وهي أسرع من سرعة الضوء. هل من الممكن أن تتحرك أسرع من الضوء

25 مارس 2017

السفر عبر FTL هو أحد أسس الخيال العلمي في الفضاء. ومع ذلك ، ربما يعلم الجميع - حتى الأشخاص البعيدين عن الفيزياء - أن أقصى سرعة ممكنة لحركة الأجسام المادية أو انتشار أي إشارات هي سرعة الضوء في الفراغ. يُشار إليه بالحرف c وهو ما يقرب من 300 ألف كيلومتر في الثانية ؛ القيمة الدقيقة c = 299792458 م / ث.

سرعة الضوء في الفراغ من الثوابت الفيزيائية الأساسية. استحالة تحقيق سرعات تتجاوز c يتبع نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين (SRT). إذا كان من الممكن إثبات أن إرسال الإشارات بسرعة فائقة اللمعان ممكن ، فإن نظرية النسبية ستنهار. حتى الآن ، لم يحدث هذا ، على الرغم من المحاولات العديدة لدحض الحظر المفروض على وجود سرعات أكبر من ج. ومع ذلك ، كشفت الدراسات التجريبية الحديثة عن بعض الظواهر المثيرة للاهتمام للغاية ، مما يشير إلى أنه في ظل ظروف تم إنشاؤها خصيصًا من الممكن مراقبة السرعات الفائقة اللمعان دون انتهاك مبادئ نظرية النسبية.

بادئ ذي بدء ، لنتذكر الجوانب الرئيسية المتعلقة بمشكلة سرعة الضوء.

بادئ ذي بدء: لماذا يستحيل (في ظل الظروف العادية) تجاوز حد الضوء؟ لأنه بعد ذلك يتم انتهاك القانون الأساسي لعالمنا - قانون السببية ، والذي وفقًا له لا يمكن للتأثير أن يتجاوز السبب. لم يلاحظ أحد ، على سبيل المثال ، أن دبًا قد مات أولاً ، ثم طلقة صياد. عند السرعات التي تتجاوز c ، ينعكس تسلسل الأحداث ، ويرجع الشريط الزمني. يمكن ملاحظة ذلك بسهولة من خلال التفكير البسيط التالي.

لنفترض أننا على متن سفينة معجزة كونية تتحرك أسرع من الضوء. ثم نلحق تدريجياً بالضوء المنبعث من المصدر في نقاط زمنية سابقة وأولى. أولاً ، سنلحق بالفوتونات المنبعثة ، على سبيل المثال ، بالأمس ، ثم - المنبعثة أول من أمس ، ثم - منذ أسبوع ، وشهر ، وعام ، وما إلى ذلك. إذا كان مصدر الضوء مرآة تعكس الحياة ، فسنرى أولاً أحداث الأمس ، ثم أول أمس ، وهكذا. يمكننا أن نرى ، على سبيل المثال ، رجلاً عجوزًا يتحول تدريجياً إلى رجل في منتصف العمر ، ثم إلى شاب ، إلى شاب ، إلى طفل ... أي ، سيعود الوقت إلى الوراء ، وسننتقل من الحاضر إلى الماضي. ثم يتم عكس السبب والنتيجة.

على الرغم من أن هذه الحجة تتجاهل تمامًا التفاصيل الفنية لعملية مراقبة الضوء ، إلا أنها توضح بوضوح من وجهة نظر أساسية أن الحركة بسرعة فائقة تؤدي إلى موقف مستحيل في عالمنا. ومع ذلك ، فقد وضعت الطبيعة شروطًا أكثر صرامة: فالحركة غير قابلة للتحقيق ليس فقط بسرعة فائقة ، ولكن أيضًا بسرعة مساوية لسرعة الضوء - يمكنك فقط الاقتراب منها. ويترتب على نظرية النسبية أنه مع زيادة سرعة الحركة ، تنشأ ثلاثة ظروف: تزداد كتلة الجسم المتحرك ، ويقل حجمه في اتجاه الحركة ، ويبطئ مرور الوقت على هذا الجسم (من وجهة نظر مراقب "يستريح" خارجي). في السرعات العادية ، تكون هذه التغييرات ضئيلة ، ولكن مع اقترابنا من سرعة الضوء ، تصبح ملحوظة أكثر فأكثر ، وفي الحد الأقصى - بسرعة تساوي c - تصبح الكتلة كبيرة بشكل لا نهائي ، يفقد الجسم حجمه تمامًا في اتجاه الحركة والوقت يتوقف عليه. لذلك ، لا يمكن لأي جسم مادي الوصول إلى سرعة الضوء. فقط الضوء نفسه له مثل هذه السرعة! (وأيضًا جسيم "كامل الاختراق" - نيوترينو ، والذي ، مثل الفوتون ، لا يمكنه التحرك بسرعة أقل من c.)

الآن حول سرعة نقل الإشارة. من المناسب هنا استخدام تمثيل الضوء على شكل موجات كهرومغناطيسية. ما هي الإشارة؟ هذه بعض المعلومات ليتم نقلها. الموجة الكهرومغناطيسية المثالية عبارة عن موجة جيبية لا نهائية لها تردد واحد فقط ، ولا يمكنها حمل أي معلومات ، لأن كل فترة من مثل هذا الجيوب الأنفية تكرر تمامًا المرحلة السابقة. يمكن لسرعة حركة طور الموجة الجيبية - ما يسمى بسرعة الطور - أن تتجاوز في وسط تحت ظروف معينة سرعة الضوء في الفراغ. لا توجد قيود هنا ، لأن سرعة المرحلة ليست سرعة الإشارة - فهي غير موجودة بعد. لإنشاء إشارة ، تحتاج إلى عمل نوع من "العلامة" على الموجة. يمكن أن تكون هذه العلامة ، على سبيل المثال ، تغييرًا في أي من معلمات الموجة - السعة أو التردد أو المرحلة الأولية. ولكن بمجرد أن يتم وضع العلامة ، تفقد الموجة جيوبها. يصبح معدلًا ، ويتألف من مجموعة من الموجات الجيبية البسيطة ذات السعات والترددات والمراحل الأولية - مجموعة من الموجات. سرعة حركة العلامة في الموجة المعدلة هي سرعة الإشارة. عند الانتشار في وسط ، تتزامن هذه السرعة عادةً مع سرعة المجموعة التي تميز انتشار مجموعة الموجات المذكورة أعلاه ككل (انظر "العلم والحياة" رقم 2 ، 2000). في الظروف العادية ، تكون سرعة المجموعة ، وبالتالي سرعة الإشارة ، أقل من سرعة الضوء في الفراغ. ليس من قبيل المصادفة أن يتم استخدام عبارة "في ظل الظروف العادية" هنا ، لأنه في بعض الحالات قد تتجاوز سرعة المجموعة c أو حتى تفقد معناها ، ولكنها بعد ذلك لا تنطبق على انتشار الإشارة. في SRT ، ثبت أنه من المستحيل إرسال إشارة بسرعة أكبر من c.

لماذا هو كذلك؟ لأن عائق إرسال أي إشارة بسرعة أكبر من c هو نفس قانون السببية. دعونا نتخيل مثل هذا الموقف. في نقطة ما A ، يقوم وميض ضوئي (الحدث 1) بتشغيل جهاز يرسل إشارة راديو معينة ، وفي نقطة بعيدة B ، تحت تأثير هذه الإشارة اللاسلكية ، يحدث انفجار (الحدث 2). من الواضح أن الحدث 1 (وميض) هو السبب ، والحدث 2 (انفجار) هو التأثير الذي يحدث بعد السبب. ولكن إذا انتشرت إشارة الراديو بسرعة فائقة ، فإن المراقب القريب من النقطة B سيرى أولاً انفجارًا ، وعندها فقط - وميض من الضوء وصل إليه بسرعة وميض ضوئي ، سبب الانفجار. بمعنى آخر ، بالنسبة إلى هذا المراقب ، كان من الممكن أن يحدث الحدث 2 قبل الحدث 1 ، أي أن التأثير كان سيسبق السبب.

من المناسب التأكيد على أن "الحظر الفائق اللمعان" لنظرية النسبية يُفرض فقط على حركة الأجسام المادية ونقل الإشارات. في كثير من الحالات ، من الممكن أن تتحرك بأي سرعة ، لكنها ستكون حركة أشياء وإشارات غير مادية. على سبيل المثال ، تخيل مسطرتين طويلتين مستلقيتين في نفس المستوى ، أحدهما يقع أفقيًا والآخر يتقاطع معه بزاوية صغيرة. إذا تم تحريك السطر الأول لأسفل (في الاتجاه المشار إليه بالسهم) بسرعة عالية ، فيمكن جعل نقطة تقاطع الخطوط تعمل بسرعة عشوائية ، ولكن هذه النقطة ليست جسماً مادياً. مثال آخر: إذا أخذت مصباحًا يدويًا (أو ، على سبيل المثال ، ليزر يعطي شعاعًا ضيقًا) ووصفت بسرعة قوسًا في الهواء معه ، فإن السرعة الخطية لبقعة الضوء ستزداد مع المسافة ، وبقدر كبير بما فيه الكفاية. المسافة ، سوف تتجاوز ج. ستتحرك بقعة الضوء بين النقطتين A و B بسرعة فائقة ، ولكن هذا لن يكون إرسال إشارة من A إلى B ، لأن بقعة الضوء هذه لا تحمل أي معلومات حول النقطة A.

يبدو أن مسألة السرعات الفائقة قد تم حلها. لكن في الستينيات من القرن العشرين ، طرح الفيزيائيون النظريون فرضية وجود جسيمات فائقة اللمعان ، تسمى التاكيون. هذه جسيمات غريبة جدًا: فهي ممكنة نظريًا ، ولكن من أجل تجنب التناقضات مع نظرية النسبية ، كان لا بد من تخصيص كتلة راحة خيالية لها. لا توجد كتلة خيالية فيزيائية ، إنها تجريد رياضي بحت. ومع ذلك ، فإن هذا لم يسبب الكثير من القلق ، لأن التاكيونات لا يمكن أن تكون في حالة راحة - فهي موجودة (إن وجدت!) فقط بسرعات تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ ، وفي هذه الحالة تبين أن كتلة التاكيون حقيقية. هناك بعض التشابه مع الفوتونات هنا: الفوتون ليس له كتلة سكونية صفرية ، لكن هذا يعني ببساطة أن الفوتون لا يمكن أن يكون في حالة سكون - لا يمكن إيقاف الضوء.

