Superluminalios kelionės yra vienas iš kosminės mokslinės fantastikos pagrindų. Tačiau tikriausiai visi - net ir nuo fizikos nutolę žmonės - žino, kad didžiausias galimas materialių objektų judėjimo ar bet kokių signalų sklidimo greitis yra šviesos greitis vakuume. Jis žymimas raide c ir yra beveik 300 tūkstančių kilometrų per sekundę; tiksli vertė yra c = 299 792 458 m / s.
Šviesos greitis vakuume yra viena iš pagrindinių fizinių konstantų. Neįmanoma pasiekti didesnių nei c greičių išplaukia iš Einšteino specialiosios reliatyvumo teorijos (SRT). Jei būtų įmanoma įrodyti, kad signalai gali būti perduodami superluminaliais greičiais, reliatyvumo teorija nukristų. Iki šiol to neįvyko, nepaisant daugybės bandymų paneigti didesnio nei c greičio draudimą. Tačiau naujausiuose eksperimentiniuose tyrimuose buvo aptikta keletas labai įdomių reiškinių, rodančių, kad specialiai sukurtomis sąlygomis gali būti stebimi superluminaliniai greičiai ir nepažeidžiami reliatyvumo teorijos principai.
- „Salik.biz“
Pirmiausia prisiminkime pagrindinius aspektus, susijusius su šviesos greičio problema.
Visų pirma: kodėl neįmanoma (normaliomis sąlygomis) viršyti šviesos ribą? Nes tada pažeidžiamas pagrindinis mūsų pasaulio įstatymas - priežastingumo įstatymas, pagal kurį poveikis negali viršyti priežasties. Niekas niekada nestebėjo, pavyzdžiui, pirmiausia lokys krito negyvas, o paskui medžiotojas išleido. Kai greitis viršija s, įvykių seka yra atvirkštinė, laiko juosta apvyniojama. Tai nesunku patikrinti remiantis šiais paprastais motyvais.
Tarkime, kad mes esame ant kažkokio kosminio stebuklo laivo, judančio greičiau nei šviesa. Tada pamažu pasivysime šaltinio skleidžiamą šviesą ankstesniais ir ankstesniais laiko momentais. Pirmiausia susigrumtume su skleidžiamais fotonais, tarkime, vakar, tada tuos, kuriuos skleidė praėjusią dieną, paskui savaitę, mėnesį, metus ir t. Jei šviesos šaltinis būtų veidrodis, atspindintis gyvenimą, tada pirmiausia išvysime vakarykščius įvykius, tada dieną prieš vakar ir pan. Galėjome pamatyti, sakykim, seną žmogų, kuris pamažu virsta vidutinio amžiaus, paskui jaunuoliu, jaunyste, vaiku … Tai reiškia, kad laikas pasisuktų atgal, mes persikeltume iš dabarties į praeitį. Priežastys ir padariniai būtų panaikinti.
Nors šis samprotavimas visiškai nekreipia dėmesio į technines šviesos stebėjimo proceso detales, tačiau iš pagrindinio požiūrio jis aiškiai parodo, kad judėjimas superluminaliniu greičiu lemia neįmanomą situaciją mūsų pasaulyje. Tačiau gamta nustatė dar griežtesnes sąlygas: judėti ne tik superluminaliu greičiu, bet ir greičiu, lygiu šviesos greičiui, yra neįmanoma - galite tik prie jo priartėti. Iš reliatyvumo teorijos seka, kad didėjant judesio greičiui atsiranda trys aplinkybės: didėja judančio objekto masė, jo dydis mažėja judėjimo kryptimi, o laiko tėkmė šiame objekte sulėtėja (išorinio „ramybės“stebėtojo požiūriu). Įprastu greičiu šie pokyčiai yra nereikšmingi, tačiau artėjant prie šviesos greičio jie tampa labiau pastebimi,o riboje - greičiu, lygiu c - masė tampa be galo didelė, objektas visiškai praranda savo dydį judėjimo kryptimi ir laikas sustoja ant jo. Todėl nė vienas materialus kūnas negali pasiekti šviesos greičio. Tik pati šviesa turi tokį greitį! (Taip pat „viską persmelkianti“dalelė - neutrinas, kuris, kaip fotonas, negali judėti mažesniu nei s greičiu.)
