Venované priamemu meraniu rýchlosti pohybu neutrín. Výsledky znejú senzačne: rýchlosť neutrín sa ukázala byť mierne – ale štatisticky významná! - viac ako rýchlosť svetla. Článok kolaborácie obsahuje analýzu rôznych zdrojov chýb a neistôt, no reakcia drvivej väčšiny fyzikov zostáva veľmi skeptická, predovšetkým preto, že takýto výsledok nie je v súlade s inými experimentálnymi údajmi o vlastnostiach neutrín.

Ryža. 1.

Podrobnosti experimentu

Myšlienka experimentu (pozri experiment OPERA) je veľmi jednoduchá. Lúč neutrín sa rodí v CERN-e, letí cez Zem do talianskeho laboratória Gran Sasso a tam prechádza špeciálnym detektorom neutrín OPERA. Neutrína interagujú s hmotou veľmi slabo, ale vzhľadom na to, že ich tok z CERN-u je veľmi veľký, niektoré neutrína sa stále zrážajú s atómami vo vnútri detektora. Tam generujú kaskádu nabitých častíc a tým zanechávajú svoj signál v detektore. Neutrína sa v CERNe nerodia nepretržite, ale „prasknú“ a ak poznáme moment zrodenia neutrína a moment jeho pohltenia v detektore, ako aj vzdialenosť medzi oboma laboratóriami, vieme vypočítať rýchlosť neutrína. .

Vzdialenosť medzi zdrojom a detektorom v priamke je približne 730 km a bola meraná s presnosťou 20 cm (presná vzdialenosť medzi referenčnými bodmi je 730 534,61 ± 0,20 metra). Pravda, proces vedúci k produkcii neutrín nie je vôbec lokalizovaný s takou presnosťou. V CERN-e je z urýchľovača SPS vyžarovaný vysokoenergetický protónový lúč, ktorý padá na grafitový terč a vytvára v ňom sekundárne častice vrátane mezónov. Stále letia vpred rýchlosťou blízkou svetla a počas letu sa rozpadajú na mióny, pričom emitujú neutrína. Mióny sa tiež rozpadajú a vytvárajú ďalšie neutrína. Potom sú všetky častice, okrem neutrín, absorbované vo veľkom množstve látky a bez prekážok sa dostanú na miesto detekcie. Všeobecná schéma táto časť experimentu je znázornená na obr. 1.

Celá kaskáda vedúca k objaveniu sa neutrínového lúča sa môže tiahnuť na stovky metrov. Avšak, keďže všetkyčastice v tomto zhluku letia vpred rýchlosťou blízkou svetlu, pre čas detekcie prakticky nie je rozdiel, či sa neutríno zrodilo hneď alebo po kilometri cesty (veľmi dôležité však je, kedy presne počiatočný protón, ktorý viedol k tvorba daného neutrína vyletela z urýchľovača). Výsledkom je, že produkované neutrína vo všeobecnosti jednoducho opakujú profil počiatočného protónového lúča. Preto je tu kľúčovým parametrom práve časový profil protónového lúča emitovaného z urýchľovača, najmä presná poloha jeho prednej a zadnej hrany, pričom tento profil sa meria s dobrou časovou NS m rozlíšení (pozri obr. 2).

Každá relácia vrhania protónového lúča na cieľ (v angličtine sa takáto relácia nazýva vyliať, "Splash") trvá asi 10 mikrosekúnd a vedie k vytvoreniu obrovského množstva neutrín. Takmer všetky však preletia Zemou (a detektorom) bez interakcie. V tých zriedkavých prípadoch, keď detektor zaregistruje neutríno, nie je možné povedať, v ktorom bode počas 10 mikrosekundového intervalu bolo emitované. Analýza môže byť vykonaná iba štatisticky, to znamená, že sa nahromadí veľa prípadov detekcie neutrín a skonštruuje sa ich distribúcia v čase vzhľadom na počiatočný bod každej relácie. V detektore sa za referenčný bod považuje moment v čase, keď podmienený signál, pohybujúci sa rýchlosťou svetla a emitovaný presne v okamihu nábežnej hrany protónového lúča, dosiahne detektor. Presné meranie tohto momentu bolo možné vďaka synchronizácii hodín v oboch laboratóriách s presnosťou niekoľkých nanosekúnd.

Na obr. 3 je znázornený príklad takejto distribúcie. Čierne bodky sú skutočné údaje o neutrínoch zaznamenané detektorom a zhrnuté počas veľkého počtu relácií. Červená krivka ukazuje konvenčný „referenčný“ signál, ktorý by sa pohyboval rýchlosťou svetla. Je vidieť, že dáta začínajú na cca 1048,5 ns skôr referenčný signál. To však neznamená, že neutríno je skutočne o mikrosekundu pred svetlom, ale je to len dôvod na dôkladné meranie všetkých dĺžok káblov, rýchlosti odozvy zariadenia, doby oneskorenia elektroniky atď. Táto opätovná kontrola bola vykonaná a ukázalo sa, že posúva "referenčný" moment o 988 ns. Ukazuje sa teda, že neutrínový signál v skutočnosti predbehne referenčný signál, ale len o približne 60 nanosekúnd. Z hľadiska rýchlosti neutrín to zodpovedá prekročeniu rýchlosti svetla asi o 0,0025 %.

Chybu tohto merania odhadli autori analýzy na 10 nanosekúnd, čo zahŕňa štatistické aj systematické chyby. Autori teda tvrdia, že „vidia“ superluminálny pohyb neutrín na úrovni štatistickej spoľahlivosti šiestich štandardných odchýlok.

Rozdiel medzi výsledkami a očakávaniami o šesť smerodajných odchýlok je už dosť veľký a vo fyzike elementárnych častíc sa nazýva hlasným slovom „objav“. Toto číslo však treba chápať správne: znamená len pravdepodobnosť štatistické kolísanie údajov je veľmi malé, ale nehovorí o tom, aká spoľahlivá je technika spracovania údajov a ako dobre fyzici zohľadnili všetky inštrumentálne chyby. Koniec koncov, v časticovej fyzike existuje veľa príkladov, kde neobvyklé signály s výnimočne vysokou štatistickou spoľahlivosťou neboli potvrdené inými experimentmi.

Čo si nadsvetelné neutrína protirečia?

Na rozdiel od všeobecného presvedčenia, špeciálna teória relativity sama o sebe nezakazuje existenciu častíc pohybujúcich sa rýchlosťou vyššou ako svetlo. Pre takéto častice (súhrnne sa im hovorí „tachyony“) je však limitná aj rýchlosť svetla, ale len zdola – pomalšie ako ona sa pohybovať nemôžu. V tomto prípade sa závislosť energie častíc od rýchlosti ukazuje ako inverzná: čím väčšia je energia, tým je rýchlosť tachyónov bližšie k rýchlosti svetla.

Oveľa vážnejšie problémy začínajú v kvantovej teórii poľa. Táto teória nahrádza kvantovú mechaniku, pokiaľ ide o kvantové častice s vysokými energiami. V tejto teórii častice nie sú body, ale relatívne povedané zhluky hmotného poľa a nie je možné ich posudzovať oddelene od poľa. Ukazuje sa, že tachyóny znižujú energiu poľa, čo znamená, že robia vákuum nestabilným. Pre prázdnotu je potom výhodnejšie samovoľne sa rozpadať na obrovské množstvo týchto častíc, a preto je jednoducho nezmyselné uvažovať o pohybe jedného tachyónu v obyčajnom prázdnom priestore. Môžeme povedať, že tachyón nie je častica, ale nestabilita vákua.

V prípade tachyónov-fermiónov je situácia o niečo komplikovanejšia, no aj tam vznikajú porovnateľné ťažkosti, ktoré bránia vytvoreniu samokonzistentnej tachyonovej kvantovej teórie poľa, vrátane zaužívanej teórie relativity.

To však tiež nie je teoreticky posledné slovo. Tak ako experimentátori merajú všetko, čo sa dá zmerať, aj teoretici testujú všetky možné hypotetické modely, ktoré nie sú v rozpore s dostupnými údajmi. Ide najmä o teórie, v ktorých je povolená malá, zatiaľ nepovšimnutá odchýlka od postulátov teórie relativity – napríklad samotná rýchlosť svetla môže byť premenná. Takéto teórie zatiaľ nemajú priamu experimentálnu podporu, no ešte nie sú uzavreté.

