Dedykowany do bezpośredniego pomiaru prędkości neutrin. Wyniki brzmią rewelacyjnie: prędkość neutrina okazała się nieznacznie - ale statystycznie istotna! - więcej niż prędkość światła. 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 szczególna teoria względności sama w sobie nie zabrania istnienia cząstek poruszających się z prędkość nadświetlna. 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”.

Ponadto, z wielu danych eksperymentalnych dotyczących oscylacje neutrin otrzymane za ostatnie lata z tego wynika, że ​​masy wszystkich neutrin różnią się od siebie tylko 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 można się teraz 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.

Okazało się jednak, że jest to możliwe; teraz uważa się, że nigdy nie będziemy mogli podróżować szybciej niż światło…”. Ale tak naprawdę nie jest prawdą, że ktoś kiedyś wierzył, że nie można podróżować szybciej niż dźwięk. Na długo przed pojawieniem się samolotów naddźwiękowych było to już wiadomo, że pociski lecą szybciej niż dźwięk. zarządzany lot naddźwiękowy i to był błąd. Ruch SS to zupełnie inna sprawa. Od początku było jasne, że lot naddźwiękowy był utrudniony przez problemy techniczne, które po prostu trzeba było rozwiązać. Ale jest zupełnie niejasne, czy problemy, które utrudniają ruch SS, dadzą się kiedykolwiek rozwiązać. Teoria względności ma na ten temat wiele do powiedzenia. Jeśli podróż SS lub nawet transmisja sygnału jest możliwa, to przyczynowość zostanie naruszona, a wnioski z tego będą absolutnie niewiarygodne.

Najpierw omówimy proste przypadki ruchu CC. Wspominamy o nich nie dlatego, że są interesujące, ale dlatego, że wciąż pojawiają się w dyskusjach o ruchu STS i dlatego trzeba się nimi zająć. Następnie omówimy to, co uważamy za trudne przypadki ruchu lub komunikacji STS i rozważymy niektóre argumenty przeciwko nim. Na koniec rozważymy najpoważniejsze założenia dotyczące prawdziwego ruchu STS.

Prosty ruch SS

1. Zjawisko promieniowania Czerenkowa

Jednym ze sposobów poruszania się szybciej niż światło jest najpierw spowolnienie samego światła! :-) W próżni światło porusza się z dużą prędkością C, a ta wartość jest stałą światową (patrz pytanie Czy prędkość światła jest stała), a w gęstszym medium, takim jak woda czy szkło, zwalnia do prędkości c/n, gdzie n jest współczynnikiem załamania ośrodka (1,0003 dla powietrza; 1,4 dla wody). Dlatego cząsteczki mogą poruszać się szybciej w wodzie lub powietrzu niż światło przemieszcza się tam. W rezultacie pojawia się promieniowanie Wawiłowa-Czerenkowa (patrz pytanie ).

Ale kiedy mówimy o ruchu SS, mamy oczywiście na myśli przekraczanie prędkości światła w próżni C(299 792 458 m/s). Dlatego fenomenu Czerenkowa nie można uznać za przykład ruchu SS.

2.Osoba trzecia

Jeśli rakieta A odlatuje ode mnie z prędkością 0,6s zachód i inne b- ode mnie z szybkością 0,6s wschód, to całkowita odległość między A oraz b w moim układzie odniesienia wzrasta wraz z prędkością 1.2c. W ten sposób można zaobserwować pozorną prędkość względną większą niż c „od strony trzeciej”.

Jednak ta prędkość nie jest tym, co zwykle rozumiemy przez prędkość względną. Prawdziwa prędkość rakiety A w sprawie rakiety b- jest to tempo narastania odległości między rakietami, które obserwuje obserwator w rakiecie b. Dwie prędkości muszą zostać dodane zgodnie z relatywistycznym wzorem na dodawanie prędkości (patrz pytanie Jak dodawać prędkości w określonej teorii względności). W tym przypadku prędkość względna wynosi w przybliżeniu 0,88c to znaczy nie jest nadświetlna.