كان الأمر الأصعب ، كما هو متوقع ، هو التوفيق بين فرضية تاكيون وقانون السببية. المحاولات التي بذلت في هذا الاتجاه ، على الرغم من أنها كانت بارعة للغاية ، لم تؤد إلى نجاح واضح. لم يكن أحد قادرًا على تسجيل التاكيونات بشكل تجريبي أيضًا. نتيجة لذلك ، تلاشى الاهتمام بالتاكيون كجسيمات أولية فائقة اللمعان تدريجيًا.

ومع ذلك ، في الستينيات ، تم اكتشاف ظاهرة تجريبية ، أدت في البداية إلى ارتباك علماء الفيزياء. هذا موصوف بالتفصيل في مقال A.N. Oraevsky "الموجات الفائقة في تضخيم الوسائط" (UFN No. 12 ، 1998). هنا نلخص باختصار جوهر الموضوع ، ونحيل القارئ المهتم بالتفاصيل إلى المقال المذكور.

بعد وقت قصير من اكتشاف الليزر - في أوائل الستينيات - نشأت مشكلة الحصول على نبضات ضوئية قصيرة عالية الطاقة (بمدة 1 نانوثانية = 10-9 ثوانٍ). للقيام بذلك ، تم تمرير نبضة ليزر قصيرة عبر مكبر كمومي بصري. تم تقسيم النبض بواسطة مرآة مقسمة إلى جزأين. تم إرسال أحدهما ، الأكثر قوة ، إلى مكبر الصوت ، والآخر ينتشر في الهواء ويعمل كنبض مرجعي ، حيث كان من الممكن مقارنة النبض الذي يمر عبر مكبر الصوت. تم تغذية كلا النبضتين إلى أجهزة الكشف الضوئية ، ويمكن ملاحظة إشارات الخرج الخاصة بهم بصريًا على شاشة راسم الذبذبات. كان من المتوقع أن نبض الضوء الذي يمر عبر مكبر الصوت سيواجه بعض التأخير فيه مقارنة بالنبضة المرجعية ، أي أن سرعة انتشار الضوء في مكبر الصوت ستكون أقل من الهواء. ما أثار دهشة الباحثين عندما اكتشفوا أن النبضة تنتشر عبر مكبر الصوت بسرعة لا تزيد عن سرعة الهواء فحسب ، بل تزيد عدة مرات عن سرعة الضوء في الفراغ!

بعد التعافي من الصدمة الأولى ، بدأ الفيزيائيون في البحث عن سبب هذه النتيجة غير المتوقعة. لم يكن لدى أي شخص أدنى شك في مبادئ النظرية النسبية الخاصة ، وهذا بالضبط ما ساعد في إيجاد التفسير الصحيح: إذا تم الحفاظ على مبادئ SRT ، فيجب البحث عن الإجابة في خصائص الوسط المضخم. .

دون الخوض في التفاصيل هنا ، نشير فقط إلى أن التحليل التفصيلي لآلية عمل وسيط التضخيم قد أوضح الموقف تمامًا. كانت النقطة عبارة عن تغيير في تركيز الفوتونات أثناء انتشار النبضة - وهو تغيير ناتج عن تغيير في كسب الوسط إلى قيمة سالبة أثناء مرور الجزء الخلفي من النبضة ، عندما يكون الوسط بالفعل امتصاص الطاقة ، لأنه تم بالفعل استخدام احتياطيها الخاص بسبب انتقالها إلى نبض الضوء. لا يتسبب الامتصاص في زيادة الدافع ، بل انخفاضه ، وبالتالي فإن الدافع يقوى في المقدمة ويضعف في الجزء الخلفي منه. دعونا نتخيل أننا نلاحظ النبض بمساعدة أداة تتحرك بسرعة الضوء في وسط مكبر للصوت. إذا كان الوسيط شفافًا ، فسنرى دفعة مجمدة في الجمود. في الوسط الذي تتم فيه العملية المذكورة أعلاه ، سيظهر تقوية الحافة الأمامية وضعف الحافة الخلفية للنبض للمراقب بطريقة تجعل الوسيط ، كما كان ، يحرك النبض إلى الأمام . لكن بما أن الجهاز (المراقب) يتحرك بسرعة الضوء ، وتتجاوزه النبضة ، فإن سرعة النبضة تتجاوز سرعة الضوء! هذا هو التأثير الذي سجله المجربون. وهنا لا يوجد تناقض حقًا مع نظرية النسبية: الأمر يتعلق فقط بعملية التضخيم بحيث يتضح أن تركيز الفوتونات التي ظهرت سابقًا أكبر من تلك التي ظهرت لاحقًا. ليست الفوتونات هي التي تتحرك بسرعة فائقة ، ولكن غلاف النبضة ، ولا سيما الحد الأقصى لها ، الذي يتم ملاحظته على مرسمة الذبذبات.

وهكذا ، بينما يوجد دائمًا في الوسائط العادية ضعف في الضوء وانخفاض في سرعته ، يحدده معامل الانكسار ، في وسط الليزر النشط ، لا يُلاحظ تضخيم الضوء فحسب ، بل يُلاحظ أيضًا انتشار نبضة بسرعة فائقة.

حاول بعض الفيزيائيين تجريبياً إثبات وجود حركة فائقة اللمعان في تأثير النفق ، وهي إحدى أكثر الظواهر المدهشة في ميكانيكا الكم. يتمثل هذا التأثير في حقيقة أن الجسيمات الدقيقة (بشكل أكثر دقة ، كائن دقيق يعرض خصائص الجسيم وخصائص الموجة في ظل ظروف مختلفة) قادر على اختراق ما يسمى بالحاجز المحتمل - وهي ظاهرة مستحيلة تمامًا في الميكانيكا الكلاسيكية (حيث يكون مثل هذا الموقف مشابهًا: ستنتهي الكرة التي يتم إلقاؤها على الحائط على الجانب الآخر من الجدار ، أو تنتقل الحركة المتموجة الناتجة عن حبل مربوط بالجدار إلى حبل مربوط بـ الجدار على الجانب الآخر). فيما يلي جوهر تأثير النفق في ميكانيكا الكم. إذا التقى جسم ميكرو ذي طاقة معينة في طريقه بمنطقة تزيد طاقتها الكامنة عن طاقة الجسم الصغير ، فإن هذه المنطقة تشكل حاجزًا له ، ويتحدد ارتفاعه بفارق الطاقة. لكن الكائن الدقيق "يتسرب" عبر الحاجز! يتم منح هذا الاحتمال له من خلال علاقة عدم اليقين المعروفة باسم Heisenberg ، والمكتوبة من أجل الطاقة ووقت التفاعل. إذا حدث تفاعل الكائن الدقيق مع الحاجز لفترة زمنية محددة بشكل كافٍ ، فإن طاقة الكائن الدقيق ، على العكس من ذلك ، ستتميز بعدم اليقين ، وإذا كان عدم اليقين هذا بترتيب ارتفاع الحاجز ، فإن الأخير يتوقف لتكون عقبة لا يمكن التغلب عليها للكائن الدقيق. هو معدل الاختراق عبر الحاجز المحتمل الذي أصبح موضوع بحث من قبل عدد من الفيزيائيين ، الذين يعتقدون أنه يمكن أن يتجاوز c.

في يونيو 1998 ، عقدت ندوة دولية حول مشاكل الحركات الفائقة في كولونيا ، حيث تمت مناقشة النتائج التي تم الحصول عليها في أربعة مختبرات - في بيركلي وفيينا وكولونيا وفلورنسا.

وأخيرًا ، في عام 2000 ، تم الإبلاغ عن تجربتين جديدتين ظهرت فيهما تأثيرات التكاثر الفائق اللمعان. تم تنفيذ إحداها بواسطة Lijun Wong ومعاونيه في معهد أبحاث في Princeton (الولايات المتحدة الأمريكية). والنتيجة هي أن نبضة ضوئية تدخل غرفة مليئة ببخار السيزيوم تزيد من سرعتها بمعامل 300. اتضح أن الجزء الرئيسي من النبضة يترك الجدار البعيد للغرفة حتى قبل أن يدخل النبض الغرفة من خلال الجدار الأمامي. مثل هذا الموقف لا يتعارض مع الفطرة السليمة فحسب ، بل يتعارض في جوهره مع نظرية النسبية أيضًا.

أثار تقرير L. Wong نقاشًا مكثفًا بين علماء الفيزياء ، ومعظمهم لا يميلون إلى رؤية النتائج التي تم الحصول عليها انتهاكًا لمبادئ النسبية. ويعتقدون أن التحدي يكمن في شرح هذه التجربة بشكل صحيح.

في تجربة L. Wong ، كانت مدة نبضة الضوء التي تدخل الغرفة ببخار السيزيوم حوالي 3 ميكروثانية. يمكن أن تكون ذرات السيزيوم في ستة عشر حالة ميكانيكية كمومية محتملة ، تسمى "مستويات فرعية مغنطيسية فائقة الدقة للحالة الأرضية". باستخدام ضخ الليزر البصري ، تم إحضار جميع الذرات تقريبًا إلى حالة واحدة فقط من هذه الحالات الست عشرة ، والتي تقابل درجة حرارة الصفر المطلق تقريبًا على مقياس كلفن (-273.15 درجة مئوية). كان طول حجرة السيزيوم 6 سم. في الفراغ ، يسافر الضوء 6 سم في 0.2 نانوثانية. كما أظهرت القياسات ، مرت نبضات الضوء عبر الحجرة مع السيزيوم في وقت أقصر بـ 62 نانوثانية من الفراغ. بعبارة أخرى ، فإن وقت عبور النبض عبر وسط السيزيوم له علامة "ناقص"! في الواقع ، إذا طرحنا 62 نانوثانية من 0.2 نانوثانية ، فسنحصل على وقت "سالب". هذا "التأخير السلبي" في الوسط - قفزة زمنية غير مفهومة - يساوي الوقت الذي ستجعل فيه النبضة 310 تمريرات عبر الحجرة في الفراغ. كانت نتيجة هذا "الانعكاس الزمني" أن الدافع الذي يغادر الغرفة تمكن من الابتعاد عنها بمقدار 19 مترًا قبل أن يصل الدافع القادم إلى الجدار القريب للغرفة. كيف يمكن تفسير مثل هذا الموقف المذهل (ما لم يكن هناك شك بالطبع في نقاء التجربة)؟

إذا حكمنا من خلال المناقشة التي تم الكشف عنها ، لم يتم العثور على تفسير دقيق حتى الآن ، ولكن ليس هناك شك في أن خصائص التشتت غير العادية للوسط تلعب دورًا هنا: بخار السيزيوم ، الذي يتكون من ذرات مثارة بضوء الليزر ، هو وسيط به تشتت شاذ. دعونا نتذكر بإيجاز ما هو عليه.