Tento stručný náčrt teoretických možností možno zhrnúť takto: hoci v niektorých teoretických modeloch je možný pohyb nadsvetelnou rýchlosťou, zostávajú čisto hypotetickými konštrukciami. Všetky doteraz dostupné experimentálne údaje sú opísané štandardnými teóriami bez superluminálneho pohybu. Ak by sa to teda spoľahlivo potvrdilo aj pre niektoré častice, kvantová teória poľa by sa musela radikálne zmeniť.

Máme považovať výsledok OPERA v tomto zmysle za „prvý znak“? Ešte nie. Azda najdôležitejším dôvodom skepsy je skutočnosť, že výsledok OPERA nesúhlasí s inými experimentálnymi údajmi o neutrínoch.

Najprv boli počas známej supernovy SN1987A detegované aj neutrína, ktoré dorazili niekoľko hodín pred svetelným impulzom. To neznamená, že neutrína išli rýchlejšie ako svetlo, ale odráža to len skutočnosť, že neutrína vyžaruje viac skoré štádium kolaps jadra v supernove ako svetlo. Keďže sa však neutrína a svetlo, ktoré na svojej ceste strávili 170 tisíc rokov, nerozchádzali o viac ako niekoľko hodín, znamená to, že ich rýchlosti sú veľmi blízko a nelíšia sa o viac ako miliardtiny zlomku. Experiment OPERA ukazuje tisíckrát silnejší rozpor.

Tu, samozrejme, môžeme povedať, že neutrína produkované pri výbuchoch supernov a neutrína z CERN-u sa veľmi líšia v energii (niekoľko desiatok MeV v supernovách a 10–40 GeV v opísanom experimente) a rýchlosť neutrína sa mení v závislosti od energie. Ale táto zmena v tomto prípade funguje „nesprávnym“ smerom: koniec koncov, čím vyššia je energia tachyónov, tým bližšie by mala byť ich rýchlosť rýchlosti svetla. Samozrejme, tu môžete myslieť na nejakú modifikáciu tachyonovej teórie, v ktorej by táto závislosť bola úplne iná, ale v tomto prípade bude potrebné diskutovať o „dvojitom hypotetickom“ modeli.

Ďalej z rôznych experimentálnych údajov o neutrínové oscilácie dostal za posledné roky, vyplýva, že hmotnosti všetkých neutrín sa navzájom líšia len zlomkom elektrónvoltu. Ak je výsledok OPERA vnímaný ako prejav nadsvetelného pohybu neutrín, potom hodnota druhej mocniny hmotnosti aspoň jedného neutrína bude rádovo - (100 MeV) 2 (záporná druhá mocnina hmotnosti je matematický prejav skutočnosti, že častica je považovaná za tachyón). Potom to musíte uznať všetky druhy neutrín sú tachyóny a majú približne rovnakú hmotnosť. Na druhej strane priame meranie hmotnosti neutrín v beta rozpade jadier trícia ukazuje, že hmotnosť neutrína (v absolútnej hodnote) by nemala presiahnuť 2 elektrónvolty. Inými slovami, všetky tieto údaje sa nedajú navzájom zosúladiť.

Záver z toho možno urobiť nasledovne: deklarovaný výsledok spolupráce OPERA je ťažké zaradiť do akýchkoľvek, aj tých najexotickejších teoretických modelov.

Čo bude ďalej?

Vo všetkých hlavných spoluprácach v oblasti časticovej fyziky je bežnou praxou, keď každý špecifická analýza vykonáva malá skupina účastníkov a až potom sú výsledky prezentované na všeobecnú diskusiu. V tomto prípade bola táto fáza zjavne príliš krátka, v dôsledku čoho nie všetci účastníci spolupráce súhlasili s nahradením svojich podpisov pod článkom (úplný zoznam zahŕňa 216 účastníkov experimentu a predtlač má iba 174 autorov) . Preto sa v blízkej budúcnosti s najväčšou pravdepodobnosťou v rámci spolupráce vykoná mnoho dodatočných kontrol a až potom bude článok odoslaný do tlače.

Samozrejme, teraz môžeme očakávať prúd teoretických článkov s rôznymi exotickými vysvetleniami tohto výsledku. Kým však deklarovaný výsledok nebude spoľahlivo overený, nemožno ho považovať za plnohodnotný objav.

Ale ukázalo sa, že je to možné; teraz veria, že nikdy nebudeme schopní cestovať rýchlejšie ako svetlo... ". Ale v skutočnosti nie je pravda, že niekto kedysi veril, že nie je možné pohybovať sa rýchlejšie ako zvuk. Dávno predtým, ako sa objavili nadzvukové lietadlá, už bolo známe, že guľky lietajú rýchlejšie ako zvuk. vedený nadzvukový let, a to bola chyba. Hnutie SS je úplne iná vec. Od začiatku bolo jasné, že nadzvukový let brzdia technické problémy, ktoré sa jednoducho musia vyriešiť. Je však úplne nejasné, či sa problémy, ktoré bránia hnutiu SS, niekedy podarí vyriešiť. Teória relativity má k tomu veľa čo povedať. Ak je možné cestovanie SS alebo dokonca prenos signálu, bude narušená kauzalita a z toho vyplynú úplne neuveriteľné závery.

Najprv si rozoberieme jednoduché prípady pohybu STS. Spomíname ich nie preto, že sú zaujímavé, ale preto, že sa znova a znova objavujú v diskusiách hnutia SS, a preto sa nimi treba zaoberať. Potom budeme diskutovať o tom, čo považujeme za zložité prípady pohybu alebo komunikácie STS a zvážime niektoré argumenty proti nim. Nakoniec sa pozrieme na niektoré vážnejšie špekulácie o skutočnom hnutí STS.

Jednoduchý pohyb SS

1. Fenomén Čerenkovovho žiarenia

Jedným zo spôsobov, ako cestovať rýchlejšie ako svetlo, je najprv spomaliť samotné svetlo! :-) Vo vákuu svetlo letí rýchlosťou c a táto hodnota je svetová konštanta (pozri otázku Je rýchlosť svetla konštantná) a v hustejšom prostredí ako voda alebo sklo sa spomalí na rýchlosť c / n, kde n je index lomu média (1,0003 pre vzduch; 1,4 pre vodu). Preto sa častice môžu pohybovať vo vode alebo vo vzduchu rýchlejšie ako svetlo. V dôsledku toho vzniká žiarenie Vavilov-Čerenkov (pozri otázku).

Ale keď hovoríme o pohybe SS, máme, samozrejme, na mysli prekročenie rýchlosti svetla vo vákuu c(299 792 458 m/s). Fenomén Čerenkova preto nemožno považovať za príklad hnutia SS.

2. Od tretej strany

Ak raketa A letí odo mňa rýchlosťou 0,6 c na západ a druhý B- odo mňa rýchlosťou 0,6 c východ, potom celková vzdialenosť medzi A a B v mojom referenčnom rámci rastie rýchlosťou 1.2c... Zdanlivú relatívnu rýchlosť väčšiu ako c možno teda pozorovať "z tretej strany".

Táto rýchlosť však nie je to, čo zvyčajne myslíme relatívnou rýchlosťou. Skutočná raketová rýchlosť A ohľadom rakety B je rýchlosť rastu vzdialenosti medzi raketami, ktorú pozoruje pozorovateľ v rakete B... Dve rýchlosti treba sčítať podľa relativistického vzorca na sčítanie rýchlostí (pozri otázku Ako sčítať rýchlosti v čiastočnej relativite). V tomto prípade je relatívna rýchlosť približne 0,88 c, to znamená, že nie je nadsvetelný.

3. Tiene a zajačiky

Zamyslite sa nad tým, ako rýchlo sa môže pohybovať tieň? Ak vytvoríte tieň na vzdialenej stene z prsta z neďalekej lampy a potom pohnete prstom, tieň sa bude pohybovať oveľa rýchlejšie ako váš prst. Ak sa prst pohybuje rovnobežne so stenou, rýchlosť tieňa bude in D / d krát rýchlosť prsta, kde d je vzdialenosť od prsta k lampe a D- vzdialenosť od svietidla k stene. A ešte vyššia rýchlosť môže byť, ak je stena umiestnená pod uhlom. Ak je stena veľmi ďaleko, pohyb tieňa bude zaostávať za pohybom prsta, pretože svetlo bude musieť stále lietať z prsta na stenu, ale rýchlosť pohybu tieňa bude stále rovnaká. rovnaký krát väčší. To znamená, že rýchlosť tieňa nie je obmedzená rýchlosťou svetla.