3. Cienie i zające

Zastanów się, jak szybko cień może się poruszać? Jeśli utworzysz cień na odległej ścianie z palca z pobliskiej lampy, a następnie przesuniesz palcem, cień porusza się znacznie szybciej niż palec. Jeśli palec porusza się równolegle do ściany, prędkość cienia będzie D/d razy prędkość palca, gdzie D to odległość od palca do lampy, oraz D- odległość lampy od ściany. A jeśli ściana jest ustawiona pod kątem, możesz uzyskać jeszcze większą prędkość. Jeśli ściana jest bardzo daleko, ruch cienia pozostanie w tyle za ruchem palca, ponieważ światło nadal będzie musiało lecieć od palca do ściany, ale prędkość cienia będzie tyle razy większy. Oznacza to, że prędkość cienia nie jest ograniczona prędkością światła.

Oprócz cieni, zające potrafią również poruszać się szybciej niż światło, na przykład punkcik wiązki laserowej skierowanej na księżyc. Wiedząc, że odległość do Księżyca wynosi 385 000 km, spróbuj obliczyć prędkość królika, jeśli lekko przesuniesz laser. Można również pomyśleć o fali morskiej uderzającej ukośnie w brzeg. Z jaką prędkością może poruszać się punkt, w którym załamuje się fala?

Podobne rzeczy mogą się zdarzyć w naturze. Na przykład wiązka światła z pulsara może przeczesać chmurę pyłu. Jasny błysk generuje rozszerzającą się powłokę światła lub innego promieniowania. Kiedy przecina powierzchnię, tworzy pierścień światła, który rośnie szybciej niż prędkość światła. W naturze ma to miejsce, gdy impuls elektromagnetyczny z pioruna dociera do górnych warstw atmosfery.

Wszystko to były przykłady rzeczy poruszających się szybciej niż światło, które jednak nie były ciała fizyczne. Za pomocą cienia lub królika nie można przesłać wiadomości CC, więc komunikacja szybsza niż światło nie jest możliwa. I znowu, najwyraźniej nie to chcemy rozumieć przez ruch CC, chociaż staje się jasne, jak trudno jest określić, czego dokładnie potrzebujemy (patrz pytanie FTL Shears).

4. Nadwozia sztywne

Jeśli weźmiesz długi twardy kij i popchniesz go jednym końcem, czy drugi koniec poruszy się natychmiast, czy nie? Czy w ten sposób można przeprowadzić transmisję SS wiadomości?

tak, było zrobiłbym można by to zrobić, gdyby istniały takie ciała stałe. W rzeczywistości wpływ uderzenia w koniec kija rozchodzi się wzdłuż niego z prędkością dźwięku w danej substancji, a prędkość dźwięku zależy od elastyczności i gęstości materiału. Względność nakłada bezwzględne ograniczenie na możliwą twardość dowolnych ciał, tak aby prędkość dźwięku w nich nie mogła przekroczyć C.

To samo dzieje się, gdy jesteś w polu przyciągania i najpierw trzymasz sznurek lub słupek pionowo za górny koniec, a następnie puszczasz go. Punkt, który puścisz, zacznie się natychmiast ruszać, a dolny koniec nie będzie mógł zacząć opadać, dopóki wpływ puszczenia nie osiągnie go z prędkością dźwięku.

Trudno sformułować ogólną teorię materiałów sprężystych w kategoriach względności, ale podstawową ideę można również pokazać na przykładzie mechaniki Newtona. Równanie ruchu wzdłużnego doskonale sprężystego ciała można otrzymać z prawa Hooke'a. W zmiennych masa na jednostkę długości P i moduł Younga Y, przemieszczenie wzdłużne x spełnia równanie falowe.

Rozwiązanie fali płaskiej porusza się z prędkością dźwięku s, oraz s 2 = T/p. Z tego równania nie wynika możliwość szybszego rozprzestrzeniania się wpływu przyczynowego s. Zatem teoria względności nakłada teoretyczną granicę na wielkość elastyczności: Y < pc2. Praktycznie nie ma materiałów nawet blisko niego. Swoją drogą, nawet jeśli prędkość dźwięku w materiale jest bliska C, materia sama w sobie nie musi poruszać się z relatywistyczną prędkością. Ale skąd wiemy, że w zasadzie nie może istnieć substancja, która przekracza tę granicę? Odpowiedź brzmi, że wszystkie substancje składają się z cząstek, między którymi oddziaływanie jest zgodne ze standardowym modelem cząstek elementarnych, a w tym modelu żadne oddziaływanie nie może rozchodzić się szybciej niż światło (patrz niżej o kwantowej teorii pola).

