Mis on kiirem kui valguse kiirus. Kas on võimalik liikuda kiiremini kui valgus

25. märts 2017

FTL-reisid on kosmoseulme üks aluseid. Küllap aga teavad kõik – ka füüsikakauged inimesed, et materiaalsete objektide maksimaalne võimalik liikumiskiirus või igasuguste signaalide levimise kiirus on valguse kiirus vaakumis. Seda tähistatakse tähega c ja see on peaaegu 300 tuhat kilomeetrit sekundis; täpne väärtus c = 299 792 458 m/s.

Valguse kiirus vaakumis on üks põhilisi füüsikalisi konstante. C-d ületavate kiiruste saavutamise võimatus tuleneb Einsteini erirelatiivsusteooriast (SRT). Kui oleks võimalik tõestada, et signaalide edastamine ülivalguse kiirusega on võimalik, langeks relatiivsusteooria alla. Siiani pole seda juhtunud, hoolimata arvukatest katsetest kummutada c-st suuremate kiiruste olemasolu keeldu. Hiljutised eksperimentaalsed uuringud on aga paljastanud väga huvitavaid nähtusi, mis näitavad, et spetsiaalselt loodud tingimustes on võimalik jälgida superluminaalseid kiirusi ilma relatiivsusteooria põhimõtteid rikkumata.

Alustuseks meenutagem valguse kiiruse probleemiga seotud peamisi aspekte.

Esiteks: miks on võimatu (tavatingimustes) valguse piiri ületada? Sest siis rikutakse meie maailma põhiseadust – põhjuslikkuse seadust, mille järgi tagajärg ei saa ületada põhjust. Keegi pole kunagi täheldanud, et näiteks karu kukkus esmalt surnult ja siis tulistas jahimees. Kiiruste korral, mis ületavad c, muutub sündmuste jada vastupidiseks, ajalint kerib tagasi. Seda on lihtne mõista järgmise lihtsa arutluskäigu põhjal.

Oletame, et oleme mingisugusel kosmilisel imelaeval, mis liigub valgusest kiiremini. Siis jõuaksime järk-järgult järele allika poolt kiiratavale valgusele varasematel ja varasematel ajahetkedel. Esiteks jõuaksime järele footonitele, mis kiirgasid näiteks eile, siis - üleeile, siis - nädal, kuu, aasta tagasi jne. Kui valgusallikaks oleks elu peegeldav peegel, siis näeksime esmalt eilseid sündmusi, siis üleeile jne. Võiksime näha näiteks vanameest, kes muutub järk-järgult keskealiseks meheks, siis noormeheks, noorukiks, lapseks ... See tähendab, et aeg pöörduks tagasi, liiguksime olevikust minevik. Põhjus ja tagajärg oleksid siis vastupidised.

Kuigi see argument ignoreerib täielikult valguse vaatlemise protsessi tehnilisi üksikasju, näitab see fundamentaalsest vaatepunktist selgelt, et ülivalguse kiirusega liikumine viib olukorrani, mis meie maailmas on võimatu. Loodus on aga seadnud veelgi karmimad tingimused: liikumine on kättesaamatu mitte ainult ülivalguse kiirusega, vaid ka valguse kiirusega võrdsel kiirusel – sellele saab vaid läheneda. Relatiivsusteooriast järeldub, et liikumiskiiruse suurenemisega tekib kolm asjaolu: liikuva objekti mass suureneb, selle suurus väheneb liikumissuunas ja aja kulg sellel objektil aeglustub (alates välise "puhkava" vaatleja vaatenurk). Tavalistel kiirustel on need muutused tühised, kuid valguse kiirusele lähenedes muutuvad need üha märgatavamaks ja piiril - kiirusel, mis on võrdne c-ga - muutub mass lõpmatult suureks, objekt kaotab täielikult oma suuruse liikumise suund ja aeg peatub sellel. Seetõttu ei suuda ükski materiaalne keha saavutada valguse kiirust. Ainult valgusel endal on selline kiirus! (Ja ka "kõike läbiv" osake - neutriino, mis nagu footon, ei saa liikuda kiirusega, mis on väiksem kui c.)

Nüüd signaali edastuskiirusest. Siin on asjakohane kasutada valguse kujutamist elektromagnetlainete kujul. Mis on signaal? See on teatav teave, mis tuleb edastada. Ideaalne elektromagnetlaine on rangelt ühe sagedusega lõpmatu siinus ja see ei saa kanda mingit teavet, kuna sellise sinusoidi iga periood kordab täpselt eelmist. Siinuslaine faasi liikumiskiirus - nn faasikiirus - võib teatud tingimustel keskkonnas ületada valguse kiirust vaakumis. Siin pole piiranguid, kuna faasikiirus ei ole signaali kiirus - seda pole veel olemas. Signaali loomiseks peate lainele tegema mingi "märgi". Selliseks märgiks võib olla näiteks mistahes laineparameetri – amplituudi, sageduse või algfaasi – muutus. Kuid niipea, kui märk on tehtud, kaotab laine sinusoidsuse. See muutub moduleerituks, mis koosneb lihtsate siinuslainete komplektist, millel on erinevad amplituudid, sagedused ja algfaasid - lainete rühm. Märgi liikumise kiirus moduleeritud laines on signaali kiirus. Keskkonnas levides langeb see kiirus tavaliselt kokku ülaltoodud lainete rühma kui terviku levikut iseloomustava rühmakiirusega (vt "Teadus ja elu" nr 2, 2000). Normaalsetes tingimustes on rühma kiirus ja seega ka signaali kiirus väiksem kui valguse kiirus vaakumis. Pole juhus, et siin kasutatakse väljendit "normaalsetes tingimustes", sest mõnel juhul võib rühma kiirus ületada c või isegi kaotada oma tähenduse, kuid siis see ei kehti signaali levimise kohta. SRT-s on kindlaks tehtud, et signaali on võimatu edastada kiirusega, mis on suurem kui c.

Miks see nii on? Kuna c-st suurema kiirusega mis tahes signaali edastamise takistuseks on sama põhjuslikkuse seadus. Kujutagem ette sellist olukorda. Mingil hetkel A lülitab valgussähvatus (sündmus 1) sisse seadme, mis saadab teatud raadiosignaali ja kaugemas punktis B toimub selle raadiosignaali toimel plahvatus (sündmus 2). On selge, et sündmus 1 (sähvatus) on põhjus ja sündmus 2 (plahvatus) on tagajärg, mis toimub hiljem kui põhjus. Aga kui raadiosignaal leviks üliluminaalsel kiirusel, näeks punkti B lähedal olev vaatleja esmalt plahvatust ja alles siis - plahvatuse põhjust valgussähvatust, mis jõudis temani valgussähvatuse kiirusega. Teisisõnu, selle vaatleja jaoks oleks sündmus 2 toimunud enne sündmust 1, see tähendab, et tagajärg oleks eelnenud põhjusele.

On kohane rõhutada, et relatiivsusteooria "ülevalguslik keeld" on kehtestatud ainult materiaalsete kehade liikumisele ja signaalide edastamisele. Paljudes olukordades on võimalik liikuda mis tahes kiirusega, kuid see on mittemateriaalsete objektide ja signaalide liikumine. Kujutage näiteks ette kahte üsna pikka joonlauda, ​​mis asuvad samas tasapinnas, millest üks asub horisontaalselt ja teine ​​lõikub sellega väikese nurga all. Kui esimest joont liigutada suurel kiirusel alla (noolega näidatud suunas), saab joonte lõikepunkti panna suvaliselt kiiresti jooksma, kuid see punkt ei ole materiaalne keha. Teine näide: kui võtta taskulamp (või näiteks laser, mis annab kitsa valgusvihu) ja kirjeldada kiiresti õhus kaare, siis valguspunkti lineaarkiirus suureneb kauguse suurenedes ja piisavalt suurel kaugusel, ületab c. Valguslaik liigub punktide A ja B vahel ülivalguse kiirusega, kuid see ei ole signaali edastamine punktist A punkti B, kuna selline valguspunkt ei kanna punkti A kohta teavet.

Näib, et superluminaalsete kiiruste küsimus on lahendatud. Kuid kahekümnenda sajandi 60ndatel esitasid teoreetilised füüsikud hüpoteesi superluminaalsete osakeste, mida nimetatakse tahhüoniteks, olemasolust. Tegemist on väga kummaliste osakestega: need on teoreetiliselt võimalikud, kuid et vältida vastuolusid relatiivsusteooriaga, tuli neile määrata kujuteldav puhkemass. Füüsiliselt kujuteldavat massi ei eksisteeri, see on puhtalt matemaatiline abstraktsioon. See aga ei tekitanud erilist muret, kuna tahhüonid ei saa olla puhkeseisundis – nad eksisteerivad (kui on!) ainult valguse kiirust vaakumis ületavatel kiirustel ja sel juhul osutub tahhüoni mass tõeliseks. Siin on mingi analoogia footonitega: footoni puhkemass on null, kuid see tähendab lihtsalt seda, et footon ei saa olla puhkeolekus – valgust ei saa peatada.