Dabar apie signalo perdavimo greitį. Čia tikslinga naudoti šviesos atvaizdą elektromagnetinių bangų pavidalu. Kas yra signalas? Tai yra tam tikra perduodama informacija. Ideali elektromagnetinė banga yra begalinis griežtai vieno dažnio sinusoidas ir negali perduoti jokios informacijos, nes kiekvienas tokio sinusoido periodas tiksliai pakartoja ankstesnįjį. Sinusoidinės bangos fazės judėjimo greitis - vadinamasis fazės greitis - terpėje tam tikromis sąlygomis gali viršyti šviesos greitį vakuume. Čia nėra jokių apribojimų, nes fazės greitis nėra signalo greitis - jo dar nėra. Norėdami sukurti signalą, turite ant bangos padaryti kažkokį „ženklą“. Toks ženklas gali būti, pavyzdžiui, bet kurio bangos parametro - amplitudės, dažnio ar pradinės fazės - pokytis. Bet kai ženklas bus padarytas,banga praranda sinusoidiškumą. Jis tampa moduliuotas, susidedantis iš paprastų sinuso bangų, turinčių skirtingą amplitudę, dažnį ir pradines fazes, rinkinio - bangų grupės. Greitis, kuriuo ženklas juda moduliuotoje bangoje, yra signalo greitis. Dauginantis terpėje, šis greitis paprastai sutampa su grupės greičiu, kuris apibūdina visos aukščiau paminėtos bangų grupės sklidimą (žr. Mokslas ir gyvenimas, Nr. 2, 2000). Normaliomis sąlygomis grupės greitis, taigi ir signalo greitis, yra mažesnis už šviesos greitį vakuume. Neatsitiktinai naudojama frazė „normaliomis sąlygomis“, nes kai kuriais atvejais grupės greitis taip pat gali viršyti c arba net prarasti prasmę, tačiau tada jis netaikomas signalo sklidimui. SRT nustatyta, kad neįmanoma perduoti signalo, kurio greitis didesnis nei s. Jis tampa moduliuotas, susidedantis iš paprastų sinuso bangų, turinčių skirtingą amplitudę, dažnį ir pradines fazes, rinkinio - bangų grupės. Greitis, kuriuo ženklas juda moduliuotoje bangoje, yra signalo greitis. Dauginantis terpėje, šis greitis paprastai sutampa su grupės greičiu, kuris apibūdina visos aukščiau paminėtos bangų grupės sklidimą (žr. Mokslas ir gyvenimas, Nr. 2, 2000). Normaliomis sąlygomis grupės greitis, taigi ir signalo greitis, yra mažesnis už šviesos greitį vakuume. Neatsitiktinai naudojama frazė „normaliomis sąlygomis“, nes kai kuriais atvejais grupės greitis taip pat gali viršyti c arba net prarasti prasmę, tačiau tada jis netaikomas signalo sklidimui. SRT nustato, kad neįmanoma perduoti signalo, kurio greitis didesnis nei s. Jis tampa moduliuotas, susidedantis iš paprastų sinuso bangų, turinčių skirtingą amplitudę, dažnį ir pradines fazes, rinkinio - bangų grupės. Greitis, kuriuo ženklas juda moduliuotoje bangoje, yra signalo greitis. Dauginantis terpėje, šis greitis paprastai sutampa su grupės greičiu, kuris apibūdina visos aukščiau paminėtos bangų grupės sklidimą (žr. Mokslas ir gyvenimas, Nr. 2, 2000). Normaliomis sąlygomis grupės greitis, taigi ir signalo greitis, yra mažesnis už šviesos greitį vakuume. Neatsitiktinai naudojama frazė „normaliomis sąlygomis“, nes kai kuriais atvejais grupės greitis taip pat gali viršyti c arba net prarasti prasmę, tačiau tada jis netaikomas signalo sklidimui. SRT nustatyta, kad neįmanoma perduoti signalo, kurio greitis didesnis nei s.sudarytas iš paprastų sinusoidinių bangų, turinčių skirtingą amplitudę, dažnį ir pradines fazes, rinkinio - bangų grupė. Greitis, kuriuo ženklas juda moduliuotoje bangoje, yra signalo greitis. Dauginantis terpėje, šis greitis paprastai sutampa su grupės greičiu, kuris apibūdina visos aukščiau paminėtos bangų grupės sklidimą (žr. Mokslas ir gyvenimas, Nr. 2, 2000). Normaliomis sąlygomis grupės greitis, taigi ir signalo greitis, yra mažesnis už šviesos greitį vakuume. Neatsitiktinai naudojama frazė „normaliomis sąlygomis“, nes kai kuriais atvejais grupės greitis taip pat gali viršyti c arba net prarasti prasmę, tačiau tada jis netaikomas signalo sklidimui. SRT nustatyta, kad neįmanoma perduoti signalo, kurio greitis didesnis nei s.sudarytas iš paprastų sinusoidinių bangų, turinčių skirtingą amplitudę, dažnį ir pradines fazes, rinkinio - bangų grupė. Greitis, kuriuo ženklas juda moduliuotoje bangoje, yra signalo greitis. Dauginantis terpėje, šis greitis paprastai sutampa su grupės greičiu, kuris apibūdina visos aukščiau paminėtos bangų grupės sklidimą (žr. Mokslas ir gyvenimas Nr. 2, 2000). Normaliomis sąlygomis grupės greitis, taigi ir signalo greitis, yra mažesnis už šviesos greitį vakuume. Neatsitiktinai naudojama frazė „normaliomis sąlygomis“, nes kai kuriais atvejais grupės greitis taip pat gali viršyti c arba net prarasti prasmę, tačiau tada jis netaikomas signalo sklidimui. SRT nustato, kad neįmanoma perduoti signalo, kurio greitis didesnis nei sdažniai ir pradinės fazės - bangų grupės. Greitis, kuriuo ženklas juda moduliuotoje bangoje, yra