری تاکیون ها مشکلاتی وجود دارد. تاکیون ها علاوه بر اینکه احتمالاً علیت را نقض می کنند، خلاء را نیز ناپایدار می کنند. شاید بتوان این مشکلات را دور زد، اما حتی در آن صورت نیز نمی‌توانیم از تاکیون‌ها برای انتقال ابر نوری پیام‌ها استفاده کنیم.

اکثر فیزیکدانان بر این باورند که ظهور تاکیون ها در یک نظریه، نشانه برخی مشکلات این نظریه است. ایده تاکیون ها در بین مردم بسیار محبوب است زیرا اغلب در ادبیات فانتزی به آنها اشاره می شود. تاکیون ها را ببینید.

20. کرمچاله ها

معروف ترین روش سفر جهانی FTL استفاده از "کرم چاله" است. کرم چاله شکافی در فضا-زمان از یک نقطه در جهان به نقطه دیگر است که به شما امکان می دهد از یک سر سوراخ به انتهای دیگر سریعتر از مسیر معمولی بروید. کرم چاله ها توسط نظریه نسبیت عام توصیف می شوند. برای ایجاد آنها، باید توپولوژی فضا-زمان را تغییر دهید. شاید این در چارچوب نظریه کوانتومی گرانش ممکن شود.

نگه داشتن کرم چالهباز، ما به مناطقی از فضا با انرژی های منفی نیاز داریم. C.W.Misner و K.S.Thorne پیشنهاد کردند که از اثر Casimir در مقیاس بزرگ برای ایجاد انرژی منفی استفاده شود. ویسراستفاده از ریسمان های کیهانی را برای این کار پیشنهاد کرد. اینها ایده های بسیار گمانه زنی هستند و ممکن است امکان پذیر نباشد. شاید شکل مورد نیاز ماده عجیب و غریب با انرژی منفی وجود نداشته باشد.

در سپتامبر 2011، فیزیکدان آنتونیو اردیتاتو جهان را شوکه کرد. اظهارات او می توانست درک ما از جهان را وارونه کند. اگر داده های جمع آوری شده توسط 160 دانشمند پروژه OPERA درست باشد، چیز غیر قابل باوری مشاهده می شود. 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، اما آنها نگفتند که داده ها کاملاً دقیق است. در عوض، آنها از دانشمندان دیگر خواستند تا به آنها کمک کنند تا بفهمند چه اتفاقی در حال رخ دادن است.

در نهایت معلوم شد که نتایج OPERA اشتباه بوده است. کابل بدی که وصل شده بود باعث مشکل همگام سازی شد و سیگنال های ماهواره های GPS نادرست بود. یک تاخیر غیرمنتظره در سیگنال وجود داشت. در نتیجه، اندازه‌گیری زمانی که یک نوترینو برای پیمودن یک مسافت معین طول می‌کشید، ۷۳ نانوثانیه اضافی را نشان داد: به نظر می‌رسید که نوترینوها سریع‌تر از نور پرواز می‌کنند.

با وجود ماه‌ها بررسی دقیق قبل از شروع آزمایش و بررسی مجدد داده‌ها پس از آن، دانشمندان سخت در اشتباه بودند. علیرغم اظهارات بسیاری مبنی بر اینکه چنین خطاهایی همیشه به دلیل پیچیدگی شدید شتاب دهنده های ذرات رخ می دهد، Ereditato استعفا داد.

چرا این پیشنهاد - صرفاً پیشنهاد - که چیزی می تواند سریعتر از نور حرکت کند باعث چنین هیاهو می شود؟ چقدر مطمئن هستیم که هیچ چیز نمی تواند بر این مانع غلبه کند؟

بیایید ابتدا به دومین سوال بپردازیم. سرعت نور در خلاء 299792.458 کیلومتر در ثانیه است - برای راحتی، این عدد تا 300000 کیلومتر در ثانیه گرد می شود. 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 بسیار سریع حرکت می کردند. در اوایل دهه 1960، ویلیام برتوزی در ماساچوست موسسه فناوریبا شتاب دادن به الکترون‌ها تا سرعت‌های بالاتر آزمایش کردند.