Kõige keerulisem oli ootuspäraselt tahhüoni hüpoteesi ühitamine põhjuslikkuse seadusega. Selles suunas tehtud katsed, kuigi need olid üsna geniaalsed, ei toonud silmnähtavat edu. Samuti pole keegi saanud eksperimentaalselt tahhüone registreerida. Selle tulemusena kadus järk-järgult huvi tahhüonite kui üliluminaalsete elementaarosakeste vastu.

60ndatel avastati aga eksperimentaalselt nähtus, mis alguses füüsikud segadusse ajas. Seda kirjeldatakse üksikasjalikult A. N. Oraevsky artiklis "Superluminal waves in amplifying media" (UFN nr 12, 1998). Siin võtame lühidalt kokku asja olemuse, viidates üksikasjadest huvitatud lugejale nimetatud artikli juurde.

Varsti pärast laserite avastamist – 1960. aastate alguses – tekkis probleem lühikeste (kestusega suurusjärgus 1 ns = 10-9 s) suure võimsusega valgusimpulsside saamine. Selleks lasti lühike laserimpulss läbi optilise kvantvõimendi. Pulssi jagas kiirt poolitav peegel kaheks osaks. Üks neist, võimsam, saadeti võimendisse ja teine ​​levis õhus ja toimis võrdlusimpulssina, millega oli võimalik võrrelda võimendit läbinud impulssi. Mõlemad impulsid suunati fotodetektoritesse ja nende väljundsignaale sai visuaalselt jälgida ostsilloskoobi ekraanil. Eeldati, et võimendit läbiv valgusimpulss kogeb selles võrdlusimpulsiga võrreldes mõningast viivitust, see tähendab, et valguse levimise kiirus võimendis on väiksem kui õhus. Milline oli teadlaste imestus, kui nad avastasid, et impulss levis läbi võimendi kiirusega, mis ei ole mitte ainult suurem kui õhus, vaid ka mitu korda suurem kui valguse kiirus vaakumis!

Pärast esimesest šokist toibumist hakkasid füüsikud nii ootamatu tulemuse põhjust otsima. Erirelatiivsusteooria põhimõtetes ei kahelnud kellelgi vähimatki kahtlust ja just see aitas leida õige seletuse: kui SRT põhimõtted säilivad, siis tuleks vastust otsida võimendusmeediumi omadustest. .

Siinkohal detailidesse laskumata juhime vaid tähelepanu sellele, et võimendusmeediumi toimemehhanismi üksikasjalik analüüs on olukorra täielikult selgitanud. Asi oli footonite kontsentratsiooni muutumises impulsi levimise ajal - keskkonna võimenduse muutumisest kuni negatiivse väärtuseni impulsi tagumise osa läbimisel, kui keskkond on juba neelavad energiat, sest selle enda reserv on valgusimpulsile ülemineku tõttu juba ära kasutatud. Imendumine ei põhjusta impulsi suurenemist, vaid langust ja seega impulss tugevneb selle esiosas ja nõrgeneb selle taga. Kujutagem ette, et vaatleme impulssi võimendi keskkonnas valguskiirusel liikuva instrumendi abil. Kui meedium oleks läbipaistev, näeksime liikumatusesse tardunud impulssi. Meediumis, milles ülalmainitud protsess toimub, paistavad vaatlejale impulsi esiserva tugevnemine ja tagumise serva nõrgenemine selliselt, et keskkond on impulsi justkui ettepoole nihutanud. . Aga kuna seade (vaatleja) liigub valguse kiirusel ja impulss möödub sellest, siis impulsi kiirus ületab valguse kiiruse! Just selle efekti registreerisid katsetajad. Ja siin ei ole tõesti relatiivsusteooriaga vastuolu: lihtsalt võimendusprotsess on selline, et varem väljunud footonite kontsentratsioon osutub suuremaks kui hiljem välja tulnud footonite kontsentratsioon. Ülivalguse kiirusega ei liigu mitte footonid, vaid ostsilloskoobil jälgitakse impulsi mähisjoont, eelkõige selle maksimumi.

Seega, kui tavalistes meediumites toimub alati valguse nõrgenemine ja selle kiiruse vähenemine, mille määrab murdumisnäitaja, siis aktiivses laserkeskkonnas ei täheldata mitte ainult valguse võimendumist, vaid ka impulsi levimist superluminaalse kiirusega.

Mõned füüsikud on proovinud eksperimentaalselt tõestada superluminaalse liikumise olemasolu tunneliefektis, mis on üks hämmastavamaid nähtusi kvantmehaanikas. See efekt seisneb selles, et mikroosake (täpsemalt mikroobjekt, millel on erinevates tingimustes nii osakese kui ka laine omadused) suudab tungida läbi nn potentsiaalse barjääri – nähtus, mis on täiesti võimatu. klassikalises mehaanikas (milles selline olukord oleks analoogne: vastu seina visatud pall satuks teisele poole seina või seina külge seotud köiele antud laineline liikumine kanduks üle köiele, mis on seotud sein teisel pool). Tunneliefekti olemus kvantmehaanikas on järgmine. Kui teatud energiaga mikroobjekt kohtab oma teel piirkonda, mille potentsiaalse energia ületab mikroobjekti energiat, on see ala tema jaoks barjääriks, mille kõrguse määrab energiaerinevus. Aga mikroobjekt "lekib" läbi tõkke! Selle võimaluse annab talle tuntud Heisenbergi määramatuse seos, mis on kirjutatud energia ja interaktsiooni aja kohta. Kui mikroobjekti interaktsioon barjääriga toimub piisavalt kindla aja jooksul, siis mikroobjekti energiat iseloomustab seevastu määramatus ja kui see määramatus on barjääri kõrguse suurusjärgus, siis viimane lakkab. olla mikroobjektile ületamatuks takistuseks. Just potentsiaalse barjääri läbimise kiirust on uurinud mitmed füüsikud, kes usuvad, et see võib ületada c.

1998. aasta juunis toimus Kölnis rahvusvaheline superluminaalsete liikumiste probleemide sümpoosion, kus arutati neljas laboris – Berkeleys, Viinis, Kölnis ja Firenzes – saadud tulemusi.

Ja lõpuks, 2000. aastal, teatati kahest uuest katsest, milles ilmnesid superluminaalse leviku mõjud. Ühe neist viisid läbi Lijun Wong ja kaastöötajad Princetoni (USA) uurimisinstituudis. Selle tulemuseks on see, et tseesiumiauruga täidetud kambrisse sisenev valgusimpulss suurendab selle kiirust 300 korda. Selgus, et põhiosa impulsist väljub kambri kaugemast seinast juba enne, kui impulss läbi esiseina kambrisse siseneb. Selline olukord ei ole vastuolus mitte ainult terve mõistusega, vaid sisuliselt ka relatiivsusteooriaga.

L. Wongi aruanne tekitas füüsikute seas intensiivse diskussiooni, kellest enamik ei kipu nägema saadud tulemustes relatiivsuspõhimõtete rikkumist. Nende arvates on väljakutse seda katset õigesti selgitada.

L. Wongi katses kestis tseesiumiauruga kambrisse sisenev valgusimpulss umbes 3 μs. Tseesiumi aatomid võivad olla kuueteistkümnes võimalikus kvantmehaanilises olekus, mida nimetatakse "põhioleku hüperpeenteks magnetilisteks alamtasanditeks". Optilise laserpumpamise abil viidi peaaegu kõik aatomid ainult ühte neist kuueteistkümnest olekust, mis vastab peaaegu absoluutsele nulltemperatuurile Kelvini skaalal (-273,15 ° C). Tseesiumikambri pikkus oli 6 sentimeetrit. Vaakumis läbib valgus 0,2 ns jooksul 6 sentimeetrit. Nagu mõõtmised näitasid, läbis valgusimpulss tseesiumiga kambrit 62 ns lühema ajaga kui vaakumis. Teisisõnu, impulsi läbimise aeg läbi tseesiumikeskkonna on "miinusmärgiga"! Tõepoolest, kui lahutada 0,2 ns-st 62 ns, saame "negatiivse" aja. See "negatiivne viivitus" keskkonnas – arusaamatu ajahüpe – on võrdne ajaga, mille jooksul impulss läbiks 310 korda kambrit vaakumis. Selle "aja ümberpööramise" tagajärjeks oli see, et kambrist väljuv impulss suutis sellest 19 meetrit eemalduda, enne kui sissetulev impulss kambri lähiseinani jõudis. Kuidas seletada sellist uskumatut olukorda (muidugi juhul, kui katse puhtuses pole kahtlust)?