Okrem tieňov sa zajačiky môžu pohybovať aj rýchlejšie ako svetlo, napríklad škvrna z laserového lúča namiereného na Mesiac. S vedomím, že vzdialenosť k Mesiacu je 385 000 km, skúste vypočítať rýchlosť svetla miernym pohybom lasera. Môžete si tiež predstaviť morskú vlnu naklonenú k brehu. Ako rýchlo sa môže pohybovať bod, v ktorom sa vlna zlomí?

Podobné veci sa môžu stať aj v prírode. Napríklad svetelný lúč z pulzaru môže zmiesť oblak prachu. Jasný záblesk vytvára rozširujúcu sa škrupinu svetla alebo iného žiarenia. Keď prejde povrchom, vytvorí sa svetelný prstenec, ktorý rastie rýchlejšie ako rýchlosť svetla. V prírode k tomu dochádza, keď elektromagnetický impulz z blesku dosiahne hornú vrstvu atmosféry.

To všetko boli príklady vecí, ktoré sa pohybovali rýchlejšie ako svetlo, ale ktoré neboli fyzické telá... S pomocou tieňa alebo zajačika nie je možné preniesť správu SS, takže komunikácia rýchlejšia ako svetlo nefunguje. A opäť, toto zjavne nie je to, čo chceme chápať ST pohybom, aj keď je jasné, aké ťažké je určiť, čo presne potrebujeme (pozri otázku Superluminálne nožnice).

4. Pevné látky

Ak vezmete dlhú, tvrdú palicu a stlačíte jej jeden koniec, druhý koniec sa hneď pohne alebo nie? Je možné realizovať SS prenos správy týmto spôsobom?

Áno, to bolo by možno vykonať, ak takéto tuhé telesá existovali. V skutočnosti sa účinok úderu na koniec palice šíri pozdĺž neho rýchlosťou zvuku v danej látke a rýchlosť zvuku závisí od pružnosti a hustoty materiálu. Relativita ukladá absolútnu hranicu možnej tvrdosti akýchkoľvek telies, takže rýchlosť zvuku v nich nemôže prekročiť c.

To isté sa stane, ak si sadnete do príťažlivého poľa a najprv podržíte strunu alebo palicu vertikálne za horný koniec a potom ju uvoľníte. Bod, ktorý pustíte, sa začne okamžite pohybovať a spodný koniec nemôže začať klesať, kým ho vplyv uvoľnenia nedosiahne rýchlosťou zvuku.

Je ťažké formulovať všeobecnú teóriu elastických materiálov v rámci relativity, ale hlavnú myšlienku možno ukázať na príklade newtonovskej mechaniky. Rovnicu pozdĺžneho pohybu ideálne pružného telesa možno získať z Hookovho zákona. V premenných, hmotnosti na jednotku dĺžky p a Youngov modul pružnosti Y, pozdĺžny posun X vyhovuje vlnovej rovnici.

Riešenie rovinných vĺn sa pohybuje rýchlosťou zvuku s a s 2 = Y / str... Z tejto rovnice nevyplýva možnosť rýchlejšieho šírenia kauzálneho vplyvu. s... Relativita teda ukladá teoretickú hranicu veľkosti elasticity: Y < pc 2... Neexistujú prakticky žiadne materiály, ktoré by sa k tomu čo i len priblížili. Mimochodom, aj keď sa rýchlosť zvuku v materiáli blíži c, hmota sama o sebe vôbec nie je povinná pohybovať sa relativistickou rýchlosťou. Ako však vieme, že v zásade nemôže existovať látka, ktorá by túto hranicu prekonala? Odpoveď je, že všetky látky sa skladajú z častíc, ktorých interakcia sa riadi štandardným modelom elementárnych častíc a v tomto modeli žiadna interakcia nemôže cestovať rýchlejšie ako svetlo (pozri nižšie o kvantovej teórii poľa).

5. Fázová rýchlosť

Pozrite sa na túto vlnovú rovnicu:

Má riešenia v tvare:

Tieto riešenia sú sínusové vlny pohybujúce sa rýchlosťou

Ale toto je rýchlejšie ako svetlo, takže rovnicu tachyonového poľa máme v rukách? Nie, toto je len obvyklá relativistická rovnica pre masívnu skalárnu časticu!

Paradox bude vyriešený, ak pochopíte rozdiel medzi touto rýchlosťou, nazývanou aj fázová rýchlosť v ph z inej rýchlostnej skupiny v gr ktorý je datovaný vzorcom,

Ak má vlnový roztok frekvenčný rozptyl, potom bude mať formu vlnového balíka, ktorý sa pohybuje rýchlosťou skupiny nepresahujúcou c... Fázovou rýchlosťou sa pohybujú iba vrcholy vĺn. Prenášať informáciu pomocou takejto vlny je možné len skupinovou rýchlosťou, takže fázová rýchlosť nám dáva ďalší príklad nadsvetelnej rýchlosti, ktorá nemôže niesť informáciu.

7. Relativistická raketa

Dispečer na Zemi sleduje kozmickú loď odlietajúcu rýchlosťou 0,8 c... Podľa teórie relativity aj po zohľadnení Dopplerovho posunu signálov z lode uvidí, že čas na lodi je spomalený a hodiny tam idú pomalšie o faktor 0,6. Ak vypočíta podiel vydelenia vzdialenosti prejdenej loďou uplynutým časom nameraným lodnými hodinami, dostane 4/3 c... To znamená, že pasažieri v kozmickej lodi cestujú medzihviezdnym priestorom efektívnou rýchlosťou väčšou, ako je rýchlosť svetla, ktorú by dostali, keby bola meraná. Z pohľadu pasažierov na lodi medzihviezdne vzdialenosti podliehajú Lorentzovej kontrakcii rovnakým faktorom 0,6, a preto aj oni musia priznať, že známe medzihviezdne vzdialenosti prekonávajú 4/3. c.

Ide o skutočný fenomén a v zásade ho môžu využívať vesmírni cestovatelia na prekonávanie obrovských vzdialeností počas svojho života. Ak budú zrýchľovať s konštantným zrýchlením rovným zrýchleniu gravitácie na Zemi, potom budú mať nielen ideálnu umelú gravitáciu na lodi, ale ešte stihnú prejsť Galaxiu len za 12 svojich rokov! (pozri otázku Aké sú rovnice relativistickej rakety?)

Ani toto však nie je skutočné hnutie STS. Efektívna rýchlosť sa vypočíta zo vzdialenosti v jednom referenčnom rámci a času v inom. Toto nie je skutočná rýchlosť. Z tejto rýchlosti profitujú iba pasažieri na lodi. Dispečer napríklad v živote nestihne vidieť, ako preletia gigantickú vzdialenosť.

Ťažké prípady pohybu SS

9. Paradox Einsteina, Podolského, Rosena (EPR)

10. Virtuálne fotóny

11. Kvantové tunelovanie

Skutoční kandidáti na SS Travellers

Táto časť poskytuje špekulatívne, ale vážne špekulácie o uskutočniteľnosti cestovania FTL. Toto nebudú veci, ktoré sa zvyčajne zverejňujú v FAQ, pretože vyvolávajú viac otázok, ako odpovedajú. Sú tu prezentované najmä preto, aby sa ukázalo, že v týmto smerom prebieha seriózny výskum. V každom smere je uvedený len krátky úvod. Podrobnejšie informácie nájdete na internete.

19. Tachyóny

Tachyóny sú hypotetické častice, ktoré sa lokálne pohybujú rýchlejšie ako svetlo. Na to musia mať pomyselnú hmotnosť, no ich energia a hybnosť musia byť pozitívne. Niekedy sa predpokladá, že takéto častice SS by sa nemali dať odhaliť, ale v skutočnosti nie je dôvod si to myslieť. Tiene a zajačiky nám hovoria, že stealth ešte nevyplýva z hnutia SS.

