Тіні, можуть переміщатися швидше за світло, Але не можуть переносити речовина або інформацію

Чи можливий надсвітовою політ?

Розділи цієї статті мають підзаголовки і можна посилатися на кожен розділ окремо.

Прості приклади сверхсветового переміщення

1. Ефект Черенкова

Коли ми говоримо про рух зі сверхсветовой швидкістю, то маємо на увазі швидкість світла у вакуумі c (299 792 458 м / с). Тому ефект Черенкова не може розглядатися як приклад руху з надсвітовою швидкістю.

2. Третій спостерігач

якщо ракета A відлітає від мене зі швидкістю 0.6c на захід, а ракета B відлітає від мене зі швидкістю 0.6c на схід, то я бачу, що відстань між A і B збільшується зі швидкістю 1.2c . Спостерігаючи політ ракет A і B з боку, третій спостерігач бачить, що сумарна швидкість видалення ракет більше, ніж c .

Однак відносна швидкість не дорівнює сумі швидкостей. швидкість ракети A щодо ракети B - це швидкість збільшення відстані до ракети A , Яку бачить спостерігач, що летить на ракеті B . Відносну швидкість потрібно розраховувати по релятивістської формулою складання швидкостей. (Див. How do You Add Velocities in Special Relativity?) В даному прикладі відносна швидкість приблизно дорівнює 0.88c . Так що в цьому прикладі ми не отримали надсвітовою швидкості.

3. Світло і тінь

Подумайте, як швидко може переміщатися тінь. Якщо лампа близько, то тінь твого пальця на дальній стіні рухається набагато швидше, ніж рухається палець. При русі пальця паралельно стіні, швидкість тіні в D / d раз більше, ніж швидкість пальця. тут d - відстань від лампи до пальця, а D - від лампи до стіни. Швидкість буде ще більше, якщо стіна розташована під кутом. Якщо стіна дуже далеко, то рух тіні буде відставати за часом від руху пальця, так як світла потрібен час, щоб досягти стіни, але швидкість переміщення тіні по стіні збільшиться ще більше. Швидкість тіні не обмежена швидкістю світла.

Інший об'єкт, який може переміщатися швидше за світло - світлове пляма від лазера, спрямованого на Місяць. Відстань до Місяця 385000 км. Ви можете самі розрахувати швидкість переміщення світлової плями по поверхні Місяця при невеликих коливаннях лазерної указки в вашій руці. Вам також може сподобатися приклад з хвилею, що набігає на пряму лінію пляжу під невеликим кутом. З якою швидкістю може переміщатися уздовж пляжу точка перетину хвилі і берега?

Всі ці речі можуть відбуватися в природі. Наприклад, промінь світла від пульсара може пробігти вздовж пилової хмари. Потужний вибух може створити сферичні хвилі світла або радіації. Коли ці хвилі перетинаються з будь-якої поверхнею, на цій поверхні виникають світлові кола, які розширюються швидше за світло. Таке явище спостерігається, наприклад, коли електромагнітний імпульс від спалаху блискавки проходить через верхні шари атмосфери.

4. Тверде тіло

Якщо у вас є довгий жорсткий стрижень, і ви вдарите по одному кінця стрижня, то хіба інший кінець не спаде на рух негайно? Хіба це не спосіб надсвітовою передачі інформації?

Це було б правильно, якби існували ідеально жорсткі тіла. Практично, удар передається вздовж стрижня зі швидкістю звуку, яка залежить від пружності і щільності матеріалу стержня. Крім того теорія відносності обмежує можливі швидкості звуку в матеріалі величиною c .

Цей же принцип діє, якщо ви тримаєте вертикально струну або стрижень, відпускаєте його, і він починає падати під дією сили тяжіння. Верхній кінець, який ви відпустили, починає падати негайно, але нижній кінець почне рух тільки через деякий час, так як зникнення утримує сили передається вниз по стрижні зі швидкістю звуку в матеріалі.

Формулювання релятивістської теорії пружності досить складна, але загальну ідею можна ілюструвати з використанням ньютонівської механіки. Рівняння поздовжнього руху ідеально-пружного тіла можна вивести із закону Гука. Позначимо лінійну щільність стрижня ρ , Модуль пружності Юнга Y . поздовжнє зміщення X задовольняє хвильовому рівнянню

ρ · d 2 X / dt 2 - Y · d 2 X / dx 2 \u003d 0

Рішення у вигляді плоских хвиль переміщається зі швидкістю звуку s , Яка визначається з формули s 2 \u003d Y / ρ . Хвильове рівняння не дозволяє збурень середовища переміщатися швидше, ніж зі швидкістю s . Крім того, теорія відносності дає межа величиною пружності: Y< ρc 2 . Практично, жоден відомий матеріал не наближається до цієї межі. Врахуйте також, що якщо навіть швидкість звуку близька до c , То сама речовина не обов'язково рухається з релятивістської швидкістю.

Хоча в природі немає твердих тіл, існує рух твердих тіл , Яке можна використовувати для подолання швидкості світла. Ця тема відноситься до вже описаного розділу тіней і світлових плям. (Див. The Superluminal Scissors, The Rigid Rotating Disk in Relativity).

5. Фазова швидкість

хвильове рівняння
d 2 u / dt 2 - c 2 · d 2 u / dx 2 + w 2 · u \u003d 0

має рішення у вигляді
u \u003d A · cos (ax - bt), c 2 · a 2 - b 2 + w 2 \u003d 0

Це синусоїдальні хвилі, що поширюються зі швидкістю v
v \u003d b / a \u003d sqrt (c 2 + w 2 / a 2)

Але це більше, ніж c. Може це рівняння для тахіон? (Див. Далі розділ). Ні, це звичайне релятивістське рівняння для частинки з масою.

Щоб усунути парадокс потрібно розрізняти "фазову швидкість" v ph, і "групову швидкість" v gr, причому
v ph · v gr \u003d c 2

Рішення у вигляді хвилі може мати дисперсію по частоті. При цьому хвильової пакет рухається з груповою швидкістю, яка менше, ніж c . За допомогою хвильового пакета можна передавати інформацію тільки з груповою швидкістю. Хвилі в хвильовому пакеті рухаються з фазової швидкістю. Фазова швидкість - ще один приклад сверхсветового руху, яке не можна використовувати для передачі повідомлень.

6. сверхсветовое галактики

7. Релятивістська ракета

Нехай спостерігач на Землі бачить космічний корабель, що віддаляється зі швидкістю 0.8c Відповідно до теорією відносності, Він побачить, що годинник на космічному кораблі йдуть повільніше в 5/3 рази. Якщо розділити відстань до корабля на час польоту по бортовим годинах, то отримаємо швидкість 4 / 3c . Спостерігач робить висновок, що, використовуючи свої бортові годинник, пілот корабля теж визначить, що летить зі сверхсветовой швидкістю. З точки зору пілота його годинник йде нормально, а міжзоряний простір стислося в 5/3 рази. Тому він пролітає відомі відстані між зірками швидше, зі швидкістю 4 / 3c .

Але це все-таки не надсвітовою політ. Не можна розраховувати швидкість, використовуючи відстань і час, певні в різних системах відліку.

8. Швидкість гравітації

Деякі наполягають, що швидкість гравітації набагато більше c або навіть нескінченна. Подивіться Does Gravity Travel at the Speed \u200b\u200bof Light? і What is Gravitational Radiation? Гравітаційні обурення і гравітаційні хвилі поширюються зі швидкістю c .

