Znaleziono cząsteczkę, która porusza się szybciej niż światło. Sensacja: Fizycy zarejestrowali nadmierną prędkość światła Cząsteczki poruszające się szybciej niż prędkość światła

Dedykowany do bezpośredniego pomiaru prędkości neutrin. Wyniki brzmią rewelacyjnie: prędkość neutrina okazała się nieznacznie - ale statystycznie istotna! - więcej prędkości Swieta. Artykuł współpracy zawiera analizę różnych źródeł błędów i niepewności, jednak reakcja zdecydowanej większości fizyków pozostaje bardzo sceptyczna, przede wszystkim dlatego, że taki wynik nie zgadza się z innymi danymi eksperymentalnymi dotyczącymi właściwości neutrin.

Ryż. jeden.

Szczegóły eksperymentu

Idea eksperymentu (patrz eksperyment OPERA) jest bardzo prosta. Wiązka neutrin powstaje w CERN, przelatuje przez Ziemię do włoskiego laboratorium Gran Sasso i przechodzi tam przez specjalny detektor neutrin OPERA. Neutrina bardzo słabo oddziałują z materią, ale ze względu na to, że ich strumień z CERN-u jest bardzo duży, niektóre neutrina wciąż zderzają się z atomami wewnątrz detektora. Tam generują kaskadę naładowanych cząstek i tym samym pozostawiają swój sygnał w detektorze. Neutrina w CERN-ie nie rodzą się w sposób ciągły, ale w „wybuchach”, a jeśli znamy moment narodzin neutrina i moment jego absorpcji w detektorze, a także odległość między dwoma laboratoriami, możemy obliczyć prędkość neutrina.

Odległość między źródłem a detektorem w linii prostej wynosi około 730 km i została zmierzona z dokładnością do 20 cm (dokładna odległość między punktami odniesienia to 730534,61 ± 0,20 metra). To prawda, że ​​proces prowadzący do narodzin neutrina wcale nie jest zlokalizowany z taką dokładnością. W CERN wiązka wysokoenergetycznych protonów wylatuje z akceleratora SPS, spada na grafitowy cel i generuje w nim cząstki wtórne, w tym mezony. Nadal lecą do przodu z prędkością bliską światłu i rozpadają się na miony w locie z emisją neutrin. Miony również ulegają rozpadowi i powodują powstawanie dodatkowych neutrin. Wtedy wszystkie cząstki, z wyjątkiem neutrin, są absorbowane w grubości substancji i swobodnie docierają do miejsca detekcji. Ogólny schemat tej części eksperymentu pokazano na ryc. jeden.

Cała kaskada prowadząca do pojawienia się wiązki neutrin może rozciągać się na setki metrów. Jednak ponieważ Wszystko cząstki w tej paczce lecą do przodu z prędkością bliską światłu, praktycznie nie ma różnicy dla czasu detekcji, czy neutrino narodziło się natychmiast, czy po kilometrze drogi (jednak ma bardzo ważne, kiedy dokładnie oryginalny proton, który doprowadził do narodzin tego neutrina, wyleciał z akceleratora). W rezultacie wytworzone neutrina w zasadzie po prostu powtarzają profil oryginalnej wiązki protonów. Dlatego kluczowym parametrem jest tutaj właśnie profil czasowy wiązki protonów emitowanej z akceleratora, w szczególności dokładne położenie jego krawędzi natarcia i spływu, a ten profil jest mierzony z dobrym czasem s rozdzielczość m (patrz rys. 2).

Każda sesja zrzucania wiązki protonowej na cel (w języku angielskim taka sesja nazywa się rozlanie, „splash”) trwa około 10 mikrosekund i prowadzi do narodzin ogromnej liczby neutrin. Jednak prawie wszystkie z nich przelatują przez Ziemię (i detektor) bez interakcji. W tych samych rzadkich przypadkach, gdy detektor zarejestruje neutrino, nie można powiedzieć, w którym dokładnie momencie w przedziale 10 mikrosekund zostało ono wyemitowane. Analizę można przeprowadzić jedynie statystycznie, to znaczy zgromadzić wiele przypadków wykrycia neutrin i skonstruować ich rozkład czasowy względem punktu startowego dla każdej sesji. W detektorze za początek przyjmuje się moment, w którym sygnał warunkowy poruszający się z prędkością światła i emitowany dokładnie w momencie natarcia wiązki protonów dociera do detektora. Dokładny pomiar tego momentu był możliwy dzięki synchronizacji zegarów w obu laboratoriach z dokładnością do kilku nanosekund.

Na ryc. 3 pokazuje przykład takiego rozkładu. Czarne kropki to rzeczywiste dane neutrinowe zarejestrowane przez detektor i zsumowane duża liczba sesje. Czerwona krzywa pokazuje konwencjonalny sygnał „odniesienia”, który poruszałby się z prędkością światła. Widać, że dane zaczynają się od około 1048,5 ns. zanim sygnał odniesienia. To jednak nie oznacza jeszcze, że neutrino wyprzedza światło o mikrosekundę, ale jest tylko powodem, aby dokładnie zmierzyć wszystkie długości kabli, szybkość reakcji sprzętu, czasy opóźnienia elektroniki i tak dalej. To ponowne sprawdzenie zostało wykonane i okazało się, że przesuwa moment „odniesienia” o 988 ns. Okazuje się więc, że sygnał neutrin faktycznie przewyższa sygnał referencyjny, ale tylko o około 60 nanosekund. Pod względem prędkości neutrin odpowiada to przekroczeniu prędkości światła o około 0,0025%.

Błąd tego pomiaru autorzy analizy oszacowali na 10 nanosekund, co obejmuje zarówno błędy statystyczne, jak i systematyczne. Dlatego autorzy twierdzą, że „widzą” ruch neutrin w świetle nadświetlnym przy statystycznym poziomie ufności wynoszącym sześć odchyleń standardowych.

Różnica między wynikami a oczekiwaniami o sześć odchyleń standardowych jest już dość duża i w fizyce cząstek elementarnych nazywana jest głośnym słowem „odkrycie”. Jednak tę liczbę należy rozumieć poprawnie: oznacza ona tylko, że prawdopodobieństwo statystyczny fluktuacje danych są bardzo małe, ale nie wskazują, jak niezawodna jest technika przetwarzania danych i jak dobrze fizycy uwzględnili wszystkie błędy instrumentalne. Wszak istnieje wiele przykładów w fizyce cząstek elementarnych, w których niezwykłe sygnały o wyjątkowo wysokiej statystycznej pewności nie zostały potwierdzone przez inne eksperymenty.

Czemu zaprzeczają neutrina superluminalne?

Wbrew powszechnemu przekonaniu, specjalna teoria teoria względności sama w sobie nie zabrania istnienia cząstek poruszających się z prędkością ponadświetlną. Jednak dla takich cząstek (nazywa się je ogólnie „tachionami”) prędkość światła również jest granicą, ale tylko od dołu – nie mogą poruszać się wolniej od niej. W tym przypadku zależność energii cząstek od prędkości okazuje się odwrotna: im większa energia, tym prędkość tachionów jest bliższa prędkości światła.

W kwantowej teorii pola zaczynają się znacznie poważniejsze problemy. Ta teoria zastępuje mechanika kwantowa jeśli chodzi o cząstki kwantowe o wysokich energiach. W tej teorii cząstki nie są punktami, lecz, mówiąc względnie, skupiskami pola materialnego i nie można ich rozpatrywać w oderwaniu od pola. Okazuje się, że tachiony obniżają energię pola, czyli powodują niestabilność próżni. Wtedy bardziej opłaca się spontanicznie rozbić pustkę na ogromną liczbę tych cząstek, a zatem rozważanie ruchu jednego tachionu w zwykłej pustej przestrzeni jest po prostu bezsensowne. Można powiedzieć, że tachion to nie cząstka, ale niestabilność próżni.

W przypadku tachionów-fermionów sytuacja jest nieco bardziej skomplikowana, ale nawet tam pojawiają się porównywalne trudności, które utrudniają stworzenie spójnej kwantowej teorii pola tachionów, obejmującej zwykłą teorię względności.