تشتت المادة هو اعتماد المرحلة (المعتادة) معامل الانكسار n على الطول الموجي للضوء l. مع التشتت الطبيعي ، يزداد معامل الانكسار مع تناقص الطول الموجي ، وهذا هو الحال في الزجاج والماء والهواء وجميع المواد الأخرى الشفافة للضوء. في المواد التي تمتص الضوء بقوة ، ينعكس مسار معامل الانكسار مع تغير طول الموجة ويصبح أكثر حدة: مع انخفاض في l (زيادة التردد w) ، ينخفض ​​معامل الانكسار بشكل حاد ويصبح أقل في نطاق معين من الأطوال الموجية من الوحدة (سرعة الطور Vf> s). هذا هو التشتت الشاذ ، حيث يتغير نمط انتشار الضوء في مادة ما بشكل جذري. تصبح سرعة المجموعة Vgr أكبر من سرعة طور الموجات ويمكن أن تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ (وتصبح أيضًا سالبة). يشير L. Wong إلى هذا الظرف باعتباره السبب الكامن وراء إمكانية شرح نتائج تجربته. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن الشرط Vgr> c شكلي تمامًا ، حيث تم تقديم مفهوم سرعة المجموعة لحالة التشتت الصغير (العادي) ، للوسائط الشفافة ، عندما لا تغير مجموعة من الموجات تقريبًا شكلها أثناء التكاثر. ومع ذلك ، في مناطق التشتت غير الطبيعي ، يتشوه نبض الضوء بسرعة ويفقد مفهوم سرعة المجموعة معناه ؛ في هذه الحالة ، يتم تقديم مفاهيم سرعة الإشارة وسرعة انتشار الطاقة ، والتي تتطابق في الوسائط الشفافة مع سرعة المجموعة ، بينما تظل في الوسائط ذات الامتصاص أقل من سرعة الضوء في الفراغ. ولكن هنا ما هو مثير للاهتمام في تجربة وونغ: نبضة ضوئية ، تمر عبر وسط به تشتت غير طبيعي ، لا تتشوه - إنها تحافظ على شكلها تمامًا! وهذا يتوافق مع افتراض أن الدافع ينتشر مع سرعة المجموعة. ولكن إذا كان الأمر كذلك ، فقد اتضح أنه لا يوجد امتصاص في الوسط ، على الرغم من أن التشتت الشاذ للوسط يرجع تحديدًا إلى الامتصاص! أدرك وونغ نفسه أن الكثير لا يزال غير واضح ، ويعتقد أن ما يحدث في إعداده التجريبي يمكن تفسيره بوضوح على أنه تقدير تقريبي أول على النحو التالي.

تتكون نبضة الضوء من عدة مكونات ذات أطوال موجية مختلفة (ترددات). يوضح الشكل ثلاثة من هذه المكونات (الموجات 1-3). في مرحلة ما ، تكون جميع الموجات الثلاث في طور (تتطابق الحد الأقصى لها) ؛ هنا هم ، يضيفون ، يعززون بعضهم البعض ويشكلون دفعة. مع انتشار الموجات بشكل أكبر في الفضاء ، تكون خارج الطور وبالتالي "تنطفئ" بعضها البعض.

في منطقة التشتت الشاذ (داخل خلية السيزيوم) ، تصبح الموجة الأقصر (الموجة 1) أطول. بالمقابل ، فإن الموجة التي كانت الأطول من الموجة الثلاثة (الموجة 3) تصبح الأقصر.

وبالتالي ، فإن مراحل الموجات تتغير أيضًا وفقًا لذلك. عندما تمر الموجات عبر خلية السيزيوم ، يتم استعادة واجهات الموجة الخاصة بها. بعد أن خضعت لتعديل طور غير معتاد في مادة ذات تشتت شاذ ، تجد الموجات الثلاثة المدروسة نفسها مرة أخرى في الطور في مرحلة ما. هنا يضيفون مرة أخرى ويشكلون نبضًا من نفس الشكل تمامًا مثل ذلك الذي يدخل وسط السيزيوم.

عادة في الهواء ، وفي الواقع في أي وسط شفاف متشتت عادة ، لا يمكن لنبضة ضوئية أن تحافظ على شكلها بدقة عند الانتشار على مسافة بعيدة ، أي أن جميع مكوناتها لا يمكن أن تكون في الطور في أي نقطة بعيدة على طول مسار الانتشار. وفي ظل الظروف العادية ، يظهر نبضة ضوئية في مثل هذه النقطة البعيدة بعد مرور بعض الوقت. ومع ذلك ، نظرًا للخصائص الشاذة للوسيط المستخدم في التجربة ، فقد تبين أن النبض عند النقطة البعيدة يتم تنفيذه على مراحل بنفس الطريقة عند دخول هذا الوسيط. وهكذا فإن نبضة الضوء تتصرف كما لو كان لها تأخير زمني سلبي في طريقها إلى نقطة بعيدة ، أي أنها كانت ستصل إليها ليس في وقت لاحق ، ولكن في وقت أبكر من تجاوزها للوسيط!

يميل معظم الفيزيائيين إلى ربط هذه النتيجة بظهور سلائف منخفضة الكثافة في وسط التشتت للغرفة. الحقيقة هي أنه في التحلل الطيفي للنبضة ، يحتوي الطيف على مكونات ترددات عالية عشوائية ذات سعة ضئيلة ، ما يسمى بالسلائف ، والتي تتقدم على "الجزء الرئيسي" من النبضة. تعتمد طبيعة المنشأة وشكل السلائف على قانون التشتت في الوسط. مع وضع هذا في الاعتبار ، يُقترح تفسير تسلسل الأحداث في تجربة Wong على النحو التالي. الموجة القادمة ، "التي تمد" النذير أمام نفسها ، تقترب من الكاميرا. قبل أن تصطدم ذروة الموجة القادمة بالجدار القريب من الغرفة ، تبدأ المادة الأولية في ظهور نبضة في الحجرة تصل إلى الجدار البعيد وتنعكس منه ، وتشكل "موجة عكسية". هذه الموجة ، التي تنتشر أسرع بـ 300 مرة من c ، تصل إلى الجدار القريب وتلتقي بالموجة القادمة. تلتقي قمم إحدى الموجات بقيعان أخرى بحيث تلغي بعضها البعض ولا يبقى شيء. اتضح أن الموجة القادمة "تعيد الدين" إلى ذرات السيزيوم ، التي "استعارت" الطاقة لها في الطرف الآخر من الغرفة. أي شخص لاحظ فقط بداية ونهاية التجربة لن يرى سوى نبضة من الضوء "قفزت" إلى الأمام في الوقت المناسب ، تتحرك أسرع من ج.

يعتقد L. Wong أن تجربته لا تتفق مع نظرية النسبية. وهو يعتقد أن العبارة المتعلقة بعدم إمكانية الوصول إلى السرعة الفائقة تنطبق فقط على الأشياء ذات الكتلة الساكنة. يمكن تمثيل الضوء إما في شكل موجات ، والتي يكون مفهوم الكتلة غير قابل للتطبيق بشكل عام ، أو في شكل فوتونات ذات كتلة سكون ، كما هو معروف ، تساوي الصفر. لذلك ، فإن سرعة الضوء في الفراغ ، حسب وونغ ، ليست هي الحد الأقصى. ومع ذلك ، يعترف Wong بأن التأثير الذي اكتشفه لا يجعل من الممكن نقل المعلومات بسرعة أكبر من c.

يقول ب.

يعتقد معظم الفيزيائيين أن العمل الجديد لا يوجه ضربة ساحقة للمبادئ الأساسية. لكن لا يعتقد جميع الفيزيائيين أن المشكلة قد حُلّت. يقول البروفيسور A. Ranfagni ، من فريق البحث الإيطالي الذي أجرى تجربة أخرى مثيرة للاهتمام في عام 2000 ، إن السؤال لا يزال مفتوحًا. وجدت هذه التجربة ، التي أجراها دانيال موغناي وأنيديو رانفاني وروكو روجيري ، أن الموجات الراديوية ذات الموجة السنتيمترية تنتشر في الهواء العادي بسرعة 25٪ أسرع من سرعة c.

بإيجاز ، يمكننا أن نقول ما يلي.