9. Парадокс ЕПР

10. Віртуальні фотони

11. Квантовий тунельний ефект

В квантовій механіці тунельний ефект дозволяє частці подолати бар'єр, навіть якщо її енергії для цього не вистачає. Можна розрахувати час тунелювання через такий бар'єр. І воно може виявитися менше, ніж потрібно світла для подолання такого ж відстані зі швидкістю c . Чи можна це використовувати для передачі повідомлень швидше за світло?

Квантова електродинаміка каже "Ні!" Проте, виконаний експеримент, який продемонстрував сверхсветовое передачу інформації за допомогою тунельного ефекту. Через бар'єр шириною 11.4 см зі швидкістю 4.7 c передана Сорокова симфонія Моцарта. Пояснення цього експерименту дуже суперечливо. Більшість фізиків вважають, що за допомогою тунельного ефекту можна передати інформацію швидше за світло. Якби це було можливо, то чому не передати сигнал в минуле, помістивши обладнання в швидко переміщається систему відліку.

17. Квантова теорія поля

За винятком гравітації, все спостережувані фізичні явища відповідають "Стандартної моделі". Стандартна модель - це релятивістська квантова теорія поля, яка пояснює електромагнітні і ядерні взаємодії, а також всі відомі частинки. У цій теорії будь-яка пара операторів, відповідних фізичним спостережуваним, розділеним пространственноподобним інтервалом подій, "комутує" (тобто, можна поміняти порядок цих операторів). В принципі, це має на увазі, що в стандартній моделі вплив не може поширюватися швидше за світло, і це можна вважати квантово-польових еквівалентом аргументу про нескінченну енергії.

Однак в квантової теорії поля Стандартної моделі немає бездоганно строгих доказів. Ніхто поки навіть не довів, що ця теорія внутрішньо несуперечлива. Швидше за все, це не так. У всякому разі, немає гарантії, що не існує якихось поки не відкритих частинок або сил, які не підкоряються забороні на сверхсветовое переміщення. Немає також і узагальнення цієї теорії, що включає гравітацію і загальну теорію відносності. Багато фізиків, що працюють в галузі квантової гравітації, сумніваються, що прості уявлення про причинності і локальності будуть узагальнені. Немає гарантії, що в майбутньої більш повної теорії швидкість світла збереже сенс граничній швидкості.

18. Парадокс дідуся

У спеціальній теорії відносності частка, що летить швидше за світло в одній системі відліку, рухається назад в часі в іншій системі відліку. Сверхсветовое переміщення або передача інформації давали б можливість подорожі або відправки повідомлення в минуле. Якби таку подорож у часі було можливо, то ви могли б повернутися в минуле і змінити хід історії, убивши свого дідуся.

Це дуже серйозний аргумент проти можливості сверхсветового переміщення. Правда залишається майже неправдоподібна ймовірність, що можливі якісь обмежені сверхсветовие переміщення, що не допускають повернення в минуле. Або, може бути, подорожі в часі можливі, але причинність порушується якимось несуперечливим чином. Все це дуже неправдоподібно, але якщо ми обговорюємо сверхсветовие переміщення, то краще бути готовим до нових ідей.

Вірно і зворотне. Якби ми могли переміститися в минуле, то змогли б подолати швидкість світла. Можна повернутися в минуле, полетіти кудись з невеликою швидкістю, і прибути туди раніше, ніж прибуде світло, відправлений звичайним чином. Дивіться подробиці на цю тему в Time Travel.

Відкриті питання сверхсветових подорожей

В цьому останньому розділі я опишу кілька серйозних ідей про можливе переміщення швидше за світло. Ці теми не часто включають в FAQ, тому що вони більше схожі не на відповіді, а на безліч нових питань. Вони включені сюди, щоб показати, що в цьому напрямку проводяться серйозні дослідження. Дається тільки короткий введення в тему. Подробиці ви можете знайти в інтернеті. Як і до всього в інтернеті, ставитеся до них критично.

19. ТАХІОН

Тахіони - це гіпотетичні частинки, локально переміщаються швидше за світло. Для цього вони повинні мати уявну величину маси. При цьому енергія і імпульс ТАХІОН - реальні величини. Немає підстав вважати, що сверхсветовие частки неможливо виявити. Тіні і світлові плями можуть переміщатися швидше за світло і їх можна виявити.

Поки тахіони не знайдені, і фізики сумніваються в їх існуванні. Були заяви, що в експериментах по вимірюванню маси нейтрино, що народжуються при бета-розпаді тритію, нейтрино були ТАХІОН. Це сумнівно, але поки остаточно не спростовано.

В теорії тахіон є проблеми. Крім можливого порушення причинності, тахіони також роблять вакуум нестабільним. Може бути вдасться обійти ці труднощі, але і тоді ми не зможемо використовувати тахіони для надсвітовою передачі повідомлень.

Більшість фізиків вважає, що поява тахіон в теорії - ознака якихось проблем цієї теорії. Ідея тахіон так популярна у публіки просто тому, що вони часто згадуються в фантастичній літературі. Дивіться Tachyons.

20. Кротячі нори

Найвідоміший спосіб глобального сверхсветового подорожі - використання "кротячих нір". Кротова нора - це проріз в просторі-часі з однієї точки всесвіту в іншу, яка дозволяє пройти від одного кінця нори до іншого швидше, ніж за звичайним шляху. Кротові нори описуються загальною теорією відносності. Для їх створення потрібно змінити топологію простору-часу. Може бути, це стане можливим в рамках квантової теорії гравітації.

Щоб утримувати Кротова нору відкритою, потрібні області простору з негативною енергій. C.W.Misner і K.S.Thorne запропонували для створення негативної енергії використовувати ефект Казимира у великому масштабі. Visser запропонував використовувати для цього космічні струни. Це дуже умоглядні ідеї, і може бути, це неможливо. Може бути, необхідна форма екзотичної матерії з негативною енергією не існує.

Доктор технічних наук А. ГОЛУБЄВ.

В середині минулого року в журналах з'явилося сенсаційне повідомлення. Група американських дослідників виявила, що дуже короткий лазерний імпульс рухається в особливим чином підібраною середовищі в сотні разів швидше, ніж у вакуумі. Це явище здавалося абсолютно неймовірним (швидкість світла в середовищі завжди менше, ніж у вакуумі) і навіть породило сумніви в справедливості спеціальної теорії відносності. Тим часом надсвітовою фізичний об'єкт - лазерний імпульс в підсилює середовищі - був вперше виявлений не у 2000 році, а на 35 років раніше, в 1965 році, і можливість сверхсветового руху широко обговорювалася до початку 70-х років. Сьогодні дискусія навколо цього дивного явища спалахнула з новою силою.

Приклади "сверхсветового" руху.

На початку 60-х років короткі світлові імпульси великої потужності стали отримувати, пропускаючи через квантовий підсилювач (середу з інверсної заселеністю) лазерну спалах.

У підсилює середовищі початкова область світлового імпульсу викликає вимушене випромінювання атомів середовища підсилювача, а кінцева його область - поглинання ними енергії. В результаті спостерігачеві буде здаватися, що імпульс рухається швидше за світло.

Експеримент Ліджуна Вонга.

Промінь світла, що проходить крізь призму з прозорого матеріалу (наприклад, скла), заломлюється, тобто відчуває дисперсію.

Світловий імпульс являє собою набір коливань різної частоти.