5. Prędkość fazy

Spójrz na to równanie falowe:

Posiada rozwiązania takie jak:

Te rozwiązania to fale sinusoidalne poruszające się z prędkością

Ale to jest szybsze niż światło, więc mamy w rękach równanie pola tachionowego? Nie, to tylko zwykłe relatywistyczne równanie masywnej cząstki skalarnej!

Paradoks zostanie rozwiązany, jeśli zrozumiemy różnicę między tą prędkością, zwaną również prędkością fazową vph z innej prędkości, zwanej prędkością grupową v gr co wynika ze wzoru,

Jeżeli rozwiązanie falowe ma rozrzut częstotliwości, to przyjmie postać paczki falowej, która porusza się z prędkością grupową nieprzekraczającą C. Tylko grzbiety fal poruszają się z prędkością fazową. Możliwe jest przesyłanie informacji za pomocą takiej fali tylko z prędkością grupową, więc prędkość fazowa daje nam kolejny przykład prędkości ponadświetlnej, która nie może przenosić informacji.

7. Relatywistyczna rakieta

Kontroler na Ziemi obserwuje statek kosmiczny odlatujący z prędkością 0,8 C. Zgodnie z teorią względności, nawet po uwzględnieniu przesunięcia Dopplera sygnałów ze statku, zobaczy, że czas na statku jest spowolniony, a zegary tam wolniej o współczynnik 0,6. Jeśli obliczy iloraz odległości przebytej przez statek podzielonej przez czas, jaki upłynął, mierzony przez zegar statku, otrzyma 4/3 C. Oznacza to, że pasażerowie statku podróżują przez przestrzeń międzygwiezdną z efektywną prędkością większą niż prędkość światła, którą mieliby przy pomiarze. Z perspektywy pasażerów statku odległości międzygwiazdowe podlegają skróceniu Lorentza o ten sam współczynnik 0,6, co oznacza, że ​​oni również muszą przyznać, że pokonują znane odległości międzygwiazdowe w tempie 4/3. C.

To prawdziwy fenomen, który w zasadzie może być wykorzystany przez kosmicznych podróżników do pokonywania ogromnych odległości w ciągu swojego życia. Jeśli przyśpieszą ze stałym przyspieszeniem równym przyspieszeniu swobodnego spadania na Ziemię, to nie tylko będą mieli idealną sztuczną grawitację na statku, ale nadal będą mieli czas na pokonanie Galaktyki w ciągu zaledwie 12 swoich lat! (Zobacz pytanie Jakie są równania relatywistycznej rakiety?)

Nie jest to jednak prawdziwy ruch SS. Efektywna prędkość jest obliczana na podstawie odległości w jednym układzie odniesienia i czasu w innym. To nie jest prawdziwa prędkość. Z tej prędkości korzystają tylko pasażerowie statku. Na przykład dyspozytor nie zdąży w życiu zobaczyć, jak przelatują na gigantyczną odległość.

Trudne przypadki ruchu SS

9. Paradoks Einsteina, Podolskiego, Rosena (EPR)

10. Wirtualne fotony

11. Tunelowanie kwantowe

Prawdziwi kandydaci na Podróżników SS

Ta sekcja zawiera spekulacyjne, ale poważne założenia dotyczące możliwości podróży FTL. Nie będą to rzeczy, które zwykle są umieszczane w FAQ, ponieważ zadają więcej pytań niż odpowiedzi. Przedstawiono je tutaj głównie po to, by pokazać, że w ten kierunek prowadzone są poważne badania. W każdym kierunku podano tylko krótkie wprowadzenie. Więcej szczegółowych informacji można znaleźć w Internecie.

19. Tachiony

Tachiony to hipotetyczne cząstki, które lokalnie poruszają się szybciej niż światło. Aby to zrobić, muszą mieć wyimaginowaną masę, ale ich energia i pęd muszą być dodatnie. Czasami uważa się, że takie cząstki CC powinny być niemożliwe do wykrycia, ale w rzeczywistości nie ma powodu, aby tak sądzić. Cienie i króliki mówią nam, że ukrywanie się nie wynika z CC ruchu.

Tachionów nigdy nie zaobserwowano, a większość fizyków wątpi w ich istnienie. Stwierdzono kiedyś, że przeprowadzono eksperymenty mające na celu zmierzenie masy neutrin emitowanych podczas rozpadu trytu i że te neutrina były tachionami. Jest to wysoce wątpliwe, ale nadal nie jest wykluczone. Z teoriami tachionów są problemy, ponieważ pod względem możliwych naruszeń przyczynowości destabilizują one próżnię. Może uda się obejść te problemy, ale wtedy nie będzie można użyć tachionów w potrzebnej nam wiadomości SS.