Avanenud diskussiooni põhjal otsustades pole täpset seletust veel leitud, kuid kahtlemata mängivad siin rolli keskkonna ebatavalised dispersiooniomadused: laservalgusega ergastatud aatomitest koosnev tseesiumiaur on keskkond ebanormaalne dispersioon. Meenutagem lühidalt, mis see on.

Aine dispersioon on faasi (tavalise) murdumisnäitaja n sõltuvus valguse lainepikkusest l. Tavalise dispersiooni korral suureneb murdumisnäitaja lainepikkuse kahanemisel ja see on nii klaasi, vee, õhu ja kõigi teiste valgusele läbipaistvate ainete puhul. Tugevalt valgust neelavates ainetes muutub murdumisnäitaja lainepikkuse muutumisel vastupidiseks ja muutub palju järsemaks: l vähenemisel (sageduse w suurenemisel) murdumisnäitaja väheneb järsult ja teatud lainepikkuste vahemikus väheneb. kui ühtsus (faasikiirus Vf > s ). See on anomaalne dispersioon, mille puhul valguse levimise muster aines muutub radikaalselt. Rühmakiirus Vgr muutub suuremaks kui lainete faasikiirus ja võib ületada valguse kiirust vaakumis (ja muutuda ka negatiivseks). L. Wong osutab sellele asjaolule kui oma katse tulemuste selgitamise võimaluse aluseks. Siiski tuleb märkida, et tingimus Vgr > c on puhtalt formaalne, kuna rühma kiiruse mõiste võeti kasutusele väikese (normaalse) dispersiooni korral, läbipaistva keskkonna jaoks, kui lainete rühm peaaegu ei muuda oma kuju ajal. paljundamine. Anomaalse hajutusega piirkondades aga deformeerub valgusimpulss kiiresti ja grupikiiruse mõiste kaotab oma tähenduse; sel juhul võetakse kasutusele signaali kiiruse ja energia levimiskiiruse mõisted, mis läbipaistvas keskkonnas langevad kokku grupikiirusega, samas kui neeldumisega keskkonnas jäävad need väiksemaks kui valguse kiirus vaakumis. Wongi katse juures on aga huvitav: valgusimpulss, mis läbib anomaalse dispersiooniga keskkonda, ei deformeeru – see säilitab täpselt oma kuju! Ja see vastab eeldusele, et impulss levib grupikiirusega. Aga kui jah, siis selgub, et söötmes puudub neeldumine, kuigi söötme anomaalne hajumine on tingitud just neeldumisest! Wong ise, tunnistades, et palju jääb ebaselgeks, usub, et tema eksperimentaalses seadistuses toimuvat saab esimese ligikaudsusena selgelt selgitada järgmiselt.

Valgusimpulss koosneb paljudest erineva lainepikkusega (sagedusega) komponentidest. Joonisel on kolm neist komponentidest (lained 1-3). Mingil hetkel on kõik kolm lainet faasis (nende maksimumid langevad kokku); siin nad, liites, tugevdavad üksteist ja moodustavad impulsi. Kui lained levivad ruumis edasi, on nad faasist väljas ja seega "kustutavad" üksteist.

Anomaalse dispersiooni piirkonnas (tseesiumiraku sees) pikeneb laine, mis oli lühem (laine 1). Ja vastupidi, laine, mis oli kolmest pikim (laine 3), muutub lühemaks.

Järelikult muutuvad vastavalt ka lainete faasid. Kui lained on tseesiumiraku läbinud, taastuvad nende lainefrondid. Olles läbinud ebatavalise faasimodulatsiooni anomaalse dispersiooniga aines, satuvad kolm vaadeldavat lainet mingil hetkel uuesti faasi. Siin liidetakse need uuesti kokku ja moodustub täpselt sama kujuga pulss, mis siseneb tseesiumikeskkonda.

Tavaliselt õhus ja igas tavaliselt hajutavas läbipaistvas keskkonnas ei suuda valgusimpulss kaugelt levides täpselt oma kuju säilitada, see tähendab, et kõik selle komponendid ei saa olla faasis üheski leviraja kaugemas punktis. Ja tavatingimustes ilmub sellises kauges punktis mõne aja pärast valgusimpulss. Kuid eksperimendis kasutatud söötme anomaalsete omaduste tõttu osutus pulss kaugpunktis faasituks samamoodi nagu sellesse söötmesse sisenemisel. Seega käitub valgusimpulss nii, nagu oleks tal teel kaugemasse punkti negatiivne ajaline viivitus, see tähendab, et ta oleks selleni jõudnud mitte hiljem, vaid varem, kui see meediumist läbi sai!

Enamik füüsikuid on kaldunud seostama seda tulemust madala intensiivsusega prekursori ilmumisega kambri hajutavasse keskkonda. Fakt on see, et impulsi spektraalses lagunemises sisaldab spekter ebaolulise amplituudiga suvaliselt kõrgete sagedustega komponente, nn eelkäijat, mis läheb impulsi "põhiosast" ette. Asutuse iseloom ja lähteaine vorm sõltuvad keskkonnas levivatest dispersiooniseadusest. Seda silmas pidades tehakse Wongi katse sündmuste jada ettepanek tõlgendada järgmiselt. Saabuv laine, mis "venitab" kuulutaja enda ette, läheneb kaamerale. Enne kui sissetuleva laine tipp tabab kambri lähiseina, algatab prekursor kambris impulsi ilmumise, mis jõuab kaugema seinani ja peegeldub sealt, moodustades "tagurpidi laine". See laine, mis levib 300 korda kiiremini kui c, jõuab lähiseinani ja kohtub sissetuleva lainega. Ühe laine tipud kohtuvad teise lainega, nii et need kustutavad üksteist ja midagi ei jää järele. Selgub, et saabuv laine "tagastab võla" tseesiumi aatomitele, kes "laenasid" talle energiat kambri teises otsas. Igaüks, kes jälgis ainult katse algust ja lõppu, näeks ainult valgusimpulssi, mis "hüppas" ajas edasi, liikudes kiiremini kui c.

L. Wong usub, et tema eksperiment ei ole relatiivsusteooriaga kooskõlas. Väide superluminaalse kiiruse kättesaamatuse kohta on tema arvates rakendatav ainult puhkemassiga objektide kohta. Valgust saab esitada kas lainetena, mille puhul massi mõiste üldiselt ei kehti, või footonitena, mille puhkemass on teadupärast võrdne nulliga. Seetõttu ei ole Wongi sõnul valguse kiirus vaakumis piir. Siiski tunnistab Wong, et tema avastatud efekt muudab võimatuks teabe edastamise kiiremini kui c.

"Siinne teave sisaldub juba impulsi esiservas," ütleb Ameerika Ühendriikide Los Alamose riikliku labori füüsik P. Milonni.

Enamik füüsikuid usub, et uus töö ei anna põhiprintsiipidele purustavat lööki. Kuid mitte kõik füüsikud ei usu, et probleem on lahendatud. Professor A. Ranfagni Itaalia uurimisrühmast, kes tegi 2000. aastal veel ühe huvitava katse, ütleb, et küsimus on endiselt lahtine. Selles katses, mille viisid läbi Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni ja Rocco Ruggeri, leiti, et sentimeetrilainete raadiolained levivad tavalises õhus kiirusega 25% kiiremini kui c.

Kokkuvõtteks võime öelda järgmist.