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

کسی فکر می‌کند که برای شتاب گرفتن به سرعت 300000 کیلومتر بر ثانیه، فقط باید انرژی مصرفی را افزایش دهد. اما معلوم شد که الکترون ها نمی توانند به این سرعت حرکت کنند. آزمایش های 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 نرسید.

تصور کنید با قدم‌های کوچک به سمت در حرکت می‌کنید، که هر کدام نیمی از فاصله موقعیت فعلی شما تا در را پوشش می‌دهند. 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 هنگام برخورد با الکترون های خود با مشکل مشابهی روبرو 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 راسول، فیزیکدان دانشگاه ملبورن در استرالیا، می گوید: «هر چه اجسام سریعتر و سریعتر می روند، 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 آنها را فراهم می کند آزادی کاملحرکت در خلاء فضا، آنها نیز نیازی به شتاب ندارند. انرژی طبیعی که آنها در اختیار دارند، درست مانند آنها به صورت امواج حرکت می کند، بنابراین در زمان ایجاد آنها از قبل حداکثر سرعت را دارند. از برخی جهات، آسان‌تر است که نور را به‌عنوان انرژی به جای جریانی از ذرات تصور کنیم، اگرچه در حقیقت، نور هر دو است.

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

در واقعیت، فوتون‌ها با سرعت 300000 کیلومتر بر ثانیه حرکت می‌کنند، اما با مقدار معینی از تداخل ناشی از فوتون‌های دیگر مواجه می‌شوند که از اتم‌های شیشه در هنگام عبور موج اصلی نور ساطع می‌شوند. شاید درک آن آسان نباشد، اما حداقل ما تلاش کردیم.

به همین ترتیب، در چارچوب آزمایش‌های ویژه با فوتون‌های منفرد، می‌توان سرعت آنها را به طرز چشمگیری کاهش داد. اما برای بیشتر موارد، 300000 درست خواهد بود. ما چیزی را ندیده ایم یا ایجاد نکرده ایم که بتواند به این سرعت یا حتی سریعتر حرکت کند. نکات خاصی وجود دارد، اما قبل از اینکه به آنها بپردازیم، به موضوع دیگر خود می پردازیم. چرا رعایت دقیق قانون سرعت نور بسیار مهم است؟

پاسخ مربوط به شخصی است که نام برده 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 موضوع چندین مشکل مفهومی را ایجاد می کند.

نوری را تصور کنید که از یک چراغ قوه به آینه ای روی سقف یک فضاپیمای 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 بسیار زیاد 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 به صورت مورب حرکت کند، نه عمودی. از این گذشته، آینه اکنون به سرعت همراه با فضاپیما در حال حرکت است.

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

و 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 بر زمان تقسیم می شود، چون سرعت ثابت مانده و فاصله افزایش یافته است، زمان نیز باید افزایش یابد. بله، زمان خودش باید کشیده شود. و 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 اینترنشنال 0.007 ثانیه کندتر است ایستگاه فضایی، که با سرعت 7.66 کیلومتر بر ثانیه نسبت به زمین در مقایسه با مردم روی این سیاره حرکت می کند. حتی جالب تر، وضعیت ذراتی 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 کولتامر، فیزیکدان تجربی در دانشگاه آکسفورد در بریتانیا، به مثال ذرات به نام میون اشاره می کند.

میون ها ناپایدار هستند: آنها به سرعت به ذرات ساده تر تجزیه می شوند. آنقدر سریع که اکثر میون هایی که خورشید را ترک می کنند باید تا زمانی که به زمین می رسند تجزیه شده باشند. اما در واقعیت، میون ها از خورشید در حجم عظیمی به زمین می رسند. فیزیکدانان مدتهاست سعی کرده اند دلیل آن را بفهمند.