signalo greitis. Dauginantis terpėje, šis greitis paprastai sutampa su grupės greičiu, kuris apibūdina visos minėtos bangų grupės sklidimą kaip visumą (žr. Mokslas ir gyvenimas Nr. 2, 2000). Normaliomis sąlygomis grupės greitis, taigi ir signalo greitis, yra mažesnis už šviesos greitį vakuume. Neatsitiktinai naudojama frazė „normaliomis sąlygomis“, nes kai kuriais atvejais grupės greitis taip pat gali viršyti c ar net prarasti prasmę, tačiau tada jis netaikomas signalo sklidimui. SRT nustato, kad neįmanoma perduoti signalo, kurio greitis didesnis nei sdažniai ir pradinės fazės - bangų grupės. Greitis, kuriuo ženklas juda moduliuotoje bangoje, yra signalo greitis. Dauginantis terpėje, šis greitis paprastai sutampa su grupės greičiu, kuris apibūdina visos aukščiau paminėtos bangų grupės sklidimą (žr. Mokslas ir gyvenimas Nr. 2, 2000). Normaliomis sąlygomis grupės greitis, taigi ir signalo greitis, yra mažesnis už šviesos greitį vakuume. Neatsitiktinai naudojama frazė „normaliomis sąlygomis“, nes kai kuriais atvejais grupės greitis taip pat gali viršyti c ar net prarasti prasmę, tačiau tada jis netaikomas signalo sklidimui. SRT nustatyta, kad neįmanoma perduoti signalo, kurio greitis didesnis nei s. Dauginantis terpėje, šis greitis paprastai sutampa su grupės greičiu, kuris apibūdina visos aukščiau paminėtos bangų grupės sklidimą (žr. Mokslas ir gyvenimas Nr. 2, 2000). Normaliomis sąlygomis grupės greitis, taigi ir signalo greitis, yra mažesnis už šviesos greitį vakuume. Neatsitiktinai naudojama frazė „normaliomis sąlygomis“, nes kai kuriais atvejais grupės greitis taip pat gali viršyti c ar net prarasti prasmę, tačiau tada jis netaikomas signalo sklidimui. SRT nustatyta, kad neįmanoma perduoti signalo, kurio greitis didesnis nei s. Dauginantis terpėje, šis greitis paprastai sutampa su grupės greičiu, kuris apibūdina visos aukščiau paminėtos bangų grupės sklidimą (žr. Mokslas ir gyvenimas Nr. 2, 2000). Normaliomis sąlygomis grupės greitis, taigi ir signalo greitis, yra mažesnis už šviesos greitį vakuume. Neatsitiktinai naudojama frazė „normaliomis sąlygomis“, nes kai kuriais atvejais grupės greitis taip pat gali viršyti c ar net prarasti prasmę, tačiau tada jis netaikomas signalo sklidimui. SRT nustatyta, kad neįmanoma perduoti signalo, kurio greitis didesnis nei s. Neatsitiktinai naudojama frazė „normaliomis sąlygomis“, nes kai kuriais atvejais grupės greitis taip pat gali viršyti c ar net prarasti prasmę, tačiau tada jis netaikomas signalo sklidimui. SRT nustatyta, kad neįmanoma perduoti signalo, kurio greitis didesnis nei s. Neatsitiktinai naudojama frazė „normaliomis sąlygomis“, nes kai kuriais atvejais grupės greitis taip pat gali viršyti c ar net prarasti prasmę, tačiau tada jis netaikomas signalo sklidimui. SRT nustatyta, kad neįmanoma perduoti signalo, kurio greitis didesnis nei s.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Kodėl taip yra? Nes tas pats priežastingumo dėsnis yra kliūtis perduodant bet kokį signalą, kurio greitis didesnis nei c. Įsivaizduokime tokią situaciją. Tam tikru momentu A lemputė (1 įvykis) įsijungia įrenginyje, kuris siunčia tam tikrą radijo signalą, o nuotoliniame taške B, veikiant šiam radijo signalui, įvyksta sprogimas (2 įvykis). Aišku, kad 1 įvykis (blyksnis) yra priežastis, o 2 įvykis (sprogimas) yra pasekmė, atsirandanti vėliau nei priežastis. Bet jei radijo signalas sklistų superluminaliu greičiu, šalia taško B esantis stebėtojas pirmiausia pamatytų sprogimą, o tik paskui - blykstę, pasiekusią jį šviesos blyksnio greičiu, sprogimo priežastį. Kitaip tariant, šiam stebėtojui 2 įvykis įvyktų anksčiau nei 1 įvykis, tai yra, poveikis būtų didesnis už priežastį.
Reikėtų pabrėžti, kad reliatyvumo teorijos „superluminalinis draudimas“yra primestas tik materialiųjų kūnų judėjimui ir signalų perdavimui. Daugelyje situacijų judėjimas bet kokiu greičiu yra įmanomas, tačiau tai nebus materialių objektų ar signalų judėjimas. Pavyzdžiui, įsivaizduokite du gana ilgus valdovus, gulinčius toje pačioje plokštumoje, vienas iš jų yra horizontalus, o kitas kerta jį mažu kampu. Jei pirmasis liniuotė perkeliama žemyn (rodyklės nurodyta kryptimi) dideliu greičiu, liniuotės susikirtimo tašką galima nubėgti taip, kaip jums patinka, tačiau šis taškas nėra materialus kūnas. Kitas pavyzdys: jei imsite žibintuvėlį (arba, tarkime, lazerį, suteikiantį siaurą spindulį) ir greitai apibūdinsite orą, esantį ore su juo, tada tiesės šviesos taško greitis didės atstumu ir pakankamai dideliu atstumu viršys c. Šviesos taškas judės tarp taškų A ir B superluminaliu greičiu, tačiau tai nebus signalo perdavimas iš A į B, nes tokia šviesos vieta neturi jokios informacijos apie tašką A.