Viimaste aastate tööd näitavad, et teatud tingimustel võib superluminaalne kiirus tõepoolest toimuda. Aga mis täpselt üliluminaalsel kiirusel liigub? Relatiivsusteooria, nagu juba mainitud, keelab sellise kiiruse materiaalsete kehade ja informatsiooni kandvate signaalide puhul. Sellegipoolest on mõned teadlased väga visad, püüdes demonstreerida valgusbarjääri ületamist spetsiaalselt signaalide jaoks. Selle põhjuseks on asjaolu, et erirelatiivsusteoorias puudub range matemaatiline põhjendus (mis põhineb näiteks Maxwelli võrranditel elektromagnetvälja kohta) signaalide edastamise võimatusele kiirusel, mis on suurem kui c. Selline võimatus SRT-s on kindlaks tehtud, võib öelda, puhtaritmeetiliselt, tuginedes Einsteini valemile kiiruste liitmiseks, kuid põhimõtteliselt kinnitab seda põhjuslikkuse põhimõte. Einstein ise kirjutas superluminaalse signaali edastuse küsimust käsitledes, et sel juhul "... oleme sunnitud võimalikuks pidama signaali edastamise mehhanismi, mille kasutamisel saavutatud tegevus eelneb põhjusele. Kuid kuigi see tuleneb puhtloogilisest vaatepunkt ei sisalda endas minu arvates vastuolusid, ometi on see vastuolus kogu meie kogemuse iseloomuga sedavõrd, et eelduse V > c võimatus näib olevat piisavalt tõestatud. Põhjuslikkuse põhimõte on üliluminaalse signaalimise võimatuse aluseks. Ja ilmselt komistavad eranditult kõik üliluminaalsete signaalide otsingud selle kivi otsa, hoolimata sellest, kui väga eksperimenteerijad selliseid signaale tuvastada tahaksid, sest selline on meie maailma olemus.

Kujutagem siiski ette, et relatiivsusteooria matemaatika töötab ikkagi ülivalguse kiirusega. See tähendab, et teoreetiliselt saame siiski teada, mis juhtuks, kui keha juhtuks ületama valguse kiirust.

Kujutage ette kahte kosmoselaeva, mis suunduvad Maalt tähe poole, mis asub meie planeedist 100 valgusaasta kaugusel. Esimene laev väljub Maalt 50% valguse kiirusega, seega kulub teekonna läbimiseks 200 aastat. Teine hüpoteetilise lõimeajamiga laev väljub 200% valguse kiirusel, kuid 100 aastat pärast esimest. Mis juhtub?

Relatiivsusteooria järgi sõltub õige vastus suuresti vaatleja vaatenurgast. Maalt paistab, et esimene laev on juba läbinud märkimisväärse vahemaa, enne kui teine ​​laev, mis liigub neli korda kiiremini, möödub sellest. Aga esimese laeva inimeste vaatevinklist on kõik veidi teistmoodi.

Laev nr 2 liigub kiiremini kui valgus, mis tähendab, et see võib ületada isegi valgust, mida ta kiirgab. See toob kaasa omamoodi "valguslaine" (analoogselt helile, siin vibreerivad õhuvõnke asemel ainult valguslained), mis tekitab mitmeid huvitavaid efekte. Tuletage meelde, et laeva nr 2 valgus liigub aeglasemalt kui laev ise. Tulemuseks on visuaalne kahekordistumine. Ehk siis esmalt näeb laeva nr 1 meeskond, et teine ​​laev ilmus nende kõrvale justkui eikuskilt. Seejärel jõuab teise laeva valgus väikese hilinemisega esimesele ja tulemuseks on nähtav koopia, mis liigub väikese hilinemisega samas suunas.

Midagi sarnast võib näha arvutimängudes, kui süsteemirikke tagajärjel laadib mootor mudeli ja selle algoritme liikumise lõpp-punktis kiiremini kui liikumisanimatsioon ise lõppeb, nii et tekib mitu võtmist. See on ilmselt põhjus, miks meie teadvus ei taju universumi hüpoteetilist aspekti, milles kehad liiguvad ülivalguse kiirusega – võib-olla on see parim.

P.S. ... aga viimases näites ei saanud ma millestki aru, miks seostatakse laeva tegelikku asukohta "selle kiirgava valgusega"? No kuigi nad näevad teda kuidagi vales kohas, aga tegelikkuses saab ta esimesest laevast mööda!

allikatest

Pühendatud neutriinode kiiruse otsesele mõõtmisele. Tulemused kõlavad sensatsiooniliselt: neutriino kiirus osutus pisut, kuid statistiliselt oluliseks! - rohkem kui valguse kiirus. Koostööartikkel sisaldab erinevate vigade ja määramatuste allikate analüüsi, samas jääb valdava enamuse füüsikute reaktsioon väga skeptiliseks eelkõige seetõttu, et selline tulemus ei ühti teiste neutriinode omadusi käsitlevate katseandmetega.

Katse üksikasjad

Katse idee (vt OPERA eksperiment) on väga lihtne. Neutriinokiir sünnib CERNis, lendab läbi Maa Itaalia laborisse Gran Sasso ja läbib seal spetsiaalse OPERA neutriinodetektori. Neutriinod suhtlevad ainega väga nõrgalt, kuid kuna nende voog CERNist on väga suur, põrkuvad mõned neutriinod siiski detektori sees olevate aatomitega. Seal genereerivad nad laetud osakeste kaskaadi ja jätavad seega oma signaali detektorisse. Neutriinod CERNis ei sünni pidevalt, vaid "puhangutena" ning kui on teada neutriino sünnihetk ja detektoris neeldumise hetk, samuti kahe labori vaheline kaugus, saame arvutada kiiruse. neutriinost.

Allika ja detektori vaheline kaugus sirgjooneliselt on umbes 730 km ja see mõõdeti 20 cm täpsusega (võrdluspunktide täpne kaugus on 730534,61 ± 0,20 meetrit). Tõsi, neutriino sünnini viiv protsess pole sugugi sellise täpsusega lokaliseeritud. CERNis lendab SPS-i kiirendist välja suure energiaga prootonite kiir, mis kukub grafiidist sihtmärgile ja tekitab selles sekundaarseid osakesi, sealhulgas mesoneid. Nad jätkavad lendamist edasi peaaegu valguse kiirusega ja lagunevad neutriinode emissiooniga käigupealt müüoniteks. Ka müüonid lagunevad ja tekitavad täiendavaid neutriinosid. Seejärel neelduvad kõik osakesed, välja arvatud neutriinod, aine paksusesse ja jõuavad vabalt avastamiskohta. Katse selle osa üldskeem on näidatud joonisel fig. üks.

Kogu neutriinokiire ilmumiseni viiv kaskaad võib ulatuda sadade meetriteni. Siiski, kuna kõik selles kimbus olevad osakesed lendavad valguselähedasel kiirusel edasi, avastamisaja jaoks pole praktiliselt vahet, kas neutriino sündis kohe või kilomeetri pärast (samas on väga oluline, millal täpselt esialgne prooton, mis viis selle neutriino sünnile lendas kiirendist välja). Selle tulemusena kordavad toodetud neutriinod üldiselt lihtsalt algse prootonkiire profiili. Seetõttu on siin võtmeparameetriks just kiirendist väljastatud prootonkiire ajaprofiil, eelkõige selle esi- ja tagaserva täpne asukoht ning seda profiili mõõdetakse õigeaegselt. s m eraldusvõimega (vt joonis 2).

Iga prootonkiire sihtmärgile langetamise seanss (inglise keeles nimetatakse sellist seanssi lekkima, "pritsme") kestab umbes 10 mikrosekundit ja põhjustab tohutu hulga neutriinode sündi. Peaaegu kõik neist lendavad aga Maa (ja detektori) läbi ilma vastastikmõjuta. Samadel harvadel juhtudel, kui detektor registreerib neutriino, on võimatu öelda, mis hetkel see 10-mikrosekundilise intervalli jooksul täpselt välja tuli. Analüüsi saab läbi viia ainult statistiliselt, see tähendab, et koguda palju neutriinode tuvastamise juhtumeid ja konstrueerida nende ajaline jaotus iga seansi alguspunkti suhtes. Detektoris võetakse alguspunktiks ajahetk, mil valguskiirusel liikuv ja täpselt prootonkiire esiserva momendil emiteeritud tingimuslik signaal jõuab detektorini. Selle hetke täpne mõõtmine sai võimalikuks kahe labori kellade sünkroniseerimisel mõne nanosekundi täpsusega.

Joonisel fig. 3 on sellise jaotuse näide. Mustad täpid on tõelised neutriinoandmed, mille detektor on salvestanud ja summeeritud paljude seansside jooksul. Punane kõver näitab tavapärast "referents" signaali, mis liiguks valguse kiirusel. Näete, et andmed algavad umbes 1048,5 ns-st. enne võrdlussignaal. See aga ei tähenda veel, et neutriino on tegelikult mikrosekundi võrra valgusest ees, vaid on vaid põhjus, miks hoolikalt mõõta kõiki kaablipikkusi, seadmete reageerimiskiirusi, elektroonika viiteaegu jne. See korduskontroll tehti ja leiti, et see nihutab "võrdlusmomenti" 988 ns võrra. Seega selgub, et neutriino signaal ületab tegelikult võrdlussignaali, kuid ainult umbes 60 nanosekundi võrra. Neutriino kiiruse osas vastab see valguse kiiruse ületamisele umbes 0,0025%.