Напевно, всім - навіть людям, далеким від фізики, - відомо, що гранично можливою швидкістю руху матеріальних об'єктів або розповсюдження будь-яких сигналів є швидкість світла у вакуумі. Вона позначається літерою з і становить майже 300 тисяч кілометрів на секунду; точна величина з \u003d 299 792 458 м / с. Швидкість світла у вакуумі - одна з фундаментальних фізичних констант. Неможливість досягнення швидкостей, що перевищують з, Випливає зі спеціальної теорії відносності (СТО) Ейнштейна. Якби вдалося довести, що можлива передача сигналів з надсвітовою швидкістю, теорія відносності впала б. Поки що цього не сталося, незважаючи на численні спроби спростувати заборона на існування швидкостей, великих з. Однак в експериментальних дослідженнях останнього часу було виявлено окремі вельми цікаві явища, які свідчать про те, що при спеціально створених умовах можна спостерігати сверхсветовие швидкості і при цьому принципи теорії відносності не порушуються.

Для початку нагадаємо основні аспекти, що стосуються проблеми швидкості світла. Перш за все: чому не можна (при звичайних умовах) перевищити світловий межа? Тому, що тоді порушується фундаментальний закон нашого світу - закон причинності, відповідно до якого слідство не може випереджати причину. Ніхто ніколи не чув од, щоб, наприклад, спочатку замертво впав ведмідь, а потім вистрілив мисливець. При швидкостях ж, що перевищують з, Послідовність подій стає зворотним, стрічка часу відмотується назад. У цьому легко переконатися з наступного простого міркування.

Припустимо, що ми знаходимося на якомусь космічному чудо-кораблі, що рухається швидше за світло. Тоді ми поступово наздоганяли б світло, випущений джерелом у все більш і більш ранні моменти часу. Спочатку ми наздогнали б фотони, випущені, скажімо, вчора, потім - випущені позавчора, потім - тиждень, місяць, рік назад і так далі. Якби джерелом світла було дзеркало, що відбиває життя, то ми спочатку побачили б події вчорашнього дня, потім позавчорашнього і так далі. Ми могли б побачити, скажімо, старого, який поступово перетворюється в людини середнього віку, потім в молодого, в юнака, в дитини ... Тобто час повернуло б назад, ми рухалися б із сьогодення в минуле. Причини і наслідки при цьому помінялися б місцями.

Хоча в цьому міркуванні повністю ігноруються технічні деталі процесу спостереження за світлом, з принципової точки зору воно наочно демонструє, що рух зі сверхсветовой швидкістю призводить до неможливою в нашому світі ситуації. Однак природа поставила ще більш жорсткі умови: недосяжно рух не тільки з надсвітовою швидкістю, але і зі швидкістю, яка дорівнює швидкості світла, - до неї можна тільки наближатися. З теорії відносності випливає, що при збільшенні швидкості руху виникають три обставини: зростає маса рухомого об'єкту, зменшується його розмір у напрямку руху і сповільнюється протягом часу на цьому об'єкті (з точки зору зовнішнього "покоїться" спостерігача). При звичайних швидкостях ці зміни дуже малі, але в міру наближення до швидкості світла вони стають все відчутніше, а в межі - при швидкості, що дорівнює з, - маса стає нескінченно великою, об'єкт повністю втрачає розмір в напрямку руху і час на ньому зупиняється. Тому ніяке матеріальне тіло не може досягти швидкості світла. Такий швидкістю володіє тільки сам світло! (А також "всепроникна" частка - нейтрино, яка, як і фотон, не може рухатися зі швидкістю, меншою с.)

Тепер про швидкість передачі сигналу. Тут доречно скористатися поданням світла у вигляді електромагнітних хвиль. Що таке сигнал? Це якась інформація, що підлягає передачі. Ідеальна електромагнітна хвиля - це нескінченна синусоїда строго однієї частоти, і вона не може нести ніякої інформації, бо кожен період такої синусоїди в точності повторює попередній. Швидкість переміщення фази cінусоідальной хвилі - так звана фазова швидкість - може в середовищі при певних умовах перевищувати швидкість світла у вакуумі. Тут обмеження відсутні, так як фазова швидкість не є швидкістю сигналу - його ще немає. Щоб створити сигнал, треба зробити якусь "позначку" на хвилі. Такий відміткою може бути, наприклад, зміна будь-якого з параметрів хвилі - амплітуди, частоти або початкової фази. Але як тільки відмітка зроблена, хвиля втрачає синусоидальность. Вона стає модульованим, що складається з набору простих синусоїдальних хвиль з різними амплітудами, частотами і початковими фазами - групи хвиль. Швидкість переміщення позначки в модульованої хвилі і є швидкістю сигналу. При поширенні в середовищі ця швидкість зазвичай збігається з груповою швидкістю, що характеризує поширення вищезгаданої групи хвиль в цілому (див. "Наука і життя" № 2, 2000 г.). При звичайних умовах групова швидкість, а отже, і швидкість сигналу менше швидкості світла у вакуумі. Тут не випадково вжито вислів "при звичайних умовах", бо в деяких випадках і групова швидкість може перевищувати з або взагалі втрачати сенс, але тоді вона не відноситься до поширення сигналу. В СТО встановлюється, що неможлива передача сигналу зі швидкістю, більшою з.

Чому це так? Тому, що перешкодою для передачі будь-якого сигналу зі швидкістю більше зслужить все той же закон причинності. Уявімо собі таку ситуацію. В деякій точці А світлова спалах (подія 1) включає пристрій, що посилає якийсь радіосигнал, а у віддаленій точці В під дією цього сигналу відбувається вибух (подія 2). Зрозуміло, що подія 1 (спалах) - причина, а подія 2 (вибух) - наслідок, наступає пізніше причини. Але якби радіосигнал поширювався з надсвітовою швидкістю, спостерігач поблизу точки В побачив би спочатку вибух, а вже потім - дійшла до нього зі швидкістю з світловий спалах, причину вибуху. Іншими словами, для цього спостерігача подія 2 зроблю її раніше, ніж подія 1, тобто наслідок випередило б причину.

Доречно підкреслити, що "надсвітовою заборона" теорії відносності накладається тільки на рух матеріальних тіл і передачу сигналів. У багатьох ситуаціях можливий рух з будь-якою швидкістю, але це буде рух нематеріальних об'єктів і не сигналів. Наприклад, уявімо собі дві лежать в одній площині досить довгі лінійки, одна з яких розташована горизонтально, а інша перетинає її під малим кутом. Якщо першу лінійку рухати вниз (в напрямку стрілки) з великою швидкістю, точку перетину лінійок можна змусити бігти як завгодно швидко, проте ту саму точку - не матеріальне тіло. Інший приклад: якщо взяти ліхтарик (або, скажімо, лазер, що дає вузький промінь) і швидко описати їм в повітрі дугу, то лінійна швидкість світлового зайчика буде збільшуватися з відстанню і на досить великій відстані перевищить с.Світлове пляма переміститься між точками А і В з надсвітовою швидкістю, але це не буде передачею сигналу з А в В, так як такий світловий зайчик не несе ніякої інформації про точку А.

Здавалося б, питання про сверхсветових швидкостях вирішене. Але в 60-х роках двадцятого століття фізиками-теоретиками була висунута гіпотеза існування сверхсветових частинок, названих ТАХІОН. Це дуже дивні частинки: теоретично вони можливі, але щоб уникнути протиріч з теорією відносності їм довелося приписати уявну масу спокою. Фізично уявна маса не існує, це чисто математична абстракція. Однак це не викликало особливої \u200b\u200bтривоги, оскільки тахіони не можуть перебувати в спокої - вони існують (якщо існують!) Тільки при швидкостях, що перевищують швидкість світла у вакуумі, а в цьому випадку маса ТАХІОН виявляється речової. Тут є деяка аналогія з фотонами: у фотона маса спокою дорівнює нулю, але це просто означає, що фотон не може перебувати в спокої - світло не можна зупинити.