Atrodytų, kad superluminalių greičių klausimas yra išspręstas. Tačiau dvidešimtojo amžiaus šeštajame dešimtmetyje teoriniai fizikai pateikė hipotezę apie superluminalių dalelių, vadinamų tachionais, egzistavimą. Tai labai keistos dalelės: teoriškai jos yra įmanomos, tačiau norint išvengti prieštaravimų su reliatyvumo teorija, jos turėjo priskirti įsivaizduojamą poilsio masę. Fiziškai įsivaizduojama masė neegzistuoja, tai yra grynai matematinė abstrakcija. Tačiau tai nesudarė daug aliarmo, nes tachikonai negali būti ramybėje - jie egzistuoja (jei jie egzistuoja!) Tik greičiu, viršijančiu šviesos greitį vakuume, ir tokiu atveju tachono masė pasirodo tikra. Čia yra tam tikra analogija su fotonais: fotono poilsio masė yra nulinė, tačiau tai tiesiog reiškia, kad fotonas negali būti ramybėje - šviesos negalima sustabdyti.
Sunkiausia, kaip ir tikėtasi, buvo suderinti tachono hipotezę su priežastingumo dėsniu. Bandymai šia linkme, nors ir buvo gana išradingi, akivaizdžios sėkmės nepadėjo. Niekam taip ir nepavyko užregistruoti tachonų. Dėl to pamažu nyko susidomėjimas tachionais, kaip superluminaliomis pradinėmis dalelėmis.
Tačiau 60-aisiais metais buvo eksperimentiškai atrastas reiškinys, kuris iš pradžių supainiojo fizikus. Tai išsamiai aprašyta A. N. Oraevskio straipsnyje „Superluminalinės bangos stiprinančioje terpėje“(Phys. Phys. No. 12, 1998). Čia trumpai apibendrinsime reikalą, nukreipdami skaitytoją, sudomintą išsamia informacija, į nurodytą straipsnį.
Netrukus po lazerių atradimo - 60-ųjų pradžioje - iškilo problema gauti trumpus (apie 1 ns = 10–9 s) didelės galios šviesos impulsus. Tam trumpas lazerio impulsas buvo perduodamas per optinį kvantinį stiprintuvą. Impulsą padalino į dvi dalis spindulį dalijantis veidrodis. Vienas iš jų, galingesnis, buvo išsiųstas į stiprintuvą, o kitas sklido ore ir tarnavo kaip atskaitos impulsas, su kuriuo buvo galima palyginti impulsą, kuris praėjo per stiprintuvą. Abu impulsai buvo tiekiami fotodetektoriams, o jų išvesties signalus buvo galima vizualiai stebėti osciloskopo ekrane. Buvo tikimasi, kad šviesos impulsas, praeinantis per stiprintuvą, patirs tam tikrą vėlavimą, palyginti su etaloniniu impulsu, tai yra, šviesos sklidimo stiprintuve greitis bus mažesnis nei ore. Įsivaizduokite tyrėjų nuostabą, kai jie sužinojo, kad impulsas sklinda per stiprintuvą ne tik didesniu greičiu nei ore, bet ir kelis kartus viršija šviesos greitį vakuume!
Atsigavę po pirmojo šoko, fizikai ėmė ieškoti tokio netikėto rezultato priežasties. Niekam net nebuvo nė menkiausios abejonės dėl specialiosios reliatyvumo teorijos principų ir būtent tai padėjo rasti teisingą paaiškinimą: jei specialiojo reliatyvumo principai yra išsaugomi, tada atsakymo reikia ieškoti stiprinančiosios terpės savybėmis.
Čia nesigilinant į detales, mes tik atkreipiame dėmesį, kad išsami sustiprinančios terpės veikimo mechanizmo analizė visiškai išaiškino situaciją. Reikalas susideda iš fotonų koncentracijos pokyčio impulsų sklidimo metu - pokyčio, atsirandančio dėl terpės padidėjimo iki neigiamos vertės praeinant impulsui užpakalinėje dalyje, kai terpė jau sugeria energiją, nes dėl savo perdavimo į šviesos impulsą terpė jau buvo išleista. Absorbcija sukelia ne amplifikaciją, o impulso susilpnėjimą, taigi impulsas sustiprėja priekyje ir susilpnėja nugaroje. Įsivaizduokime, kad impulsą stebime prietaiso, judančio šviesos greičiu stiprintuvo terpėje, pagalba. Jei terpė būtų skaidri, impulsą pamatytume nejudrumą. Aplinkoje,kurio metu vyksta aukščiau paminėtas procesas, priekinis kraštas sustiprėja ir pulso galinis kraštas susilpnėja stebėtojui taip, kad terpė tarsi impulsą judėjo į priekį. Bet kadangi prietaisas (stebėtojas) juda šviesos greičiu, o impulsas jį aplenkia, tada impulso greitis viršija šviesos greitį! Būtent šį poveikį užregistravo eksperimentatoriai. Ir čia tikrai nėra prieštaravimo reliatyvumo teorijai: tiesiog amplifikacijos procesas yra toks, kad anksčiau pasirodžiusių fotonų koncentracija būna didesnė už tuos, kurie atsirado vėliau. Superbumbos greičiu juda ne fotonai, bet impulsų apvalkalas, visų pirma, maksimalus, stebimas osciloskopu. Bet kadangi prietaisas (stebėtojas) juda šviesos greičiu, o impulsas jį aplenkia, tada impulso greitis viršija šviesos greitį! Būtent šį poveikį užregistravo eksperimentatoriai. Ir čia tikrai nėra prieštaravimo reliatyvumo teorijai: tiesiog amplifikacijos procesas yra toks, kad anksčiau pasirodžiusių fotonų koncentracija būna didesnė už tuos, kurie atsirado vėliau. Superbumbos greičiu juda ne fotonai, bet impulsų apvalkalas, visų pirma, maksimalus, stebimas osciloskopu. Bet kadangi prietaisas (stebėtojas) juda šviesos greičiu, o impulsas jį aplenkia, tada pulso greitis viršija šviesos greitį! Būtent šį poveikį užregistravo eksperimentatoriai. Ir čia tikrai nėra prieštaravimo reliatyvumo teorijai: tiesiog amplifikacijos procesas yra toks, kad anksčiau pasirodžiusių fotonų koncentracija būna didesnė už tuos, kurie atsirado vėliau. Superbumbos greičiu juda ne fotonai, bet impulsų apvalkalas, visų pirma, maksimalus, stebimas osciloskopu. Superbumbos greičiu juda ne fotonai, bet impulsų apvalkalas, visų pirma, maksimalus, stebimas osciloskopu. Superbumbos greičiu juda ne fotonai, bet impulsų apvalkalas, visų pirma, maksimalus, stebimas osciloskopu.