Nie jest to jednak również ostatnie słowo w teorii. Tak jak eksperymentatorzy mierzą wszystko, co można zmierzyć, teoretycy testują również wszystkie możliwe hipotetyczne modele, które nie są sprzeczne z dostępnymi danymi. W szczególności istnieją teorie, w których dopuszcza się niewielkie, niezauważone jeszcze odchylenie od postulatów teorii względności – np. sama prędkość światła może być zmienną. Takie teorie nie mają jeszcze bezpośredniego wsparcia eksperymentalnego, ale nie zostały jeszcze zamknięte.

Ten krótki zarys możliwości teoretycznych można podsumować następująco: mimo że w niektórych modelach teoretycznych możliwy jest ruch z prędkością ponadświetlną, pozostają one jedynie konstrukcjami hipotetycznymi. Wszystkie obecnie dostępne dane doświadczalne są opisane przez standardowe teorie bez ruchu nadświetlnego. Dlatego, gdyby zostało to wiarygodnie potwierdzone przynajmniej dla niektórych cząstek, kwantowa teoria pola musiałaby zostać radykalnie przebudowana.

Czy warto uznać wynik OPERY w tym sensie za „pierwszy znak”? Jeszcze nie. Być może najważniejszym powodem sceptycyzmu jest fakt, że wynik OPERA nie zgadza się z innymi danymi eksperymentalnymi dotyczącymi neutrin.

Po pierwsze, podczas słynnej supernowej SN1987A zarejestrowano również neutrina, które pojawiły się na kilka godzin przed impulsem świetlnym. Nie oznacza to, że neutrina były szybszy niż światło, ale odzwierciedla jedynie fakt, że neutrina są emitowane z większą częstotliwością wczesna faza zapadnięcie się jądra w eksplozji supernowej niż światło. Ponieważ jednak neutrina i światło, które spędziły w drodze 170 000 lat, nie rozdzieliły się na więcej niż kilka godzin, oznacza to, że ich prędkości są bardzo zbliżone i różnią się o nie więcej niż miliardowe części. Eksperyment OPERA wykazuje tysiąckrotnie większą rozbieżność.

Tutaj oczywiście możemy powiedzieć, że neutrina powstałe podczas wybuchów supernowych i neutrina CERN różnią się znacznie energią (kilkadziesiąt MeV w supernowej i 10-40 GeV w opisywanym eksperymencie), a prędkość neutrin zmienia się w zależności od energii. Ale ta zmiana w tym przypadku działa w „niewłaściwym” kierunku: w końcu im wyższa energia tachionów, tym ich prędkość powinna być bliższa prędkości światła. Oczywiście nawet tutaj można wymyślić jakąś modyfikację teorii tachionów, w której ta zależność byłaby zupełnie inna, ale w tym przypadku konieczne będzie omówienie modelu „podwójnie hipotetycznego”.

Co więcej, z mnóstwa danych doświadczalnych dotyczących oscylacji neutrin uzyskanych w ostatnich latach wynika, że ​​masy wszystkich neutrin różnią się od siebie jedynie ułamkami elektronowoltów. Jeżeli wynik OPERY postrzegamy jako przejaw nadświetlnego ruchu neutrina, to wartość kwadratu masy przynajmniej jednego neutrina będzie rzędu –(100 MeV) 2 (ujemny kwadrat masa jest matematycznym przejawem faktu, że cząsteczka jest uważana za tachion). W takim razie musisz to przyznać Wszystko odmiany neutrin są tachionami i mają w przybliżeniu taką samą masę. Z kolei bezpośredni pomiar masy neutrina w rozpadzie beta jąder trytu pokazuje, że masa neutrina (modulo) nie powinna przekraczać 2 elektronowoltów. Innymi słowy, nie będzie możliwe pogodzenie wszystkich tych danych ze sobą.

Wniosek z tego może być następujący: deklarowany wynik współpracy OPERA trudno wpasować w jakiekolwiek, nawet najbardziej egzotyczne modele teoretyczne.

Co dalej?

We wszystkich dużych kolaboracjach w fizyce cząstek elementarnych jest to normalna praktyka dla każdego analiza betonu przeprowadzana jest przez niewielką grupę uczestników, a dopiero potem wyniki są przekazywane do ogólnej dyskusji. W tym przypadku najwyraźniej ten etap był zbyt krótki, w wyniku czego nie wszyscy uczestnicy współpracy zgodzili się na umieszczenie podpisu pod artykułem (pełna lista obejmuje 216 uczestników eksperymentu, a preprint ma tylko 174 autorów ). Dlatego w niedalekiej przyszłości najprawdopodobniej w ramach współpracy zostanie przeprowadzonych wiele dodatkowych kontroli, a dopiero potem artykuł zostanie wysłany do druku.

Oczywiście teraz również można się spodziewać strumienia prac teoretycznych z różnymi egzotycznymi wyjaśnieniami tego wyniku. Jednak dopóki deklarowany wynik nie zostanie rzetelnie ponownie sprawdzony, nie można go uznać za pełnoprawne odkrycie.

Podróże FTL to jeden z fundamentów kosmicznego science fiction. Jednak chyba każdy – nawet ludzie z dala od fizyki – wie, że maksymalna możliwa prędkość ruchu obiektów materialnych lub propagacji jakichkolwiek sygnałów to prędkość światła w próżni. Jest oznaczony literą c i ma prawie 300 tysięcy kilometrów na sekundę; dokładna wartość c = 299 792 458 m/s.

Prędkość światła w próżni jest jedną z podstawowych stałych fizycznych. Niemożność osiągnięcia prędkości przekraczających c wynika ze specjalnej teorii względności (SRT) Einsteina. Gdyby można było udowodnić, że transmisja sygnałów z prędkością ponadświetlną jest możliwa, teoria względności upadłaby. Do tej pory tak się nie stało, pomimo licznych prób obalenia zakazu istnienia prędkości większych niż c. Jednak ostatnie badania eksperymentalne ujawniły kilka bardzo interesujących zjawisk, wskazując, że w specjalnie stworzonych warunkach można obserwować prędkości nadświetlne bez naruszania zasad teorii względności.

Na początek przypomnijmy główne aspekty związane z problemem prędkości światła.

Po pierwsze: dlaczego nie można (w normalnych warunkach) przekroczyć granicy światła? Bo wtedy zostaje naruszone podstawowe prawo naszego świata – prawo przyczynowości, zgodnie z którym skutek nie może prześcignąć przyczyny. Nikt nigdy nie zaobserwował, że na przykład najpierw padł niedźwiedź martwy, a potem strzelił myśliwy. Przy prędkościach przekraczających c, kolejność zdarzeń zostaje odwrócona, taśma czasowa cofa się. Można to łatwo zobaczyć z następującego prostego rozumowania.

Załóżmy, że znajdujemy się na pewnym kosmicznym statku-cudzie, poruszającym się szybciej niż światło. Wtedy stopniowo doganialibyśmy światło emitowane przez źródło we wcześniejszych i wcześniejszych punktach czasowych. Najpierw dogonilibyśmy fotony wyemitowane powiedzmy wczoraj, potem - przedwczoraj, potem - tydzień, miesiąc, rok temu i tak dalej. Gdyby źródłem światła było lustro, w którym odbija się życie, to najpierw zobaczylibyśmy wydarzenia wczorajsze, potem przedwczoraj i tak dalej. Moglibyśmy zobaczyć, powiedzmy, starca, który stopniowo zamienia się w mężczyznę w średnim wieku, potem w młodego człowieka, w młodzieńca, w dziecko ... To znaczy, że czas się cofnie, przeniesiemy się od teraźniejszości do przeszłość. Przyczyna i skutek byłyby wtedy odwrócone.

Chociaż ten argument całkowicie ignoruje szczegóły techniczne procesu obserwacji światła, z fundamentalnego punktu widzenia wyraźnie pokazuje, że ruch z prędkością ponadświetlną prowadzi do sytuacji niemożliwej w naszym świecie. Jednak natura postawiła jeszcze bardziej rygorystyczne warunki: ruch jest nieosiągalny nie tylko z prędkością ponadświetlną, ale także z prędkością równą prędkości światła – można się do niego tylko zbliżyć. Z teorii względności wynika, że ​​wraz ze wzrostem prędkości ruchu powstają trzy okoliczności: masa poruszającego się obiektu wzrasta, jego rozmiar maleje w kierunku ruchu, a upływ czasu na tym obiekcie zwalnia (od punktu widzenia zewnętrznego „odpoczywającego” obserwatora). Przy zwykłych prędkościach zmiany te są znikome, ale w miarę zbliżania się do prędkości światła stają się one coraz bardziej zauważalne, a w granicy – ​​przy prędkości równej c – masa staje się nieskończenie duża, obiekt całkowicie traci swój rozmiar w kierunek ruchu i czas zatrzymują się na nim. Dlatego żadne materialne ciało nie może osiągnąć prędkości światła. Tylko samo światło ma taką prędkość! (A także cząstka „przenikająca wszystko” – neutrino, które podobnie jak foton nie może poruszać się z prędkością mniejszą niż c.)