Tachyóny neboli nikdy pozorované a väčšina fyzikov o ich existencii pochybuje. Akosi bolo uvedené, že sa uskutočnili experimenty na meranie hmotnosti neutrín emitovaných počas rozpadu trícia a že tieto neutrína boli tachyónové. Je to veľmi pochybné, ale stále to nie je vylúčené. V tachyónových teóriách sú problémy, pretože z hľadiska možného porušenia kauzality destabilizujú vákuum. Možno bude možné obísť tieto problémy, ale potom bude nemožné použiť tachyóny v správe SS, ktorú potrebujeme.

Pravdou je, že väčšina fyzikov považuje tachyóny za znak omylu vo svojich teóriách poľa a záujem o ne zo strany širokých más živí najmä sci-fi (pozri článok o Tachyónoch).

20. Červí diery

Najznámejšou predpokladanou možnosťou cestovania SS je použitie červích dier. Červí diery sú tunely v časopriestore, ktoré spájajú jedno miesto vo vesmíre s druhým. Na nich sa môžete medzi týmito bodmi pohybovať rýchlejšie, ako by to svetlo robilo obvyklým spôsobom. Červí diery sú klasickým fenoménom všeobecná relativita, ale na ich vytvorenie je potrebné zmeniť topológiu časopriestoru. Táto možnosť môže byť zahrnutá do teórie kvantovej gravitácie.

Vyžaduje to obrovské množstvo negatívnej energie a udržiavanie otvorených červích dier. Misner a Tŕň navrhol, že Casimirov efekt vo veľkom meradle možno použiť na generovanie negatívnej energie a zároveň Visser navrhol riešenie pomocou medzerových reťazcov. Všetky tieto myšlienky sú vysoko špekulatívne a môžu byť jednoducho nereálne. Nezvyčajná látka s negatívnou energiou nemusí existovať vo forme nevyhnutnej pre daný jav.

Thorne zistil, že ak je možné vytvoriť červie diery, môžu sa použiť na vytvorenie uzavretých časových slučiek, ktoré umožňujú cestovanie v čase. Bolo tiež navrhnuté, že mnohorozmerná interpretácia kvantovej mechaniky naznačuje, že cestovanie v čase nespôsobí žiadne paradoxy a že udalosti sa jednoducho vyvinú inak, keď vstúpite do minulosti. Hawking hovorí, že červie diery môžu byť jednoducho nestabilné, a preto nie sú praktické. Samotná téma však zostáva plodnou oblasťou pre myšlienkové experimenty, ktoré vám umožňujú zistiť, čo je možné a čo nie je možné na základe známych aj predpokladaných fyzikálnych zákonov.
referencie:
W. G. Morris a K. S. Thorne, American Journal of Physics 56 , 395-412 (1988)
W. G. Morris, K. S. Thorne a U. Yurtsever, Phys. Rev. Listy 61 , 1446-9 (1988)
Matt Visser, Fyzický prehľad D39, 3182-4 (1989)
pozri tiež "Čierne diery a časové deformácie" Kip Thorn, Norton & co. (1994)
Pre vysvetlenie multivesmíru pozri "Tkanina reality" David Deutsch, Penguin Press.

21. Motory-deformátory

[Neviem, ako to preložiť! Pôvodný warp pohon. - približne. prekladateľ;
preložené analogicky s článkom o Membráne]

Deformátor by mohol byť mechanizmus na krútenie časopriestoru, aby sa objekt mohol pohybovať rýchlejšie ako svetlo. Miguel Alcabier sa preslávil vývojom geometrie, ktorá popisuje takýto deformátor. Skreslenie časopriestoru umožňuje objektu cestovať rýchlejšie ako svetlo, pričom zostáva na krivke podobnej času. Prekážky sú rovnaké ako pri vytváraní červích dier. Na vytvorenie deformátora potrebujete látku s negatívnou hustotou energie a. Aj keď je takáto látka možná, stále nie je jasné, ako ju možno získať a ako s ňou deformátor pracovať.
ref M. Alcubierre, Klasická a kvantová gravitácia, 11 , L73-L77, (1994)

Záver

Po prvé, ukázalo sa, že je ťažké vôbec definovať, čo znamená cestovanie SS a správa SS. Mnohé veci, ako napríklad tiene, vykonávajú pohlavne prenosnú chorobu, ale takým spôsobom, že ich nemožno použiť napríklad na prenos informácií. Existujú však aj vážne možnosti skutočného hnutia SS, ktoré sa navrhujú v vedeckej literatúry, no ich realizácia zatiaľ nie je technicky možná. Heisenbergov princíp neistoty znemožňuje použitie zdanlivého pohybu STS v kvantovej mechanike. Vo všeobecnej teórii relativity existujú potenciálne prostriedky pohybu STS, ale nemusia byť použiteľné. Zdá sa, že je mimoriadne nepravdepodobné, že by v dohľadnej budúcnosti, alebo vo všeobecnosti, dokázala technológia vytvoriť vesmírne lode s motormi SS, ale je zvláštne, že teoretická fyzika, ako ju teraz poznáme, úplne nezatvára dvere pre SS. pohyb. Hnutie SS v štýle sci-fi románov je zrejme úplne nemožné. Pre fyzikov je zaujímavá otázka: "prečo je to vlastne nemožné a čo sa z toho dá naučiť?"

Tiene sa môžu pohybovať rýchlejšie ako svetlo, ale nemôžu prenášať látky alebo informácie

Je možný let FTL?

Časti v tomto článku majú podnadpisy a na každú časť môžete odkazovať samostatne.

Jednoduché príklady cestovania FTL

1. Čerenkovov efekt

Keď hovoríme o pohybe nadsvetelnou rýchlosťou, máme na mysli rýchlosť svetla vo vákuu c(299 792 458 m/s). Čerenkovov efekt preto nemožno považovať za príklad pohybu s nadsvetelnou rýchlosťou.

2. Tretí pozorovateľ

Ak raketa A letí odo mňa rýchlosťou 0,6 c na západ a raketa B letí odo mňa rýchlosťou 0,6 c na východ, potom vidím, že vzdialenosť medzi A a B rastúcou rýchlosťou 1.2c... Sledovanie lietania rakiet A a B zboku tretí pozorovateľ vidí, že celková rýchlosť odstránenia strely je väčšia ako c .

ale relatívna rýchlosť nerovná súčtu rýchlostí. Raketová rýchlosť A ohľadom rakety B je rýchlosť, ktorou sa zväčšuje vzdialenosť od rakety A videný pozorovateľom letiacim na rakete B... Relatívna rýchlosť sa musí vypočítať pomocou vzorca sčítania relativistickej rýchlosti. (pozri Ako pridávate rýchlosti v špeciálnej relativite?) V tomto príklade je relatívna rýchlosť približne 0,88 c... Takže v tomto príklade sme nezískali superluminálnu rýchlosť.

3. Svetlo a tieň

Zvážte, ako rýchlo sa tieň môže pohybovať. Ak je lampa blízko, potom sa tieň vášho prsta na vzdialenej stene pohybuje oveľa rýchlejšie ako váš prst. Keď pohybujete prstom rovnobežne so stenou, rýchlosť tieňa dovnútra D / d krát viac ako rýchlosť prsta. Tu d je vzdialenosť od lampy k prstu a D- od lampy po stenu. Rýchlosť bude ešte vyššia, ak bude stena pod uhlom. Ak je stena veľmi ďaleko, pohyb tieňa bude zaostávať za pohybom prsta, pretože svetlu trvá určitý čas, kým dosiahne stenu, ale rýchlosť pohybu tieňa pozdĺž steny sa ešte zvýši. Rýchlosť tieňa nie je obmedzená rýchlosťou svetla.

Ďalším objektom, ktorý sa môže pohybovať rýchlejšie ako svetlo, je svetelná škvrna z laseru namiereného na Mesiac. Vzdialenosť k Mesiacu je 385 000 km. Rýchlosť pohybu svetelného bodu na povrchu Mesiaca si môžete vypočítať sami, s malými vibráciami laserového ukazovátka v ruke. Tiež by sa vám mohol páčiť príklad vlny, ktorá v miernom uhle nabieha do priamej línie pláže. Ako rýchlo sa môže priesečník vlny a pobrežia pohybovať pozdĺž pláže?