Selle mõõtmise veaks hindasid analüüsi autorid 10 nanosekundit, mis sisaldab nii statistilisi kui süstemaatilisi vigu. Seega väidavad autorid, et nad "näevad" neutriinode superluminaalset liikumist statistilise usaldusnivooga kuus standardhälvet.

Tulemuste ja ootuste erinevus kuue standardhälbe võrra on juba üsna suur ja seda nimetatakse elementaarosakeste füüsikas kõva sõnaga "avastus". Seda numbrit tuleb aga õigesti mõista: see tähendab ainult seda, et tõenäosus statistiline andmete kõikumine on väga väike, kuid ei näita, kui usaldusväärne on andmetöötlustehnika ja kui hästi on füüsikud kõiki instrumentaalvigu arvesse võtnud. On ju elementaarosakeste füüsikas palju näiteid, kus ebatavalisi signaale pole muude katsetega erakordselt suure statistilise kindlusega kinnitatud.

Millega on vastuolus superluminaalsed neutriinod?

Vastupidiselt levinud arvamusele ei keela erirelatiivsusteooria iseenesest üliluminaalse kiirusega liikuvate osakeste olemasolu. Kuid selliste osakeste jaoks (neid nimetatakse üldiselt "tahhüoniteks") on piiriks ka valguse kiirus, kuid ainult altpoolt - nad ei saa liikuda sellest aeglasemalt. Sel juhul osutub osakeste energia sõltuvus kiirusest pöördvõrdeliseks: mida suurem on energia, seda lähemal on tahhüonite kiirus valguse kiirusele.

Palju tõsisemad probleemid saavad alguse kvantväljateoorias. See teooria asendab kvantmehaanika, kui tegemist on suure energiaga kvantosakestega. Osakesed ei ole selles teoorias punktid, vaid võrdlemisi öeldes materiaalse välja tükid ja neid ei saa väljast eraldi käsitleda. Selgub, et tahhüonid alandavad välja energiat, mis tähendab, et nad muudavad vaakumi ebastabiilseks. Siis on tühjus kasulikum laguneda spontaanselt suureks hulgaks nendeks osakesteks ja seetõttu on lihtsalt mõttetu mõelda ühe tahhüoni liikumisele tavalises tühjas ruumis. Võime öelda, et tahhüon ei ole osake, vaid vaakumi ebastabiilsus.

Tahhion-fermionide puhul on olukord mõnevõrra keerulisem, kuid ka seal tekivad võrreldavad raskused, mis takistavad isekonsistentse tahhüon-kvantväljateooria loomist, mis sisaldab tavapärast relatiivsusteooriat.

Kuid see pole ka teoorias viimane sõna. Nii nagu eksperimenteerijad mõõdavad kõike, mida saab mõõta, testivad teoreetikud ka kõiki võimalikke hüpoteetilisi mudeleid, mis ei ole vastuolus olemasolevate andmetega. Eelkõige on teooriaid, mille puhul on lubatud väike, veel mitte märgatav kõrvalekalle relatiivsusteooria postulaatidest – näiteks valguse kiirus ise võib olla muutuja. Sellistel teooriatel pole veel otsest eksperimentaalset tuge, kuid need pole veel suletud.

Selle teoreetiliste võimaluste lühikese visandi võib kokku võtta järgmiselt: vaatamata sellele, et mõnes teoreetilises mudelis on üliluminaalse kiirusega liikumine võimalik, jäävad need vaid hüpoteetilisteks konstruktsioonideks. Kõiki praegu saadaolevaid eksperimentaalseid andmeid kirjeldatakse standardsete teooriatega ilma superluminaalse liikumiseta. Seega, kui see vähemalt mõne osakese puhul usaldusväärselt kinnitataks, tuleks kvantväljateooria radikaalselt ümber teha.

Kas OPERA tulemust selles mõttes tasub pidada "esimeseks märgiks"? Mitte veel. Võib-olla on kõige olulisem skeptitsismi põhjus asjaolu, et OPERA tulemus ei ühti teiste neutriinode katseandmetega.

Esiteks registreeriti kuulsa supernoova SN1987A ajal ka neutriinod, mis saabusid mõni tund enne valgusimpulssi. See ei tähenda, et neutriinod liikusid kiiremini kui valgus, vaid peegeldab ainult tõsiasja, et neutriinod kiirguvad supernoova plahvatuse käigus tuuma kokkuvarisemise varasemas staadiumis kui valgus. Kuna aga neutriinod ja valgus, olles teel veetnud 170 000 aastat, ei eraldunud kauemaks kui paar tundi, tähendab see, et nende kiirused on väga lähedased ja ei erine enam kui miljardindiku võrra. OPERA eksperiment näitab tuhat korda tugevamat lahknevust.

Siin võib muidugi öelda, et supernoova plahvatuste käigus tekkivad neutriinod ja CERNi neutriinod erinevad energia poolest suuresti (supernoovades mitukümmend MeV ja kirjeldatud katses 10–40 GeV) ning neutriinode kiirus varieerub sõltuvalt energiast. Kuid see muudatus töötab antud juhul "vales" suunas: lõppude lõpuks, mida suurem on tahhüonide energia, seda lähemal peaks nende kiirus olema valguse kiirusele. Muidugi on isegi siin võimalik välja mõelda tahhüoniteooria mõni modifikatsioon, milles see sõltuvus oleks täiesti erinev, kuid sel juhul tuleb arutada "topelthüpoteetilise" mudeli üle.

Veelgi enam, viimastel aastatel saadud arvukatest eksperimentaalsetest andmetest neutriinode võnkumiste kohta järeldub, et kõigi neutriinode massid erinevad üksteisest vaid elektronvoldi osade võrra. Kui OPERA tulemust tajutakse neutriino superluminaalse liikumise ilminguna, siis on vähemalt ühe neutriino massi ruudu väärtus suurusjärgus – (100 MeV) 2 (negatiivne ruut). mass on selle fakti matemaatiline ilming, et osakest peetakse tahhüoniks). Siis pead seda tunnistama kõik neutriinode sordid on tahhüonid ja nende mass on ligikaudu sama. Teisest küljest näitab triitiumi tuumade beeta-lagunemise neutriino massi otsene mõõtmine, et neutriino mass (modulo) ei tohiks ületada 2 elektronvolti. Teisisõnu, kõiki neid andmeid ei ole võimalik omavahel ühildada.

Sellest võib teha järgmise järelduse: OPERA koostöö deklareeritud tulemust on raske sobitada ühegi, isegi kõige eksootilisema teoreetilise mudeliga.

Mis järgmiseks?

Kõigis suurtes elementaarosakeste füüsika koostöös on tavapärane, et iga konkreetse analüüsi teeb väike osalejate rühm ja alles seejärel esitatakse tulemused üldiseks aruteluks. Antud juhul jäi see etapp ilmselt liiga lühikeseks, mille tulemusena ei nõustunud kõik koostöös osalejad artikli alla oma allkirja andma (täisnimekirjas on 216 eksperimendis osalejat ja eeltrükis on vaid 174 autorit ). Seetõttu tehakse lähiajal koostöö raames suure tõenäosusega palju täiendavaid kontrolle ja alles pärast seda saadetakse artikkel trükki.

Muidugi on nüüd oodata ka voogu teoreetilisi kirjutisi erinevate eksootiliste selgitustega selle tulemuse kohta. Kuid kuni väidetavat tulemust pole usaldusväärselt uuesti kontrollitud, ei saa seda pidada täieõiguslikuks avastuseks.

Kiiruse ülempiir on teada isegi kooliõpilastele: sidudes massi ja energia kuulsa valemiga E = mc 2, tõi ta juba 20. sajandi alguses välja selle põhimõttelise võimatuse, mille puhul mass liiguks ruumis kiiremini kui valguse kiirus vaakumis. See koostis sisaldab aga juba lünki, millest mõned füüsikalised nähtused ja osakesed on üsna võimelised mööda minema. Vähemalt need nähtused, mis teoreetiliselt eksisteerivad.

Esimene lünk puudutab sõna "mass": Einsteini piirangud ei kehti massita osakeste kohta. Samuti ei kehti need mõne üsna tiheda keskkonna kohta, milles valguse kiirus võib olla oluliselt väiksem kui vaakumis. Lõpuks, piisava energia rakendamisel saab ruumi ennast lokaalselt deformeerida, võimaldades liikumist nii, et kõrvalt vaatleja jaoks toimub liikumine väljaspool seda deformatsiooni justkui valguse kiirusest kiiremini.