Teraz o szybkości transmisji sygnału. Tutaj właściwe jest użycie reprezentacji światła w postaci fal elektromagnetycznych. Co to jest sygnał? To są niektóre informacje do przekazania. Idealna fala elektromagnetyczna to nieskończona sinusoida o ściśle jednej częstotliwości i nie może przenosić żadnej informacji, ponieważ każdy okres takiej sinusoidy dokładnie powtarza poprzedni. Prędkość ruchu fazy fali sinusoidalnej – tzw. prędkość fazy – może w ośrodku w pewnych warunkach przekraczać prędkość światła w próżni. Nie ma tu żadnych ograniczeń, ponieważ prędkość fazy nie jest prędkością sygnału - jeszcze nie istnieje. Aby stworzyć sygnał, musisz zrobić jakiś „znak” na fali. Takim znakiem może być np. zmiana któregokolwiek z parametrów fali – amplitudy, częstotliwości lub fazy początkowej. Ale gdy tylko znak zostanie wykonany, fala traci swoją sinusoidalność. Staje się modulowany, składający się z zestawu prostych fal sinusoidalnych o różnych amplitudach, częstotliwościach i fazach początkowych - grupa fal. Prędkość ruchu znaku w fali modulowanej to prędkość sygnału. Podczas propagacji w ośrodku prędkość ta zwykle pokrywa się z prędkością grupową charakteryzującą propagację powyższej grupy fal jako całości (patrz „Science and Life” nr 2, 2000). W normalnych warunkach prędkość grupowa, a tym samym prędkość sygnału, jest mniejsza niż prędkość światła w próżni. Nie jest przypadkiem, że użyto tu wyrażenia „w normalnych warunkach”, ponieważ w niektórych przypadkach prędkość grupowa może przekroczyć c lub nawet stracić swoje znaczenie, ale wtedy nie ma zastosowania do propagacji sygnału. W SRT ustalono, że niemożliwe jest przesłanie sygnału z prędkością większą niż c.

Dlaczego tak jest? Ponieważ przeszkodą w przekazywaniu jakiegokolwiek sygnału z prędkością większą niż c jest samo prawo przyczynowości. Wyobraźmy sobie taką sytuację. W pewnym punkcie A błysk światła (zdarzenie 1) włącza urządzenie, które wysyła określony sygnał radiowy, a w odległym punkcie B, pod wpływem tego sygnału radiowego, następuje eksplozja (zdarzenie 2). Jasne jest, że zdarzenie 1 (błysk) jest przyczyną, a zdarzenie 2 (wybuch) jest skutkiem, który występuje później niż przyczyna. Ale gdyby sygnał radiowy rozchodził się z prędkością ponadświetlną, obserwator w pobliżu punktu B zobaczyłby najpierw eksplozję, a dopiero potem - błysk światła, który dotarł do niego z prędkością błysku światła, przyczynę eksplozji. Innymi słowy, dla tego obserwatora zdarzenie 2 miałoby miejsce przed zdarzeniem 1, to znaczy skutek poprzedzałby przyczynę.

Należy podkreślić, że „nadświetlny zakaz” teorii względności dotyczy tylko ruchu ciał materialnych i przesyłania sygnałów. W wielu sytuacjach możliwe jest poruszanie się z dowolną prędkością, ale będzie to ruch obiektów niematerialnych i sygnałów. Na przykład wyobraźmy sobie dwie dość długie linijki leżące w tej samej płaszczyźnie, z których jedna znajduje się poziomo, a druga przecina ją pod niewielkim kątem. Jeśli pierwsza linijka zostanie przesunięta w dół (w kierunku wskazanym przez strzałkę) za pomocą wysoka prędkość, punkt przecięcia władców może przebiegać dowolnie szybko, ale ten punkt nie jest ciałem materialnym. Inny przykład: jeśli weźmiesz latarkę (lub powiedzmy laser, który daje wąską wiązkę) i szybko opiszesz łuk w powietrzu, to linia prędkości plamki światła będzie rosło wraz z odległością i przy dostatecznie dużej odległości przekroczy c. Plama światła będzie się przemieszczać między punktami A i B z prędkością ponadświetlną, ale nie będzie to transmisja sygnału z punktu A do B, ponieważ taka plama światła nie przenosi żadnych informacji o punkcie A.

Wydawałoby się, że kwestia prędkości superluminalnych została rozwiązana. Ale w latach 60. XX wieku fizycy teoretyczni wysunęli hipotezę o istnieniu cząstek superluminalnych, zwanych tachionami. Są to bardzo dziwne cząstki: teoretycznie są możliwe, ale aby uniknąć sprzeczności z teorią względności, należało im przypisać urojoną masę spoczynkową. Fizycznie urojona masa nie istnieje, jest czysto abstrakcja matematyczna. Nie wzbudziło to jednak większych obaw, gdyż tachiony nie mogą być w spoczynku – istnieją (jeśli istnieją!) tylko przy prędkościach przekraczających prędkość światła w próżni, a w tym przypadku masa tachionu okazuje się rzeczywista. Jest tu pewna analogia z fotonami: foton ma zerową masę spoczynkową, ale to po prostu oznacza, że ​​foton nie może być w spoczynku - światło nie może zostać zatrzymane.

Najtrudniejszą rzeczą było, zgodnie z oczekiwaniami, pogodzenie hipotezy tachionów z prawem przyczynowości. Próby podjęte w tym kierunku, choć dość pomysłowe, nie przyniosły oczywistego sukcesu. Nikt też nie był w stanie eksperymentalnie zarejestrować tachionów. W rezultacie zainteresowanie tachionami jako nadświetlnymi cząstkami elementarnymi stopniowo zanikało.

Jednak w latach 60. odkryto eksperymentalnie zjawisko, które początkowo wprowadziło fizyków w zakłopotanie. Zostało to szczegółowo opisane w artykule A. N. Oraevsky'ego „Fale superluminalne w ośrodkach wzmacniających” (UFN nr 12, 1998). Tu pokrótce streszczamy istotę sprawy, odsyłając zainteresowanego czytelnika do wspomnianego artykułu.

Krótko po odkryciu laserów - na początku lat 60. - pojawił się problem uzyskania krótkich (o czasie trwania rzędu 1 ns = 10-9 s) impulsów świetlnych o dużej mocy. W tym celu przez optyczny wzmacniacz kwantowy przepuszczono krótki impuls laserowy. Impuls został podzielony przez lustro dzielące wiązkę na dwie części. Jeden z nich, mocniejszy, był wysyłany do wzmacniacza, a drugi rozchodził się w powietrzu i służył jako impuls odniesienia, z którym można było porównać impuls przechodzący przez wzmacniacz. Oba impulsy podawano do fotodetektorów, a ich sygnały wyjściowe można było obserwować wizualnie na ekranie oscyloskopu. Spodziewano się, że impuls światła przechodzący przez wzmacniacz będzie miał pewne opóźnienie w stosunku do impulsu odniesienia, czyli prędkość propagacji światła we wzmacniaczu będzie mniejsza niż w powietrzu. Jakież było zdumienie badaczy, gdy odkryli, że impuls rozchodzi się przez wzmacniacz z prędkością nie tylko większą niż w powietrzu, ale także kilkakrotnie większą niż prędkość światła w próżni!

Po dojściu do siebie po pierwszym szoku fizycy zaczęli szukać przyczyny tak nieoczekiwanego wyniku. Nikt nie miał nawet najmniejszych wątpliwości co do zasad szczególnej teorii względności i właśnie to pomogło znaleźć prawidłowe wyjaśnienie: jeśli zachowane są zasady SRT, odpowiedzi należy szukać we właściwościach medium wzmacniającego .