Prawda jest taka, że ​​większość fizyków uważa tachiony za oznakę błędu w ich teoriach terenowych, a zainteresowanie nimi ze strony opinii publicznej jest napędzane głównie przez science fiction (patrz artykuł Tachiony).

20. Tunele czasoprzestrzenne

Najbardziej znaną rzekomą możliwością podróży STS jest wykorzystanie tuneli czasoprzestrzennych. Tunele czasoprzestrzenne to tunele w czasoprzestrzeni, które łączą jedno miejsce we wszechświecie z drugim. Mogą poruszać się między tymi punktami szybciej niż światło pokonywałoby swoją zwykłą ścieżkę. Tunele czasoprzestrzenne to fenomen klasyki ogólna teoria względności, ale aby je stworzyć, trzeba zmienić topologię czasoprzestrzeni. Możliwość tego może być zawarta w teorii grawitacji kwantowej.

Aby tunele czasoprzestrzenne były otwarte, potrzebne są ogromne ilości negatywnej energii. Misner oraz Cierń zasugerował, że wielkoskalowy efekt Casimira może być wykorzystany do generowania negatywnej energii i Visser zaproponował rozwiązanie wykorzystujące kosmiczne struny. Wszystkie te pomysły są wysoce spekulacyjne i mogą być po prostu nierealistyczne. Niezwykła substancja o ujemnej energii może nie istnieć w postaci niezbędnej dla zjawiska.

Thorne odkrył, że gdyby można było stworzyć tunele czasoprzestrzenne, mogłyby one stworzyć zamknięte pętle czasowe, które umożliwiłyby podróżowanie w czasie. Sugerowano również, że wielowymiarowa interpretacja mechaniki kwantowej sugeruje, że podróże w czasie nie spowodują żadnych paradoksów, a zdarzenia będą po prostu przebiegały inaczej, gdy przeniesiesz się w przeszłość. Hawking mówi, że tunele czasoprzestrzenne mogą być po prostu niestabilne, a przez to bezużyteczne w praktyce. Ale sam temat pozostaje owocnym obszarem eksperymentów myślowych, pozwalających dowiedzieć się, co jest możliwe, a co nie jest możliwe w oparciu zarówno o znane, jak i zakładane prawa fizyki.
ref:
WG Morris i K.S. Thorne, American Journal of Physics 56 , 395-412 (1988)
W.G. Morris, K.S. Thorne i U. Yurtsever, Phys. Obrót silnika. listy 61 , 1446-9 (1988)
Matt Visser, przegląd fizyczny D39, 3182-4 (1989)
zobacz także „Czarne dziury i zniekształcenia czasu” Kip Thorn, Norton & co. (1994)
Po wyjaśnienie wieloświata zobacz „The Fabric of Reality” David Deutsch, Penguin Press.

21. Silniki odkształcające

[Nie mam pojęcia, jak to przetłumaczyć! Oryginalny napęd warp. - około. tłumacz
przetłumaczone przez analogię z artykułem na temat membrany]

Osnowa może być mechanizmem skręcania czasoprzestrzeni, dzięki czemu obiekt może podróżować szybciej niż światło. Miguel Alcabière zasłynął z opracowania geometrii opisującej taki deformator. Zniekształcenie czasoprzestrzenne umożliwia obiektowi poruszanie się szybciej niż światło, pozostając na krzywej podobnej do czasu. Przeszkody są takie same jak przy tworzeniu tuneli czasoprzestrzennych. Aby stworzyć deformator, potrzebujesz substancji o ujemnej gęstości energii u. Nawet jeśli taka substancja jest możliwa, nadal nie jest jasne, w jaki sposób można ją uzyskać i jak ją wykorzystać, aby deformator działał.
ref M. Alcubierre, Grawitacja klasyczna i kwantowa, 11 , L73-L77, (1994)