Taigi, kai įprastose terpėse visada yra šviesos silpnėjimas ir jos greičio mažėjimas, kurį lemia lūžio rodiklis, aktyviose lazerio terpėse stebimas ne tik šviesos stiprinimas, bet ir impulsų plitimas superluminaliniu greičiu.
Kai kurie fizikai bandė eksperimentiškai įrodyti, kad tuneliniame efekte yra superluminalinis judesys - vienas iš nuostabiausių kvantinės mechanikos reiškinių. Šis efektas susideda iš to, kad mikrodalelė (tiksliau, mikroobjektas, turintis ir dalelės savybes, ir bangos savybes skirtingomis sąlygomis) sugeba prasiskverbti per vadinamąjį potencialų barjerą - reiškinį, kuris visiškai neįmanomas klasikinėje mechanikoje (kurioje analogas būtų tokia situacija): Į sieną įmestas rutulys būtų kitoje sienos pusėje arba virvės, pritvirtintos prie sienos, banguotasis judesys būtų perduodamas virvei, pririštai prie sienos kitoje pusėje). Tuneliavimo efekto esmė kvantinėje mechanikoje yra tokia. Jei mikroobjektas, turintis tam tikrą energiją, susitinka su potencialia energija esančioje srityje,viršijant mikro objekto energiją, ši sritis jam yra kliūtis, kurios aukštį lemia energijos skirtumas. Bet mikroobjektas „prasiskverbia“pro barjerą! Šią galimybę jam suteikia žinomas Heisenbergo neapibrėžtumo santykis, užrašytas energijos ir sąveikos laikui. Jei mikro objekto sąveika su barjeru įvyksta pakankamai apibrėžtą laiką, tada, priešingai, mikro objekto energijai bus būdingas neapibrėžtumas, o jei šis neapibrėžtumas yra maždaug pagal barjero aukštį, pastarasis nustoja būti neįveikiama kliūtimi mikro objektui. Skverbimosi pro galimą barjerą greitis tapo daugelio fizikų tyrimų objektu, manančių, kad jis gali viršyti s. Bet mikroobjektas „prasiskverbia“pro barjerą! Šią galimybę jam suteikia žinomas Heisenbergo neapibrėžtumo santykis, užrašytas energijos ir sąveikos laikui. Jei mikro objekto sąveika su barjeru vyksta pakankamai apibrėžtą laiką, tada mikro objekto energijai, atvirkščiai, bus būdingas neapibrėžtumas, ir jei šis neapibrėžtumas yra maždaug pagal barjero aukštį, tada pastarasis nustoja būti neįveikiama kliūtimi mikro objektui. Skverbimosi pro galimą barjerą greitis tapo daugelio fizikų tyrimų objektu, manančių, kad jis gali viršyti s. Bet mikroobjektas „prasiskverbia“pro barjerą! Šią galimybę jam suteikia žinomas Heisenbergo neapibrėžtumo santykis, užrašytas energijos ir sąveikos laikui. Jei mikro objekto sąveika su barjeru vyksta pakankamai apibrėžtą laiką, tada mikro objekto energijai, atvirkščiai, bus būdingas neapibrėžtumas, ir jei šis neapibrėžtumas yra maždaug pagal barjero aukštį, tada pastarasis nustoja būti neįveikiama kliūtimi mikro objektui. Skverbimosi pro galimą barjerą greitis tapo daugelio fizikų tyrimų objektu, manančių, kad jis gali viršyti s. Jei mikro objekto sąveika su barjeru įvyksta pakankamai apibrėžtą laiką, tada, priešingai, mikro objekto energijai bus būdingas neapibrėžtumas, o jei šis neapibrėžtumas yra maždaug pagal barjero aukštį, pastarasis nustoja būti neįveikiama kliūtimi mikro objektui. Skverbimosi pro galimą barjerą greitis tapo daugelio fizikų tyrimų objektu, manančių, kad jis gali viršyti s. Jei mikro objekto sąveika su barjeru vyksta pakankamai apibrėžtą laiką, tada mikro objekto energijai, atvirkščiai, bus būdingas neapibrėžtumas, ir jei šis neapibrėžtumas yra maždaug pagal barjero aukštį, tada pastarasis nustoja būti neįveikiama kliūtimi mikro objektui. Skverbimosi pro galimą barjerą greitis tapo daugelio fizikų tyrimų objektu, manančių, kad jis gali viršyti s.