Nie wchodząc tutaj w szczegóły, zwracamy tylko uwagę, że szczegółowa analiza Mechanizm działania medium wzmacniającego całkowicie wyjaśnił sytuację. Chodziło o zmianę koncentracji fotonów podczas propagacji impulsu - zmiana spowodowana zmianą wzmocnienia ośrodka do wartości ujemnej podczas przejścia tylnej części impulsu, gdy ośrodek jest już pochłanianie energii, ponieważ jego własna rezerwa została już zużyta w wyniku jej przeniesienia na impuls świetlny. Wchłanianie nie powoduje wzrostu, ale zmniejszenie impulsu, a tym samym impuls jest wzmocniony z przodu i osłabiony z tyłu. Wyobraźmy sobie, że obserwujemy puls za pomocą instrumentu poruszającego się z prędkością światła w ośrodku wzmacniacza. Gdyby medium było przezroczyste, zobaczylibyśmy impuls zamrożony w bezruchu. W ośrodku, w którym zachodzi wspomniany proces, wzmocnienie krawędzi natarcia i osłabienie krawędzi spływu impulsu będzie widoczne dla obserwatora w taki sposób, że ośrodek niejako przesunął impuls do przodu . Ale skoro urządzenie (obserwator) porusza się z prędkością światła, a impuls je wyprzedza, to prędkość impulsu przewyższa prędkość światła! To właśnie ten efekt zarejestrowali eksperymentatorzy. I tutaj tak naprawdę nie ma sprzeczności z teorią względności: po prostu proces wzmacniania jest taki, że koncentracja fotonów, które pojawiły się wcześniej, okazuje się być większa niż tych, które pojawiły się później. To nie fotony poruszają się z prędkością ponadświetlną, ale obwiednia impulsu, w szczególności jego maksimum, które obserwuje się na oscyloskopie.

Tak więc, o ile w zwykłych mediach zawsze następuje osłabienie światła i spadek jego prędkości, zdeterminowanej przez współczynnik załamania, w aktywnych mediach laserowych obserwuje się nie tylko wzmocnienie światła, ale także propagację impulsu z prędkością ponadświetlną.

Niektórzy fizycy próbowali eksperymentalnie udowodnić obecność ruchu superluminalnego w efekcie tunelowym, jednym z najbardziej niesamowite zjawiska w mechanice kwantowej. Efekt ten polega na tym, że mikrocząstka (dokładniej mikroobiekt, który wykazuje zarówno właściwości cząstki, jak i właściwości fali w różnych warunkach) jest w stanie przeniknąć przez tzw. barierę potencjału – zjawisko całkowicie niemożliwe w Mechanika klasyczna(w którym analogia byłaby następująca: piłka rzucona w ścianę wylądowałaby po drugiej stronie ściany lub falujący ruch nadany linie przywiązanej do ściany byłby przenoszony na linę przywiązaną do ściany z drugiej strony bok). Istota efektu tunelowego w mechanice kwantowej jest następująca. Jeżeli mikroobiekt o określonej energii napotyka na swojej drodze obszar o energii potencjalnej przewyższającej energię mikroobiektu, to obszar ten stanowi dla niego barierę, której wysokość określa różnica energii. Ale mikroobiekt „przecieka” przez barierę! Taką możliwość daje mu dobrze znana relacja niepewności Heisenberga, zapisana dla energii i czasu interakcji. Jeżeli oddziaływanie mikroobiektu z barierą zachodzi przez wystarczająco pewien czas, to energia mikroobiektu będzie natomiast charakteryzowała się niepewnością, a jeśli ta niepewność jest rzędu wysokości bariery, wtedy ta ostatnia przestaje być dla mikroobiektu przeszkodą nie do pokonania. To właśnie szybkość przenikania przez potencjalną barierę stała się przedmiotem badań wielu fizyków, którzy uważają, że może przekroczyć ok.

W czerwcu 1998 roku w Kolonii odbyło się międzynarodowe sympozjum poświęcone problematyce ruchów superluminalnych, na którym omówiono wyniki uzyskane w czterech laboratoriach - w Berkeley, Wiedniu, Kolonii i Florencji.

I wreszcie, w 2000 roku, ogłoszono dwa nowe eksperymenty, w których pojawiły się efekty propagacji superluminalnej. Jeden z nich wykonał Lijun Wong z pracownikami w Instytut Badawczy w Princeton (USA). Jego wynik jest taki, że impuls świetlny wchodzący do komory wypełnionej parami cezu zwiększa swoją prędkość 300 razy. Okazało się że Głównym elementem impuls opuszcza dalszą ścianę komory, zanim impuls wejdzie do komory przez przednią ścianę. Taka sytuacja jest sprzeczna nie tylko ze zdrowym rozsądkiem, ale w istocie także z teorią względności.

Raport L. Wonga wywołał ożywioną dyskusję wśród fizyków, z których większość nie jest skłonna widzieć w uzyskanych wynikach naruszenia zasad względności. Uważają, że wyzwaniem jest prawidłowe wyjaśnienie tego eksperymentu.

W doświadczeniu L. Wonga impuls świetlny wchodzący do komory z parami cezu miał czas trwania około 3 μs. Atomy cezu mogą znajdować się w szesnastu możliwych stanach mechaniki kwantowej, zwanych „podpoziomami magnetycznymi nadsubtelnego stanu podstawowego”. Za pomocą optycznego pompowania laserowego prawie wszystkie atomy zostały doprowadzone tylko do jednego z tych szesnastu stanów, co odpowiada temperaturze niemal zera absolutnego w skali Kelvina (-273,15 ° C). Długość komory cezowej wynosiła 6 centymetrów. W próżni światło podróżuje 6 centymetrów w czasie 0,2 ns. Jak wykazały pomiary, impuls światła przeszedł przez komorę z cezem w czasie o 62 ns krótszym niż w próżni. Innymi słowy, czas przejścia impulsu przez ośrodek cezowy ma znak „minus”! Rzeczywiście, jeśli odejmiemy 62 ns od 0,2 ns, otrzymamy czas „ujemny”. To „ujemne opóźnienie” w ośrodku – niezrozumiały skok czasu – jest równe czasowi, w którym impuls spowodowałby przejście 310 przez komorę w próżni. Konsekwencją owego "odwrócenia czasu" było, że impuls opuszczający komorę zdołał oddalić się od niej o 19 metrów zanim nadchodzący impuls dotarł do najbliższej ściany komory. Jak można wytłumaczyć tak niesamowitą sytuację (o ile oczywiście nie ma wątpliwości co do czystości eksperymentu)?

Sądząc po toczącej się dyskusji, dokładne wyjaśnienie nie zostało jeszcze znalezione, ale nie ma wątpliwości, że niezwykłe właściwości dyspersyjne ośrodka odgrywają tutaj rolę: para cezu, składająca się z atomów wzbudzanych światłem lasera, jest ośrodkiem o anomalna dyspersja. Przypomnijmy pokrótce, co to jest.

Dyspersja substancji to zależność fazowego (zwykłego) współczynnika załamania światła n od długości fali światła l. Przy normalnej dyspersji współczynnik załamania światła wzrasta wraz ze zmniejszaniem się długości fali, a dzieje się tak w przypadku szkła, wody, powietrza i wszystkich innych substancji przezroczystych dla światła. W substancjach, które silnie pochłaniają światło, przebieg współczynnika załamania światła odwraca się wraz ze zmianą długości fali i staje się znacznie bardziej stromy: wraz ze spadkiem l (wzrost częstotliwości w) współczynnik załamania gwałtownie spada i w pewnym zakresie długości fal staje się mniejszy niż jedność (prędkość fazowa Vf > s ). Jest to anomalna dyspersja, w której wzorzec propagacji światła w substancji zmienia się radykalnie. Prędkość grupowa Vgr staje się większa niż prędkość fazowa fal i może przekroczyć prędkość światła w próżni (a także stać się ujemna). L. Wong wskazuje na tę okoliczność jako na przyczynę możliwości wyjaśnienia wyników jego eksperymentu. Należy jednak zauważyć, że warunek Vgr > c jest czysto formalny, ponieważ pojęcie prędkości grupowej zostało wprowadzone dla przypadku małej (normalnej) dyspersji, dla ośrodków przezroczystych, gdy grupa fal prawie nie zmienia swojego kształtu podczas propagacja. Jednak w rejonach anomalnego rozproszenia impuls świetlny ulega gwałtownej deformacji i pojęcie prędkości grupowej traci sens; w tym przypadku wprowadza się pojęcia prędkości sygnału i prędkości propagacji energii, które w ośrodkach przezroczystych pokrywają się z prędkością grupową, natomiast w ośrodkach z absorpcją pozostają one mniejsze niż prędkość światła w próżni. Ale oto, co ciekawe w eksperymencie Wonga: impuls światła przechodzący przez ośrodek z anomalną dyspersją nie odkształca się - zachowuje dokładnie swój kształt! A to odpowiada założeniu, że impuls rozchodzi się z prędkością grupową. Ale jeśli tak, to okazuje się, że w pożywce nie ma absorpcji, chociaż nieprawidłowa dyspersja podłoża wynika właśnie z absorpcji! Sam Wong, zdając sobie sprawę, że wiele pozostaje niejasnych, uważa, że ​​to, co dzieje się w jego układzie eksperymentalnym, można jasno wytłumaczyć jako pierwsze przybliżenie w następujący sposób.