تظهر أعمال السنوات الأخيرة أنه في ظل ظروف معينة ، يمكن أن تحدث السرعة الفائقة بالفعل. ولكن ما الذي يتحرك بالضبط بسرعة فائقة؟ إن نظرية النسبية ، كما ذكرنا سابقًا ، تمنع مثل هذه السرعة للأجسام المادية وللإشارات التي تحمل المعلومات. ومع ذلك ، فإن بعض الباحثين مثابرون للغاية في محاولاتهم لإثبات التغلب على حاجز الضوء على وجه التحديد للإشارات. يكمن السبب في ذلك في حقيقة أنه في نظرية النسبية الخاصة لا يوجد تبرير رياضي صارم (على سبيل المثال ، على أساس معادلات ماكسويل للمجال الكهرومغناطيسي) لاستحالة إرسال الإشارات بسرعة أكبر من ج. إن مثل هذا الاستحالة في SRT قد تم تأسيسه ، كما يمكن للمرء ، من الناحية الحسابية البحتة ، استنادًا إلى صيغة أينشتاين لإضافة السرعات ، ولكن بطريقة أساسية يتم تأكيد ذلك من خلال مبدأ السببية. آينشتاين نفسه ، مع الأخذ في الاعتبار مسألة إرسال الإشارات الفائقة اللمعان ، كتب أنه في هذه الحالة "... نحن مجبرون على اعتبار آلية إرسال إشارة ممكنة ، عند استخدام الإجراء الذي تم تحقيقه يسبق السبب. ولكن ، على الرغم من أن هذا ناتج عن منطق بحت وجهة النظر لا تحتوي على نفسها ، في رأيي ، لا تناقضات ، لكنها مع ذلك تتعارض مع طبيعة كل خبرتنا لدرجة أن استحالة الافتراض V> c يبدو أنه تم إثباته بشكل كافٍ. مبدأ السببية هو حجر الزاوية الذي يكمن وراء استحالة التأشير الفائق اللمعة. ومن الواضح أن جميع عمليات البحث عن الإشارات الفائقة ، بدون استثناء ، سوف تتعثر في هذا الحجر ، بغض النظر عن مدى رغبة المجربين في اكتشاف مثل هذه الإشارات ، لأن هذه هي طبيعة عالمنا.

لكن مع ذلك ، لنتخيل أن رياضيات النسبية ستظل تعمل بسرعات فائقة. هذا يعني أنه نظريًا لا يزال بإمكاننا معرفة ما سيحدث إذا تجاوز الجسم سرعة الضوء.

تخيل مركبتين فضائيتين تتجهان من الأرض نحو نجم يبعد 100 سنة ضوئية عن كوكبنا. تغادر أول سفينة الأرض بسرعة 50٪ من سرعة الضوء ، لذلك سوف تستغرق 200 عام لإكمال الرحلة. ستنطلق السفينة الثانية ، المزودة بمحرك انفتال افتراضي ، بسرعة 200٪ من سرعة الضوء ، ولكن بعد 100 عام من الأولى. ماذا سيحدث؟

وفقًا لنظرية النسبية ، فإن الإجابة الصحيحة تعتمد إلى حد كبير على منظور المراقب. من الأرض ، سيظهر أن السفينة الأولى قد قطعت بالفعل مسافة كبيرة قبل أن تتجاوزها السفينة الثانية ، التي تتحرك أسرع أربع مرات. لكن من وجهة نظر الأشخاص على متن السفينة الأولى ، كل شيء مختلف قليلاً.

تتحرك السفينة رقم 2 بشكل أسرع من الضوء ، مما يعني أنها يمكن أن تتجاوز الضوء الذي ينبعث منه. يؤدي هذا إلى نوع من "الموجة الضوئية" (على غرار الموجة الصوتية ، تهتز هنا موجات الضوء فقط بدلاً من اهتزازات الهواء) ، مما يؤدي إلى ظهور العديد من التأثيرات المثيرة للاهتمام. تذكر أن الضوء من السفينة رقم 2 يتحرك أبطأ من السفينة نفسها. ستكون النتيجة مضاعفة بصرية. بمعنى آخر ، في البداية سيرى طاقم السفينة رقم 1 أن السفينة الثانية ظهرت بجانبهم كما لو كانت من العدم. بعد ذلك ، سيصل الضوء من السفينة الثانية إلى السفينة الأولى مع تأخير بسيط ، وستكون النتيجة نسخة مرئية تتحرك في نفس الاتجاه مع تأخر طفيف.

يمكن رؤية شيء مشابه في ألعاب الكمبيوتر ، عندما يقوم المحرك بتحميل النموذج وخوارزمياته في نقطة نهاية الحركة بشكل أسرع من انتهاء الرسوم المتحركة نفسها ، نتيجة لفشل النظام ، بحيث تحدث عدة مرات. ربما هذا هو السبب في أن وعينا لا يدرك ذلك الجانب الافتراضي للكون حيث تتحرك الأجسام بسرعة فائقة - ربما يكون هذا هو الأفضل.

ملاحظة. ... لكن في المثال الأخير لم أفهم شيئًا ، لماذا يرتبط الموقع الحقيقي للسفينة بـ "الضوء المنبعث منها"؟ حسنًا ، على الرغم من أنهم سيرونه بطريقة ما في المكان الخطأ ، لكنه في الواقع سيتفوق على السفينة الأولى!

مصادر

مخصص للقياس المباشر لسرعة النيوترينوات. تبدو النتائج مثيرة: تبين أن سرعة النيوترينو كانت طفيفة - لكنها ذات دلالة إحصائية! - سرعة تفوق سرعة الضوء. تحتوي مقالة التعاون على تحليل لمصادر مختلفة من الأخطاء والشكوك ، لكن رد فعل الغالبية العظمى من الفيزيائيين يظل متشككًا للغاية ، وذلك أساسًا لأن هذه النتيجة غير متوافقة مع البيانات التجريبية الأخرى حول خصائص النيوترينوات.

تفاصيل التجربة

فكرة التجربة (انظر تجربة OPERA) بسيطة للغاية. وُلد شعاع النيوترينو في CERN ، ويطير عبر الأرض إلى المختبر الإيطالي Gran Sasso ويمر هناك عبر كاشف OPERA الخاص للنيوترينو. تتفاعل النيوترينوات مع المادة بشكل ضعيف جدًا ، ولكن نظرًا لحقيقة أن تدفقها من CERN كبير جدًا ، لا تزال بعض النيوترينوات تصطدم بالذرات داخل الكاشف. هناك يولدون سلسلة من الجسيمات المشحونة وبالتالي يتركون إشاراتهم في الكاشف. النيوترينوات في سيرن لا تولد بشكل مستمر ، ولكن في "رشقات نارية" ، وإذا عرفنا لحظة ولادة النيوترينو ولحظة امتصاصه في الكاشف ، وكذلك المسافة بين المختبرين ، يمكننا حساب السرعة من النيوترينو.

المسافة بين المصدر والكاشف في خط مستقيم حوالي 730 كم وتم قياسها بدقة 20 سم (المسافة الدقيقة بين النقاط المرجعية هي 730534.61 ± 0.20 متر). صحيح أن العملية المؤدية إلى ولادة النيوترينو ليست مترجمة على الإطلاق بهذه الدقة. في CERN ، يطير شعاع من البروتونات عالية الطاقة من معجل SPS ، ويتم إسقاطه على هدف من الجرافيت ويولد جزيئات ثانوية فيه ، بما في ذلك الميزونات. يستمرون في التحليق للأمام بسرعة تقترب من سرعة الضوء ويتحللون إلى ميونات أثناء الطيران مع انبعاث النيوترينوات. تتحلل الميونات أيضًا وتؤدي إلى مزيد من النيوترينوات. ثم يتم امتصاص جميع الجسيمات ، باستثناء النيوترينوات ، في سمك المادة ، وتصل بحرية إلى مكان الكشف. يظهر المخطط العام لهذا الجزء من التجربة في الشكل. واحد.

يمكن أن تمتد السلسلة الكاملة المؤدية إلى ظهور شعاع نيوترينو لمئات الأمتار. لكن منذ الكلالجسيمات في هذه المجموعة تطير إلى الأمام بسرعة تقترب من سرعة الضوء ، بالنسبة لوقت الاكتشاف ، لا يوجد فرق عمليًا بين ما إذا كان النيوترينو قد ولد على الفور أو بعد كيلومتر واحد من الطريق (ومع ذلك ، فإنه من الأهمية بمكان عندما أدى البروتون الأصلي بالضبط إلى ولادة هذا النيوترينو طار من المسرع). نتيجة لذلك ، فإن النيوترينوات المنتجة بشكل عام تكرر ببساطة المظهر الجانبي لحزمة البروتون الأصلية. لذلك ، فإن المعلمة الرئيسية هنا هي تحديدًا ملف تعريف الوقت لشعاع البروتون المنبعث من المسرع ، على وجه الخصوص ، الموضع الدقيق لحوافها الأمامية والخلفية ، ويتم قياس هذا الملف الشخصي مع الوقت المناسب سقرار م (انظر الشكل 2).

كل جلسة لإسقاط شعاع بروتون على هدف (في اللغة الإنجليزية تسمى هذه الجلسة تسرب، "دفقة") حوالي 10 ميكروثانية وتؤدي إلى ولادة عدد هائل من النيوترينوات. ومع ذلك ، فإن جميعهم تقريبًا يطيرون عبر الأرض (والكاشف) دون تفاعل. في نفس الحالات النادرة التي يسجل فيها الكاشف نيوترينوًا ، من المستحيل تحديد اللحظة الدقيقة التي انبعث منها خلال فترة 10 ميكروثانية. يمكن إجراء التحليل إحصائيًا فقط ، أي تجميع العديد من حالات اكتشاف النيوترينو وبناء توزيع الوقت بالنسبة إلى نقطة البداية لكل جلسة. في الكاشف ، يتم أخذ نقطة الوقت كأصل عندما تتحرك الإشارة الشرطية بسرعة الضوء وتنبعث بالضبط في لحظة وصول الحافة الأمامية لشعاع البروتون إلى الكاشف. أصبح القياس الدقيق لهذه اللحظة ممكنًا من خلال مزامنة الساعات في المختبرين في غضون بضع نانوثانية.

على التين. يوضح الشكل 3 مثالاً لمثل هذا التوزيع. النقاط السوداء هي بيانات نيوترينو حقيقية يسجلها الكاشف ويتم جمعها على مدى عدد كبير من الجلسات. يُظهر المنحنى الأحمر إشارة "مرجعية" تقليدية تتحرك بسرعة الضوء. يمكنك أن ترى أن البيانات تبدأ في حوالي 1048.5 نانوثانية. قبلإشارة مرجعية. ومع ذلك ، فإن هذا لا يعني حتى الآن أن النيوترينو يتقدم بالفعل على الضوء بمقدار ميكروثانية ، ولكنه مجرد سبب لقياس جميع أطوال الكابلات وسرعات استجابة المعدات وأوقات تأخير الإلكترونيات وما إلى ذلك. تم إجراء إعادة الفحص هذه ووجد أنها تحول لحظة "المرجع" بمقدار 988 نانوثانية. وهكذا ، اتضح أن إشارة النيوترينو تتجاوز بالفعل الإشارة المرجعية ، ولكن بحوالي 60 نانوثانية فقط. من حيث سرعة النيوترينو ، هذا يقابل زيادة في سرعة الضوء بحوالي 0.0025٪.