Všetky tieto veci sa môžu stať v prírode. Napríklad lúč svetla z pulzaru sa môže pohybovať pozdĺž oblaku prachu. Silný výbuch môže vytvoriť sférické vlny svetla alebo žiarenia. Keď sa tieto vlny pretnú s akýmkoľvek povrchom, objavia sa na tomto povrchu svetelné kruhy, ktoré sa rozpínajú rýchlejšie ako svetlo. K tomuto javu dochádza napríklad vtedy, keď elektromagnetický impulz z blesku prechádza hornými vrstvami atmosféry.

4. Pevné telo

Ak máte dlhý tuhý prút a narazíte na jeden koniec prúta, nezačne sa druhý koniec okamžite pohybovať? Nie je to spôsob, ako prenášať informácie rýchlejšie ako svetlo?

To by bola pravda ak v ideálnom prípade existovali tuhé telesá. V praxi sa náraz prenáša pozdĺž tyče rýchlosťou zvuku, ktorá závisí od pružnosti a hustoty materiálu tyče. Okrem toho teória relativity obmedzuje možnú rýchlosť zvuku v materiáli na hodnotu c .

Rovnaký princíp platí, ak motúz alebo prút držíte vzpriamene, pustíte ich a ona začne vplyvom gravitácie padať. Horný koniec, ktorý pustíte, začne okamžite klesať, no spodný sa začne hýbať až po chvíli, keďže zmiznutie prídržnej sily sa prenáša po tyči rýchlosťou zvuku v materiáli.

Formulácia relativistickej teórie pružnosti je pomerne komplikovaná, ale všeobecnú myšlienku možno ilustrovať pomocou newtonovskej mechaniky. Rovnicu pozdĺžneho pohybu ideálneho pružného telesa možno odvodiť z Hookovho zákona. Označujeme lineárnu hustotu tyče ρ , Youngov modul pružnosti Y... Pozdĺžne posunutie X vyhovuje vlnovej rovnici

ρ d 2 X / dt 2 - Y d 2 X / dx 2 = 0

Riešenie rovinných vĺn sa pohybuje rýchlosťou zvuku s, ktorý sa určí zo vzorca s2 = Y / ρ... Vlnová rovnica neumožňuje, aby sa poruchy média pohybovali rýchlejšie ako s rýchlosťou s... Okrem toho teória relativity dáva limit pre hodnotu elasticity: Y< ρc 2 ... V praxi sa k tejto hranici nepribližuje žiadny známy materiál. Všimnite si tiež, že aj keď je rýchlosť zvuku blízka c, potom sa samotná látka nemusí nevyhnutne pohybovať relativistickou rýchlosťou.

Hoci v prírode existuje pevné látky, existuje pohyb pevných látok ktoré možno použiť na prekonanie rýchlosti svetla. Táto téma patrí do už popísanej časti tieňov a svetiel. (Pozri Superluminálne nožnice, Pevný rotujúci disk v relativite).

5. Fázová rýchlosť

Vlnová rovnica
d 2 u / dt 2 - c 2 d 2 u / dx 2 + š 2 u = 0

má riešenie vo forme
u = A cos (ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 = 0

Ide o sínusové vlny šíriace sa rýchlosťou v
v = b / a = sqrt (c 2 + w 2 / a 2)

Ale toto je viac ako c. Je to rovnica pre tachyóny? (pozri ďalšiu časť). Nie, toto je obvyklá relativistická rovnica pre časticu s hmotnosťou.

Na odstránenie paradoxu je potrebné rozlišovať medzi „fázovou rýchlosťou“ v ph a "skupinová sadzba" v gr a
v ph v gr = c 2

Riešenie tvaru vlny môže mať frekvenčný rozptyl. V tomto prípade sa vlnový balík pohybuje skupinovou rýchlosťou, ktorá je menšia ako c... Pomocou vlnového paketu sa informácie môžu prenášať iba skupinovou rýchlosťou. Vlny vo vlnovom balíku sa pohybujú fázovou rýchlosťou. Fázová rýchlosť je ďalším príkladom pohybu FTL, ktorý nemožno použiť na komunikáciu správ.

6. Nadsvetelné galaxie

7. Relativistická raketa

Nechajte pozorovateľa na Zemi vidieť vesmírnu loď vzďaľujúcu sa rýchlosťou 0,8 c Podľa teórie relativity uvidí, že hodiny sú vesmírna loďísť 5/3 krát pomalšie. Ak vzdialenosť k lodi vydelíme časom letu podľa palubných hodín, dostaneme rýchlosť 4/3c... Pozorovateľ dospel k záveru, že pomocou svojich palubných hodín pilot lode tiež určí, že letí nadsvetelnou rýchlosťou. Z pohľadu pilota jeho hodiny bežia normálne a medzihviezdny priestor sa zmenšil 5/3 krát. Preto letí známe vzdialenosti medzi hviezdami rýchlejšie, s rýchlosťou 4/3c .

Dilatácia času je skutočný efekt, ktorý sa v princípe dá z pohľadu astronautov využiť pri cestovaní vesmírom na prekonanie veľkých vzdialeností v krátkom čase. S konštantným zrýchlením 1g budú mať astronauti nielen pohodlnú umelú gravitáciu, ale budú tiež schopní prejsť galaxiu len za 12 rokov vo svojom vlastnom čase. Počas cesty zostarnú o 12 rokov.

Ale stále to nie je nadsvetelný let. Nemôžete vypočítať rýchlosť pomocou vzdialenosti a času definovaného v rôznych referenčných rámcoch.

8. Rýchlosť gravitácie

Niektorí tvrdia, že rýchlosť gravitácie je oveľa väčšia. c alebo dokonca nekonečné. Skontrolujte, či sa gravitácia pohybuje rýchlosťou svetla? a Čo je to gravitačné žiarenie? Gravitačné poruchy a gravitačné vlnyšíriť rýchlosťou c .

9. Paradox EPR

10. Virtuálne fotóny

11. Kvantový tunelovací efekt

V kvantovej mechanike tunelovací efekt umožňuje častici prekonať bariéru, aj keď na to nie je dostatok energie. Cez takúto bariéru je možné vypočítať čas razenia tunela. A môže sa ukázať, že je to menej, ako je potrebné na to, aby svetlo prekonalo rovnakú vzdialenosť rýchlosťou c... Dá sa to použiť na odosielanie správ rýchlejšie ako svetlo?

Kvantová elektrodynamika hovorí nie! Napriek tomu bol vykonaný experiment, ktorý demonštroval superluminálny prenos informácií pomocou tunelového efektu. Cez bariéru šírky 11,4 cm rýchlosťou 4,7 c Zaznela Mozartova 40. symfónia. Vysvetlenie tohto experimentu je veľmi kontroverzné. Väčšina fyzikov verí, že tunelový efekt nemôže prenášať informácie rýchlejšie ako svetlo. Ak by to bolo možné, prečo neposlať signál späť v čase umiestnením zariadenia do rýchlo sa pohybujúceho referenčného rámca.

17. Kvantová teória poľa

Okrem gravitácie všetky pozorovateľné fyzikálnych javov zodpovedajú " Štandardný model". Štandardný model je relativistická kvantová teória poľa, ktorá vysvetľuje elektromagnetické a jadrové interakcie, ako aj všetky známe častice. V tejto teórii každá dvojica operátorov zodpovedajúcich fyzikálnym pozorovateľným veličinám oddeleným priestorovým intervalom udalostí" komutuje "(tj , môžete zmeniť poradie V zásade to znamená, že v štandardnom modeli sa náraz nemôže šíriť rýchlejšie ako svetlo, čo možno považovať za ekvivalent kvantového poľa argumentu nekonečnej energie.

V kvantovej teórii poľa štandardného modelu však neexistuje žiadny bezchybne prísny dôkaz. Nikto ešte ani nedokázal, že táto teória je vnútorne konzistentná. S najväčšou pravdepodobnosťou to tak nie je. V každom prípade nie je zaručené, že neexistujú žiadne častice alebo sily, ktoré ešte neboli objavené a ktoré by nedodržiavali zákaz nadsvetelného cestovania. Neexistuje ani zovšeobecnenie tejto teórie, vrátane gravitácie a všeobecnej relativity. Mnohí fyzici pracujúci v oblasti kvantovej gravitácie pochybujú o tom, že jednoduché koncepty kauzality a lokality budú zovšeobecnené. Neexistuje žiadna záruka, že v budúcej úplnejšej teórii si rýchlosť svetla zachová význam obmedzujúcej rýchlosti.