Impuls świetlny składa się z wielu elementów o różnych długościach fal (częstotliwościach). Rysunek przedstawia trzy z tych elementów (fale 1-3). W pewnym momencie wszystkie trzy fale są w fazie (ich maksima pokrywają się); tutaj, sumując się, wzmacniają się nawzajem i tworzą impuls. Gdy fale rozchodzą się dalej w przestrzeni, są przesunięte w fazie iw ten sposób „wygasają” się nawzajem.

W obszarze nieprawidłowej dyspersji (wewnątrz komórki cezowej) krótsza fala (fala 1) staje się dłuższa. I odwrotnie, fala, która była najdłuższa z trzech (fala 3), staje się najkrótsza.

W konsekwencji odpowiednio zmieniają się również fazy fal. Kiedy fale przejdą przez komórkę cezową, ich fronty falowe zostają przywrócone. Po przejściu niezwykłej modulacji fazowej w substancji z anomalną dyspersją, trzy rozważane fale ponownie znajdują się w pewnym momencie w fazie. Tutaj sumują się ponownie i tworzą impuls o dokładnie takim samym kształcie, jak ten, który wchodzi do ośrodka cezowego.

Zazwyczaj w powietrzu, a nawet w jakimkolwiek normalnie rozpraszającym się przezroczystym ośrodku, impuls świetlny nie może dokładnie zachować swojego kształtu podczas propagacji na odległość, to znaczy, że wszystkie jego składniki nie mogą być w fazie w żadnym odległym punkcie wzdłuż ścieżki propagacji. A w normalnych warunkach po pewnym czasie pojawia się impuls świetlny w tak odległym punkcie. Jednak ze względu na anomalne właściwości medium użytego w eksperymencie, impuls w odległym punkcie okazał się być sfazowany w taki sam sposób, jak przy wejściu do tego medium. Tak więc impuls świetlny zachowuje się tak, jakby miał ujemne opóźnienie w drodze do odległego punktu, to znaczy dotarłby do niego nie później, ale wcześniej niż przeszedł przez ośrodek!

Większość fizyków jest skłonna powiązać ten wynik z pojawieniem się prekursora o niskiej intensywności w ośrodku dyspersyjnym komory. Faktem jest, że w spektralnym rozkładzie impulsu widmo zawiera składowe arbitralnie wysokich częstotliwości o znikomej amplitudzie, tak zwany prekursor, który wyprzedza „główną część” impulsu. Charakter założenia i forma prekursora zależą od prawa dyspersji w medium. Mając to na uwadze, sekwencję wydarzeń w eksperymencie Wonga proponuje się interpretować w następujący sposób. Nadchodząca fala, „rozciągając” zwiastun przed sobą, zbliża się do kamery. Zanim szczyt nadchodzącej fali uderzy w bliską ścianę komory, prekursor inicjuje pojawienie się w komorze impulsu, który dociera do przeciwległej ściany i zostaje od niej odbity, tworząc "falę odwrotną". Ta fala, rozchodząca się 300 razy szybciej niż c, dociera do najbliższej ściany i napotyka nadchodzącą falę. Szczyty jednej fali spotykają się z dolinami drugiej tak, że wzajemnie się znoszą i nic nie zostaje. Okazuje się, że nadchodząca fala „zwraca dług” atomom cezu, które „pożyczają” jej energię na drugim końcu komory. Każdy, kto zaobserwowałby tylko początek i koniec eksperymentu, zobaczyłby tylko impuls światła, który „przeskakiwał” w czasie, poruszając się szybciej niż c.

L. Wong uważa, że ​​jego eksperyment nie jest zgodny z teorią względności. Jego zdaniem stwierdzenie o nieosiągalności prędkości superluminalnej ma zastosowanie tylko do obiektów o masie spoczynkowej. Światło może być reprezentowane albo w postaci fal, do których pojęcie masy generalnie nie ma zastosowania, albo w postaci fotonów o masie spoczynkowej, jak wiadomo, równej zero. Dlatego prędkość światła w próżni, według Wonga, nie jest granicą. Wong przyznaje jednak, że odkryty przez niego efekt uniemożliwia przesyłanie informacji szybciej niż ok.

„Informacje tutaj są już zawarte w przedniej krawędzi impulsu” – mówi P. Milonni, fizyk z Los Alamos National Laboratory w USA.

Większość fizyków w to wierzy Nowa praca nie zadaje miażdżącego ciosu podstawowym zasadom. Ale nie wszyscy fizycy uważają, że problem został rozwiązany. Profesor A. Ranfagni z włoskiego zespołu badawczego, który w 2000 roku przeprowadził inny interesujący eksperyment, mówi, że pytanie jest wciąż otwarte. Ten eksperyment, przeprowadzony przez Daniela Mugnai, Anedio Ranfagni i Rocco Ruggeri, wykazał, że fale radiowe o centymetrowych falach rozchodzą się w normalnym powietrzu z prędkością o 25% większą niż około.

Podsumowując, możemy powiedzieć, co następuje.

Pracuje ostatnie lata pokazują, że w pewnych warunkach prędkość nadświetlna rzeczywiście może mieć miejsce. Ale co dokładnie porusza się z prędkością ponadświetlną? Teoria względności, jak już wspomniano, zabrania takiej prędkości dla ciał materialnych i sygnałów niosących informacje. Niemniej jednak niektórzy badacze bardzo wytrwale próbują zademonstrować pokonanie bariery świetlnej specjalnie dla sygnałów. Powodem tego jest fakt, że w szczególnej teorii względności nie ma rygorystycznego uzasadnienia matematycznego (opartego, powiedzmy, na równaniach Maxwella dla pole elektromagnetyczne) niemożność przesyłania sygnałów z prędkością większą niż c. Taka niemożność w SRT ustalana jest, można by rzec, czysto arytmetycznie, na podstawie wzoru Einsteina na dodawanie prędkości, ale w sposób fundamentalny potwierdza to zasada przyczynowości. Sam Einstein, rozważając kwestię nadświetlnej transmisji sygnału, napisał, że w tym przypadku „… jesteśmy zmuszeni rozważyć możliwy mechanizm transmisji sygnału, przy użyciu którego osiągnięte działanie poprzedza przyczynę. Ale chociaż wynika to z czysto logicznego punkt widzenia nie zawiera w sobie, moim zdaniem, sprzeczności, niemniej jednak przeczy charakterowi całego naszego doświadczenia do tego stopnia, że ​​niemożliwość założenia V > c wydaje się dostatecznie udowodniona. Zasada przyczynowości jest kamieniem węgielnym leżącym u podstaw niemożliwości sygnalizacji ponadświetlnej. I najwyraźniej wszystkie bez wyjątku poszukiwania sygnałów nadświetlnych natkną się na ten kamień, bez względu na to, jak bardzo eksperymentatorzy chcieliby wykryć takie sygnały, ponieważ taka jest natura naszego świata.

Ale wyobraźmy sobie, że matematyka względności nadal będzie działać z prędkością ponadświetlną. Oznacza to, że teoretycznie nadal możemy dowiedzieć się, co by się stało, gdyby ciało zdarzyło się przekroczyć prędkość światła.