قدر مؤلفو التحليل خطأ هذا القياس بـ 10 نانوثانية ، والتي تتضمن أخطاء إحصائية ومنهجية. وهكذا ، يدعي المؤلفون أنهم "يرون" الحركة الفائقة اللمعان للنيوترينوات بمستوى ثقة إحصائي يبلغ ستة انحرافات معيارية.

الفرق بين النتائج والتوقعات بستة انحرافات معيارية كبير بالفعل ويسمى في فيزياء الجسيمات الأولية كلمة "اكتشاف" بصوت عالٍ. ومع ذلك ، يجب فهم هذا الرقم بشكل صحيح: فهذا يعني فقط أن الاحتمال إحصائيةالتقلبات في البيانات صغيرة جدًا ، لكنها لا تشير إلى مدى موثوقية تقنية معالجة البيانات ومدى جودة أخذ الفيزيائيين في الاعتبار جميع الأخطاء الآلية. بعد كل شيء ، هناك العديد من الأمثلة في فيزياء الجسيمات الأولية حيث لم يتم تأكيد الإشارات غير العادية من خلال تجارب أخرى ذات يقين إحصائي مرتفع بشكل استثنائي.

ماذا تتعارض النيوترينوات الفائقة اللمعان؟

خلافًا للاعتقاد الشائع ، فإن النسبية الخاصة في حد ذاتها لا تمنع وجود جسيمات تتحرك بسرعات فائقة. ومع ذلك ، بالنسبة لمثل هذه الجسيمات (يطلق عليها عمومًا "تاكيون") ، فإن سرعة الضوء هي أيضًا حد ، ولكن من أسفل فقط - لا يمكنها التحرك أبطأ من ذلك. في هذه الحالة ، يتضح أن اعتماد طاقة الجسيمات على السرعة معكوس: فكلما زادت الطاقة ، كلما اقتربت سرعة التاكيون من سرعة الضوء.

تبدأ المشاكل الأكثر خطورة في نظرية المجال الكمومي. تحل هذه النظرية محل ميكانيكا الكم عندما يتعلق الأمر بالجسيمات الكمومية ذات الطاقات العالية. في هذه النظرية ، الجسيمات ليست نقاطًا ، ولكنها ، من الناحية الشرطية ، كتل من مجال المادة ، ولا يمكن اعتبارها منفصلة عن المجال. اتضح أن التاكيونات تخفض طاقة المجال ، مما يعني أنها تجعل الفراغ غير مستقر. ومن ثم يكون من المربح أكثر أن يتفكك الفراغ تلقائيًا إلى عدد كبير من هذه الجسيمات ، وبالتالي لا معنى لحركة أحد التاكيون في الفضاء الفارغ العادي. يمكننا القول أن التاكيون ليس جسيمًا ، ولكنه عدم استقرار في الفراغ.

في حالة tachyon-fermions ، يكون الوضع أكثر تعقيدًا إلى حد ما ، ولكن حتى هناك ، تنشأ صعوبات مماثلة تعيق إنشاء نظرية المجال الكمومي المتسقة ذاتيًا ، والتي تتضمن النظرية النسبية المعتادة.

ومع ذلك ، فهذه ليست الكلمة الأخيرة من الناحية النظرية. مثلما يقيس المجربون كل ما يمكن قياسه ، يختبر المنظرون أيضًا جميع النماذج الافتراضية الممكنة التي لا تتعارض مع البيانات المتاحة. على وجه الخصوص ، هناك نظريات يُسمح فيها بانحراف طفيف لم يُلاحظ بعد عن افتراضات نظرية النسبية - على سبيل المثال ، يمكن أن تكون سرعة الضوء نفسها متغيرة. مثل هذه النظريات ليس لديها دعم تجريبي مباشر حتى الآن ، لكنها لم تغلق بعد.

يمكن تلخيص هذا المخطط الموجز للإمكانيات النظرية على النحو التالي: على الرغم من حقيقة أنه في بعض النماذج النظرية تكون الحركة ذات السرعة الفائقة ممكنة ، إلا أنها تظل مجرد إنشاءات افتراضية. يتم وصف جميع البيانات التجريبية المتاحة حاليًا بواسطة النظريات القياسية بدون حركة فائقة اللمعة. لذلك ، إذا تم تأكيدها بشكل موثوق لبعض الجسيمات على الأقل ، فسيتعين إعادة صياغة نظرية المجال الكمومي بشكل جذري.

هل يستحق اعتبار نتيجة OPERA بهذا المعنى "العلامة الأولى"؟ ليس بعد. ربما يكون السبب الأكثر أهمية للشك هو حقيقة أن نتيجة OPERA لا تتفق مع البيانات التجريبية الأخرى على النيوترينوات.

أولاً ، خلال المستعر الأعظم الشهير SN1987A ، تم أيضًا تسجيل النيوترينوات ، والتي وصلت قبل ساعات قليلة من نبض الضوء. هذا لا يعني أن النيوترينوات تنتقل أسرع من الضوء ، ولكنها تعكس فقط حقيقة أن النيوترينوات تنبعث في مرحلة مبكرة من انهيار النواة أثناء انفجار سوبر نوفا أكثر من الضوء. ومع ذلك ، نظرًا لأن النيوترينوات والضوء ، بعد أن أمضيا 170000 سنة على الطريق ، لم يفصل بينهما أكثر من بضع ساعات ، فهذا يعني أن سرعاتهما قريبة جدًا ولا تختلف بأكثر من جزء من المليار. تُظهر تجربة OPERA تناقضًا أقوى ألف مرة.

هنا ، بالطبع ، يمكننا القول أن النيوترينوات التي تنتج أثناء انفجارات المستعرات الأعظمية ونيوترينوات CERN تختلف اختلافًا كبيرًا في الطاقة (عدة عشرات من MeV في المستعرات الأعظمية و10-40 GeV في التجربة الموصوفة) ، وتختلف سرعة النيوترينو اعتمادًا على الطاقة. لكن هذا التغيير في هذه الحالة يعمل في الاتجاه "الخاطئ": فكلما زادت طاقة التاكيونات ، كلما اقتربت سرعتها من سرعة الضوء. بالطبع ، حتى هنا من الممكن التوصل إلى بعض التعديلات على نظرية تاكيون ، حيث يكون هذا الاعتماد مختلفًا تمامًا ، ولكن في هذه الحالة سيكون من الضروري مناقشة نموذج "الافتراض المزدوج".

علاوة على ذلك ، من البيانات التجريبية العديدة حول تذبذبات النيوترينو التي تم الحصول عليها في السنوات الأخيرة ، يترتب على ذلك أن كتل جميع النيوترينوات تختلف عن بعضها البعض فقط بواسطة كسور إلكترون فولت. إذا تم النظر إلى نتيجة OPERA على أنها مظهر من مظاهر الحركة الفائقة للنيوترينو ، فإن قيمة مربع كتلة نيوترينو واحد على الأقل ستكون في حدود - (100 MeV) 2 (المربع السالب للكتلة هو المظهر الرياضي لحقيقة أن الجسيم يعتبر تاكيون). ثم عليك أن تعترف بذلك الكلأنواع النيوترينوات هي عبارة عن تاكيونات ولها نفس الكتلة تقريبًا. من ناحية أخرى ، يُظهر القياس المباشر لكتلة النيوترينو في اضمحلال بيتا لنواة التريتيوم أن كتلة النيوترينو (modulo) يجب ألا تتجاوز 2 إلكترون فولت. بمعنى آخر ، لن يكون من الممكن التوفيق بين كل هذه البيانات مع بعضها البعض.

يمكن استخلاص النتيجة من هذا على النحو التالي: النتيجة المعلنة لتعاون OPERA يصعب وضعها في أي ، حتى أكثر النماذج النظرية غرابة.

ماذا بعد؟

في جميع عمليات التعاون الكبيرة في فيزياء الجسيمات الأولية ، من المعتاد أن تقوم مجموعة صغيرة من المشاركين بإجراء كل تحليل محدد ، وعندها فقط يتم تقديم النتائج للمناقشة العامة. في هذه الحالة ، على ما يبدو ، كانت هذه المرحلة قصيرة جدًا ، ونتيجة لذلك لم يوافق جميع المشاركين في التعاون على وضع توقيعهم تحت المقالة (القائمة الكاملة تضم 216 مشاركًا في التجربة ، وتضم النسخة الأولية 174 مؤلفًا فقط ). لذلك ، في المستقبل القريب ، على الأرجح ، سيتم إجراء العديد من الفحوصات الإضافية ضمن التعاون ، وبعد ذلك فقط سيتم إرسال المقالة للطباعة.

بالطبع ، يمكن للمرء الآن أيضًا أن يتوقع تدفقًا من الأوراق النظرية مع تفسيرات غريبة مختلفة لهذه النتيجة. ومع ذلك ، حتى يتم إعادة التحقق من النتيجة المطالب بها بشكل موثوق ، لا يمكن اعتبارها اكتشافًا كاملًا.

الحد الأقصى للسرعة معروف حتى لأطفال المدارس: من خلال ربط الكتلة والطاقة بالصيغة الشهيرة E = mc 2 ، في وقت مبكر من بداية القرن العشرين ، أشار إلى الاستحالة الأساسية لأي شيء يتحرك فيه كتلة في الفضاء أسرع من سرعة الضوء في الفراغ. ومع ذلك ، تحتوي هذه الصيغة بالفعل على ثغرات يمكن لبعض الظواهر الفيزيائية والجسيمات تجاوزها. على الأقل الظواهر الموجودة من الناحية النظرية.

