Що швидше світла у нашому світі. Прості приклади надсвітлового переміщення

У (локально) інерційній системі відліку з початком розглянемо матеріальну точку, яка на момент часу перебуває в . Швидкість цієї точки ми називаємо надсвітловийу момент, якщо виконується нерівність:

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

де , - це швидкість світла у вакуумі, а час і відстань від точки до вимірюються у згаданій системі відліку.

де - радіус-вектор в системі координат, що не обертається, - вектор кутової швидкості обертання системи координат. Як видно з рівняння, в неінерційноюсистемі відліку, пов'язаної з тілом, що обертається, віддалені об'єкти можуть рухатися з надсвітловою швидкістю , в тому сенсі, що src="/pictures/wiki/files/54/6fa9a2d9089db2f154c5c90051ce210b.png" border="0"> Не вступає у протиріччя зі сказаним у вступі, оскільки . Наприклад, для системи координат пов'язаної з головою людини, що знаходиться на Землі, координатна швидкість руху Місяця при звичайному повороті голови буде більшою за швидкість світла у вакуумі. У цій системі при повороті за короткий час Місяць опише дугу з радіусом приблизно рівним відстані між початком системи координат (головою) і Місяцем.

Фазова швидкість

p align="justify"> Фазова швидкість вздовж напрямку, відхиленого від хвильового вектора на кут α. Розглядається монохроматична плоска хвиля.

Труба Краснікова

Квантова механіка

Принцип невизначеності у квантовій теорії

У квантовій фізиці стану частинок описуються векторами гільбертового простору, які визначають лише ймовірність отримання при вимірюваннях певних значень фізичних величин (відповідно до квантового принципу невизначеності). Найбільш відоме уявлення цих векторів хвильовими функціями квадрат модуля яких визначає щільність ймовірності виявлення частки в даному місці. При цьому виявляється, що ця щільність може рухатися швидше за швидкість світла (наприклад, при розв'язанні задачі про проходження частки через енергетичний бар'єр). При цьому ефект перевищення швидкості світла спостерігається лише на невеликих відстанях. Річард Фейнман у своїх лекціях висловлювався про це так:

… для електромагнітного випромінювання існує також [ненульова] амплітуда ймовірності рухатися швидше (або повільніше), ніж звичайна швидкість світла. Ви переконалися на попередній лекції, що світло не завжди рухається лише прямими лініями; зараз ви побачите, що він не завжди рухається зі швидкістю світла! Це може здаватися дивним, що існує [ненульова] амплітуда для того, щоб фотон рухався швидше або повільніше, ніж звичайна швидкість світла c

Оригінальний текст(англ.)

… там є також amplitude for light to go faster (or slower) than the conventional speed of light. Ви знайдете у останній літературі, що світлі не є тільки в прямих лініях; now, you find out that it doesn’t go only at the speed of light! Це може призвести до того, що ви є amplitude for photon to go на швидкий проститель або племінник, аніж конвенційна швидкість, c

Річард Фейнман, нобелівський лауреат з фізики 1965 року.

При цьому в силу принципу невиразності не можна сказати, чи ту саму частинку ми спостерігаємо, чи її новонароджену копію. У своїй нобелівській лекції в 2004 році Франк Вілчек навів таке міркування:

Уявіть собі частинку, що рухається в середньому зі швидкістю, дуже близькою до швидкості світла, але з такою невизначеністю, як цього вимагає квантова теорія. Очевидно, буде певна ймовірність спостерігати цю частину, що рухається дещо швидше, ніж у середньому, і, отже, швидше за світло, що суперечить спеціальній теорії відносності. Єдиний відомий спосіб вирішити це протиріччя вимагає залучення ідеї античастинок. Дуже грубо кажучи, необхідна невизначеність у положенні досягається припущенням, що акт виміру може торкатися утворення античастинок, кожна з яких не відрізняється від оригіналу, з різними розташуваннями. Для збереження балансу квантових чисел, що зберігаються, додаткові частинки повинні супроводжуватися тим же числом античастинок. (Дірак прийшов до передбачення античастинок через послідовність винахідливих інтерпретацій і реінтерпретацій елегантного релятивістського хвильового рівняння, яке він вивів, а не через евристичний розгляд, подібний до того, який я привів. Неминуча і загальність цих висновків, а також їх пряме відношення до базових принципів і спеціальної теорії відносності стали очевидні лише у ретроспективі).

Оригінальний текст(англ.)

Імаґінний матеріал переміщується на середньому на дуже близько від освітлення, але з бездоганністю в положенні, як вимагається за quantum theory. Evidently it they will be some probability for observing this particle to move a little faster than average, and therefore faster than light, which special relativity won't permit. Тільки тількивідомі способи резолюції цієї тенденції встановлюють введення ідеї з antiparticles. Дуже лагідно говорячи, що потребує бездоганності в становищі є пристосованим до можливості, що дія дії може призвести до створення several particles, їх indistinguishable з original, with different positions. До maintain the balance of conserved quantum numbers, the extra particles must be accompanied by equal number of antiparticles. (Dirac був спричинений тим, що існують antiparticles через sequence of ingenious interpretations and re-interpretations of elegantní relativistic wave equation he invented, rathan than heuristic reasoning of the sort I've presentd. The inevitability and generality of his conclusions, і їхні прямі відносини до основних принципів quantum mechanics and special relativity, are only clear in retrospect).