Wyobraź sobie dwa statek kosmiczny, zmierzający z Ziemi w kierunku gwiazdy, która znajduje się 100 lat świetlnych od naszej planety. Pierwszy statek opuszcza Ziemię z prędkością 50% prędkości światła, więc ukończenie podróży zajmie 200 lat. Drugi statek, wyposażony w hipotetyczny napęd warp, odleci z prędkością 200% prędkości światła, ale 100 lat po pierwszym. Co się stanie?

Zgodnie z teorią względności prawidłowa odpowiedź w dużej mierze zależy od perspektywy obserwatora. Z Ziemi wydaje się, że pierwszy statek przebył już znaczną odległość, zanim został wyprzedzony przez drugi statek, który porusza się cztery razy szybciej. Ale z punktu widzenia ludzi na pierwszym statku wszystko jest trochę inne.

Statek nr 2 porusza się szybciej niż światło, co oznacza, że ​​może prześcignąć nawet emitowane przez siebie światło. Prowadzi to do swoistej „fali świetlnej” (analogicznie do dźwięku, w tym miejscu zamiast wibracji powietrza wibrują tylko fale świetlne), co daje kilka ciekawych efektów. Przypomnij sobie, że światło ze statku #2 porusza się wolniej niż sam statek. Rezultatem będzie wizualne podwojenie. Innymi słowy, najpierw załoga statku #1 zobaczy, że drugi statek pojawił się obok nich jakby znikąd. Wtedy światło z drugiego statku dotrze do pierwszego statku z niewielkim opóźnieniem, a efektem będzie widoczna kopia, która poruszy się w tym samym kierunku z niewielkim opóźnieniem.

Coś podobnego można zaobserwować w grach komputerowych, gdy w wyniku awarii systemu silnik ładuje model i jego algorytmy w punkcie końcowym ruchu szybciej niż kończy się sama animacja ruchu, przez co pojawia się wiele ujęć. Zapewne dlatego nasza świadomość nie dostrzega tego hipotetycznego aspektu Wszechświata, w którym ciała poruszają się z prędkością ponadświetlną – być może tak jest najlepiej.

PS …ale w ostatnim przykładzie czegoś nie zrozumiałem, dlaczego rzeczywista pozycja statku wiąże się z „emitowanym przez niego światłem”? Cóż, nawet jeśli zobaczą go jakoś w złym miejscu, w rzeczywistości wyprzedzi pierwszy statek!

źródła

Zespół naukowców z eksperymentu OPERA, we współpracy z Europejską Organizacją Badań Jądrowych (CERN), opublikował sensacyjne wyniki eksperymentu mającego na celu pokonanie prędkości światła. Wyniki eksperymentu obalają szczególną teorię względności Alberta Einsteina, na której współczesna fizyka. Teoria mówi, że prędkość światła wynosi 299 792 458 m/s, a cząstki elementarne nie może podróżować szybciej niż prędkość światła.

Niemniej jednak naukowcy zarejestrowali jego nadmiar przez wiązkę neutrin o 60 nanosekund po pokonaniu 732 km. Stało się to 22 września podczas eksperymentu przeprowadzonego przez grupa międzynarodowa fizycy jądrowi z Włoch, Francji, Rosji, Korei, Japonii i innych krajów.

Eksperyment przebiegał następująco: wiązka protonów została przyspieszona w specjalnym akceleratorze i trafiła nią w środek specjalnego celu. Tak narodziły się mezony – cząstki składające się z kwarków.

Podczas rozpadu mezonów rodzą się neutrina - wyjaśnił Izwiestia akademik Rosyjskiej Akademii Nauk Walery Rubakow, główny badacz w Instytucie Badań Jądrowych Rosyjskiej Akademii Nauk. - Wiązka jest ustawiona tak, że neutrino przelatuje 732 km i uderza we włoskie podziemne laboratorium w Gran Sasso. Posiada specjalny detektor, który rejestruje prędkość wiązki neutrin.

Wyniki badania podzieliły świat nauki. Niektórzy naukowcy nie chcą uwierzyć w wyniki.

To, co zrobili w CERN, jest niemożliwe ze współczesnych stanowisk fizyki - powiedział Izwiestii akademik Rosyjskiej Akademii Nauk Spartak Belyaev, dyrektor naukowy Instytut Fizyki Ogólnej i Jądrowej. - Trzeba sprawdzić ten eksperyment i jego wyniki - być może po prostu się pomylili. Wszystkie przeprowadzone wcześniej eksperymenty wpisują się w istniejącą teorię, a ze względu na jeden raz przeprowadzony eksperyment nie warto wzniecać paniki.

Jednocześnie akademik Bielajew przyznaje, że jeśli uda się udowodnić, że neutrina mogą poruszać się z prędkością większą niż prędkość światła, będzie to rewolucja.

Następnie musimy złamać całą fizykę, powiedział.

Jeśli wyniki się potwierdzą, jest to rewolucja, zgadza się z tym akademik Rubakow. - Trudno powiedzieć, jak to będzie dla mieszczan. Ogólnie rzecz biorąc, można oczywiście zmienić szczególną teorię względności, ale jest to niezwykle trudne i nie jest do końca jasne, która teoria w rezultacie skrystalizuje się.

Rubakow zwrócił uwagę na fakt, że raport stwierdza, że ​​w ciągu trzech lat eksperymentu zarejestrowano i zmierzono 15 000 zdarzeń.

Statystyki są bardzo dobre, w eksperymencie wzięła udział międzynarodowa grupa uznanych naukowców – podsumowuje Rubakow.

Akademicy podkreślali, że świat regularnie próbuje eksperymentalnie obalić szczególną teorię względności. Jednak żaden z nich do tej pory nie przyniósł pozytywnych rezultatów.

We wrześniu 2011 roku fizyk Antonio Ereditato zaszokował świat. Jego oświadczenie mogło wywrócić nasze rozumienie wszechświata do góry nogami. Jeśli dane zebrane przez 160 naukowców projektu OPERA były poprawne, zaobserwowano niewiarygodne. Cząstki - w tym przypadku neutrina - poruszały się szybciej niż światło. Według teorii względności Einsteina jest to niemożliwe. A konsekwencje takiej obserwacji byłyby niewiarygodne. Być może trzeba będzie zrewidować same podstawy fizyki.

Chociaż Ereditato powiedział, że on i jego zespół byli „niezwykle pewni” swoich wyników, nie powiedzieli, że dane są całkowicie dokładne. Zamiast tego poprosili innych naukowców o pomoc w ustaleniu, co się dzieje.

W końcu okazało się, że wyniki OPERY były błędne. Źle podłączony kabel powodował problem z synchronizacją, a sygnały z satelitów GPS były niedokładne. W sygnale nastąpiło nieoczekiwane opóźnienie. W rezultacie pomiary czasu potrzebnego neutrino na pokonanie pewnej odległości wykazały dodatkowe 73 nanosekundy: wydawało się, że neutrina leciały szybciej niż światło.

Pomimo miesięcy starannego sprawdzania przed rozpoczęciem eksperymentu i ponownego sprawdzania danych później, naukowcy popełnili poważny błąd. Ereditato zrezygnował, pomimo uwag wielu, że takie błędy zawsze zdarzały się ze względu na ekstremalną złożoność akceleratorów cząstek.

Dlaczego sugestia — sama sugestia — że coś może podróżować szybciej niż światło, miałaby powodować takie zamieszanie? Jak pewni jesteśmy, że nic nie jest w stanie pokonać tej bariery?

Zajmijmy się najpierw drugim z tych pytań. Prędkość światła w próżni wynosi 299.792,458 kilometrów na sekundę - dla wygody liczbę tę zaokrągla się do 300 000 kilometrów na sekundę. Jest dość szybki. Słońce znajduje się 150 milionów kilometrów od Ziemi, a jego światło dociera do Ziemi w zaledwie osiem minut i dwadzieścia sekund.

Czy któraś z naszych kreacji może konkurować w wyścigu ze światłem? Jeden z najszybszych obiektów stworzonych przez człowieka, sonda kosmiczna New Horizons przeleciała obok Plutona i Charona w lipcu 2015 roku. Osiągał prędkość względem Ziemi 16 km/s. Dużo mniej niż 300 000 km/s.

Jednak mieliśmy małe cząstki, które poruszały się dość szybko. We wczesnych latach 60. William Bertozzi z MIT eksperymentował z przyspieszaniem elektronów do jeszcze większych prędkości.