Mõnda neist "ülikiiretest" füüsikanähtustest ja osakestest registreeritakse regulaarselt ja reprodutseeritakse laborites, isegi praktikas kasutatakse kõrgtehnoloogilistes tööriistades ja seadmetes. Teisi, teoreetiliselt ennustatud, püüavad teadlased endiselt tegelikkuses avastada ja neil on teiste jaoks suured plaanid: võib-olla kunagi võimaldavad need nähtused meil universumis vabalt ringi liikuda, isegi mitte valguse kiirusega.

kvantteleportatsioon

Staatus: aktiivselt areneb

Elusolend on hea näide tehnoloogiast, mis on teoreetiliselt võimalik, kuid praktikas ilmselt mitte kunagi teostatav. Aga kui me räägime teleportatsioonist, see tähendab väikeste objektide ja veelgi enam osakeste hetkelisest liikumisest ühest kohast teise, on see täiesti võimalik. Ülesande lihtsustamiseks alustame lihtsast – osakestest.

Tundub, et vajame seadmeid, mis (1) jälgivad täielikult osakese olekut, (2) edastavad selle oleku valguse kiirusest kiiremini, (3) taastavad algse.

Kuid sellise skeemi puhul ei saa isegi esimest sammu täielikult rakendada. Heisenbergi määramatuse printsiip seab ületamatud piirangud osakese "paaritud" parameetrite mõõtmise täpsusele. Näiteks, mida paremini me teame selle hoogu, seda halvem on selle koordinaat ja vastupidi. Kvantteleportatsiooni oluline omadus on aga see, et tegelikult pole vaja osakesi mõõta, nagu pole vaja midagi taastada – piisab, kui saada paar takerdunud osakesi.

Näiteks selliste takerdunud footonite ettevalmistamiseks peame valgustama mittelineaarset kristalli teatud lainepikkusega laserkiirgusega. Siis jagunevad osa sissetulevatest footonitest kaheks põimunud - seletamatult ühendatud -, nii et iga muutus ühe olekus mõjutab kohe teise olekut. See seos on tõesti seletamatu: kvantpõimumise mehhanismid jäävad teadmata, kuigi nähtust ennast on demonstreeritud ja demonstreeritakse pidevalt. Kuid see on selline nähtus, mille puhul on tõesti lihtne segadusse sattuda - piisab, kui lisada, et enne mõõtmist ei ole ühelgi neist osakestest soovitud omadust, samas kui ükskõik millise tulemuse me saame mõõtes esimest, mõõtmise seisukorda. teine ​​korreleerub kummaliselt meie tulemusega.

Kvantteleportatsiooni mehhanism, mille 1993. aastal pakkusid välja Charles Bennett ja Gilles Brassard, nõuab vaid ühe täiendava osaleja lisamist takerdunud osakeste paarile – tegelikult sellele, mille me teleporterime. Saatjaid ja vastuvõtjaid on tavaks kutsuda Alice'iks ja Bobiks ning järgime seda traditsiooni, andes igaühele neist ühe takerdunud footoni. Niipea kui nad on teineteisest kaugel ja Alice otsustab teleportreeruda, võtab ta soovitud footoni ja mõõdab selle olekut koos esimese takerdunud footoni olekuga. Selle footoni ebakindel lainefunktsioon variseb kokku ja reageerib koheselt Bobi teisele takerdunud footonile.

Kahjuks ei tea Bob täpselt, kuidas tema footon Alice'i footoni käitumisele reageerib: selle mõistmiseks peab ta ootama, kuni naine saadab oma mõõtmiste tulemused tavapostiga, mitte kiiremini kui valguse kiirus. Seetõttu ei saa sellise kanali kaudu teavet edastada, kuid fakt jääb faktiks. Oleme teleporteerinud ühe footoni oleku. Inimestele üleminekuks jääb üle tehnoloogia skaleerida nii, et see kataks kõik meie kehas olevad vaid 7000 triljonist triljonist aatomist koosnevad osakesed – ma arvan, et sellest läbimurdest on meid jäänud vaid terve igavik.

Kvantteleportatsioon ja takerdumine jäävad aga tänapäeva füüsika kuumimate teemade hulka. Esiteks seetõttu, et selliste sidekanalite kasutamine lubab edastatavatele andmetele purunematut kaitset: neile juurdepääsu saamiseks peavad ründajad haarama mitte ainult Alice'ilt Bobile saadetud kirja, vaid ka juurdepääsu Bobi sassis osakesele ja isegi kui neil õnnestub selleni jõuda ja mõõtmised teha, muudab see footoni olekut jäädavalt ja see tuleb kohe ilmsiks.

Vavilovi-Tšerenkovi efekt

Seisukord: kaua kasutatud

See valguse kiirusest kiirema reisimise aspekt on meeldiv võimalus meenutada Venemaa teadlaste teeneid. Nähtuse avastas 1934. aastal Sergei Vavilovi juhendamisel töötanud Pavel Tšerenkov, kolm aastat hiljem sai see teoreetilise põhjenduse Igor Tamme ja Ilja Franki töödes ning 1958. aastal kõik neis töödes osalejad, v.a. surnud Vavilov, pälvisid Nobeli füüsikaauhinna.

Tegelikult räägib see ainult valguse kiirusest vaakumis. Teistes läbipaistvates meediumites valgus aeglustub ja üsna märgatavalt, mille tulemusena võib nende ja õhuga kokkupuutel täheldada murdumist. Klaasi murdumisnäitaja on 1,49, mis tähendab, et valguse faasikiirus selles on 1,49 korda väiksem ja näiteks teemandi murdumisnäitaja on juba 2,42 ning valguse kiirus selles väheneb üle kahe korra. . Miski ei takista teistel osakestel lennata isegi kiiremini kui valgusfootonid.

Täpselt nii juhtus elektronidega, mis Tšerenkovi katsetes suure energiaga gammakiirguse tõttu luminestsentsvedeliku molekulides oma kohtadest välja lõi. Seda mehhanismi võrreldakse sageli ülehelikiirusel läbi atmosfääri lennates lööklaine tekkega. Kuid seda võib ette kujutada ka rahvahulga sees jooksmisena: valgusest kiiremini liikudes kihutavad elektronid teistest osakestest mööda, otsekui lööksid neid õlaga – ja iga sentimeetri kohta nende teekonnal, pannes need vihaselt kiirguma mitmest kuni mitmesajast footonini. .

Peagi avastati sama käitumine kõigis teistes piisavalt puhastes ja läbipaistvates vedelikes ning seejärel registreeriti Tšerenkovi kiirgus isegi sügaval ookeanides. Muidugi pinnalt tuleva valguse footonid siia tegelikult ei ulatu. Kuid ülikiired osakesed, mis lenduvad välja väikestest kogustest lagunevatest radioaktiivsetest osakestest, tekitavad aeg-ajalt sära, võimaldades vähemalt kohalikel elanikel seda näha.

Tšerenkov-Vavilovi kiirgus on leidnud rakendust teaduses, tuumaenergeetikas ja sellega seotud valdkondades. Tuumaelektrijaama reaktorid helendavad eredalt, täis kiireid osakesi. Mõõtes täpselt selle kiirguse omadusi ja teades faasikiirust meie töökeskkonnas, saame aru, millised osakesed selle põhjustasid. Astronoomid kasutavad Tšerenkovi detektoreid ka kergete ja energiliste kosmiliste osakeste tuvastamiseks: raskeid on uskumatult raske soovitud kiiruseni kiirendada ja need ei tekita kiirgust.

Mullid ja augud

Siin roomab sipelgas paberilehel. Selle kiirus on väike ja lennuki vasakust servast paremale jõudmiseks kulub vaesel mehel umbes 10 sekundit. Aga niipea, kui me tema peale haletseme ja paberit painutame, ühendades selle servad, "teleportreerdub" ta koheselt. soovitud punktini. Midagi sarnast saab teha ka meie natiivse aegruumiga, ainsa erinevusega, et painutus eeldab teiste dimensioonide osalemist, mida me ei taju, moodustades aegruumi tunnelid – kuulsad ussiaugud ehk ussiaugud.

Muide, uute teooriate kohaselt on sellised ussiaugud omamoodi aegruumi vaste juba tuttavale takerdumise kvantfenomenile. Üldiselt ei ole nende olemasolu vastuolus ühegi olulise kaasaegse füüsika ideega, sealhulgas. Kuid sellise tunneli säilitamiseks Universumi koes on vaja midagi, millel on vähe sarnasust päristeadusega – hüpoteetilist "eksootilist ainet", millel on negatiivne energiatihedus. Teisisõnu, see peab olema selline mateeria, mis põhjustab gravitatsioonilise ... tõrjumise. On raske ette kujutada, et kunagi see eksootika leitakse, veel vähem taltsutatud.