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

میون‌ها به لطف یک چرخش زمانی واقعی و طبیعی، بیشتر از آنچه که انتظار می‌رود، زنده می‌مانند. وقتی اجسام به سرعت نسبت به سایر اجسام حرکت می کنند، طول آنها نیز کاهش می یابد، کوچک می شود. این پیامدها، اتساع زمان و کاهش طول، نمونه‌هایی از چگونگی تغییر فضا-زمان بسته به حرکت چیزهایی هستند - من، شما یا یک فضاپیما - که جرم دارند.

آنچه مهم است همانطور که انیشتین گفت نور تحت تأثیر قرار نمی گیرد 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 توان در مورد چند استثنا و انحراف صحبت کرد.

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 داد. برای مثال، انبساط خود جهان را در نظر بگیرید. کهکشان ها در جهان با سرعتی بسیار بیشتر از سرعت 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. یک فوتون به طور تصادفی با انتخاب از دو حالت ممکن بالا و پایین می‌چرخد، اما انتخاب جهت چرخش به دقت بر روی فوتون دیگری در هر جای دیگری در صورت درهم‌تنیدگی منعکس می‌شود.

دو دانشمند که هر کدام فوتون خود را مطالعه می کنند، در یک زمان 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 جابه جا نمی شود سرعت سریعترنور بین دو جسم ما می‌توانیم انبساط جهان را محاسبه کنیم، اما نمی‌توانیم اجرام سریع‌تر از نور را در آن مشاهده کنیم: آنها از دید ناپدید شده‌اند.

در مورد این دو دانشمند با فوتون‌هایشان، اگرچه می‌توانستند نتایج 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 سیگنال‌های سریع‌تر از نور ارسال کنید، با پارادوکس‌های عجیبی مواجه می‌شوید که در آن اطلاعات می‌توانند به نوعی به گذشته برگردند».

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 سفرهای معمولی فرار کند.

جرالد کلیور از دانشگاه بیلور در تگزاس معتقد است که روزی ما قادر خواهیم بود فضاپیمایی بسازیم که سریعتر از نور حرکت کند. که از طریق کرم چاله حرکت می کند. کرم چاله ها حلقه هایی در فضا-زمان هستند که به خوبی در تئوری های اینشتین قرار می گیرند. آنها می توانند به فضانورد اجازه دهند تا با استفاده از یک ناهنجاری در فضا-زمان، نوعی میانبر کیهانی، از این سر کیهان 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 مسیر "عادی" را دنبال می کند به مقصد برسد. اما کرمچاله ها ممکن است اصلا قابل دسترسی نباشند. سفر فضایی. آیا راه دیگری برای تاب برداشتن فضازمان برای سرعت بیشتر از 300000 کیلومتر بر ثانیه نسبت به دیگران وجود دارد؟

کلیور همچنین ایده "موتور Alcubierre" را در سال 1994 بررسی کرد. وضعیتی 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 وجود داشت: چگونه این کار را انجام دهیم و چقدر انرژی لازم است.»

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

ما یک کشتی 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 کل مشتری 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 قرن‌ها بعد از من نقل قول شود که انگار چیزی را پیش‌بینی کرده‌ام که هرگز اتفاق نخواهد افتاد، اما تا کنون راه‌حلی نمی‌بینم.»

بنابراین، سفر سریع‌تر از نور فعلاً یک خیال است. تا اینجای کار، تنها راه این است که در انیمیشن های معلق عمیق فرو برویم. و با این حال، همه چیز آنقدر 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، اشعه ماوراء بنفش، اشعه ایکسو پرتوهای گامای ساطع شده توسط اتم ها در حین واپاشی - همه این پرتوهای زیبا از یک چیز تشکیل شده اند: فوتون ها.