Найбільш складним виявилося, як і слід було очікувати, примирити ТАХІОН гіпотезу з законом причинності. Спроби, що вживали в цьому напрямку, хоча і були досить дотепними, не привели до явного успіху. Експериментально зарегистриро вать тахіони також нікому не вдалося. У підсумку інтерес до ТАХІОН як до сверхсветовое елементарних частинок поступово зійшов нанівець.

Однак в 60-х же роках було експериментально виявлено явище, спочатку призвело фізиків в замішання. Про це докладно розказано в статті А. Н. Ораевскій "сверхсветовое хвилі в підсилюють середовищах" (УФН № 12, 1998 г.). Тут ми коротко наведемо суть справи, відсилаючи читача, який цікавиться подробицями, до зазначеної статті.

Незабаром після відкриття лазерів - на початку 60-х років - виникла проблема отримання коротких (тривалістю близько 1 нс \u003d 10 -9 с) імпульсів світла великої потужності. Для цього короткий лазерний імпульс пропускався через оптичний квантовий підсилювач. Імпульс розщеплювався светоделі тельним дзеркалом на дві частини. Одна з них, більш потужна, прямувала в підсилювач, а інша поширювалася в повітрі і служила опорним імпульсом, з яким можна було порівнювати імпульс, який пройшов через підсилювач. Обидва імпульсу подавалися на фотоприймачі, а їх вихідні сигнали могли візуально спостерігатися на екрані осцилографа. Очікувалося, що світловий імпульс, що проходить через підсилювач, зазнає в ньому деяку затримку в порівнянні з опорним імпульсом, тобто швидкість поширення світла в підсилювачі буде менше, ніж в повітрі. Яке ж було здивування дослідників, коли вони виявили, що імпульс поширювався через підсилювач зі швидкістю не тільки більшою, ніж в повітрі, а й перевищує швидкість світла у вакуумі в кілька разів!

Оговтавшись від першого шоку, фізики стали шукати причину такого несподіваного результату. Ні у кого не виникло навіть найменшого сумніву в принципах спеціальної теорії відносності, і саме це допомогло знайти правильне пояснення: якщо принципи СТО зберігаються, то відповідь слід шукати у властивостях підсилює середовища.

Не вдаючись тут у деталі, зазначимо лише, що докладний аналіз механізму дії підсилює середовища повністю прояснив ситуацію. Справа полягала в зміні концентрації фотонів при поширенні імпульсу - зміні, обумовленому зміною коефіцієнта посилення середовища аж до від'ємного значення при проходженні задньої частини імпульсу, коли середовище вже поглинає енергію, бо її власний запас вже витрачено внаслідок передачі її світловому імпульсу. Поглинання викликає не посилення, а ослаблення імпульсу, і, таким чином, імпульс виявляється посиленим в передній і ослабленим в задній його частині. Уявімо собі, що ми спостерігаємо за імпульсом за допомогою приладу, що рухається зі швидкістю світла в середовищі підсилювача. Якби середовище було прозорою, ми бачили б застиглий в нерухомості імпульс. У середовищі ж, в якій відбувається згаданий вище процес, посилення переднього і ослаблення заднього фронту імпульсу буде представлятися спостерігачеві так, що навколишнє середовище як би посунула імпульс вперед. Але раз прилад (спостерігач) рухається зі швидкістю світла, а імпульс обганяє його, то швидкість імпульсу перевищує швидкість світла! Саме цей ефект і був зареєстрований експериментаторами. І тут дійсно немає протиріччя з теорією відносності: просто процес посилення такий, що концентрація фотонів, які вийшли раніше, виявляється більше, ніж вийшли пізніше. З надсвітовою швидкістю переміщаються НЕ фотони, а огинає імпульсу, зокрема його максимум, який і спостерігається на осцилографі.

Таким чином, в той час як в звичайних середовищах завжди відбувається ослаблення світла і зменшення його швидкості, яке визначається показником заломлення, в активних лазерних середовищах спостерігається не тільки посилення світла, а й поширення імпульсу з надсвітовою швидкістю.

Деякі фізики намагалися експериментально довести наявність сверхсветового руху при тунельному ефекті - одному з найбільш дивовижних явищ в квантовій механіці. Цей ефект полягає в тому, що мікрочастинка (точніше кажучи, мікрооб'єкт, в різних умовах виявляє як властивості частинки, так і властивості хвилі) здатна проникати через так званий потенційний бар'єр - явище, абсолютно неможливе в класичній механіці (в якій аналогом була б така ситуація : кинутий в стіну м'яч опинився б за іншу сторону стіни або ж хвилеподібний рух, придане прив'язаною до стіни мотузці, передавалося б мотузці, прив'язаної до стіни з іншого боку). Сутність тунельного ефекту в квантовій механіці полягає в наступному. Якщо мікрооб'єкт, що володіє певною енергією, зустрічає на своєму шляху область з потенційною енергією, що перевищує енергію мікрооб'єкту, ця область є для нього бар'єром, висота якого визначається різницею енергій. Але мікрооб'єкт "просочується" через бар'єр! Таку можливість дає йому відоме співвідношення невизначеностей Гейзенбер га, записане для енергії і часу взаємодії. Якщо взаємодія мікрооб'єкту з бар'єром відбувається протягом досить певного часу, то енергія мікрооб'єкту буде, навпаки, характеризуватися невизначеністю, і якщо ця невизначений ність буде порядку висоти бар'єру, то останній перестає бути для мікрооб'єкту непереборною перешкодою. Ось швидкість проникнення через потенційний бар'єр і стала предметом досліджень ряду фізиків, які вважають, що вона може перевищувати з.

У червні 1998 року в КЈльне відбувся міжнародний симпозіум з проблем сверхсветових рухів, де обговорювалися результати, отримані в чотирьох лабораторіях - в Берклі, Відні, КЈльне і у Флоренції.

І, нарешті, у 2000 році з'явилися повідомлення про двох нових експериментах, в яких проявилися ефекти сверхсветового поширення. Один з них виконав Ліджун Вонг з співробітниками в дослідницькому інституті в Прінстоні (США). Його результат полягає в тому, що світловий імпульс, що входить в камеру, наповнену парами цезію, збільшує свою швидкість в 300 разів. Виходило, що головна частина імпульсу виходить з дальньої стінки камери навіть раніше, ніж імпульс входить в камеру через передню стінку. Така ситуація суперечить не тільки здоровому глузду, але, по суті, і теорії щодо відповідності ності.

Повідомлення Л. Вонга викликало інтенсивне обговорення в колі фізиків, більшість яких не схильні бачити в отриманих результатах порушення принципів щодо сти. Завдання полягає в тому, вважають вони, щоб правильно пояснити цей експеримент.