Ponieważ elektrony mają ładunek ujemny, można je przyspieszać, a dokładniej odpychać, przykładając ten sam ładunek ujemny do materiału. Im więcej energii zostanie przyłożone, tym szybciej elektrony przyspieszają.

Wydawałoby się, że wystarczy zwiększyć zaaplikowaną energię, aby rozpędzić się do prędkości 300 000 km/s. Ale okazuje się, że elektrony po prostu nie mogą poruszać się tak szybko. Eksperymenty Bertozziego wykazały, że użycie większej ilości energii nie prowadzi do wprost proporcjonalnego wzrostu prędkości elektronów.

Zamiast tego trzeba było zastosować ogromne ilości dodatkowej energii, aby nawet nieznacznie zmienić prędkość elektronów. Zbliżał się coraz bardziej do prędkości światła, ale nigdy jej nie osiągnął.

Wyobraź sobie, że poruszasz się w kierunku drzwi małymi krokami, z których każdy pokonuje połowę odległości od Twojej aktualnej pozycji do drzwi. Ściśle mówiąc, nigdy nie dotrzesz do drzwi, bo po każdym kroku będziesz miał do pokonania dystans. Bertozzi miał podobny problem, gdy miał do czynienia ze swoimi elektronami.

Ale światło składa się z cząstek zwanych fotonami. Dlaczego te cząstki mogą poruszać się z prędkością światła, a elektrony nie?

„Gdy obiekty poruszają się coraz szybciej, stają się cięższe – im są cięższe, tym trudniej jest im przyspieszać, więc nigdy nie osiągasz prędkości światła” – mówi Roger Russoul, fizyk z University of Melbourne w Australii. „Foton nie ma masy. Gdyby miał masę, nie mógłby poruszać się z prędkością światła”.

Fotony są wyjątkowe. Nie tylko brakuje im masy, która im zapewnia całkowita wolność poruszając się w próżni kosmicznej, nie muszą też przyspieszać. Naturalna energia, którą mają do dyspozycji, porusza się falami, tak jak oni, więc w momencie ich powstania mają już maksymalną prędkość. Pod pewnymi względami łatwiej jest myśleć o świetle jako o energii niż jako o strumieniu cząstek, chociaż w rzeczywistości światło to jedno i drugie.

Jednak światło porusza się znacznie wolniej, niż moglibyśmy się spodziewać. Podczas gdy technicy internetowi lubią mówić o komunikacji działającej „z prędkością światła” we włóknie, światło porusza się o 40% wolniej we włóknie szklanym niż w próżni.

W rzeczywistości fotony poruszają się z prędkością 300 000 km/s, ale napotykają pewną ilość zakłóceń powodowanych przez inne fotony, które są emitowane przez szklane atomy podczas przechodzenia głównej fali świetlnej. Może nie jest to łatwe do zrozumienia, ale przynajmniej próbowaliśmy.

W ten sam sposób w ramach specjalnych eksperymentów z pojedynczymi fotonami udało się je dość imponująco spowolnić. Ale w większości przypadków prawdą będzie 300 000. Nie widzieliśmy ani nie stworzyliśmy niczego, co mogłoby poruszać się tak szybko lub nawet szybciej. Są punkty specjalne, ale zanim ich poruszymy, przejdźmy do naszej drugiej kwestii. Dlaczego tak ważne jest ścisłe przestrzeganie zasady prędkości światła?

Odpowiedź dotyczy osoby wymienionej, jak to często bywa w fizyce. Jego szczególna teoria względności bada wiele implikacji jego uniwersalnych ograniczeń prędkości. Jednym z najważniejszych elementów teorii jest idea, że ​​prędkość światła jest stała. Bez względu na to, gdzie jesteś i jak szybko się poruszasz, światło zawsze porusza się z tą samą prędkością.

Ale to rodzi kilka problemów koncepcyjnych.

Wyobraź sobie światło, które pada z latarki na lustro na suficie stacjonarnego statku kosmicznego. Światło wznosi się, odbija się od lustra i pada na podłogę statku kosmicznego. Powiedzmy, że pokonuje dystans 10 metrów.

Teraz wyobraź sobie, że ten statek kosmiczny zaczyna poruszać się z ogromną prędkością wielu tysięcy kilometrów na sekundę. Po włączeniu latarki światło zachowuje się jak poprzednio: świeci w górę, uderza w lustro i odbija się od podłogi. Ale żeby to zrobić, światło musi podróżować po przekątnej, a nie w pionie. W końcu lustro porusza się teraz szybko wraz ze statkiem kosmicznym.

W związku z tym zwiększa się odległość, którą pokonuje światło. Powiedzmy, że 5 metrów. Okazuje się, że ogólnie 15 metrów, a nie 10.

Mimo to, chociaż odległość się zwiększyła, teorie Einsteina mówią, że światło nadal będzie podróżować z tą samą prędkością. Ponieważ prędkość to odległość podzielona przez czas, ponieważ prędkość pozostała taka sama, a odległość wzrosła, czas również musi wzrosnąć. Tak, sam czas musi się rozciągać. I choć brzmi to dziwnie, zostało to potwierdzone eksperymentalnie.

Zjawisko to nazywa się dylatacją czasu. Czas płynie wolniej dla osób poruszających się w szybko poruszających się pojazdach w porównaniu z tymi, którzy są nieruchomi.

Na przykład czas jest o 0,007 sekundy wolniejszy dla astronautów na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, która podróżuje z prędkością 7,66 km/s względem Ziemi, w porównaniu z ludźmi na planecie. Jeszcze ciekawsza jest sytuacja z cząstkami, takimi jak wspomniane elektrony, które mogą poruszać się z prędkością bliską prędkości światła. W przypadku tych cząstek stopień spowolnienia będzie ogromny.

Stephen Kolthammer, fizyk doświadczalny z Uniwersytetu Oksfordzkiego w Wielkiej Brytanii, wskazuje na przykład cząstek zwanych mionami.

Miony są niestabilne: szybko rozpadają się na prostsze cząstki. Tak szybko, że większość mionów opuszczających Słońce musiała ulec rozkładowi do czasu dotarcia do Ziemi. Ale w rzeczywistości miony przybywają na Ziemię ze Słońca w kolosalnych ilościach. Fizycy od dawna próbują zrozumieć, dlaczego.

„Odpowiedź na tę zagadkę polega na tym, że miony są generowane z taką energią, że poruszają się z prędkością bliską prędkości światła”, mówi Kolthammer. „Ich poczucie czasu, że tak powiem, ich wewnętrzny zegar jest powolny”.

Miony „pozostają przy życiu” dłużej niż oczekiwano w stosunku do nas, dzięki prawdziwemu, naturalnemu zakrzywieniu czasu. Gdy obiekty poruszają się szybko w stosunku do innych obiektów, ich długość również się zmniejsza, kurczy. Te konsekwencje, wydłużenie czasu i skrócenie długości, są przykładami tego, jak czasoprzestrzeń zmienia się w zależności od ruchu rzeczy – ja, ty lub statek kosmiczny – które mają masę.

Co ważne, jak powiedział Einstein, nie ma to wpływu na światło, ponieważ nie ma ono masy. Dlatego te zasady idą w parze. Gdyby obiekty mogły poruszać się szybciej niż światło, podlegałyby podstawowym prawom opisującym działanie wszechświata. To są kluczowe zasady. Teraz możemy porozmawiać o kilku wyjątkach i dygresjach.

Z jednej strony, choć nie widzieliśmy niczego, co poruszałoby się szybciej od światła, nie oznacza to, że w bardzo specyficznych warunkach nie da się teoretycznie pokonać tego ograniczenia prędkości. Weźmy na przykład ekspansję samego wszechświata. Galaktyki we wszechświecie oddalają się od siebie z prędkością znacznie większą niż prędkość światła.

Inna ciekawa sytuacja dotyczy cząstek, które mają w tym samym czasie te same właściwości, niezależnie od tego, jak bardzo są od siebie oddalone. Jest to tak zwane „splątanie kwantowe”. Foton będzie wirował w górę iw dół losowo wybierając jeden z dwóch możliwych stanów, ale wybór kierunku obrotu będzie dokładnie odzwierciedlał inny foton gdziekolwiek indziej, jeśli są splątane.

Dwóch naukowców, z których każdy bada własny foton, otrzyma ten sam wynik w tym samym czasie, szybciej niż pozwala na to prędkość światła.