الثغرة الأولى تتعلق بكلمة "كتلة": لا تنطبق قيود أينشتاين على الجسيمات عديمة الكتلة. كما أنها لا تنطبق على بعض الوسائط كثيفة إلى حد ما حيث يمكن أن تكون سرعة الضوء أقل بكثير من الفراغ. أخيرًا ، مع تطبيق الطاقة الكافية ، يمكن أن يتشوه الفضاء نفسه محليًا ، مما يسمح بالحركة بطريقة تبدو للمراقب من الجانب ، خارج هذا التشوه ، أن تكون الحركة أسرع من سرعة الضوء.

بعض هذه الظواهر "فائقة السرعة" وجزيئات الفيزياء يتم تسجيلها وإعادة إنتاجها بانتظام في المختبرات ، حتى أنها تستخدم في الممارسة العملية ، في الأدوات والأجهزة عالية التقنية. البعض الآخر ، كما تنبأ نظريًا ، لا يزال العلماء يحاولون اكتشاف الواقع ، ولديهم خطط كبيرة للآخرين: ربما في يوم من الأيام ستسمح لنا هذه الظواهر بالتحرك بحرية حول الكون ، ولا تقيدها سرعة الضوء.

النقل الآني الكمي

الوضع: تطوير بنشاط

يعتبر الكائن الحي مثالًا جيدًا على التكنولوجيا الممكنة نظريًا ، ولكن من الواضح أنها غير ممكنة عمليًا على الإطلاق. ولكن إذا كنا نتحدث عن النقل الآني ، أي الحركة اللحظية للأشياء الصغيرة من مكان إلى آخر ، وحتى الجسيمات أكثر من ذلك ، فهذا ممكن تمامًا. لتبسيط المهمة ، لنبدأ بمهمة بسيطة - الجسيمات.

يبدو أننا سنحتاج إلى أجهزة (1) تراقب حالة الجسيم بشكل كامل ، (2) تنقل هذه الحالة أسرع من سرعة الضوء ، (3) تستعيد الأصل.

ومع ذلك ، في مثل هذا المخطط ، حتى الخطوة الأولى لا يمكن تنفيذها بالكامل. يفرض مبدأ عدم اليقين في هايزنبرغ قيودًا لا يمكن التغلب عليها على الدقة التي يمكن بها قياس المعلمات "المزدوجة" للجسيم. على سبيل المثال ، كلما عرفنا زخمها بشكل أفضل ، كان تنسيقها أسوأ ، والعكس صحيح. ومع ذلك ، فإن إحدى السمات المهمة للانتقال الآني الكمي هي أنه ، في الواقع ، ليس من الضروري قياس الجسيمات ، تمامًا كما أنه ليس من الضروري استعادة أي شيء - يكفي الحصول على زوج من الجسيمات المتشابكة.

على سبيل المثال ، لإعداد مثل هذه الفوتونات المتشابكة ، نحتاج إلى إضاءة بلورة غير خطية بإشعاع ليزر بطول موجي معين. ثم تنقسم بعض الفوتونات الواردة إلى قسمين متشابكين - متصلين بشكل غير مفهوم ، بحيث يؤثر أي تغيير في حالة أحدهما على حالة الآخر على الفور. هذا الارتباط لا يمكن تفسيره حقًا: تظل آليات التشابك الكمومي غير معروفة ، على الرغم من أن الظاهرة نفسها قد تم إثباتها ويتم إظهارها باستمرار. لكن هذه ظاهرة من السهل حقًا الخلط فيها - يكفي أن نضيف أنه قبل القياس ، لا يمتلك أي من هذه الجسيمات الخاصية المرغوبة ، في حين أنه مهما كانت النتيجة التي نحصل عليها من خلال قياس الحالة الأولى ، الثانية سوف ترتبط بشكل غريب بنتائجنا.

تتطلب آلية النقل الآني الكمي ، التي اقترحها تشارلز بينيت وجيل براسارد في عام 1993 ، إضافة مشارك إضافي واحد فقط إلى زوج من الجسيمات المتشابكة - في الواقع ، الجسيم الذي سننقله عن بعد. من المعتاد استدعاء المرسل والمستقبلات Alice and Bob ، وسنتبع هذا التقليد من خلال إعطاء كل واحد منهم واحدًا من الفوتونات المتشابكة. بمجرد أن تكون المسافة بعيدة عن بعضها البعض وقررت أليس أن تبدأ النقل الآني ، فإنها تأخذ الفوتون المطلوب وتقيس حالته مع حالة أول الفوتونات المتشابكة. تنهار وظيفة الموجة غير المؤكدة لهذا الفوتون وتستجيب فورًا للفوتون المتشابك الثاني لبوب.

لسوء الحظ ، لا يعرف بوب بالضبط كيف يتفاعل فوتونه مع سلوك فوتون أليس: لفهم ذلك ، عليه الانتظار حتى ترسل نتائج قياساتها بالبريد العادي ، ليس أسرع من سرعة الضوء. لذلك ، لا يمكن نقل أي معلومات عبر هذه القناة ، لكن الحقيقة تبقى. لقد نقلنا حالة فوتون واحد عن بعد. للانتقال إلى البشر ، يبقى توسيع نطاق التكنولوجيا لتغطية كل جسيم فقط من 7000 تريليون تريليون ذرة من أجسامنا - أعتقد أننا لم نعد سوى أبدية من هذا الاختراق.

ومع ذلك ، يظل النقل الآني والتشابك الكمومي من بين الموضوعات الأكثر سخونة في الفيزياء الحديثة. بادئ ذي بدء ، لأن استخدام قنوات الاتصال هذه يعد بحماية غير قابلة للكسر للبيانات المرسلة: من أجل الوصول إليها ، سيحتاج المهاجمون ليس فقط الاستيلاء على الرسالة من أليس إلى بوب ، ولكن أيضًا الوصول إلى جسيم بوب المتشابك ، و حتى إذا تمكنوا من الوصول إليه وإجراء القياسات ، فسيؤدي ذلك إلى تغيير حالة الفوتون بشكل دائم وسيتم الكشف عنه على الفور.

تأثير فافيلوف شيرينكوف

الحالة: مستخدمة منذ فترة طويلة

هذا الجانب من السفر أسرع من سرعة الضوء هو مناسبة ممتعة لتذكر مزايا العلماء الروس. تم اكتشاف هذه الظاهرة في عام 1934 من قبل بافيل شيرينكوف ، الذي عمل تحت إشراف سيرجي فافيلوف ، وبعد ثلاث سنوات تلقت تبريرًا نظريًا في أعمال إيغور تام وإيليا فرانك ، وفي عام 1958 جميع المشاركين في هذه الأعمال ، باستثناء بالفعل. المتوفى فافيلوف على جائزة نوبل في الفيزياء.

في الواقع ، إنها تتحدث فقط عن سرعة الضوء في الفراغ. في الوسائط الشفافة الأخرى ، يتباطأ الضوء ، وبشكل ملحوظ تمامًا ، ونتيجة لذلك يمكن ملاحظة الانكسار في واجهته مع الهواء. معامل انكسار الزجاج هو 1.49 ، مما يعني أن سرعة طور الضوء فيه أقل بمقدار 1.49 مرة ، وعلى سبيل المثال ، فإن معامل انكسار الماس يبلغ بالفعل 2.42 ، وتقل سرعة الضوء فيه بأكثر من الضعف. . لا شيء يمنع الجسيمات الأخرى من الطيران أسرع من فوتونات الضوء.

هذا هو بالضبط ما حدث للإلكترونات ، والتي في تجارب شيرينكوف خرجت من إشعاع غاما عالي الطاقة من أماكنها في جزيئات السائل المضيء. غالبًا ما تُقارن هذه الآلية بتكوين موجة صدمة صوتية عند الطيران عبر الغلاف الجوي بسرعات تفوق سرعة الصوت. ولكن يمكن تخيله أيضًا على أنه يجري في حشد: تتحرك أسرع من الضوء ، تندفع الإلكترونات عبر الجسيمات الأخرى ، كما لو كانت تضربها بكتف - ولكل سنتيمتر من مسارها ، مما يتسبب في انبعاثها بغضب من عدة إلى عدة مئات من الفوتونات .

سرعان ما تم اكتشاف نفس السلوك في جميع السوائل الأخرى النقية والشفافة بدرجة كافية ، وبعد ذلك تم تسجيل إشعاع Cherenkov حتى في أعماق المحيطات. بالطبع ، فوتونات الضوء من السطح لا تصل هنا حقًا. لكن الجسيمات فائقة السرعة التي تتطاير من كميات صغيرة من الجسيمات المشعة المتحللة ، من وقت لآخر تخلق وهجًا ، ربما على الأقل يسمح للسكان المحليين برؤيته.

وجد إشعاع Cherenkov-Vavilov تطبيقًا في العلوم وهندسة الطاقة النووية والمجالات ذات الصلة. تتوهج مفاعلات محطات الطاقة النووية بشكل لامع ومكتظ بالجسيمات السريعة. من خلال قياس خصائص هذا الإشعاع بدقة ومعرفة سرعة الطور في بيئة العمل لدينا ، يمكننا فهم نوع الجسيمات التي تسببت في ذلك. يستخدم علماء الفلك أيضًا كاشفات Cherenkov للكشف عن الضوء والجسيمات الكونية النشطة: من الصعب للغاية تسريع الجسيمات الثقيلة إلى السرعة المرغوبة ، كما أنها لا تخلق إشعاعات.

فقاعات وثقوب

هنا نملة تزحف على ورقة. سرعته منخفضة ، ويستغرق الشخص المسكين حوالي 10 ثوانٍ للانتقال من الحافة اليسرى للطائرة إلى اليمين. ولكن بمجرد أن نشفق عليه ونثني الورقة ، وربط حوافها ، يقوم على الفور بـ "النقل الفوري" إلى النقطة المطلوبة. يمكن فعل شيء مشابه مع زمكاننا الأصلي ، مع الاختلاف الوحيد الذي يتطلب المنعطف مشاركة أبعاد أخرى لا ندركها ، وتشكيل أنفاق الزمكان - الثقوب الدودية الشهيرة ، أو الثقوب الدودية.