Wniosek

Po pierwsze, nie było łatwo określić w ogóle, co oznacza podróż SS i komunikat SS. Wiele rzeczy, takich jak cienie, sprawia, że ​​CC porusza się, ale w taki sposób, że nie można go wykorzystać np. do przesyłania informacji. Ale są też poważne możliwości prawdziwego ruchu SS, które proponuje się w: literatura naukowa, ale ich wdrożenie nie jest jeszcze technicznie możliwe. Zasada nieoznaczoności Heisenberga uniemożliwia wykorzystanie pozornego ruchu CC w mechanice kwantowej. W ogólnej teorii względności istnieją potencjalne środki napędu SS, ale ich użycie może być niemożliwe. Wydaje się niezwykle mało prawdopodobne, że w przewidywalnej przyszłości technologia będzie w stanie stworzyć statki kosmiczne z silnikami SS, ale ciekawe jest, że fizyka teoretyczna, jaką znamy teraz, nie zamyka na dobre drzwi napędom SS. Ruch SS w stylu powieści science fiction jest najwyraźniej całkowicie niemożliwy. Dla fizyków interesujące jest pytanie: „dlaczego w rzeczywistości jest to niemożliwe i czego można się z tego nauczyć?”

Cienie mogą podróżować szybciej niż światło, ale nie mogą przenosić materii ani informacji

Czy możliwy jest lot superluminalny?

Sekcje w tym artykule mają podtytuły i można odwoływać się do każdej sekcji osobno.

Proste przykłady podróży FTL

1. Efekt Czerenkowa

Kiedy mówimy o ruchu superluminalnym, mamy na myśli prędkość światła w próżni. C(299 792 458 m/s). Dlatego efekt Czerenkowa nie może być uważany za przykład ruchu nadświetlnego.

2. Trzeci obserwator

Jeśli rakieta A odlatuje ode mnie z prędkością 0,6c na zachód, a rakieta b odlatuje ode mnie z prędkością 0,6c wschód, wtedy widzę, że odległość między A oraz b wzrasta wraz z prędkością 1.2c. Oglądanie latających pocisków A oraz b z zewnątrz trzeci obserwator widzi, że całkowita prędkość odrzutu pocisków jest większa niż C .

ale prędkość względna nie jest równa sumie prędkości. prędkość rakiety A w sprawie rakiety b to tempo wzrostu odległości do rakiety A, który widzi obserwator lecący na rakiecie b. Prędkość względną należy obliczyć przy użyciu wzoru na relatywistyczne dodawanie prędkości. (Zobacz Jak dodawać prędkości w szczególnej teorii względności?) W tym przykładzie prędkość względna wynosi w przybliżeniu 0,88c. Więc w tym przykładzie nie otrzymaliśmy FTL.

3. Światło i cień

Pomyśl o tym, jak szybko cień może się poruszać. Jeśli lampa jest blisko, cień palca na odległej ścianie porusza się znacznie szybciej niż porusza się palec. Podczas przesuwania palca równolegle do ściany prędkość cienia D/d razy większa niż prędkość palca. Tutaj D to odległość od lampy do palca, oraz D- od lampy do ściany. Prędkość będzie jeszcze większa, jeśli ściana będzie ustawiona pod kątem. Jeśli ściana jest bardzo daleko, ruch cienia będzie opóźniony w stosunku do ruchu palca, ponieważ światło potrzebuje czasu, aby dotrzeć do ściany, ale prędkość cienia poruszającego się po ścianie wzrośnie jeszcze bardziej. Prędkość cienia nie jest ograniczona prędkością światła.

Innym obiektem, który może poruszać się szybciej niż światło, jest plamka światła z lasera wycelowanego w Księżyc. Odległość do Księżyca wynosi 385 000 km. Możesz samodzielnie obliczyć prędkość ruchu plamki świetlnej na powierzchni Księżyca na podstawie niewielkich wahań wskaźnika laserowego w dłoni. Może Ci się również spodobać przykład fali uderzającej w prostą linię plaży pod niewielkim kątem. Z jaką prędkością może poruszać się po plaży punkt przecięcia fali i brzegu?

Wszystkie te rzeczy mogą się zdarzyć w naturze. Na przykład wiązka światła z pulsara może biec wzdłuż chmury pyłu. potężna eksplozja może tworzyć sferyczne fale światła lub promieniowania. Kiedy te fale przecinają się z powierzchnią, kręgi światła pojawiają się na tej powierzchni i rozszerzają się szybciej niż światło. Takie zjawisko obserwuje się na przykład, gdy impuls elektromagnetyczny z błyskawicy przechodzi przez górną warstwę atmosfery.

4. Ciało stałe

Jeśli masz długi, sztywny pręt i uderzasz w jeden koniec pręta, czy drugi koniec nie rusza się natychmiast? Czy nie jest to sposób na superluminalną transmisję informacji?