Jednak w obu tych przykładach należy zauważyć, że żadna informacja nie przemieszcza się szybciej niż prędkość światła między dwoma obiektami. Możemy obliczyć rozszerzanie się wszechświata, ale nie możemy zaobserwować w nim obiektów szybszych od światła: zniknęły one z pola widzenia.

Jeśli chodzi o dwóch naukowców ze swoimi fotonami, chociaż mogli uzyskać ten sam wynik w tym samym czasie, nie mogli się o tym nawzajem powiadomić szybciej niż światło przemieszcza się między nimi.

„To nie stwarza dla nas żadnych problemów, ponieważ jeśli możesz wysyłać sygnały szybsze niż światło, otrzymujesz dziwaczne paradoksy, w których informacje mogą jakoś cofnąć się w czasie”, mówi Kolthammer.

Tam jest inny możliwy sposób umożliwiają technicznie podróże szybsze niż światło: szczeliny w czasoprzestrzeni, które pozwalają podróżnikowi uciec od zasad konwencjonalnego podróżowania.

Gerald Cleaver z Baylor University w Teksasie wierzy, że pewnego dnia będziemy mogli zbudować statek kosmiczny poruszający się szybciej niż światło. Który przechodzi przez tunel czasoprzestrzenny. Tunele czasoprzestrzenne to pętle w czasoprzestrzeni, które dobrze pasują do teorii Einsteina. Mogłyby pozwolić astronaucie przeskoczyć z jednego końca wszechświata na drugi, używając anomalii w czasoprzestrzeni, jakiejś formy kosmicznego skrótu.

Obiekt podróżujący przez tunel czasoprzestrzenny nie przekraczałby prędkości światła, ale teoretycznie mógłby dotrzeć do celu szybciej niż światło poruszające się „normalną” ścieżką. Ale tunele czasoprzestrzenne mogą być w ogóle niedostępne. podróż kosmiczna. Czy może istnieć inny sposób na aktywne zakrzywianie czasoprzestrzeni, aby lecieć szybciej niż 300 000 km/s w stosunku do kogokolwiek innego?

Cleaver zbadał również ideę „silnika Alcubierre” w 1994 roku. Opisuje sytuację, w której czasoprzestrzeń kurczy się przed statkiem kosmicznym, popychając go do przodu i rozszerza się za nim, również popychając go do przodu. „Ale wtedy”, mówi Cleaver, „pojawiły się problemy: jak to zrobić i ile energii byłoby potrzebne”.

W 2008 roku on i jego doktorant Richard Obousi obliczyli, ile energii będzie potrzebne.

„Wyobraziliśmy sobie statek o wymiarach 10 m x 10 m x 10 m – 1000 metrów sześciennych – i obliczyliśmy, że ilość energii potrzebna do rozpoczęcia procesu będzie równa masie całego Jowisza”.

Następnie energia musi być stale „wylewana”, aby proces się nie zakończył. Nikt nie wie, czy kiedykolwiek będzie to możliwe, ani jak będą wyglądały wymagane technologie. „Nie chcę być cytowany przez wieki później, jakbym przewidział coś, co nigdy się nie wydarzy”, mówi Cleaver, „ale jak dotąd nie widzę rozwiązań”.

Tak więc podróżowanie szybciej niż światło pozostaje na razie fantazją. Jak dotąd jedynym sposobem jest zanurzenie się w głęboko zawieszonej animacji. A jednak nie wszystko jest takie złe. W większości przypadków mówiliśmy o świetle widzialnym. Ale w rzeczywistości światło to o wiele więcej. Od fal radiowych i mikrofal po światło widzialne, promieniowanie ultrafioletowe, promienie rentgenowskie i promienie gamma emitowane przez atomy podczas rozpadu – wszystkie te piękne promienie składają się z tego samego: fotonów.

Różnica dotyczy energii, a zatem długości fali. Razem promienie te tworzą widmo elektromagnetyczne. Na przykład fakt, że fale radiowe poruszają się z prędkością światła, jest niezwykle przydatny w komunikacji.

W swoich badaniach Kolthammer tworzy obwód, który wykorzystuje fotony do przesyłania sygnałów z jednej części obwodu do drugiej, więc zasługuje on na prawo do komentowania użyteczności niewiarygodnej prędkości światła.

„Sam fakt, że zbudowaliśmy na przykład infrastrukturę internetową, a wcześniej to radio oparte na świetle, ma związek z łatwością, z jaką możemy ją transmitować”, zauważa. I dodaje, że światło działa jako siła komunikacyjna Wszechświata. Kiedy elektrony w telefonie komórkowym zaczynają drżeć, fotony wylatują i powodują drgania elektronów w drugim telefonie komórkowym. Tak rodzi się rozmowa telefoniczna. Drżące elektrony w Słońcu emitują również fotony - w ogromnych ilościach - które oczywiście tworzą światło, które daje życie na Ziemi ciepło i, hm, światło.

Światło jest uniwersalny język Wszechświat. Jego prędkość – 299.792,458 km/s – pozostaje stała. Tymczasem przestrzeń i czas są podatne na zmiany. Może powinniśmy pomyśleć nie o tym, jak poruszać się szybciej niż światło, ale jak poruszać się szybciej w tej przestrzeni i tym razem? Dojrzały do ​​korzeni, że tak powiem?

Fizycy odkryli, że cząstki światła (fotony) mogą żyć przez około 1 bilion lat, a po rozpadzie emitują z kolei bardzo lekkie cząstki, które mogą poruszać się szybciej niż światło! Z biegiem czasu wiele cząstek ulega naturalnemu rozpadowi. Na przykład niestabilne radioaktywne atomy w pewnym momencie rozpadają się na małe cząstki i uwalniają impuls energii.

Niedawno naukowcy byli pewni, że fotony nie ulegają rozpadowi, ponieważ uważano, że nie mają masy. Jednak naukowcy zakładają teraz, że fotony mają masę, po prostu jest tak mała, że ​​nie można jej zmierzyć za pomocą dzisiejszych instrumentów.

Obecny górny limit masy fotonu jest tak mały, że wynosi mniej niż jedna miliardowa, miliardowa, miliardowa masy protonu. Na podstawie tego wskaźnika naukowcy obliczyli, że foton w widmie widzialnym może żyć około 1 biliona lat. Jednak ten niezwykle długi czas życia nie jest wspólny dla wszystkich fotonów, oblicza się go średnio. Istnieje możliwość, że niektóre fotony żyją bardzo krótko. Nasz Wszechświat, który powstał w wyniku wielki wybuch, ma obecnie około 13,7 miliarda lat. I w toku projekty naukowe zaprojektowany nie tylko do pomiaru poświaty Wielkiego Wybuchu, ale także do wykrywania oznak wczesnego rozpadu fotonów.

Jeśli foton zostanie rozbity, rozpad powinien wytworzyć jeszcze lżejsze cząstki, te, które mogą podróżować przez nasz wszechświat z prędkością większą niż prędkość światła. Te upiorne cząstki (neutrina) bardzo rzadko wchodzą w interakcje ze zwykłą materią. Niezliczone strumienie neutrin przepływają w każdym ułamku sekundy nie tylko przez przestrzeń kosmiczną, gwiazdy i ciała, ale także przez każdą osobę żyjącą na Ziemi, nie wpływając na naszą materię.

Podczas rozpadu każdy foton uwalnia dwa neutrina świetlne, które będąc lżejsze od światła, poruszają się szybciej niż fotony. Odkrycie neutrina wydaje się naruszać prawo względności Einsteina, że ​​nic nie może poruszać się szybciej niż światło, ale tak nie jest, ponieważ teoria opiera się na fakcie, że foton nie ma masy ciała. A teoria mówi, że żadna cząsteczka nie może poruszać się szybciej niż cząsteczka bez masy.

Ponadto teoria względności Einsteina sugeruje, że cząstki poruszają się niezwykle szybko w zniekształconej przestrzeni czasowej. To znaczy, gdyby byli przytomni, mieliby wrażenie, że wszystko, co się wokół nich dzieje, dzieje się w bardzo zwolnionym tempie. Oznacza to, że w naszej przestrzeni czasowej fotony powinny żyć około 1 biliona lat, a w swoim strumieniu czasowym tylko około trzech lat.

Siergiej Wasilenkow