В експерименті Л.Вонга світловий імпульс, що входить в камеру з парами цезію, мав тривалість близько 3 мкс. Атоми цезію можуть перебувати в шістнадцяти можливих квантовомеханических станах, званих "надтонкі магнітні підрівні основного стану". За допомогою оптичної лазерної накачування майже всі атоми наводилися лише в одне з цих шістнадцяти станів, відповідне майже абсолютного нуля температури за шкалою Кельвіна (-273,15 про C). Довжина цезієвої камери становила 6 сантиметрів. У вакуумі світло проходить 6 сантиметрів за 0,2 нс. Через камеру же з цезієм, як показали виконані вимірювання, світловий імпульс проходив за час на 62 нс менше, ніж у вакуумі. Іншими словами, час проходження імпульсу через цезієві середу має знак "мінус"! Дійсно, якщо з 0,2 нс відняти 62 нс, отримаємо "негативний" час. Ця "негативна затримка" в середовищі - незбагненний тимчасової стрибок - дорівнює часу, протягом якого імпульс зробив би 310 проходів через камеру в вакуумі. Наслідком цього "тимчасового перевороту" стало те, що виходить з камери імпульс встиг віддалитися від неї на 19 метрів, перш ніж приходить імпульс досяг ближньої стінки камери. Як же можна пояснити таку неймовірну ситуацію (якщо, звичайно, не сумніватися в чистоті експерименту)?

Судячи з розгорнутої дискусії, точне пояснення ще не знайдено, але безсумнівно, що тут грають роль незвичайні дисперсійні властивості середовища: пари цезію, що складаються з порушених лазерним світлом атомів, представляють собою середовище з аномальною дисперсією. Нагадаємо коротко, що це таке.

Дисперсією речовини називається залежність фазового (звичайного) показника заломлення nвід довжини хвилі світла l. При нормальній дисперсії показник заломлення збільшується зі зменшенням довжини хвилі, і це має місце в склі, воді, повітрі та всіх інших прозорих для світла речовинах. У речовинах ж, сильно поглинають світло, хід показника заломлення зі зміною довжини хвилі змінюється на зворотний і стає набагато крутіше: при зменшенні l (збільшенні частоти w) показник заломлення різко зменшується і в деякій області довжин хвиль стає менше одиниці (фазова швидкість V ф\u003e з). Це і є аномальна дисперсія, при якій картина поширення світла в речовині змінюється радикально. групова швидкість V гр стає більше фазової швидкості хвиль і може перевищити швидкість світла у вакуумі (а також стати негативною). Л. Вонг вказує на цю обставину як на причину, що лежить в основі можливості пояснення результатів його експерименту. Слід, однак, зауважити, що умова V гр\u003e зє чисто формальним, так як поняття групової швидкості введено для випадку малої (нормальної) дисперсії, для прозорих середовищ, коли група хвиль при поширенні майже не змінює своєї форми. В областях же аномальної дисперсії світловий імпульс швидко деформується і поняття групової швидкості втрачає сенс; в цьому випадку вводяться поняття швидкості сигналу і швидкості поширення енергії, які в прозорих середовищах збігаються з груповою швидкістю, а в середовищах з поглинанням залишаються менше швидкості світла у вакуумі. Але ось що цікаво в експерименті Вонга: світловий імпульс, пройшовши через середовище з аномальною дисперсією, не деформується - він в точності зберігає свою форму! А це відповідає допущенню про поширення імпульсу з груповий швидкістю. Але якщо так, то виходить, що в середовищі відсутня поглинання, хоча аномальна дисперсія середовища обумовлена \u200b\u200bсаме поглинанням! Сам Вонг, визнаючи, що багато ще залишається неясним, вважає, що те, що відбувається в його експериментальній установці можна в першому наближенні наочно пояснити наступним чином.

Світловий імпульс складається з безлічі складових з різними довжинами хвиль (частотами). На малюнку показані три з цих складових (хвилі 1-3). В деякій точці всі три хвилі перебувають у фазі (їх максимуми збігаються); тут вони, складаючись, підсилюють один одного і утворюють імпульс. У міру подальшого поширення в просторі хвилі расфазіруются і тим самим "гасять" один одного.

В області аномальної дисперсії (всередині цезієвої осередки) хвиля, яка була коротшою (хвиля 1), стає довшим. І навпаки, хвиля, колишня найдовшою з трьох (хвиля 3), стає найкоротшою.

Отже, відповідно змінюються і фази хвиль. Коли хвилі пройшли через цезієві осередок, їх хвильові фронти відновлюються. Зазнавши незвичайну фазову модуляцію в речовині з аномальною дисперсією, три розглянуті хвилі знову опиняються в фазі в деякій точці. Тут вони знову складаються і утворюють імпульс точно такої ж форми, як і входить в цезієві середу.

Зазвичай в повітрі і фактично в будь-який прозорому середовищі з нормальною дисперсією світловий імпульс не може точно зберігати свою форму при поширенні на віддалене відстань, тобто всі його складові не можуть бути сфазіровани в будь-якої віддаленої точки вздовж шляху поширення. І в звичайних умовах світловий імпульс в такий віддаленій точці з'являється через деякий час. Однак внаслідок аномальних властивостей використаної в експерименті середовища імпульс в віддаленій точці виявився сфазіровать так само, як і при вході в цю середу. Таким чином, світловий імпульс поводиться так, як якщо б він мав негативну тимчасову затримку на шляху до віддаленої точки, тобто прийшов би в неї не пізніше, а раніше, ніж пройшов середу!

Велика частина фізиків схильна пов'язувати цей результат з виникненням низкоинтенсивного передвісника в диспергирующей середовищі камери. Справа в тому, що при спектральному розкладанні імпульсу в спектрі присутні складові як завгодно високих частот з мізерно малою амплітудою, так званий провісник, що йде попереду "головної частини" імпульсу. Характер встановлення і форма передвісника залежать від закону дисперсії в середовищі. Маючи це на увазі, послідовність подій в експерименті Вонга пропонується інтерпретувати в такий спосіб. Приходить хвиля, "простягаючи" провісник перед собою, наближається до камери. Перш ніж пік хвилі, що приходить потрапить на ближню стінку камери, провісник ініціює виникнення імпульсу в камері, який доходить до дальньої стінки і відбивається від неї, утворюючи "зворотний хвилю". Ця хвиля, поширюючись в 300 разів швидше з, Досягає ближньої стінки і зустрічається з приходить хвилею. Піки однієї хвилі зустрічаються з западинами іншої, так що вони знищують один одного і в результаті нічого не залишається. Виходить, що приходить хвиля "повертає борг" атомам цезію, які "позичали" їй енергію на іншому кінці камери. Той, хто спостерігав би тільки початок і кінець експерименту, побачив би лише імпульс світла, який "стрибнув" вперед у часі, рухаючись швидше с.

Л. Вонг вважає, що його експеримент не узгоджується з теорією відносності. Твердження про недосяжність надсвітовою швидкості, вважає він, може бути застосовано тільки до об'єктів, які мають масу спокою. Світло може бути представлений або у вигляді хвиль, до яких взагалі не застосовується поняття маси, або у вигляді фотонів з масою спокою, як відомо, дорівнює нулю. Тому швидкість світла у вакуумі, вважає Вонг, не межа. Проте Вонг визнає, що виявлений їм ефект не дає можливості передавати інформацію зі швидкістю більше з.

"Інформація тут уже укладена в передньому краї імпульсу, - каже П. Мілонов, фізик з Лос-Аламоської національної лабораторії США. - І може скластися враження про надсвітовою посилці інформації, навіть коли ви її не посилаєте".