1998 m. Birželio mėn. Kelne buvo surengtas tarptautinis FTL problemų simpoziumas, kuriame buvo aptarti keturių laboratorijų rezultatai - Berkeley, Viena, Kelnas ir Florencija.
Ir galiausiai, 2000 m., Buvo pranešimai apie du naujus eksperimentus, kuriuose pasirodė superluminalio sklidimo poveikis. Vieną jų atliko Lijun Wong ir bendradarbiai iš tyrimų instituto Prinstone (JAV). Rezultatas yra tai, kad į kamerą patenkantis šviesos impulsas, užpildytas cezio garais, padidina jo greitį 300 kartų. Paaiškėjo, kad pagrindinė pulso dalis tolimąją kameros sienelę palieka dar anksčiau, nei impulsas patenka į kamerą per priekinę sieną. Ši situacija prieštarauja ne tik sveikam protui, bet ir iš esmės reliatyvumo teorijai.
L. Wongo pranešimas sukėlė intensyvią diskusiją tarp fizikų, kurių dauguma nėra linkę įžvelgti gautuose rezultatuose dėl reliatyvumo principų pažeidimo. Jų manymu, iššūkis yra teisingai paaiškinti šį eksperimentą.
L. Wongo eksperimento metu į kamerą su cezio garais patenkantis šviesos impulso trukmė buvo apie 3 μs. Cezio atomai gali būti šešiolikoje galimų kvantinių-mechaninių būsenų, vadinamų „magnetine hiperfinancialine žemės būsenos pakopomis“. Naudojant optinį lazerinį siurbimą, beveik visi atomai buvo įvesti tik į vieną iš šių šešiolikos būsenų, o tai atitiko beveik absoliučią nulinę temperatūrą Kelvino skalėje (-273,15 ° C). Cezio kamera buvo 6 centimetrų ilgio. Vakuume šviesa skrieja 6 centimetrais per 0,2 ns. Matavimai parodė, kad šviesos impulsas per kamerą su ceziu praėjo per 62 ns mažiau laiko nei vakuume. Kitaip tariant, impulsų per cezio terpę perdavimo laikas turi minuso ženklą! Iš tikrųjų, jei 62 ns atimama iš 0,2 ns, gauname „neigiamą“laiką. Šis „neigiamas uždelsimas“terpėje - nesuprantamas laiko šuolis - yra lygus tam laikui, per kurį pulsas būtų sukėlęs 310 kartų per kamerą vakuume. Šio „laikino apvirtimo“pasekmė buvo tai, kad impulsas, išeinantis iš kameros, turėjo laiko nutolti nuo jo 19 metrų, kol gaunamas impulsas pasiekė artimą kameros sieną. Kaip galima paaiškinti tokią neįtikėtiną situaciją (jei, žinoma, nekyla abejonių dėl eksperimento grynumo)?neabejoti eksperimento grynumu)?neabejoti eksperimento grynumu)?
Sprendžiant iš vykstančių diskusijų, tikslaus paaiškinimo dar nepavyko rasti, tačiau neabejojama, kad čia svarbios terpės neįprastos dispersijos savybės: cezio garai, sudaryti iš lazerio šviesos sužadintų atomų, yra terpė, turinti anomalią dispersiją. Trumpai prisiminkime, kas tai yra.
Medžiagos dispersija yra fazės (įprastinio) lūžio rodiklio n priklausomybė nuo šviesos l bangos ilgio. Esant normaliai dispersijai, lūžio rodiklis didėja mažėjant bangos ilgiui, ir tai įvyksta stikle, vandenyje, ore ir visose kitose šviesai skaidriose medžiagose. Medžiagose, kurios stipriai sugeria šviesą, lūžio rodiklio eiga keičiasi priešingai keičiant bangos ilgį ir tampa daug staigesnė: mažėjant l (didėjant dažniui w), lūžio rodiklis smarkiai mažėja ir tam tikrame bangos ilgio regione jis tampa mažesnis už vienovę (fazės greitis Vph> s).). Tai yra anomali dispersija, kai radikaliai keičiasi šviesos sklidimo materijoje vaizdas. Grupės greitis Vgr tampa didesnis nei bangų fazinis greitis ir gali viršyti šviesos greitį vakuume (ir taip pat tapti neigiamas). L. Wongas nurodo šią aplinkybę kaip priežastį, pagrindžiančią galimybę paaiškinti savo eksperimento rezultatus. Vis dėlto reikia pažymėti, kad sąlyga Vgr> c yra grynai formali, nes grupės greičio sąvoka buvo įvesta mažos (normalios) sklaidos atveju, permatomoms terpėms, kai bangų grupė sklidimo metu beveik nekeičia savo formos. Kita vertus, anomalios sklaidos regionuose šviesos impulsas greitai deformuojasi ir grupės greičio sąvoka praranda prasmę; šiuo atveju įvedamos signalo greičio ir energijos sklidimo greičio sąvokos, kurios skaidrioje terpėje sutampa su grupės greičiu, o terpėse, kurių absorbcija išlieka mažesnė už šviesos greitį vakuume. Bet štai kas yra įdomu Wongo eksperimente: šviesos impulsas, praėjęs pro terpę su anomalia dispersija, nėra deformuotas - jis tiksliai išlaiko savo formą!Ir tai atitinka prielaidą apie pulso plitimą su grupės greičiu. Bet jei taip, tada paaiškėja, kad terpėje absorbcijos nėra, nors anomalią terpės sklaidą lemia būtent absorbcija! Pats Wongas, pripažindamas, kad vis dar neaišku, mano, kad tai, kas vyksta jo eksperimentinėje aplinkoje, iš pradžių gali būti aiškiai paaiškinta taip.