Ajaruumi veelgi eksootilisem deformatsioon - liikumine selle kontiinumi kõvera struktuuri mulli sees - võib olla omamoodi alternatiiv ussiaukudele. Idee väljendas 1993. aastal füüsik Miguel Alcubierre, kuigi ulmekirjanike teostes kõlas see palju varem. See on nagu kosmoselaev, mis liigub, pigistades ja pigistades aegruumi oma nina ees ja siludes seda enda järel uuesti. Samal ajal jääb laev ise ja selle meeskond kohalikku piirkonda, kus aegruum säilitab tavapärase geomeetria, ega koge ebamugavusi. Seda on selgelt näha unistajate seas populaarses Star Treki seerias, kus selline “lõimesõit” võimaldab reisida, olemata tagasihoidlik, kogu universumis.

Staatus: fantastilisest teoreetiliseni

Footonid on massita osakesed, nagu mõned teisedki: nende mass puhkeolekus on null ja selleks, et mitte täielikult kaduda, on nad sunnitud alati liikuma ja alati valguse kiirusel. Mõned teooriad viitavad aga palju eksootilisemate osakeste – tahhüonide – olemasolule. Nende mass, mis esineb meie lemmikvalemis E = mc 2, on antud mitte algarvuga, vaid kujutlusarvuga, mis sisaldab spetsiaalset matemaatilist komponenti, mille ruut annab negatiivse arvu. See on väga kasulik omadus ja meie armastatud Star Treki seeria kirjanikud selgitasid oma fantastilise mootori tööd täpselt "tahhüonide energiat rakendades".

Tõepoolest, kujuteldav mass teeb mõeldamatut: tahhüonid peavad kiirendades energiat kaotama, seega on nende jaoks elus kõik täiesti erinev sellest, mida me varem arvasime. Aatomitega kokku põrkudes kaotavad nad energiat ja kiirendavad, nii et järgmine kokkupõrge on veelgi tugevam, mis võtab veelgi rohkem energiat ja kiirendab tahhüonid taas lõpmatuseni. On selge, et selline eneseupitamine lihtsalt rikub põhilisi põhjuse-tagajärje seoseid. Võib-olla sellepärast uurivad tahhüoneid seni vaid teoreetikud: keegi pole veel näinud ühtegi näidet põhjuse-tagajärje seoste kokkuvarisemisest looduses ja kui seda näed, otsi tahhüonit ja sulle on Nobel garanteeritud. Auhind.

Sellegipoolest näitasid teoreetikud, et tahhüone ei pruugi olla, kuid kauges minevikus võisid nad eksisteerida ja mõne idee kohaselt mängisid just nende lõpmatud võimalused Suures Paugus olulist rolli. Tahhüonide olemasolu seletab valevaakumi äärmiselt ebastabiilset seisundit, milles universum võis olla enne oma sündi. Sellises maailmapildis on valgusest kiiremini liikuvad tahhüonid meie olemasolu tegelik alus ja Universumi ilmumist kirjeldatakse kui valevaakumi tahhüonivälja üleminekut tõelise inflatsiooniväljale. Tasub lisada, et kõik need on üsna arvestatavad teooriad, hoolimata sellest, et Einsteini seaduste ja isegi põhjusliku seose peamised rikkujad osutuvad selles kõigi põhjuste ja tagajärgede rajajaks.

Tume kiirus

staatus: filosoofiline

Filosoofiliselt öeldes on pimedus lihtsalt valguse puudumine ja nende kiirused peaksid olema samad. Kuid tasub hoolikalt mõelda: pimedus võib võtta kuju, mis liigub palju kiiremini. Selle kuju nimi on vari. Kujutage ette, et osutate sõrmedega vastasseinal olevale koera siluetile. Taskulambi valgusvihk läheb lahku ja teie käest tulev vari muutub palju suuremaks kui käsi ise. Piisab väikseimastki sõrme liigutusest, et vari sellest seinal nihkuks märgatavale kaugusele. Mis siis, kui heidaksime Kuule varju? Või kujuteldaval ekraanil veelgi kaugemal? ..

Vaevumärgatav laine – ja ta jookseb üle mis tahes kiirusega, mille määrab ainult geomeetria, nii et ükski Einstein ei saa seda talle öelda. Varjudega on siiski parem mitte flirtida, sest nad petavad meid kergesti ära. Tasub minna tagasi algusesse ja meeles pidada, et pimedus on lihtsalt valguse puudumine, seega ei kandu sellise liikumise ajal edasi ükski füüsiline objekt. Pole olemas osakesi, teavet ega aegruumi deformatsioone, on ainult meie illusioon, et see on omaette nähtus. Päris maailmas ei saa ükski pimedus võrrelda valguse kiirusega.

Kumb on suurem, valguse või heli kiirus?

1. Valguse kiirus. Näide: esmalt välk, siis äike.
2. Tundub, et meie koolides füüsikat ei õpetata! LIGHT baby kiirus on muidugi suurem.
3. Valgus muidugi
4. ausalt, ma ei tea õiget vastust, aga kui te arvate, et valguse kiirus on loogilisem.
5. Koputuskiirus. Ühes otsas peeretas, teisest juba öeldakse, et persse läks.
6. valguse kiirus. sest äikesetormis näeme esmalt välku, alles siis kuuleme äikest
7. heli kiirus (vaakumis)
   ja nii valguse kiirus ... päikesest meieni jõuab valgus 8 minutiga
8. Sveta
9. Päikesekiir koidikul läbib maapinna kauguse 17 sekundiga ja helikiirus on 300 km sekundis, seega arvestage
10. Nagu soovite
11. kilpkonnad....
12. Sveta...
    Näiteks kui on äike... välk oli esimene ja siis äike järgnes sellele.. No mulle seletati nii...: ^^
13. Selle jaoks on üks nali – paned teleka käima – kõigepealt tuleb heli ja siis pilt.
    (Need, kes ülal vastasid, ilmselt isegi ei kuulnud)

    Maa atmosfääris on valguse kiirus muidugi suurem kui heli kiirus.

    Kuid üldiselt sõltuvad need mõlemad suurused keskkonnast, milles lained levivad - esimesel juhul elektromagnetilistest ja teisel - osakeste kokkusurumislainetest (akustilised).

    Seega – mõnes keskkonnas võib valgus levida palju aeglasemalt kui vaakumis või õhus. Ja mõnes materjalis levib heli palju kiiremini kui õhus.

    Juhtub, et osakesed levivad keskkonnas valguse kiirusest suurema kiirusega. Ja ometi nad kiirgavad. (Vavilovi-Tšerenkovi efekt) . Aga tavaliselt ei räägita helilainetest elementaarosakestel...

    Siiani pole mul õnnestunud leida infot aine kohta, milles helikiirus ületaks valguse kiirust, kuid puudub teave, et see oleks teoreetiliselt võimatu.

    Nii et üldiselt on valguse kiirus suurem, kuid võib-olla on sellel väga konkreetseid erandeid.

14. Valguse kiirus, banaalne näide on äikesetorm: esmalt välk ja siis äike.
15. Karu naeru kiirus.
16. valguse kiirus
17. Noh, ma arvan, et banaalset vastust pole mõtet 100. korda korrata, kuid ma tahaksin avaldada austust Aleksander Korotejevile. Teie vastust lugedes meenus üks näide. Päikese sees (heeliumi tuuma tsoonis ja kiirgustasakaalu tsoonis) on aine tihedus nii kolossaalne, et valgus levib selles kiirusega mitu SENTIMETRIT sekundis ... Noh, helilaine levimiskiirus merevees on veidi alla 1500 m / s ...
18. Valguse kiirus 300 000 000 m/s
    heli kiirus õhus 340 m/s
    Valguse kiirus on miljon korda suurem ja see on suurim kiirus looduses.
    Valgus võib levida vaakumis (õhuvabas ruumis), kuid heli vajab keskkonda – mida tihedam on keskkond, seda suurem on heli kiirus. Näiteks pärast vihma on helid paremad ja paremini kuuldavad. Iidsetel aegadel panid nad kõrva maa külge, et kuulda, kui kaugel vaenlase armee on.
    Et kuulda läheneva rongi heli, pange kõrv rööbaste poole – sest tihedamas keskkonnas on helikiirus suurem
19. valguse kiirus. Midagi juhtus mu mäluga ....
20. valguse kiirus