Більшість фізиків вважають, що нова робота завдає нищівного удару по фундаментальним принципам. Але не всі фізики вважають, що проблема залагоджено. Професор А. Ранфагні з італійської дослідницької групи, яка здійснила ще один цікавий експеримент 2000 року, вважає, що питання ще залишається відкритим. Цей експеримент, проведений Даніелом Мугнаі, Анедіо Ранфагні і Рокко Руггері, виявив, що радіохвилі сантиметрового діапазону в звичайному повітрі поширюються зі швидкістю, що перевищує з на 25%.

Резюмуючи, можна сказати наступне. роботи останніх років показують, що при певних умовах надсвітлова швидкість дійсно може мати місце. Але що саме рухається з надсвітовою швидкістю? Теорія відносності, як уже згадувалося, забороняє таку швидкість для матеріальних тіл і для сигналів, що несуть інформацію. Проте деякі дослідники досить наполегливо намагаються продемонструє ровать подолання світлового бар'єру саме для сигналів. Причина цього криється в тому, що в спеціальній теорії відносності немає строгого математичного обгрунтування (що базується, скажімо, на рівняннях Максвелла для електромагнітного поля) Неможливості передачі сигналів зі швидкістю більше з. Така неможливість в СТО встановлюється, можна сказати, чисто арифметично, виходячи з ейнштейнівською формули складання швидкостей, але фундаментальним чином це підтверджується принципом причинності. Сам Ейнштейн, розглядаючи питання про надсвітовою передачі сигналів, писав, що в цьому випадку "... ми змушені вважати можливим механізм передачі сигналу, при використанні якого досягається дію передує причини. Але, хоча цей результат з чисто логічної точки зору і не містить в собі, по-моєму, ніяких протиріч, він все ж настільки суперечить характеру всього нашого досвіду, що неможливість припущення V\u003e з представляється в достатній мірі доведеною ". Принцип причинності - ось той наріжний камінь, який лежить в основі неможливості надсвітовою передачі сигналів. І про цей камінь, мабуть, будуть спотикатися все без винятку пошуки сверхсветових сигналів, як би експериментаторам не хотілося такі сигнали виявити , бо така природа нашого світу.

На закінчення слід підкреслити, що все вищевикладене відноситься саме до нашого світу, до нашого Всесвіту. Таке застереження зроблено тому, що останнім часом в астрофізиці і космології з'являються нові гіпотези, що допускають існування безлічі прихованих від нас Всесвітів, з'єднаних топологічними тунелями -Перемички. Такої точки зору дотримується, наприклад, відомий астрофізик Н. С. Кардашев. Для зовнішнього спостерігача входи в ці тунелі позначаються аномальними полями тяжіння, подібно чорних дірок. Переміщення в таких тунелях, як припускають автори гіпотез, дозволять обійти обмеження швидкості руху, накладаючи емое в звичайному просторі швидкістю світла, і, отже, реалізувати ідею про створення машини часу ... Не виключено, що в подібних Всесвітів дійсно можуть відбуватися незвичайні для нас речі. І хоча поки що такі гіпотези надто вже нагадують сюжети з наукової фантастики, навряд чи слід категорично відкидати принципову можливість багатоелементної моделі пристрою матеріального світу. Інша справа, що всі ці інші Всесвіти, швидше за все, залишаться суто математичними побудовами фізиків-теоретиків, які живуть в нашому Всесвіті і силою своєї думки намагаються намацати закриті для нас світи ...

Див. В номері на ту ж тему

Швидкість поширення світла дорівнює 299 792 458 метрів в секунду, але граничною величиною вона давно вже не є. «Футурист» зібрав 4 теорії, де світло вже не Міхаель Шумахер.

Американський вчений японського походження, фахівець в галузі теоретичної фізики Митио Каку впевнений, що швидкість світла цілком може бути подолана.

великий вибух

Найвідомішим прикладом, коли був подоланий світловий бар'єр, Митио Каку називає Великий вибух - надшвидкий «хлопок», що став початком розширення Всесвіту, до якого вона перебувала в сингулярному стані.

«Жоден матеріальний об'єкт не може подолати світловий бар'єр. Але порожній простір, безумовно, може рухатися швидше за світло. Ніщо не може бути більш порожнім, ніж вакуум, значить він може розширюватися швидше за швидкість світла », - упевнений учений.

Ліхтарик в нічному небі

Якщо світити ліхтарем в нічному небі, то в принципі промінь, який йде з однієї частини Всесвіту в іншу, що знаходиться на відстані багатьох світлових років, може рухатися швидше за швидкість світла. Проблема в тому, що в цьому випадку не буде матеріального об'єкта, який дійсно рухається швидше за світло. Уявіть, що ви оточені гігантської сферою діаметром один світловий рік. Зображення променя світла промчить по цій сфері за лічені секунди, не дивлячись на її розміри. Але тільки зображення променя може рухатися по нічному небу швидше за світло, а не інформація або матеріальний об'єкт.

квантова заплутаність

Швидше за швидкість світла може бути не якийсь об'єкт, а ціле явище, а точніше взаємозв'язок, яка називається квантовою заплутаністю. Це квантовомеханічної явище, при якому квантові стану двох або декількох об'єктів взаємозалежні. Щоб отримати пару квантовозапутанних фотонів, можна посвітити на нелінійний кристал лазером з певними частотою та інтенсивністю. В результаті розсіювання лазерного променя, виникнуть фотони в двох різних конусах поляризації, зв'язок між якими і буде називатися квантової заплутаністю. Отже, квантова заплутаність - це один способів взаємодії субатомних частинок, і процес зв'язку з цим може відбуватися швидше за світло.

«Якщо два електрона звести разом, вони будуть вібрувати в унісон, відповідно до квантової теорії. Але якщо потім розділити ці електрони безліччю світлових років, вони все одно будуть підтримувати зв'язок один з одним. Якщо похитнути один електрон, інший відчує цю вібрацію, причому станеться це швидше за швидкість світла. Альберт Ейнштейн думав, що це явище спростує квантову теорію, тому що ніщо не може рухатися швидше за світло, але насправді він помилявся », - каже Митио Каку.

кротові нори

Тема подолання швидкості світла обігрується в багатьох науково-фантастичних фільмах. Зараз навіть у тих, хто далекий від астрофізики, на слуху словосполучення « кротова нора», Завдяки фільму« Інтерстеллар ». Це особливе викривлення в системі простір-час, тунель в просторі, що дозволяє долати величезні відстані за мізерно малий час.

Про таких викривленнях говорять не тільки сценаристи фільмів, а й вчені. Митио Каку вважає, що Кротова нора (wormhole), або, як її ще називають, червоточина - один з двох найбільш реальних способів передавати інформацію швидше, ніж зі швидкістю світла.

Другий спосіб, пов'язаний також із змінами матерії - стиснення простору попереду вас і розширення позаду. У цьому деформованому просторі виникає хвиля, яка рухається швидше за швидкість світла, якщо управляється темною матерією.

Таким чином, єдиний реальний шанс для людини навчитися долати світловий бар'єр може ховатися в загальній теорії відносності та викривленні простору і часу. Однак все впирається в ту саму темну матерію: ніхто так і не знає, чи існує вона точно, і стабільні чи кротові нори.

Але виявилося, що можна; тепер вважають, що ми ніколи не сомжем подорожувати швидше за світло ... ". Але насправді це неправда, що хтось колись вважав, що рухатися швидше звуку неможливо. Задовго до того, як з'явилися надзвукові літаки вже було відомо, що швидше звуку летять кулі. Реально ж йшлося про те, що неможливий керований надзвуковий політ, і помилка була в цьому. СС рух - це зовсім інша справа. З самого початку було ясно, що надзвуковому польоту перешкоджають технічні проблеми, які треба було просто вирішити. Але зовсім неясно, чи можна коли-небудь буде вирішити проблеми, що перешкоджають СС руху. Теорія відносності може багато чого сказати на цей рахунок. Якщо буде можливо СС подорож або навіть передача сигналу, то буде порушена причинність, а з цього підуть зовсім неймовірні висновки.