18. Paradox starého otca

V špeciálnej teórii relativity sa častica, ktorá sa pohybuje rýchlejšie ako svetlo v jednej referenčnej sústave, pohybuje späť v čase v inej referenčnej sústave. Nadsvetelný pohyb alebo prenos informácií by umožnil cestovať alebo posielať správu do minulosti. Ak by bolo takéto cestovanie v čase možné, potom by ste sa mohli vrátiť v čase a zmeniť chod dejín tým, že zabijete svojho starého otca.

To je veľmi silný argument proti možnosti cestovania FTL. Je pravda, že zostáva takmer nepravdepodobná pravdepodobnosť, že je možný nejaký obmedzený nadsvetelný pohyb, ktorý neumožňuje návrat do minulosti. Alebo možno cestovanie v čase je možné, ale kauzalita sa nejakým konzistentným spôsobom porušuje. To všetko je veľmi nepravdepodobné, ale ak hovoríme o cestovaní FTL, potom je lepšie byť pripravený na nové nápady.

Opak je tiež pravdou. Ak by sme mohli cestovať späť v čase, dokázali by sme prekonať rýchlosť svetla. Môžete sa vrátiť v čase, letieť niekam nízkou rýchlosťou a doraziť tam skôr, než príde svetlo poslané zvyčajným spôsobom. Podrobnosti o tejto téme nájdete v časti Cestovanie v čase.

Otvorené otázky cestovania FTL

V tejto poslednej časti popíšem niekoľko serióznych nápadov na možné cestovanie rýchlejšie ako svetlo. Tieto témy nie sú často zahrnuté do FAQ, pretože to nie sú skôr odpovede, ale veľa nových otázok. Sú tu zahrnuté, aby ukázali, že v tomto smere sa robí seriózny výskum. Uvádza sa len krátky úvod k téme. Podrobnosti nájdete na internete. Rovnako ako všetko na internete, buďte k nim kritickí.

19. Tachyóny

Tachyóny sú hypotetické častice, ktoré sa lokálne pohybujú rýchlejšie ako svetlo. Na to musia mať pomyselnú hmotnosť. V tomto prípade sú energia a hybnosť tachyónu skutočnými hodnotami. Nie je dôvod sa domnievať, že nadsvetelné častice nemožno detegovať. Tiene a svetelné škvrny sa môžu pohybovať rýchlejšie ako svetlo a dajú sa zistiť.

Doteraz sa tachyóny nenašli a fyzici o ich existencii pochybujú. Objavili sa tvrdenia, že v experimentoch na meranie hmotnosti neutrín produkovaných beta rozpadom trícia boli neutrína tachyónmi. Je to sporné, ale ešte to nebolo úplne vyvrátené.

S tachyonovou teóriou sú problémy. Tachyóny okrem možného porušenia kauzality spôsobujú aj nestabilitu vákua. Možno bude možné obísť tieto ťažkosti, ale ani potom nebudeme môcť použiť tachyóny na prenos nadsvetelných správ.

Väčšina fyzikov verí, že výskyt tachyónov v teórii je znakom niektorých problémov v tejto teórii. Myšlienka tachyónov je tak populárna u verejnosti jednoducho preto, že sa často spomínajú v literatúre sci-fi. Pozri Tachyony.

20. Červí diery

Najznámejším spôsobom globálneho cestovania FTL je použitie červích dier. Červí diera je štrbina v časopriestore z jedného bodu vo vesmíre do druhého, čo vám umožňuje prejsť z jedného konca diery na druhý rýchlejšie ako zvyčajná cesta. Červí diery sú opísané všeobecná teória relativity. Na ich vytvorenie je potrebné zmeniť topológiu časopriestoru. Možno to bude možné v rámci kvantovej teórie gravitácie.

Držať červiu dieru otvorené, potrebujeme oblasti priestoru s negatívnymi energiami. C.W. Misner a K.S. Thorne navrhli využiť Casimirov efekt vo veľkom meradle na vytvorenie negatívnej energie. Visser navrhol na to použiť kozmické struny. Sú to veľmi špekulatívne nápady a možno to nie je možné. Možno požadovaná forma exotickej hmoty s negatívnou energiou neexistuje.

V septembri 2011 fyzik Antonio Ereditato šokoval svet. Jeho výrok by mohol obrátiť naše chápanie vesmíru hore nohami. Ak boli údaje zozbierané 160 vedcami OPERA správne, bolo pozorované neuveriteľné. Častice – v tomto prípade neutrína – sa pohybovali rýchlejšie ako svetlo. Podľa Einsteinovej teórie relativity je to nemožné. A dôsledky takéhoto pozorovania by boli neuveriteľné. Možno by bolo potrebné zrevidovať samotné základy fyziky.

Hoci Ereditato povedal, že on a jeho tím si boli „mimoriadne istí“ svojimi výsledkami, nepovedali, že údaje sú úplne presné. Naopak, požiadali iných vedcov, aby im pomohli zistiť, čo sa deje.

Nakoniec sa ukázalo, že výsledky OPERA boli chybné. Zle pripojený kábel spôsobil problém so synchronizáciou a signály zo satelitov GPS boli nepresné. Došlo k neočakávanému oneskoreniu signálu. Výsledkom bolo, že merania času, ktorý neutrína potrebovali na prekonanie určitej vzdialenosti, ukázali ďalších 73 nanosekúnd: zdalo sa, že neutrína preleteli rýchlejšie ako svetlo.

Napriek mesiacom skúmania pred začatím experimentu a následnej kontrole údajov sa vedci vážne mýlili. Ereditato rezignoval, na rozdiel od poznámok mnohých, že takéto chyby sa vždy vyskytli kvôli extrémnej zložitosti zariadenia urýchľovačov častíc.

Prečo predpoklad – len predpoklad – že sa niečo môže pohybovať rýchlejšie ako svetlo spôsobil taký hluk? Nakoľko sme presvedčení, že túto bariéru nič neprekoná?

Pozrime sa najprv na druhú z týchto otázok. Rýchlosť svetla vo vákuu je 299 792,458 kilometrov za sekundu – pre pohodlie bolo toto číslo zaokrúhlené nahor na 300 000 kilometrov za sekundu. Je to celkom rýchle. Slnko je od Zeme vzdialené 150 miliónov kilometrov a svetlo z neho dorazí na Zem len za osem minút a dvadsať sekúnd.

Môže niektorý z našich výtvorov súťažiť v pretekoch so svetlom? Vesmírna sonda New Horizons, jeden z najrýchlejších umelých objektov, aké boli kedy postavené, preletela okolo Pluta a Charona v júli 2015. Dosiahol rýchlosť voči Zemi 16 km/s. Oveľa menej ako 300 000 km/s.

Mali sme však malé častice, ktoré sa pohybovali veľmi rýchlo. William Bertozzi zo začiatku 60. rokov v Massachusetts Technologický inštitút experimentoval s urýchľovaním elektrónov na ešte vyššie rýchlosti.

Keďže elektróny majú záporný náboj, môžu byť urýchlené – presnejšie povedané, odpudzované – aplikáciou rovnakého záporného náboja na materiál. Čím viac energie sa použije, tým rýchlejšie sa elektróny zrýchlia.

Človek by si myslel, že na zrýchlenie na rýchlosť 300 000 km/s stačí zvýšiť aplikovanú energiu. Ale ukázalo sa, že elektróny sa jednoducho nemôžu pohybovať tak rýchlo. Bertozziho experimenty ukázali, že použitie väčšieho množstva energie nevedie k priamo úmernému zvýšeniu rýchlosti elektrónov.

Namiesto toho bolo potrebné použiť obrovské množstvo dodatočnej energie, aby sa rýchlosť elektrónov čo i len mierne zmenila. Bol čoraz bližšie k rýchlosti svetla, no nikdy ju nedosiahol.