بالمناسبة ، وفقًا لنظريات جديدة ، فإن هذه الثقوب الدودية هي نوع من مكافئ الزمكان لظاهرة التشابك الكمومية المألوفة بالفعل. بشكل عام فإن وجودها لا يتعارض مع أي أفكار مهمة للفيزياء الحديثة منها. ولكن للحفاظ على مثل هذا النفق في نسيج الكون ، فإن الأمر يتطلب شيئًا لا يشبه العلم الحقيقي - "مادة غريبة" افتراضية لها كثافة طاقة سالبة. بعبارة أخرى ، يجب أن تكون هذه المادة هي التي تسبب الجاذبية ... التنافر. من الصعب أن نتخيل أنه في يوم من الأيام سيتم العثور على هذا الغريب ، ناهيك عن ترويضه.

يمكن أن يكون البديل الغريب للثقوب الدودية تشوهًا أكثر غرابة في الزمكان - الحركة داخل فقاعة البنية المنحنية لهذه السلسلة المتصلة. تم التعبير عن الفكرة في عام 1993 من قبل الفيزيائي ميغيل ألكوبيير ، على الرغم من أنها بدت قبل ذلك بكثير في أعمال كتاب الخيال العلمي. إنها مثل سفينة الفضاء التي تتحرك وتضغط وتضغط على الزمكان أمام أنفها وتنعشها مرة أخرى خلفها. في الوقت نفسه ، تبقى السفينة نفسها وطاقمها في المنطقة المحلية ، حيث يحافظ الزمكان على الهندسة المعتادة ، ولا يواجهون أي إزعاج. يظهر هذا بوضوح في سلسلة Star Trek ، المشهورة بين الحالمين ، حيث يسمح لك "محرك الاعوجاج" بالسفر ، دون أن تكون متواضعًا ، في جميع أنحاء الكون.

الحالة: من الخيال إلى النظري

الفوتونات هي جسيمات عديمة الكتلة ، مثل بعض الفوتونات: كتلتها في حالة السكون تساوي صفرًا ، ولكي لا تختفي تمامًا ، فهي مضطرة للتحرك دائمًا ، ودائمًا بسرعة الضوء. ومع ذلك ، تشير بعض النظريات إلى وجود جسيمات أكثر غرابة - التاكيونات. كتلتها ، التي تظهر في الصيغة المفضلة لدينا E = mc 2 ، لا يتم الحصول عليها من خلال عدد أولي ، ولكن من خلال رقم وهمي ، والذي يتضمن مكونًا رياضيًا خاصًا ، يعطي مربعه رقمًا سالبًا. هذه خاصية مفيدة للغاية ، وقد شرح مؤلفو سلسلة Star Trek المحبوبة عمل محركهم الرائع بدقة من خلال "تسخير طاقة التاكيون".

في الواقع ، تقوم الكتلة التخيلية بما لا يمكن تصوره: يجب أن تفقد التاكيونات طاقتها من خلال التسارع ، لذلك يختلف كل شيء في الحياة تمامًا عما اعتدنا على التفكير فيه. عندما تصطدم بالذرات ، فإنها تفقد الطاقة وتتسارع ، بحيث يكون الاصطدام التالي أقوى ، الأمر الذي سيستغرق المزيد من الطاقة ويسرع التاكيون مرة أخرى إلى ما لا نهاية. من الواضح أن مثل هذا الانغماس الذاتي ينتهك ببساطة علاقات السبب والنتيجة الأساسية. ربما هذا هو السبب في أن المنظرين فقط هم الذين يدرسون التاكيونات حتى الآن: لم ير أحد حتى الآن مثالًا واحدًا لانهيار علاقات السبب والنتيجة في الطبيعة ، وإذا رأيت ذلك ، فابحث عن تاكيون ، وتضمن لك جائزة نوبل. جائزة.

ومع ذلك ، أظهر المنظرون مع ذلك أن التاكيونات قد لا تكون موجودة ، ولكن في الماضي البعيد كان من الممكن أن تكون موجودة ، ووفقًا لبعض الأفكار ، كانت إمكانياتها اللانهائية هي التي لعبت دورًا مهمًا في الانفجار العظيم. يفسر وجود التاكيونات الحالة غير المستقرة للغاية للفراغ الكاذب التي يمكن أن يكون فيها الكون قبل ولادته. في مثل هذه الصورة للعالم ، تعد حركة التاكيونات التي تتحرك أسرع من الضوء هي الأساس الحقيقي لوجودنا ، ويوصف ظهور الكون على أنه انتقال حقل تاكيون للفراغ الزائف إلى الحقل التضخمي للفراغ الحقيقي. تجدر الإشارة إلى أن كل هذه نظريات محترمة تمامًا ، على الرغم من حقيقة أن المخالفين الرئيسيين لقوانين أينشتاين وحتى العلاقة السببية هم مؤسسو جميع الأسباب والآثار فيها.

سرعة الظلام

المكانة: فلسفية

من الناحية الفلسفية ، الظلام هو ببساطة غياب الضوء ، ويجب أن تكون سرعاتهم هي نفسها. لكن الأمر يستحق التفكير مليًا: يمكن للظلام أن يتخذ شكلاً يتحرك بشكل أسرع. اسم هذا الشكل هو الظل. تخيل أنك تشير بأصابعك إلى صورة ظلية لكلب على الحائط المقابل. يتباعد شعاع المصباح ، ويصبح ظل يدك أكبر بكثير من اليد نفسها. تكفي أدنى حركة للإصبع أن يتحول الظل من على الحائط إلى مسافة ملحوظة. ماذا لو ألقينا بظلالنا على القمر؟ أو على شاشة خيالية أبعد من ذلك؟ ..

موجة بالكاد محسوسة - وستجري عبر أي سرعة ، والتي تحددها الهندسة فقط ، لذلك لا يستطيع أينشتاين إخبارها. ومع ذلك ، من الأفضل عدم مغازلة الظلال ، لأنها تخدعنا بسهولة. يجدر بنا العودة إلى البداية وتذكر أن الظلام هو ببساطة غياب الضوء ، لذلك لا ينتقل أي شيء مادي أثناء هذه الحركة. لا توجد جسيمات ، ولا معلومات ، ولا تشوهات في الزمكان ، هناك فقط وهمنا بأن هذه ظاهرة منفصلة. في العالم الحقيقي ، لا يوجد ظلمة يمكن أن تضاهي سرعة الضوء.

أيهما أسرع سرعة الضوء أم سرعة الصوت؟

1. سرعة الضوء. مثال: البرق الأول ، ثم الرعد.
2. يبدو أن الفيزياء لا تدرس في مدارسنا! سرعة الطفل الخفيف ، بالطبع ، أعلى.
3. ضوء بالطبع
4. بصراحة ، لا أعرف الإجابة الصحيحة ، لكن إذا كنت تعتقد أنه من المنطقي أن تكون سرعة الضوء أسرع.
5. تدق السرعة. في أحد طرفيه أطلق الريح ، وفي الطرف الآخر قالوا بالفعل إنه مارس الجنس.
6. سرعة الضوء. لأننا في العاصفة الرعدية نرى البرق أولاً ، وعندها فقط نسمع الرعد
7. سرعة الصوت (في الفراغ)
   وهكذا سرعة الضوء .. من الشمس إلينا يصل الضوء في 8 دقائق
8. سفيتا
9. شعاع الشمس عند الفجر يقطع المسافة إلى الأرض في 17 ثانية ، وسرعة الصوت 300 كم في الثانية ، لذا احسب
10. كما تتمنا
11. السلاحف ....
12. سفيتا ...
    على سبيل المثال ، عندما تكون هناك عاصفة رعدية ... كان البرق هو الأول ، ثم يتبعه الرعد .. حسنًا ، شرحوا لي الأمر هكذا ...: ^^
13. هناك نكتة واحدة لهذا - تقوم بتشغيل التلفزيون - يظهر الصوت أولاً ، ثم الصورة.
    (أولئك الذين أجابوا أعلاه ربما لم يسمعوا ذلك)

    في الغلاف الجوي للأرض ، بالطبع ، سرعة الضوء أكبر من سرعة الصوت.

    لكن بشكل عام ، تعتمد كلتا الكميتين على الوسيط الذي تنتشر فيه الموجات - في الحالة الأولى ، الكهرومغناطيسية ، وفي الحالة الثانية - موجات ضغط الجسيمات (الصوتية).

    لذلك - في بعض البيئات ، يمكن للضوء أن ينتشر بشكل أبطأ بكثير من الفراغ أو الهواء. وفي بعض المواد ، ينتقل الصوت أسرع منه في الهواء.

    يحدث أن تنتشر الجسيمات في الوسط بسرعة أكبر من سرعة الضوء. ومع ذلك فهي تشع. (تأثير فافيلوف-شيرينكوف). لكنهم عادة لا يتحدثون عن الموجات الصوتية على الجسيمات الأولية ...

    حتى الآن ، لم أتمكن من العثور على معلومات حول مادة تتجاوز فيها سرعة الصوت سرعة الضوء ، لكن لا توجد معلومات تفيد بأن هذا مستحيل نظريًا.

    لذلك تكون سرعة الضوء بشكل عام أسرع ، ولكن ربما هناك استثناءات محددة جدًا لذلك.

14. سرعة الضوء ، مثال عادي هو عاصفة رعدية: البرق الأول ، ثم الرعد.
15. تحمل سرعة الضحك.
16. سرعة الضوء
17. حسنًا ، أعتقد أنه ليس من المنطقي تكرار إجابة عادية للمرة المائة ، لكني أود أن أعرب عن احترامي لألكسندر كوروتيف. عندما قرأت إجابتك ، خطر ببالي مثال. داخل الشمس (في منطقة لب الهيليوم وفي منطقة التوازن الإشعاعي) تكون كثافة المادة هائلة لدرجة أن الضوء ينتشر فيها بسرعة عدة سنتيمترات في الثانية ... حسنًا ، سرعة انتشار الموجة الصوتية في مياه البحر أقل بقليل من 1500 م / ث ...
18. سرعة الضوء 300.000.000 م / ث
    سرعة الصوت في الهواء 340 م / ث
    سرعة الضوء أسرع مليون مرة وهذه هي السرعة القصوى في الطبيعة.
    يمكن للضوء أن ينتشر في الفراغ (الفضاء الخالي من الهواء) ، لكن الصوت يحتاج إلى وسيط - فكلما كانت الوسيلة أكثر كثافة ، زادت سرعة الصوت. لذلك على سبيل المثال ، بعد المطر ، تكون الأصوات أفضل وأكثر سماعًا. في العصور القديمة ، من أجل سماع مدى وجود جيش العدو ، وضعوا آذانهم على الأرض.
    لسماع صوت قطار يقترب ، ضع أذنك على القضبان - لأنه في البيئات الأكثر كثافة تكون سرعة الصوت أكبر
19. سرعة الضوء شيء ما حدث لذاكرتي ....
20. سرعة الضوء

في إطار مرجعي بالقصور الذاتي (محليًا) مع الأصل ، ضع في اعتبارك النقطة المادية الموجودة عند. نسمي سرعة هذه النقطة فائقة اللمعةفي وقت إذا كانت التفاوتات التالية صحيحة:

Src = "/ pictures / wiki / files / 50 /.png" border = "0">

أين ، هي سرعة الضوء في الفراغ ، والوقت والمسافة من النقطة المراد قياسها في الإطار المرجعي المذكور.