Спочатку ми обговоримо прості випадки СС руху. Ми згадуємо їх не тому, що вони цікаві, а тому, що вони знову і знову спливають в обговореннях СС руху і тому з ними доводиться мати справу. Потім ми обговоримо те, що ми вважаємо складними випадками СС руху або спілкування і розглянемо деякі аргументи проти них. Нарешті, ми розглянемо найбільш серйозні припущення про сьогодення СС русі.

Просте СС рух

1. Явище черенковского випромінювання

Один спосіб рухатися швидше за світло полягає в тому, щоб спершу уповільнити сам світло! :-) В вакуумі світло летить зі швидкістю c, І ця величина є світовою постійної (див. Питання Постійна чи швидкість світла), а в більш щільному середовищі начебто води або скла - сповільнюється до швидкості c / n, де n - це показник заломлення середовища (1,0003 у повітря; 1,4 у води). Тому частинки можуть рухатися у воді або повітрі швидше, ніж там рухається світло. В результаті виникає випромінювання Вавилова-Черенкова (див. Питання).

Але коли ми говоримо про СС русі, ми, звичайно, маємо на увазі перевищення над швидкістю світла у вакуумі c (299 792 458 м / с). Тому явище Черенкова не може вважатися прикладом СС руху.

2. З третього боку

якщо ракета А летить від мене зі швидкістю 0,6c на захід, а інша Б - від мене зі швидкістю 0,6c на схід, то тоді загальна відстань між А і Б в моїй системі відліку збільшується зі швидкістю 1,2c. Таким чином, видима відносна швидкість, велика c, може спостерігатися "з третьої сторони".

Однак така швидкість - це не те, що ми зазвичай розуміємо під відносною швидкістю. Справжня швидкість ракети А щодо ракети Б - це та швидкість зростання відстані між ракетами, яку спостерігає спостерігач в ракеті Б. Дві швидкості треба скласти по релятиви стской формулою складання швидкостей (див. Питання Як треба складати швидкості в приватній відносності). В даному випадку відносна швидкість виходить приблизно 0,88c, Тобто, не є надсвітовою.

3. Тіні і зайчики

Подумайте, з якою швидкістю може рухатися тінь? Якщо Ви створите на далекій стіні тінь від свого пальця від близької лампи, а потім пальцем поворушіть, то тінь засувається набагато швидше пальця. Якщо палець зміщуватиметься паралельно стіні, то швидкість тіні буде в D / d раз більше швидкості пальця, де d - відстань від пальця до лампи, а D - відстань від лампи до стіни. А може статися й ще більша швидкість, якщо стіна буде розташована під кутом. Якщо стіна розташована дуже далеко, то рух тіні буде відставати від руху пальця, так як світло повинне буде ще долетіти від пальця до стіни, але все одно швидкість руху тіні буде в стільки ж разів більше. Тобто, швидкість руху тіні не обмежена швидкістю світла.

Крім тіней швидше за світло можуть рухатися і зайчики, наприклад, пляма від лазерного променя, спрямованого на Місяць. Знаючи, що відстань до Місяця 385 000 км., Спробуйте розрахувати швидкість руху зайчика якщо злегка поводити лазером. Ще можете подумати про морський хвилі, косо вдаряє об берег. З якою швидкістю може рухатися точка, в которй хвиля розбивається?

Подібні речі можуть відбуватися і в природі. Наприклад, світловий промінь від пульсара може прочісувати хмара пилу. Яскравий спалах породжує розширюється оболонку зі світла або іншого випромінювання. Коли вона перетинає поверхню, то створюється світлове кільце, яке збільшувалося швидше за швидкість світла. У природі таке зустрічається, коли електромагнітний імпульс від блискавки досягає верхніх шарів атмосфери.

Все це були приклади речей, що рухаються швидше за світло, але які не були фізичними тілами. За допомогою тіні або зайчика не можна передати СС повідомлення, так що і спілкування швидше за світло не виходить. І знову-таки, це, мабуть, не те, що ми хочемо розуміти під СС рухом, хоча стає зрозуміло, наскільки важко визначити, що саме нам потрібно (див. Питання сверхсветовое ножиці).

4. Тверді тіла

Якщо взяти довгу тверду палицю і штовхнути один її кінець, засувається чи інший кінець відразу ж, чи ні? Чи не можна таким чином здійснити СС передачу повідомлення?

Так, це було б можна зробити, якщо б такі тверді тіла існували. В реальності ж вплив удару по кінця палиці поширюється по ній зі швидкістю звуку в даній речовині, а швидкість звуку залежить від пружності і щільності матеріалу. Відносність накладає абсолютний межа можливої \u200b\u200bтвердості будь-яких тіл так, що швидкість звуку в них не може перевищувати c.

Те ж саме відбувається і в разі, якщо ви Нахід в поле тяжіння, і спочатку тримайте вертикально струну або жердину за верхній кінець, а потім відпускаєте його. Точка, яку ви відпустили, прийде в рух відразу, а нижній кінець не зможе почати падати до тих пір, поки до нього зі швидкістю звуку не дійде вплив відпускання.

Складно сформулювати загальну теор ію пружних матеріалів у рамках відносності, але основну ідею можна показати і на прикладі механіки Ньютона. Рівняння поздовжнього руху ідеально пружного тіла можна отримати із закону Гука. У змінних маси на одиницю довжини p і модуля пружності Юнга Y, Поздовжнє зміщення X задовольняє хвильовому рівнянню.

Рішення у вигляді плоских хвиль рухається зі швидкістю звуку s, причому s 2 = Y / p. Дане рівняння не передбачає можливість прічінностного впливу, що поширюється швидше s. Таким чином, відносність накладає теор етіческого межа на величину пружності: Y < pc 2. Практично ж невідомі матеріали, навіть близько підходять до нього. До речі, навіть якщо швидкість звуку в матеріалі близька до c, Речовина саме по собі зовсім не зобов'язане рухатися з релятиви стской швидкістю. Але звідки ми знаємо, що в принципі не може існувати речовини, що долає цю межу? Відповідь полягає в тому, що всі речовини складаються з частинок, взаємодія між якими підпорядковується стандартної моделі елементарних частинок, а в цій моделі ніяка взаємодія поширюватися швидше за світло не може (дивись нижче щодо квантової теор ії поля).

5. Фазова швидкість

Подивіться на це хвильове рівняння:

У нього є рішення виду:

Ці рішення є синусоїдальні хвилі, які рухаються зі швидкістю,

Але ж це швидше за світло, значить у нас в руках рівняння тахіонного поля? Ні, це всього лише звичайне релятиви стской рівняння масивної скалярной частки!

Парадокс вирішиться, якщо зрозуміти відмінність між цією швидкістю, яку називають також фазовою швидкістю v ph від іншої швидкості, званої групової v gr яка датеся формулою,

Якщо у хвильового рішення є розкид частот, то воно набуде вигляду хвильового пакета, який рухається з групової сокрості, що не перевищує c. Тільки гребені хвилі рухаються з фазової швидкістю. Передавати інформацію за допомогою такої хвилі можна лише з груповою швидкістю, так що фазова швидкість дає нам черговий приклад надсвітовою швидкості, яка не може переносити інформацію.