تفاوت در انرژی و در نتیجه در طول موج است. این پرتوها با هم طیف الکترومغناطیسی را می سازند. برای مثال، این واقعیت که امواج رادیویی 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 ارسال سیگنال 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 می کند: «این واقعیت که ما برای مثال زیرساخت اینترنت و قبل از آن رادیو مبتنی بر نور ساخته ایم، به سهولت انتقال آن مربوط می شود». و اضافه می کند که نور به عنوان نیروی ارتباطی کیهان عمل می کند. هنگامی که الکترون‌های تلفن همراه شروع به لرزیدن می‌کنند، فوتون‌ها به بیرون پرواز می‌کنند و باعث می‌شوند که الکترون‌های تلفن همراه دیگر نیز تکان بخورند. یک تماس تلفنی اینگونه متولد می شود. لرزش الکترون‌ها در خورشید نیز فوتون‌هایی را منتشر می‌کند - به تعداد بسیار زیاد - که البته نوری را تشکیل می‌دهند که به زمین گرما و نور می‌دهد.

نور است زبان جهانیکائنات. سرعت آن - 299792.458 کیلومتر بر 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 باید به این فکر کنیم که چگونه در این فضا و این زمان سریعتر حرکت کنیم؟ تا ریشه رسیده، به اصطلاح؟

تیمی از دانشمندان آزمایش OPERA با همکاری سازمان اروپایی تحقیقات هسته‌ای (سرن)، نتایج شگفت‌انگیزی از آزمایشی برای غلبه بر سرعت نور منتشر کرده‌اند. نتایج تجربی رد می کند نظریه خاصنسبیت آلبرت انیشتین، که در آن کل فیزیک مدرن. این نظریه می گوید که سرعت نور 299792458 متر بر ثانیه است و ذرات بنیادی نمی توانند سریعتر از سرعت نور حرکت کنند.

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

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

والری روباکوف، آکادمیسین آکادمی علوم روسیه، محقق ارشد مؤسسه تحقیقات هسته ای آکادمی علوم روسیه، به ایزوستیا توضیح داد که در طی فروپاشی مزون ها، نوترینوها متولد می شوند. - پرتو به گونه ای قرار گرفته است که نوترینو 732 کیلومتر پرواز می کند و به آزمایشگاه زیرزمینی ایتالیا در گران ساسو برخورد می کند. یک آشکارساز مخصوص دارد که سرعت پرتو نوترینو را ثبت می کند.

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

کاری که آنها در سرن انجام دادند از نظر موقعیت های مدرن فیزیک غیرممکن است - اسپارتاک بلیایف، آکادمیسین آکادمی علوم روسیه به ایزوستیا گفت. مدیر علمیموسسه فیزیک عمومی و هسته ای. - بررسی این آزمایش و نتایج آن ضروری است - شاید آنها به سادگی اشتباه کرده اند. تمام آزمایش‌هایی که قبل از آن انجام شده‌اند با نظریه موجود مطابقت دارند و به دلیل یک آزمایش که یک بار انجام شده است، ارزش ایجاد وحشت را ندارد.

در عین حال، آکادمیسین بلایف اعتراف می کند که اگر بتوان ثابت کرد که نوترینوها می توانند سریعتر از سرعت نور حرکت کنند، این یک انقلاب خواهد بود.

او گفت پس از آن باید تمام فیزیک را بشکنیم.

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

روباکوف توجه خود را به این واقعیت جلب کرد که در این گزارش آمده است که در طول سه سال آزمایش، 15000 رویداد ثبت و اندازه گیری شده است.

آمار بسیار خوب است و یک گروه بین المللی از دانشمندان معتبر در این آزمایش شرکت کردند.

دانشگاهیان تأکید کردند که جهان مرتباً در تلاش برای رد تجربی نظریه نسبیت خاص است. با این حال، هیچ یک از آنها تاکنون نتیجه مثبتی نداشته است.