To by było w porządku Jeśli istniały doskonale sztywne ciała. W praktyce uderzenie przenoszone jest wzdłuż pręta z prędkością dźwięku, która zależy od elastyczności i gęstości materiału pręta. Ponadto teoria granic względności możliwe prędkości dźwięk w materiale C .

Ta sama zasada obowiązuje, jeśli trzymasz sznurek lub pręt pionowo, puszczasz go i zaczyna opadać pod wpływem grawitacji. Górny koniec, który puścisz, zaczyna natychmiast opadać, ale dolny koniec zacznie się poruszać dopiero po pewnym czasie, ponieważ utrata siły trzymania jest przenoszona w dół pręta z prędkością dźwięku w materiale.

Sformułowanie relatywistycznej teorii sprężystości jest dość skomplikowane, ale ogólną ideę można zilustrować za pomocą mechaniki Newtona. Równanie ruchu wzdłużnego ciała idealnie sprężystego można wyprowadzić z prawa Hooke'a. Oznacz gęstość liniową pręta ρ , Moduł Younga Y. Przesunięcie wzdłużne x spełnia równanie falowe

ρ d 2 X/dt 2 - Y d 2 X/dx 2 = 0

Rozwiązanie fali płaskiej porusza się z prędkością dźwięku s, który określa się ze wzoru s 2 = Y/ρ. Równanie falowe nie pozwala na szybsze poruszanie się zaburzeń ośrodka niż z prędkością s. Ponadto teoria względności ogranicza wielkość elastyczności: Y< ρc 2 . W praktyce żaden znany materiał nie zbliża się do tego limitu. Zwróć też uwagę, że nawet jeśli prędkość dźwięku jest zbliżona do C, to sama materia niekoniecznie porusza się z relatywistyczną szybkością.

Chociaż w naturze nie ma ciała stałe, istnieje ruch ciał sztywnych, które można wykorzystać do pokonania prędkości światła. Ten temat należy do opisanego już działu cieni i plam świetlnych. (Patrz The Superluminal Scissors, The Rigid Rotating Disk w teoriach względności).

5. Prędkość fazy

równanie falowe
d 2 u/dt 2 - c 2 d 2 u/dx 2 + w 2 u = 0

ma rozwiązanie w postaci
u \u003d A cos (ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 \u003d 0

Są to fale sinusoidalne rozchodzące się z prędkością v
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Ale to więcej niż c. Może to jest równanie dla tachionów? (patrz sekcja poniżej). Nie, to jest zwykłe równanie relatywistyczne dla cząstki o masie.

Aby wyeliminować paradoks, musisz rozróżnić „prędkość fazową” v ph i „prędkość grupowa” v gr , i
v ph v gr = c 2

Rozwiązanie w postaci fali może mieć rozrzut częstotliwości. W tym przypadku pakiet fal porusza się z prędkością grupową, która jest mniejsza niż C. Za pomocą pakietu falowego informacje mogą być przesyłane tylko z prędkością grupową. Fale w paczce falowej poruszają się z prędkością fazową. Prędkość fazowa to kolejny przykład ruchu FTL, którego nie można wykorzystać do komunikacji.

6. Galaktyki superluminalne

7. Relatywistyczna rakieta

Niech obserwator na Ziemi zobaczy statek kosmiczny oddalający się z dużą prędkością 0,8c Zgodnie z teoria względności, zobaczy, że zegar jest włączony statek kosmiczny idź 5/3 razy wolniej. Jeśli podzielimy odległość do statku przez czas lotu zgodnie z zegarem pokładowym, otrzymamy prędkość 4/3c. Obserwator dochodzi do wniosku, że przy pomocy swojego zegara pokładowego pilot statku ustali również, że leci z prędkością ponadświetlną. Z punktu widzenia pilota jego zegar działa normalnie, a przestrzeń międzygwiezdna skurczyła się o współczynnik 5/3. Dlatego pokonuje znane odległości między gwiazdami szybciej, z prędkością 4/3c .

Dylatacja czasu to realny efekt, który z punktu widzenia astronautów można by w zasadzie wykorzystać w podróżach kosmicznych do pokonywania dużych odległości w krótkim czasie. Przy stałym przyspieszeniu 1 g astronauci będą mieli nie tylko wygodną sztuczną grawitację, ale także będą mogli przemierzać galaktykę w ciągu zaledwie 12 lat we właściwym czasie. W czasie podróży starzeją się o 12 lat.