Šviesos impulsą sudaro daugybė komponentų, turinčių skirtingą bangos ilgį (dažnį). Paveiksle pavaizduoti trys iš šių komponentų (1–3 bangos). Tam tikru metu visos trys bangos yra fazėje (jų maksimumai sutampa); čia jie, sudėję, sustiprina vienas kitą ir sudaro impulsą. Kai bangos sklinda toliau kosmose, bangos yra ne fazėje ir tokiu būdu „sudrėksta“viena kitą.
Anomalios dispersijos srityje (cezio ląstelės viduje) trumpesnė banga (1 banga) tampa ilgesnė. Priešingai, banga, kuri buvo ilgiausia iš trijų (3 banga), tampa trumpiausia.
Vadinasi, atitinkamai keičiasi ir bangų fazės. Kai bangos praėjo pro cezio celę, jų bangos frontas atstatomas. Medžiagoje, turinčioje anomalią dispersiją, atlikus neįprastą fazės moduliaciją, trys nagrinėjamos bangos vėl yra tam tikroje vietoje. Čia jie vėl nusilenkia ir suformuoja tiksliai tokios pačios formos impulsą, kaip ir patenka į cezio terpę.
Paprastai ore ir beveik bet kokioje skaidrioje terpėje, kur sklaida normali, šviesos impulsas negali tiksliai išlaikyti savo formos, sklindamas per tolimą atstumą, tai yra, kad visi jo komponentai negali būti fazuojami bet kuriame tolimame sklidimo kelio taške. Ir normaliomis sąlygomis šviesos impulsas tokiame tolimame taške pasirodo po kurio laiko. Tačiau dėl eksperimente naudojamos terpės anomalių savybių impulsas tolimame taške pasirodė fazinis tokiu pat būdu, kaip ir įeinant į šią terpę. Taigi, šviesos impulsas elgiasi taip, tarsi turėtų neigiamą laiko atidėjimą pakeliui į tolimą tašką, tai yra, jis būtų pasiekęs jį ne vėliau, o anksčiau, nei praeidavo aplinką!
Dauguma fizikų linkę šį rezultatą susieti su mažo intensyvumo pirmtako atsiradimu kameros dispersinėje terpėje. Faktas yra tas, kad impulso spektrinio skilimo metu spektre yra savavališkai aukštų dažnių komponentai, turintys nedidelę amplitudę, vadinamasis pirmtakas, einantis prieš „pagrindinę impulso dalį“. Steigimo pobūdis ir pirmtako forma priklauso nuo sklaidos dėsnio terpėje. Atsižvelgiant į tai, Wongo eksperimento įvykių seką siūloma aiškinti taip. Gaunamoji banga, „ištempdama“priešais save esantį garsiakalbį, artėja prie fotoaparato. Prieš įeinančios bangos smailę pasiekus artimą kameros sieną, pirmtakas kameroje sukuria impulsą, kuris siekia tolimąją sieną ir atsispindi nuo jos, sudarydamas „atbulinę bangą“. Ši bangaplinta 300 kartų greičiau nei c, pasiekia artimą sieną ir pasitinka gaunamą bangą. Vienos bangos viršūnės susitinka su kitos loviais, todėl jos sunaikina viena kitą ir nieko nelieka. Pasirodo, kad įeinanti banga „grąžina skolą“cezio atomams, kurie „paskolino“energiją tam kitame kameros gale. Kiekvienas, kuris stebėtų tik eksperimento pradžią ir pabaigą, matytų tik šviesos impulsą, kuris „šoktelėjo“į priekį laiku, judėdamas greičiau. Aš pamatyčiau tik šviesos impulsą, kuris „šoktelėjo“į priekį laiku, judėdamas greičiau. Aš pamatyčiau tik šviesos impulsą, kuris „šoktelėjo“į priekį laiku, judėdamas greičiau.
L. Wongas mano, kad jo eksperimentas nesutinka su reliatyvumo teorija. Pasak jo, teiginys apie superluminalinio greičio nepasiekiamumą galioja tik objektams, turintiems poilsio masę. Šviesa gali būti vaizduojama bangų pavidalu, kuriai masės sąvoka paprastai netaikoma, arba fotonų, kurių poilsio masė, kaip žinoma, lygi nuliui, pavidalu. Todėl vakuumo šviesos greitis, Wongo įsitikinimu, nėra riba. Nepaisant to, Wongas pripažįsta, kad jo atrastas efektas neleidžia perduoti informacijos didesniu nei s greičiu.
„Informacija čia jau yra pirmame pulso krašte“, - sako P. Milonny, JAV Los Alamoso nacionalinės laboratorijos fizikas. "Ir jūs galite susidaryti įspūdį, kad informaciją siųsite greičiau nei šviesa, net kai jos nesiunčiate."