Predstavte si, že kráčate k dverám malými krokmi, z ktorých každý prejde polovicu vzdialenosti od vašej aktuálnej polohy k dverám. Presne povedané, nikdy sa nedostanete k dverám, pretože po každom kroku, ktorý urobíte, budete musieť prekonať vzdialenosť. Bertozzi čelil zhruba rovnakému problému, keď narábal so svojimi elektrónmi.

Svetlo sa však skladá z častíc nazývaných fotóny. Prečo sa tieto častice môžu pohybovať rýchlosťou svetla, ale elektróny nie?

„Keď sa predmety pohybujú rýchlejšie a rýchlejšie, sú čoraz ťažšie – čím sú ťažšie, tým ťažšie sa pre ne zrýchľujú, takže nikdy nedosiahnete rýchlosť svetla,“ hovorí Roger Rassoul, fyzik z University of Melbourne v Austrálii. . „Fotón nemá hmotnosť. Keby mal hmotnosť, nemohol by sa pohybovať rýchlosťou svetla."

Fotóny sú špeciálne. Chýba im nielen hmota, ktorá im poskytuje úplná sloboda posuny vo vákuu vesmíru, tiež nepotrebujú zrýchľovať. Prírodná energia, ktorú majú k dispozícii, sa rovnako ako oni pohybuje vo vlnách, takže v čase svojho vzniku už majú maximálnu rýchlosť. V istom zmysle je ľahšie uvažovať o svetle ako o energii a nie o prúde častíc, hoci v skutočnosti je svetlo oboje.

Svetlo sa však šíri oveľa pomalšie, ako by sme čakali. Zatiaľ čo internetoví technici radi hovoria o komunikáciách, ktoré fungujú „rýchlosťou svetla“ vo vlákne, svetlo sa v skle tohto vlákna pohybuje o 40 % pomalšie ako vo vákuu.

V skutočnosti sa fotóny pohybujú rýchlosťou 300 000 km/s, ale stretávajú sa s určitou mierou interferencie, interferencie spôsobenej inými fotónmi, ktoré sú emitované atómami skla pri prechode hlavnej svetelnej vlny. Možno to nebude ľahké pochopiť, ale aspoň sme to skúsili.

Tak isto sa ich v rámci špeciálnych experimentov s jednotlivými fotónmi podarilo celkom pôsobivo spomaliť. Ale pre väčšinu prípadov bude platiť číslo 300 000. Nevideli sme a nevytvorili sme nič, čo by sa mohlo pohybovať tak rýchlo, alebo ešte rýchlejšie. Existujú špeciálne body, ale predtým, ako sa ich dotkneme, dotknime sa našej ďalšej otázky. Prečo je také dôležité prísne dodržiavať pravidlo rýchlosti svetla?

Odpoveď súvisí s menom osoby, ako je to často vo fyzike. Jeho špeciálna teória relativity skúma mnohé dôsledky jeho univerzálnych rýchlostných limitov. Jedným z najdôležitejších prvkov teórie je myšlienka, že rýchlosť svetla je konštantná. Bez ohľadu na to, kde sa nachádzate alebo ako rýchlo sa pohybujete, svetlo sa vždy pohybuje rovnakou rýchlosťou.

Má to však niekoľko koncepčných problémov.

Predstavte si svetlo dopadajúce z baterky na zrkadlo na strope stacionárnej kozmickej lode. Svetlo stúpa, odráža sa od zrkadla a padá na podlahu kozmickej lode. Povedzme, že prejde vzdialenosť 10 metrov.

Teraz si predstavte, že táto kozmická loď sa začne pohybovať obrovskou rýchlosťou tisícok kilometrov za sekundu. Keď zapnete baterku, svetlo sa správa ako predtým: svieti nahor, dopadá na zrkadlo a odráža sa na podlahe. Aby to však bolo možné, svetlo bude musieť prejsť diagonálnu vzdialenosť, nie vertikálnu. Koniec koncov, zrkadlo sa teraz rýchlo pohybuje s kozmickou loďou.

V súlade s tým sa vzdialenosť, ktorú svetlo prejde, zvyšuje. Povedzme 5 metrov. Celkovo je to 15 metrov, nie 10.

Napriek tomu, hoci sa vzdialenosť zvýšila, Einsteinove teórie tvrdia, že svetlo sa bude stále pohybovať rovnakou rýchlosťou. Keďže rýchlosť je vzdialenosť delená časom, keďže rýchlosť je rovnaká a vzdialenosť sa zväčšila, musí sa zvýšiť aj čas. Áno, čas sám sa musí natiahnuť. Aj keď to znie zvláštne, bolo to potvrdené experimentálne.

Tento jav sa nazýva dilatácia času. Čas plynie pomalšie pre ľudí, ktorí sa pohybujú v rýchlo sa pohybujúcich vozidlách, v porovnaní s tými, ktorí stoja.

Napríklad astronautom na International beží čas o 0,007 sekundy pomalšie vesmírna stanica, ktorý sa pohybuje rýchlosťou 7,66 km/s vzhľadom na Zem v porovnaní s ľuďmi na planéte. Ešte zaujímavejšia je situácia s časticami, ako sú spomínané elektróny, ktoré sa môžu pohybovať blízko rýchlosti svetla. V prípade týchto častíc bude stupeň spomalenia obrovský.

Stephen Colthammer, experimentálny fyzik z Oxfordskej univerzity vo Veľkej Británii, poukazuje na príklad s časticami nazývanými mióny.

Mióny sú nestabilné: rýchlo sa rozpadajú na jednoduchšie častice. Tak rýchlo, že väčšina miónov opúšťajúcich Slnko by sa mala rozpadnúť, kým sa dostanú na Zem. V skutočnosti však mióny prichádzajú na Zem zo Slnka v kolosálnych objemoch. Fyzici sa už dlho snažia prísť na to, prečo.

„Odpoveďou na túto záhadu je, že mióny sú generované s takou energiou, že sa pohybujú rýchlosťou blízkou svetlu,“ hovorí Kolthammer. "Ich zmysel pre čas, takpovediac, ich vnútorné hodiny bežia pomaly."

Vďaka súčasnému prirodzenému zakriveniu času mióny „zostanú nažive“ dlhšie, ako sa očakávalo vzhľadom na nás. Keď sa objekty rýchlo pohybujú vzhľadom na iné objekty, ich dĺžka sa tiež zmenšuje, zmršťuje. Tieto dôsledky, dilatácia času a skrátenie dĺžky, sú príkladmi toho, ako sa časopriestor mení v závislosti od pohybu vecí – mňa, vás alebo kozmickej lode – s hmotnosťou.

Čo je dôležité, ako povedal Einstein, neovplyvňuje svetlo, pretože nemá žiadnu hmotnosť. Preto idú tieto princípy ruka v ruke. Ak by sa predmety mohli pohybovať rýchlejšie ako svetlo, riadili by sa základnými zákonmi, ktoré popisujú fungovanie vesmíru. Toto sú kľúčové princípy. Teraz môžeme hovoriť o niekoľkých výnimkách a odchýlkach.

Na jednej strane, hoci sme nevideli nič, čo by sa pohybovalo rýchlejšie ako svetlo, to neznamená, že tento rýchlostný limit nemožno teoreticky prelomiť za veľmi špecifických podmienok. Vezmime si napríklad rozpínanie samotného vesmíru. Galaxie vo vesmíre sa od seba vzďaľujú rýchlosťou oveľa vyššou ako svetlo.

Ďalšia zaujímavá situácia sa týka častíc, ktoré zdieľajú rovnaké vlastnosti v rovnakom čase, bez ohľadu na to, ako ďaleko sú od seba. Ide o takzvané „kvantové zapletenie“. Fotón sa bude otáčať nahor a nadol, náhodne si vyberie z dvoch možných stavov, ale výber smeru rotácie sa presne prejaví na druhom fotóne inde, ak bude zapletený.

Dvaja vedci, z ktorých každý študuje svoj vlastný fotón, získajú rovnaký výsledok súčasne, rýchlejšie, ako by umožňovala rýchlosť svetla.

V oboch týchto príkladoch je však dôležité poznamenať, že žiadne informácie sa nehýbu. vyššia rýchlosť svetlo medzi dvoma predmetmi. Vieme vypočítať expanziu vesmíru, ale nedokážeme v ňom pozorovať objekty rýchlejšie ako svetlo: zmizli zo zorného poľa.