Ale to wciąż nie jest lot superluminalny. Nie można obliczyć prędkości na podstawie odległości i czasu zdefiniowanych w różnych układach odniesienia.

8. Prędkość grawitacyjna

Niektórzy twierdzą, że prędkość grawitacji jest znacznie większa C a nawet nieskończony. Zobacz, czy grawitacja podróżuje z prędkością światła? i co to jest promieniowanie grawitacyjne? Zaburzenia grawitacyjne i fale grawitacyjne rozprzestrzeniać się z prędkością C .

9. Paradoks EPR

10. Wirtualne fotony

11. Efekt tunelu kwantowego

W mechanice kwantowej efekt tunelowy pozwala cząstce pokonać barierę, nawet jeśli jej energia jest do tego niewystarczająca. Możliwe jest obliczenie czasu tunelowania przez taką barierę. A może się okazać, że jest to mniej niż potrzeba, aby światło pokonało tę samą odległość z prędkością C. Czy można go używać do wysyłania wiadomości szybciej niż światło?

Elektrodynamika kwantowa mówi „Nie!” Niemniej jednak przeprowadzono eksperyment, który zademonstrował nadświetlną transmisję informacji z wykorzystaniem efektu tunelu. Przez barierę o szerokości 11,4 cm z prędkością 4,7 C Zaprezentowano Czterdziestą Symfonię Mozarta. Wyjaśnienie tego eksperymentu jest bardzo kontrowersyjne. Większość fizyków uważa, że ​​za pomocą efektu tunelu niemożliwe jest przesyłanie Informacja szybszy niż światło. Gdyby to było możliwe, to dlaczego nie wysłać sygnału do przeszłości, umieszczając sprzęt w szybko poruszającym się układzie odniesienia.

17. Kwantowa teoria pola

Z wyjątkiem grawitacji wszystkie obserwable zjawiska fizyczne mecz" model standardowy Model Standardowy jest relatywistyczną teorią pola kwantowego, która wyjaśnia oddziaływania elektromagnetyczne i jądrowe, a także wszystkie znane cząstki. , możesz zmienić kolejność Te operatory) W zasadzie oznacza to, że w Modelu Standardowym siła nie może poruszać się szybciej niż światło i można to uznać za pole kwantowe odpowiadające argumentowi o nieskończonej energii.

Jednak w kwantowej teorii pola Modelu Standardowego nie ma nienagannie rygorystycznych dowodów. Nikt jeszcze nawet nie udowodnił, że ta teoria jest wewnętrznie spójna. Najprawdopodobniej tak nie jest. W każdym razie nie ma gwarancji, że nie ma jeszcze nieodkrytych cząstek lub sił, które nie przestrzegają zakazu ruchu nadświetlnego. Nie ma też uogólnienia tej teorii, w tym grawitacji i ogólnej teorii względności. Wielu fizyków zajmujących się grawitacją kwantową wątpi, czy proste pojęcia przyczynowości i lokalności zostaną uogólnione. Nie ma gwarancji, że w przyszłości, bardziej kompletnej teorii, prędkość światła zachowa znaczenie prędkości granicznej.

18. Dziadek paradoks

W szczególnej teorii względności cząstka poruszająca się szybciej niż światło w jednym układzie odniesienia cofa się w czasie w innym układzie odniesienia. Podróż FTL lub przekazywanie informacji umożliwiłoby podróżowanie lub wysłanie wiadomości do przeszłości. Gdyby takie podróże w czasie były możliwe, mógłbyś cofnąć się w czasie i zmienić bieg historii, zabijając swojego dziadka.

To bardzo mocny argument przeciwko możliwości podróżowania FTL. To prawda, że ​​istnieje prawie nieprawdopodobna możliwość, że możliwe są pewne ograniczone podróże superluminalne, które nie pozwalają na powrót do przeszłości. A może podróżowanie w czasie jest możliwe, ale przyczynowość jest naruszana w pewien spójny sposób. Wszystko to jest bardzo nieprawdopodobne, ale jeśli mówimy o FTL, lepiej być gotowym na nowe pomysły.

Odwrotna sytuacja też jest prawdziwa. Gdybyśmy mogli cofnąć się w czasie, moglibyśmy pokonać prędkość światła. Możesz cofnąć się w czasie, polecieć gdzieś z małą prędkością i dotrzeć tam, zanim nadejdzie światło wysłane w zwykły sposób. Zobacz Podróże w czasie, aby uzyskać szczegółowe informacje na ten temat.