Dauguma fizikų mano, kad naujasis darbas nesudaro triuškinančio smūgio į pagrindinius principus. Tačiau ne visi fizikai mano, kad problema išspręsta. Italijos tyrimų grupės, kuri 2000 m. Atliko dar vieną įdomų eksperimentą, profesorius A. Ranfagni mano, kad klausimas lieka atviras. Šis eksperimentas, kurį atliko Danielis Mugnai, Anedio Ranfagni ir Rocco Ruggeri, nustatė, kad įprastos oro bangos centimetrų diapazono radijo bangos keliauja 25% didesniu nei c greičiu.
Apibendrinant galime pasakyti taip
Pastaraisiais metais atliktas darbas parodė, kad tam tikromis sąlygomis superluminalinis greitis iš tikrųjų gali vykti. Bet kas tiksliai važiuoja superluminaliu greičiu? Reliatyvumo teorija, kaip jau minėta, draudžia tokį greitį materialiems kūnams ir signalams, nešančiam informaciją. Nepaisant to, kai kurie tyrinėtojai labai atkakliai bando parodyti, kaip įveikti šviesos signalų barjerą. To priežastis slypi tame, kad specialiojoje reliatyvumo teorijoje nėra griežto matematinio pagrindimo (pagrįstų, tarkime, Maksvelo elektromagnetinio lauko lygtimis), kad neįmanoma perduoti signalų didesniu kaip s greičiu. Toks neįmanomumas SRT yra nustatytas, galima sakyti, grynai aritmetiškai, remiantis Einšteino formule, kuria pridedami greičiai,tačiau tai iš esmės patvirtina priežastingumo principas. Pats Einšteinas, svarstydamas superluminaliojo signalo perdavimo klausimą, rašė, kad šiuo atveju „mes esame priversti apsvarstyti signalo perdavimo mechanizmą, kai naudojant tai pasiektas veiksmas viršija priežastį. Bet, nors šis rezultatas grynai loginiu požiūriu neturi, mano nuomone, jokių prieštaravimų nėra, jis vis tiek prieštarauja mūsų visos patirties pobūdžiui tiek, kad atrodo, jog prielaidos V> c negalimumas yra pakankamai įrodytas “. Priežastingumo principas yra kertinis akmuo, kuriuo grindžiamas FTL signalo perdavimo negalimumas. Ir šis akmuo, matyt, suklups visus, be išimties, superluminalių signalų paieškas, nesvarbu, kiek eksperimentatoriai norėtų rasti tokius signalus,nes tokia yra mūsų pasaulio prigimtis.
Bet vis tiek įsivaizduokime, kad reliatyvumo matematika vis tiek veiks greičiau nei šviesa. Tai reiškia, kad teoriškai vis tiek galime sužinoti, kas nutiktų, jei kūnas atsitiktų viršijęs šviesos greitį.
Įsivaizduokite du erdvėlaivius, einančius nuo Žemės link žvaigždės, esančios 100 šviesmečių atstumu nuo mūsų planetos. Pirmasis laivas palieka Žemę 50% šviesos greičio, taigi, visa kelionė užtruks 200 metų. Antrasis laivas, turintis hipotetinę metmenų pavarą, šviesos greičiu važiuos 200 proc., Tačiau po pirmojo - 100 metų. Kas nutiks?
Remiantis reliatyvumo teorija, teisingas atsakymas labai priklauso nuo stebėtojo perspektyvos. Iš Žemės paaiškės, kad pirmasis laivas jau nuvažiavo nemažą atstumą, prieš jį aplenkdamas antrą laivą, kuris juda keturis kartus greičiau. Tačiau žvelgiant į pirmąjį laivą žmonių, viskas yra šiek tiek kitaip.
Laivas Nr. 2 juda greičiau nei šviesa, o tai reiškia, kad jis gali net aplenkti šviesą, kurią skleidžia pats. Tai lemia savotišką „šviesos bangą“(analogišką garsui, tik vietoj oro virpesių čia vibruoja šviesos bangos), kuri sukuria keletą įdomių efektų. Prisiminkite, kad 2 laivo šviesa juda lėčiau nei pats laivas. Dėl to regėjimas padvigubės. Kitaip tariant, iš pradžių laivo Nr. 1 įgula pamatys, kad antrasis laivas pasirodė šalia jo tarsi iš niekur. Tada šviesa iš antrojo laivo pasieks pirmąjį su nedideliu vėlavimu, o rezultatas bus matoma kopija, kuri su mažu vėlavimu judės ta pačia kryptimi.
Kažką panašaus galima pastebėti ir kompiuteriniuose žaidimuose, kai dėl sistemos gedimo variklis įkrauna modelį ir jo algoritmus galutiniame judėjimo taške greičiau, nei baigiasi pati animacija, taigi įvyksta daugybė. Tikriausiai todėl mūsų sąmonė nesuvokia hipotetinio Visatos aspekto, kuriame kūnai juda superluminaliu greičiu - galbūt tai yra geriausia.
PS … bet paskutiniame pavyzdyje aš kažko nesupratau, kodėl tikroji laivo padėtis yra susijusi su „jo skleidžiama šviesa“? Na, tegul jie mato jį kaip kažką, kas ten nėra, bet iš tikrųjų jis aplenks pirmąjį laivą!