أين متجه نصف القطر في نظام إحداثيات غير دوار ، هو متجه السرعة الزاوية لدوران نظام الإحداثيات. كما يتضح من المعادلة ، غير بالقصور الذاتيالإطار المرجعي المرتبط بجسم دوار ، يمكن للأشياء البعيدة التحرك بسرعة فائقة ، بمعنى أن src = "/ pictures / wiki / files / 54 /.png" border = "0">. وهذا لا يتعارض مع ما قيل في المقدمة منذ ذلك الحين. على سبيل المثال ، بالنسبة لنظام إحداثيات مرتبط برأس شخص على الأرض ، فإن سرعة تنسيق حركة القمر مع دوران رأس عادي ستكون أكبر من سرعة الضوء في الفراغ. في هذا النظام ، عند الدوران في وقت قصير ، سيصف القمر قوسًا بنصف قطر يساوي تقريبًا المسافة بين أصل نظام الإحداثيات (الرأس) والقمر.

سرعة المرحلة

سرعة الطور على طول اتجاه انحرفت عن متجه الموجة بزاوية α. تعتبر الموجة المستوية أحادية اللون.

البوق كراسنيكوف

ميكانيكا الكم

مبدأ عدم اليقين في نظرية الكم

في فيزياء الكم ، يتم وصف حالات الجسيمات بواسطة متجهات هلبرت الفضائية ، والتي تحدد فقط احتمال الحصول على قيم معينة من الكميات الفيزيائية أثناء القياسات (وفقًا لمبدأ عدم اليقين الكمومي). التمثيل الأكثر شهرة لهذه المتجهات هو الدوال الموجية ، حيث يحدد مربع المعامل كثافة احتمالية العثور على جسيم في موقع معين. اتضح أن هذه الكثافة يمكن أن تتحرك أسرع من سرعة الضوء (على سبيل المثال ، عند حل مشكلة مرور الجسيم عبر حاجز الطاقة). في هذه الحالة ، يتم ملاحظة تأثير تجاوز سرعة الضوء فقط على مسافات قصيرة. عبر ريتشارد فاينمان عن ذلك في محاضراته على النحو التالي:

... بالنسبة للإشعاع الكهرومغناطيسي ، هناك أيضًا سعة احتمالية [غير صفرية] للسفر أسرع (أو أبطأ) من سرعة الضوء العادية. رأيت في المحاضرة السابقة أن الضوء لا يتحرك دائمًا في خطوط مستقيمة ؛ الآن سترى أنه لا يتحرك دائمًا بسرعة الضوء! قد يبدو من المدهش أن يكون هناك اتساع [غير صفري] للفوتون لكي ينتقل أسرع أو أبطأ من السرعة العادية للضوء. ج

النص الأصلي(إنجليزي)

... هناك أيضًا سعة للضوء لكي يسير بشكل أسرع (أو أبطأ) من سرعة الضوء التقليدية. لقد اكتشفت في المحاضرة الأخيرة أن الضوء لا يسير في خطوط مستقيمة فقط ؛ الآن ، تكتشف أنها لا تسير فقط بسرعة الضوء! قد يفاجئك أن هناك سعة لسير الفوتون بسرعة أكبر أو أبطأ من السرعة التقليدية ، ج

ريتشارد فاينمان حائز على جائزة نوبل في الفيزياء عام 1965.

في الوقت نفسه ، نظرًا لمبدأ عدم التمييز ، من المستحيل تحديد ما إذا كنا نلاحظ نفس الجسيم ، أو نسخته الوليدة. في محاضرة نوبل التي ألقاها في عام 2004 ، قدم فرانك فيلسيك الحجة التالية:

تخيل أن جسيمًا يتحرك بسرعة متوسطة قريبة جدًا من سرعة الضوء ، ولكن مع قدر كبير من عدم اليقين في موضعه كما تتطلب نظرية الكم. من الواضح أنه سيكون هناك احتمال معين لملاحظة هذا الجسيم يتحرك أسرع إلى حد ما من المتوسط ​​، وبالتالي أسرع من الضوء ، وهو ما يتعارض مع نظرية النسبية الخاصة. الطريقة الوحيدة المعروفة لحل هذا التناقض تتطلب فكرة الجسيمات المضادة. تقريبًا ، يتم تحقيق عدم اليقين المطلوب في الموضع بافتراض أن إجراء القياس قد يتضمن تكوين جسيمات مضادة ، لا يمكن تمييز كل منها عن الأصل ، بترتيبات مختلفة. للحفاظ على توازن الأرقام الكمية المحفوظة ، يجب أن تكون الجسيمات الإضافية مصحوبة بنفس العدد من الجسيمات المضادة. (توصل ديراك إلى توقع الجسيمات المضادة من خلال سلسلة من التفسيرات المبتكرة وإعادة التفسير لمعادلة الموجة النسبية الأنيقة التي اشتقها ، وليس من خلال الاعتبارات الاستدلالية مثل تلك التي قدمتها. أصبحت مبادئ ميكانيكا الكم والنسبية الخاصة واضحة فقط في وقت لاحق).

النص الأصلي(إنجليزي)

تخيل جسيمًا يتحرك في المتوسط ​​بسرعة قريبة جدًا من سرعة الضوء ، ولكن مع عدم اليقين في موضعه ، وفقًا لما تتطلبه نظرية الكم. من الواضح أنه سيكون هناك بعض الاحتمالات لرصد هذا الجسيم للتحرك أسرع قليلاً من المتوسط ​​، وبالتالي أسرع من الضوء ، وهو ما لن تسمح به النسبية الخاصة. الطريقة الوحيدة المعروفة لحل هذا التوتر تتضمن إدخال فكرة الجسيمات المضادة. بشكل تقريبي للغاية ، يتم استيعاب عدم اليقين المطلوب في الموضع من خلال السماح بإمكانية أن ينطوي فعل القياس على تكوين عدة جسيمات ، لا يمكن تمييز كل منها عن الأصل ، مع مواضع مختلفة. للحفاظ على توازن الأعداد الكمية المحفوظة ، يجب أن تكون الجسيمات الإضافية مصحوبة بعدد متساوٍ من الجسيمات المضادة. (تم توجيه ديراك للتنبؤ بوجود جسيمات مضادة من خلال سلسلة من التفسيرات المبتكرة وإعادة التفسيرات لمعادلة الموجة النسبية الأنيقة التي اخترعها ، بدلاً من الاستدلال الاستدلالي من النوع الذي قدمته. حتمية وعمومية استنتاجاته ، وعلاقتهم المباشرة بالمبادئ الأساسية لميكانيكا الكم والنسبية الخاصة ، واضحة فقط في الماضي).

فرانك فيلسيك

تأثير شارنهورست

تعتمد سرعة الموجات على خصائص الوسط الذي تنتشر فيه. تنص النظرية النسبية الخاصة على أنه من المستحيل تسريع جسم ضخم إلى سرعة تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ. في الوقت نفسه ، لا تفترض النظرية أي قيمة معينة لسرعة الضوء. يتم قياسه تجريبيًا وقد يختلف اعتمادًا على خصائص الفراغ. بالنسبة للفراغ الذي تكون طاقته أقل من طاقة الفراغ المادي العادي ، يجب أن تكون سرعة الضوء من الناحية النظرية أعلى ، ويتم تحديد الحد الأقصى لمعدل نقل الإشارة المسموح به من خلال أقصى كثافة ممكنة للطاقة السالبة. أحد الأمثلة على هذا الفراغ هو فراغ كازيمير ، الذي يحدث في شقوق رفيعة وشعيرات دموية يصل حجمها إلى عشرة نانومتر (قطر) (حوالي مائة ضعف حجم الذرة النموذجية). يمكن تفسير هذا التأثير أيضًا من خلال انخفاض عدد الجسيمات الافتراضية في فراغ كازيمير ، والتي ، مثل جزيئات الوسط المستمر ، تبطئ انتشار الضوء. تشير الحسابات التي أجراها Scharnhorst إلى أن سرعة الضوء في فراغ Casimir أعلى بنسبة 1/10 24 من الفراغ العادي لفجوة بعرض 1 نانومتر. كما تبين أن تجاوز سرعة الضوء في فراغ كازيمير لا ينتهك مبدأ السببية. زيادة سرعة الضوء في فراغ كازيمير مقارنة بسرعة الضوء في فراغ عادي لم يتم تأكيدها تجريبيًا بسبب التعقيد الشديد في قياس هذا التأثير.

نظريات تقلب سرعة الضوء في الفراغ

في الفيزياء الحديثة ، توجد فرضيات تفيد بأن سرعة الضوء في الفراغ ليست ثابتة ، ويمكن أن تتغير قيمتها بمرور الوقت (سرعة الضوء المتغيرة (VSL)). في النسخة الأكثر شيوعًا من هذه الفرضية ، يُفترض أنه في المراحل الأولى من حياة كوننا ، كانت قيمة الثابت (سرعة الضوء) أكبر بكثير مما هي عليه الآن. وفقًا لذلك ، قبل أن تتحرك المادة بسرعة ، متفوق بكثيرسرعة الضوء الحديثة.