Otwarte pytania dotyczące podróży FTL

W tej ostatniej sekcji opiszę kilka poważnych pomysłów dotyczących możliwych podróży szybszych od światła. Tematy te nie są często uwzględniane w FAQ, ponieważ bardziej przypominają wiele nowych pytań niż odpowiedzi. Zamieszczono je tutaj, aby pokazać, że w tym kierunku prowadzone są poważne badania. Podano tylko krótkie wprowadzenie do tematu. Szczegóły można znaleźć w Internecie. Podobnie jak w przypadku wszystkiego w Internecie, bądź wobec nich krytyczny.

19. Tachiony

Tachiony to hipotetyczne cząstki, które lokalnie przemieszczają się szybciej niż światło. Aby to zrobić, muszą mieć wyobrażoną wartość masy. W tym przypadku energia i pęd tachionu są wielkościami rzeczywistymi. Nie ma powodu sądzić, że cząstek superluminalnych nie można wykryć. Cienie i światła mogą poruszać się szybciej niż światło i można je wykryć.

Do tej pory nie znaleziono tachionów, a fizycy wątpią w ich istnienie. Pojawiły się twierdzenia, że ​​w eksperymentach mających na celu zmierzenie masy neutrin wytwarzanych przez rozpad beta trytu, neutrina były tachionami. Jest to wątpliwe, ale nie zostało jeszcze definitywnie obalone.

W teorii tachionów są problemy. Tachiony mogą nie tylko naruszać przyczynowość, ale także powodują, że próżnia jest niestabilna. Być może da się obejść te trudności, ale nawet wtedy nie będziemy w stanie wykorzystać tachionów do superluminalnej transmisji wiadomości.

Większość fizyków uważa, że ​​pojawienie się tachionów w teorii jest oznaką pewnych problemów z tą teorią. Idea tachionów jest tak popularna wśród publiczności tylko dlatego, że są często wymieniane w literaturze fantasy. Zobacz Tachiony.

20. Tunele czasoprzestrzenne

Najbardziej znaną metodą globalnych podróży FTL jest wykorzystanie „tuli czasoprzestrzennych”. Tunel czasoprzestrzenny to szczelina w czasoprzestrzeni z jednego punktu we wszechświecie do drugiego, która umożliwia przejście z jednego końca dziury na drugi szybciej niż zwykle. Tunele czasoprzestrzenne opisuje ogólna teoria względności. Aby je stworzyć, musisz zmienić topologię czasoprzestrzeni. Może stanie się to możliwe w ramach kwantowej teorii grawitacji.

Trzymać tunel czasoprzestrzenny otwarte, potrzebujemy obszarów przestrzeni o negatywnych energiach. C.W.Misner i K.S.Thorne zaproponowali wykorzystanie efektu Casimira na dużą skalę do wytworzenia negatywnej energii. Visser zasugerowałem użycie do tego kosmicznych strun. Są to bardzo spekulacyjne pomysły i mogą nie być możliwe. Może nie istnieje wymagana forma egzotycznej materii z ujemną energią.

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 w Massachusetts Instytut Technologii 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 astronautów na Międzynarodówce jest o 0,007 sekundy wolniejszy stacja Kosmiczna, który porusza się 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, chociaż nie widzieliśmy nic poruszającego się szybciej niż światło, nie oznacza to, że tego ograniczenia prędkości teoretycznie nie da się pokonać w bardzo specyficznych warunkach. 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 żadne informacje nie są przenoszone większa prędkośćświatło 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.

Istnieje inny możliwy sposób na techniczne umożliwienie podróży szybszych 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. Mogliby pozwolić astronaucie przeskoczyć z jednego końca wszechświata na drugi za pomocą anomalii w czasoprzestrzeni, jakiejś formy kosmicznego skrótu.

Obiekt poruszający się 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 stanie”, 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 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?

Zespół naukowców z eksperymentu OPERA, we współpracy z Europejską Organizacją Badań Jądrowych (CERN), opublikował sensacyjne wyniki eksperymentu mającego na celu pokonanie prędkości światła. Wyniki eksperymentalne obalają specjalna teoria teoria względności Alberta Einsteina, na której całość współczesna fizyka. Teoria mówi, że prędkość światła wynosi 299 792 458 m/s, a cząstki elementarne nie mogą poruszać się 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.