Pokiaľ ide o dvoch vedcov s ich fotónmi, hoci mohli získať rovnaký výsledok v rovnakom čase, nemohli si to navzájom dať vedieť rýchlejšie, ako medzi nimi putuje svetlo.

„Pre nás to nepredstavuje žiadny problém, pretože ak dokážete vysielať signály rýchlejšie ako svetlo, vznikajú bizarné paradoxy, podľa ktorých sa informácie môžu nejakým spôsobom vrátiť v čase,“ hovorí Kolthammer.

Existuje ďalší možný spôsob, ako technicky umožniť cestovanie rýchlejšie ako svetlo: trhliny v časopriestore, ktoré by cestovateľovi umožnili vyhnúť sa pravidlám normálneho cestovania.

Gerald Cleaver z Baylor University v Texase verí, že jedného dňa možno budeme schopní postaviť kozmickú loď, ktorá bude cestovať rýchlejšie ako svetlo. Ktorý sa pohybuje cez červiu dieru. Červí diery sú slučky v časopriestore, ktoré dokonale zapadajú do Einsteinových teórií. Mohli by astronautovi umožniť preskočiť z jedného konca vesmíru na druhý pomocou anomálie v časopriestore, nejakej formy kozmickej skratky.

Objekt prechádzajúci červou dierou neprekročí rýchlosť svetla, ale teoreticky by mohol dosiahnuť svoj cieľ rýchlejšie ako svetlo, ktoré sa pohybuje po „normálnej“ dráhe. Ale červie diery nemusia byť vôbec prístupné. cestovanie vesmírom... Mohol by existovať iný spôsob, ako aktívne skresliť časopriestor tak, aby cestoval rýchlejšie ako 300 000 km/s v porovnaní s niekým iným?

Cleaver tiež v roku 1994 preskúmal myšlienku „motora Alcubierre“. Opisuje situáciu, v ktorej sa časopriestor zmršťuje pred kozmickou loďou, tlačí ju dopredu a za ňou sa rozširuje, pričom ju tiež tlačí dopredu. "Ale potom," hovorí Cleaver, "nastali problémy: ako to urobiť a koľko energie by bolo potrebné."

V roku 2008 spolu so svojím postgraduálnym študentom Richardom Aubosie vypočítali, koľko energie by bolo potrebné.

"Predstavili sme si kozmickú loď s rozmermi 10 m x 10 m x 10 m - 1 000 metrov kubických - a vypočítali sme, že množstvo energie potrebnej na spustenie procesu by bolo ekvivalentné hmotnosti celého Jupitera."

Potom treba energiu neustále „nalievať“, aby sa proces neskončil. Nikto nevie, či to niekedy bude možné a aké budú potrebné technológie. "Nechcem byť po stáročia citovaný ako predpovedajúci niečo, čo sa nikdy nestane," hovorí Cleaver, "ale zatiaľ nevidím riešenie."

Takže cestovanie rýchlejšie ako je rýchlosť svetla zostáva momentálne fantáziou. Zatiaľ jedinou cestou je vrhnúť sa do hlbokej pozastavenej animácie. A predsa to nie je všetko zlé. Vo väčšine prípadov sme hovorili o viditeľnom svetle. Ale v skutočnosti je svetlo oveľa viac. Od rádiových vĺn a mikrovĺn po viditeľné svetlo, ultrafialové žiarenie, röntgenových lúčov a gama lúče vyžarované atómami v procese rozpadu - všetky tieto nádherné lúče sú vyrobené z toho istého: fotónov.

Rozdiel je v energii, čo znamená vo vlnovej dĺžke. Tieto lúče spolu tvoria elektromagnetické spektrum. Skutočnosť, že rádiové vlny sa napríklad šíria rýchlosťou svetla, je neuveriteľne užitočná pre komunikáciu.

Vo svojom výskume Kolthammer vytvára obvod, ktorý využíva fotóny na prenos signálov z jednej časti obvodu do druhej, takže si zaslúži právo komentovať užitočnosť neuveriteľnej rýchlosti svetla.

„Samotný fakt, že sme vybudovali napríklad infraštruktúru internetu a predtým rádio založené na svetle, súvisí s ľahkosťou, s akou ho dokážeme prenášať,“ poznamenáva. A dodáva, že svetlo pôsobí ako komunikačná sila Vesmíru. Keď sa elektróny v mobilnom telefóne začnú triasť, fotóny vyletia a spôsobia, že elektróny v druhom mobilnom telefóne sa budú tiež triasť. Takto sa rodí telefonát. Otrasy elektrónov na Slnku tiež vyžarujú fotóny - v obrovských množstvách - ktoré, samozrejme, tvoria svetlo, ktoré dáva životu na Zemi teplo a, ehm, svetlo.

Svetlo je univerzálny jazyk Vesmír. Jeho rýchlosť – 299 792,458 km/s – zostáva konštantná. Medzitým sú priestor a čas tvárne. Možno by sme nemali premýšľať o tom, ako sa pohybovať rýchlejšie ako svetlo, ale ako sa rýchlejšie pohybovať týmto priestorom a tentokrát? Dozrieť takpovediac pri koreni?

Skupina vedcov z experimentu OPERA v spolupráci s Európskou organizáciou pre jadrový výskum (CERN) zverejnila senzačné výsledky experimentu na prekonanie rýchlosti svetla. Experimentálne výsledky vyvracajú špeciálna teória relativity Alberta Einsteina, na ktorej všetky moderná fyzika... Teória hovorí, že rýchlosť svetla je 299 792 458 m/s a elementárne častice sa nemôžu pohybovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla.

Napriek tomu vedci pri prekonaní 732 km zaznamenali jeho prebytok lúčom neutrín o 60 nanosekúnd. Stalo sa tak 22. septembra počas experimentu, ktorý vykonal medzinárodná skupina jadroví fyzici z Talianska, Francúzska, Ruska, Kórey, Japonska a ďalších krajín.

Experiment prebiehal nasledovne: protónový lúč sa urýchľoval v špeciálnom urýchľovači a zasiahol ním stred špeciálneho terča. Tak sa zrodili mezóny – častice zložené z kvarkov.

Keď sa mezóny rozpadnú, zrodia sa neutrína, “vysvetlil pre Izvestija akademik RAS Valery Rubakov, hlavný výskumník Inštitútu pre jadrový výskum RAS. - Lúč je umiestnený tak, že neutríno preletí 732 km a spadne do talianskeho podzemného laboratória v Gran Sasso. Obsahuje špeciálny detektor, ktorý zaznamenáva rýchlosť neutrínového lúča.

Výsledky výskumu rozdelili vedecký svet. Niektorí vedci odmietajú uveriť výsledkom.

To, čo sa urobilo v CERN-e, je z moderného hľadiska fyziky nemožné, - povedal pre Izvestija akademik Ruskej akadémie vied Spartak Beljajev. vedecký riaditeľÚstav všeobecnej a jadrovej fyziky. - Je potrebné skontrolovať tento experiment a jeho výsledky - možno sa len mýlili. Všetky predtým uskutočnené experimenty zapadajú do existujúcej teórie a nestojí za to vyvolávať paniku kvôli jednému experimentu, ktorý sa uskutočnil raz.

Akademik Beljajev zároveň pripúšťa: ak sa podarí dokázať, že neutríno sa môže pohybovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla, bude to prevrat.

Potom musíme prelomiť všetku fyziku, “povedal.

Ak sa výsledky potvrdia, ide o revolúciu, – súhlasí akademik Rubakov. - Ťažko povedať, ako to dopadne pre mešťanov. Vo všeobecnosti je samozrejme možné zmeniť špeciálnu teóriu relativity, ale je to mimoriadne ťažké a aká teória sa v dôsledku toho vykryštalizuje, nie je úplne jasné.

Rubakov poznamenal, že v správe sa uvádza, že počas troch rokov experimentu bolo zaznamenaných a zmeraných 15 000 udalostí.

Štatistiky sú veľmi dobré a experimentu sa zúčastnila medzinárodná skupina renomovaných vedcov, - zhŕňa Rubakov.

Akademici zdôraznili, že svet sa pravidelne pokúša experimentálne vyvrátiť špeciálnu teóriu relativity. Žiadna z nich však zatiaľ nepriniesla pozitívne výsledky.