In (lokaalselt) inertsiaalses võrdlusraamistikus päritoluga, kaaluge materiaalset punkti, mis asub . Nimetame selle punkti kiirust üliluminaalne ajal, kui järgmine ebavõrdsus on tõene:

Src="/pictures/wiki/files/50/21ea15551d469cba11529bd16574e427.png" border="0">

kus , on valguse kiirus vaakumis ning aega ja kaugust punktist mõõdetakse mainitud võrdlusraamis.

kus on raadiuse vektor mittepöörlevas koordinaatsüsteemis, on koordinaatsüsteemi pöörlemise nurkkiiruse vektor. Nagu võrrandist näha, mitteinertsiaalne Pöörleva kehaga seostatud tugiraam, võivad kauged objektid liikuda ülivalguse kiirusega selles mõttes, et src="/pictures/wiki/files/54/6fa9a2d9089db2f154c5c90051ce210b.png" border="0">. See ei lähe vastuollu sissejuhatuses öelduga, kuna . Näiteks Maal asuva inimese peaga seotud koordinaatsüsteemi korral on Kuu liikumise koordinaatkiirus tavalise peapöördega suurem kui valguse kiirus vaakumis. Selles süsteemis kirjeldab Kuu lühikese aja jooksul pöörates kaare, mille raadius on ligikaudu võrdne koordinaatsüsteemi alguspunkti (pea) ja Kuu vahelise kaugusega.

Faasi kiirus

Faasi kiirus piki suunda, mis on lainevektorist nurga α võrra kõrvale kaldunud. Vaadeldakse monokromaatilist tasapinnalist lainet.

Trompet Krasnikov

Kvantmehaanika

Määramatuse printsiip kvantteoorias

Kvantfüüsikas kirjeldavad osakeste olekuid Hilberti ruumivektorid, mis määravad ainult füüsikaliste suuruste teatud väärtuste saamise tõenäosuse mõõtmiste käigus (vastavalt kvantmääramatuse põhimõttele). Nende vektorite tuntuim esitus on lainefunktsioonid, mille mooduli ruut määrab ära osakese leidmise tõenäosustiheduse antud kohas. Selgub, et see tihedus võib liikuda kiiremini kui valguse kiirus (näiteks osakese energiabarjääri läbimise probleemi lahendamisel). Sel juhul täheldatakse valguse kiiruse ületamise mõju vaid lühikestel vahemaadel. Richard Feynman väljendas seda oma loengutes järgmiselt:

… elektromagnetilise kiirguse puhul on ka [nullist erinev] tõenäosus amplituud liikuda kiiremini (või aeglasemalt) kui tavaline valguse kiirus. Sa nägid eelmises loengus, et valgus ei liigu alati sirgjooneliselt; nüüd näete, et see ei liigu alati valguse kiirusel! Võib tunduda üllatav, et footoni amplituud liigub tavalisest valguse kiirusest kiiremini või aeglasemalt. c

originaaltekst(Inglise)

... on ka amplituud, mille kohaselt valgus liigub tavapärasest valguse kiirusest kiiremini (või aeglasemalt). Sa avastasid viimases loengus, et valgus ei lähe ainult sirgjooneliselt; nüüd saate teada, et see ei käi ainult valguse kiirusel! Teid võib üllatada, et footonil on amplituud, mis liigub tavapärasest kiiremini või aeglasemalt. c

Richard Feynman, 1965. aasta Nobeli füüsikapreemia laureaat.

Samas on eristamatuse põhimõtte tõttu võimatu öelda, kas vaatleme sama osakest või selle vastsündinud koopiat. Oma Nobeli loengus 2004. aastal esitas Frank Wilczek järgmise argumendi:

Kujutage ette osakest, mis liigub keskmise kiirusega, mis on väga lähedal valguse kiirusele, kuid asukoha määramatusega nii palju, kui kvantteooria nõuab. Ilmselgelt on teatud tõenäosus jälgida selle osakese liikumist keskmisest mõnevõrra kiiremini ja seega ka valgusest kiiremini, mis on vastuolus erirelatiivsusteooriaga. Ainus teadaolev viis selle vastuolu lahendamiseks nõuab antiosakeste ideed. Väga umbkaudselt saavutatakse nõutav asukoha määramatus, eeldades, et mõõtmine võib hõlmata antiosakeste moodustumist, millest igaüks ei ole algsest eristatav, erineva paigutusega. Konserveeritud kvantarvude tasakaalu säilitamiseks peab täiendavate osakestega kaasnema sama palju antiosakesi. (Dirac jõudis antiosakeste ennustamiseni tema tuletatud elegantse relativistliku lainevõrrandi leidlike tõlgenduste ja ümbertõlgenduste kaudu, mitte heuristiliste kaalutluste kaudu, nagu see, mida ma olen esitanud. Nende järelduste paratamatus ja üldistus ning nende otsene seos põhilisega kvantmehaanika ja erirelatiivsusteooria põhimõtted ilmnesid alles tagantjärele).

originaaltekst(Inglise)

Kujutage ette osakest, mis liigub keskmiselt peaaegu valguse kiirusel, kuid kvantiteooria kohaselt on positsiooni määramatus. Ilmselt on selle osakese vaatlemisel teatav tõenäosus liikuda keskmisest veidi kiiremini ja seega ka valgusest kiiremini, mida erirelatiivsusteooria ei luba. Ainus teadaolev viis selle pinge lahendamiseks on antiosakeste idee tutvustamine. Väga jämedalt öeldes on nõutav asukoha määramatus arvesse võetud, võttes arvesse võimalust, et mõõtmine võib hõlmata mitme osakese loomist, millest igaüks ei ole algsest eristatav ja millel on erinev asukoht. Konserveeritud kvantarvude tasakaalu säilitamiseks peab lisaosakestega kaasnema võrdne arv antiosakesi. (Dirac pandi ennustama antiosakeste olemasolu tema leiutatud elegantse relativistliku lainevõrrandi geniaalsete tõlgenduste ja ümbertõlgenduste kaudu, mitte aga minu esitatud heuristiliste arutluste kaudu. Tema järelduste paratamatus ja üldistus, ja nende otsene seos kvantmehaanika ja erirelatiivsusteooria aluspõhimõtetega on selged alles tagantjärele).

Frank Wilczek

Scharnhorsti efekt

Lainete kiirus sõltub nende levimise keskkonna omadustest. Erirelatiivsusteooria väidab, et massiivset keha on võimatu vaakumis kiirendada valguse kiirust ületava kiiruseni. Samal ajal ei postuleeri teooria valguse kiirusele mingit erilist väärtust. Seda mõõdetakse eksperimentaalselt ja see võib varieeruda sõltuvalt vaakumi omadustest. Vaakumi puhul, mille energia on väiksem kui tavalise füüsikalise vaakumi energia, peaks valguse kiirus teoreetiliselt olema suurem ja maksimaalse lubatud signaali edastuskiiruse määrab negatiivse energia maksimaalne võimalik tihedus. Sellise vaakumi üheks näiteks on Casimir vaakum, mis tekib õhukestes piludes ja kuni kümne nanomeetri suurustes (läbimõõdus) kapillaarides (tavalise aatomi suurus on umbes sada korda suurem). Seda efekti võib seletada ka virtuaalsete osakeste arvu vähenemisega Kasimiri vaakumis, mis nagu pideva keskkonna osakesed aeglustavad valguse levikut. Scharnhorsti arvutused näitavad, et valguse kiirus Casimiri vaakumis ületab 1 nm laiuse pilu puhul tavalise vaakumi kiirust 1/10 24 võrra. Samuti näidati, et valguse kiiruse ületamine Kasimiri vaakumis ei riku põhjuslikkuse põhimõtet. Valguse kiiruse ületamine Casimiri vaakumis võrreldes valguse kiirusega tavalises vaakumis ei ole selle efekti mõõtmise äärmise keerukuse tõttu veel eksperimentaalselt kinnitatud.

Teooriad valguse kiiruse muutlikkusega vaakumis

Kaasaegses füüsikas on hüpoteese, mille kohaselt valguse kiirus vaakumis ei ole konstantne ja selle väärtus võib aja jooksul muutuda (Variable Speed ​​​​of Light (VSL)). Selle hüpoteesi kõige levinum versioon eeldab, et meie universumi eluea algfaasis oli konstandi (valguse kiiruse) väärtus palju suurem kui praegu. Seega, enne kui aine jõudis kiirusega liikuda, kaugelt parem kaasaegne valguse kiirus.