7. Релятивістська ракета

Диспетчер на Землі стежить за космічним кораблем, відлітають зі швидкістю 0,8 c. Згідно теор ії відносності, навіть після врахування допплерівського зсуву сигналів від корабля, він побачить, що час на кораблі загальмовано і годинник там йдуть повільніше з коефіцієнтом 0,6. Якщо він розрахує частка від ділення відстані, пройденого кораблем на витрачений час, виміряний по годинах корабля, то він отримає 4/3 c. Це означає, що пасажири корабля долають міжзоряний простір з ефективною швидкістю, більшою, ніж швидкість світла, яку вони б отримали, якби її виміряли. З точки зору пасажирів корабля, міжзоряні відстані схильні лоренцевих скорочення з тим же коефіцієнтом 0,6 і означає, вони теж повинні визнати, що вони покривають відомі міжзоряні відстані зі швидкістю 4/3 c.

Це реальне явище і воно в принципі може бути використано космічними мандрівниками для подолання величезних відстаней протягом життя. Якщо вони будуть прискорюватися з постійним прискоренням, рівним прискоренню вільного падіння на Землі, то у них на кораблі буде не тільки ідеальна штучна сила тяжіння, але вони ще встигнуть перетнути Галактику всього за 12 своїх років! (Див. Питання Які рівняння релятиви стской ракети?)

Однак, і це - не справжнє СС рух. Ефективна швидкість обчислена з відстані в одній системі відліку, а часу - в інший. Це не справжня швидкість. Тільки пасажири корабля отримують переваги від цієї швидкості. Диспечер ж, наприклад, не встигне за своє життя побачити, як вони пролетять гігантське відстань.

Складні випадки СС руху

9. Парадокс Ейнштейна, Подільського, Розена (ЕПР)

10. Віртуальні фотони

11. Квантове тунелювання

Реальні кандидати в СС мандрівники

В даному розділі наведені умоглядні, але серйозні припущення про можливість сверхсветового подорожі. Це будуть не ті речі, які зазвичай поміщають у розділі FAQ, так як вони викликають більше питань, ніж дають відповідей. Вони наведені тут в основному для того, щоб показати, що в даному напрямку проводяться серйозні дослідження. У кожному напрямку дається лише короткий вступ. Більш докладні відомості можна почерпнути на просторах інтернету.

19. ТАХІОН

Тахіони - це гіпотетичні частинки, які локально рухаються швидше світла. Щоб це робити, у них повинна бути маса, яка вимірюється уявним числом, але їх енергі я і імпульс повинні бути позитивними. Іноді думають, що такі СС частки має бути неможливо засікти, але насправді, причин так вважати немає. Тіні і зайчики підказують нам, що з СС руху ще не слід непомітність.

Тахіони ніколи не спостерігалися і більшість фізиків сумніваються в їх існуванні. Якось заявлялося, що проведені досліди з вимірювання маси нейтрино, що вилітають при розпаді тритію, і що ці нейтрино були ТАХІОН. Це вельми сумнівно, але все-таки не виключено. У тахіонної теор иях є проблеми, так як з точки зору можливих порушень причинності, вони дестабілізують вакуум. Може і можна ці проблеми обійти, але тоді виявиться неможливо застосовувати тахіони в потрібному нам СС повідомленні.

Правда полягає в тому, що більшість фізиків вважають тахіони ознакою помилки в польових теор їх, а інтерес до них з боку широких мас підігрівається, в основному, з боку наукової фантастики (див. Статтю ТАХІОН).

20. Чревоточіни

Найбільш відомою імовірною можливістю СС подорожі є використання чревоточін. Чревоточіни - це тунелі в просторі-часі, що з'єднують одне місце у Всесвіті, з іншим. За ним можна переміститися між цими точками швидше, ніж зробив би світло своїм звичайним шляхом. Чревоточіни - це явище класичної загальної відносності, Але щоб їх створити, потрібно змінити топологію простору-часу. Можливість цього може бути укладено в теор ії квантової гравітації.

Щоб підтримувати чревоточіни у відкритому стані, потрібні величезні кількості негативної енергі і. Міснер і Торн запропонували, що для генерації негативною енергі і можна використовувати великомасштабний ефект Казимира, а Віссер запропонував рішення з використанням космічних струн. Всі ці ідеї дуже умоглядні і можуть бути просто нереальними. Незвичайне речовина з негативною енергі їй може не існувати в потрібній для явища формі.

Торн виявив, що якщо чревоточіни можна створити, то з їх допомогою можна організувати замкнуті тимчасові петлі, які зроблять можливими подорожі в часі. Також було зроблено припущення, що многовариантная інтерпретація квантової механіки свідчить про те, що ніяких парадоксів подорож у часі не викличе, і що події просто розгорнуться інакше, коли ви потрапите в минуле. Хокінг каже, що чревоточіни можуть просто нестабільними і тому непридатними на практиці. Але сама тема залишається плідною областю для уявних експериментів, що дозволяють розібратися, що можливо і що неможливо виходячи і відомих і передбачуваних законів фізики.
refs:
W. G. Morris and K. S. Thorne, American Journal of Physics 56 , 395-412 (1988)
W. G. Morris, K. S. Thorne, and U. Yurtsever, Phys. Rev. Letters 61 , 1446-9 (1988)
Matt Visser, Physical Review D39, 3182-4 (1989)
see also "Black Holes and Time Warps" Kip Thorn, Norton & co. (1994)
For an explanation of the multiverse see, "The Fabric of Reality" David Deutsch, Penguin Press.

21. Двигуни-деформатори

[Поняття не маю, як це перевести! В оригіналі warp drive. - прим. перекладача;
перевів за аналогією зі статтею на Мембрані]

Деформатори міг би бути механізмом для закручування простору-часу таким чином, щоб об'єкт міг переміщатися швидше за світло. Мігель Алькабьерстав знаменитим завдяки тому, що розробив геометрію, яка описує такий деформатори. Спотворення простору-часу робить можливим для об'єкта переміщатися швидше за світло, залишаючись на час-подібної кривої. Перешкоди ті ж, що і при створенні чревоточін. Щоб створити деформатори, потрібно речовина з негативною щільністю енергі і. Навіть якщо така речовина можливо, все одно незрозуміло, як його можна отримати і як з його допомогою змусити працювати деформатори.
ref M. Alcubierre, Classical and Quantum Gravity, 11 , L73-L77, (1994)

висновок

По-перше, виявилося нелегко взагалі визначити, що означає СС подорож і СС повідомлення. Багато речей, навроде тіней, здійснюють СС дівженіе, але так, що його не можна використовувати, наприклад, для передачі інформації. Але є і серйозні можливості реального СС переміщення, які запропоновані в науковій літературі, Але їх реалізація поки неможлива технічно. Принцип невизначеності Гейзенберга унеможливлює використання уявного СС руху в квантовій механіці. В загальної теорії відносності є потенціал ьние кошти СС руху, але їх може бути неможливо використовувати. Здається, що вкрай малоймовірно, що в доступному для огляду майбутньому, або взагалі, техніка виявиться здатна створювати космічні кораблі з СС двигунами, але цікаво, що теор етіческого фізика, як ми її зараз знаємо, не закриває двері для СС руху назовсім. СС рух в стилі науково-фантастичних романів, мабуть, абсолютно неможливо. Для фізиків цікаве питання: "а чому, власне, це неможливо, і чому з цього можна навчитися?"