Франк Вілчек

Ефект Шарнхорста

Швидкість хвиль залежить від властивостей середовища, в якому вони поширюються. Спеціальна теорія відносності стверджує, що розігнати масивне тіло до швидкості, що перевищує швидкість світла у вакуумі, неможливо. У той самий час теорія не постулює якесь конкретне значення для швидкості світла. Вона вимірюється експериментальним шляхом і може відрізнятися залежно від властивостей вакууму. Для вакууму, енергія якого менше енергії звичайного фізичного вакууму, швидкість світла теоретично повинна бути вищою, а максимально допустима швидкість передачі сигналів визначається максимально можливою щільністю негативної енергії. Однією з прикладів такого вакууму є вакуум Казимира , що у тонких щілинах і капілярах розміром (діаметром) до десятка нанометрів (приблизно в сто разів більше розмірів типового атома). Цей ефект можна пояснити зменшенням кількості віртуальних частинок у вакуумі Казимира, які подібно частинкам суцільного середовища уповільнюють поширення світла. Обчислення, зроблені Шарнхорстом, говорять про перевищення швидкості світла у вакуумі Казимира порівняно із звичайним вакуумом на 1/1024 для щілини шириною 1 нм. Було також показано, що перевищення швидкості світла у вакуумі Казимира не веде до порушення принципу причинності. Перевищення швидкості світла у вакуумі Казимира порівняно зі швидкістю світла у звичайному вакуумі експериментально поки що не підтверджено через надзвичайну складність виміру даного ефекту.

Теорії зі змінністю швидкості світла у вакуумі

У сучасній фізиці існують гіпотези, згідно з якими швидкість світла у вакуумі не є константою, і її значення може змінюватися з часом (Variable Speed of Light (VSL)). У найбільш поширеній версії цієї гіпотези передбачається, що в початкові етапи життя нашого всесвіту значення константи (швидкість світла) було значно більшим, ніж зараз. Відповідно, раніше речовина могла рухатися зі швидкістю, значно переважаєсучасну швидкість світла.

Верхня межа швидкості відома навіть школярам: зв'язавши масу і енергію знаменитою формулою E = mc 2 ще на початку ХХ століття вказав на принципову неможливість нічому, що володіє масою, переміщатися в просторі швидше, ніж швидкість світла у вакуумі. Проте вже у цьому формулюванні містяться лазівки, обійти які цілком під силу деяким фізичним явищам та часткам. Принаймні явищам, що існують у теорії.

Перша лазівка стосується слова "маса": на безмасові частки ейнштейнівські обмеження не поширюються. Не стосуються вони і деяких досить щільних середовищ, у яких швидкість світла може бути значно меншою, ніж у вакуумі. Нарешті, при додатку достатньої енергії сам простір може локально деформуватися, дозволяючи переміщатися так, що для спостерігача з боку, поза цією деформацією, рух відбуватиметься наче швидше за швидкість світла.

Деякі такі «надшвидкісні» явища та частинки фізики регулярно фіксують і відтворюють у лабораторіях, навіть застосовують на практиці, у високотехнологічних інструментах та приладах. Інші, передбачені теоретично, вчені ще намагаються виявити в реальності, а на треті у них великі плани: можливо, колись ці явища дозволять і нам переміщатися по Всесвіту вільно, не обмежуючись навіть швидкістю світла.

Квантова телепортація

Статус: активно розвивається

Живого істоти – добрий приклад технології, теоретично допустимої, але практично, мабуть, нездійсненної ніколи. Але якщо йдеться про телепортацію, тобто миттєве переміщення з одного місця в інше невеликих предметів, а тим більше частинок, вона цілком можлива. Щоб спростити завдання, почнемо із простого – частинок.

Здається, нам знадобляться апарати, які (1) повністю поспостерігають за станом частинки, (2) передадуть цей стан швидше за швидкість світла, (3) відновлять оригінал.

Однак у такій схемі навіть перший крок повністю реалізувати неможливо. Принцип невизначеності Гейзенберга накладає непереборні обмеження на точність, з якою можна виміряти «парні» параметри частки. Наприклад, що краще ми знаємо її імпульс, то гірше – координату, і навпаки. Однак важливою особливістю квантової телепортації є те, що, власне, вимірювати частинки і не треба, як не треба нічого й відновлювати – достатньо отримати пару сплутаних частинок.

Наприклад, для приготування таких поплутаних фотонів нам знадобиться висвітлити нелінійний кристал лазерним випромінюванням певної хвилі. Тоді деякі з вхідних фотонів розпадуться на два сплутаних – незрозуміло пов'язаних, так що будь-яка зміна стану одного моментально позначається на стані іншого. Цей зв'язок справді незрозумілий: механізми квантової сплутаності залишаються невідомими, хоча саме явище демонструвалося і демонструється постійно. Але це таке явище, заплутатися в якому насправді легко – достатньо додати, що до вимірювання жодна з цих частинок не має потрібної характеристики, при цьому який би результат ми не отримали, вимірявши першу, другий стан дивним чином корелюватиме з нашим результатом .

Механізм квантової телепортації, запропонований у 1993 році Чарльзом Беннеттом та Жилем Брассардом, вимагає додати до пари заплутаних частинок всього одного додаткового учасника – власне того, кого ми збираємося телепортувати. Відправників і одержувачів прийнято називати Алісою і Бобом, і ми підемо цієї традиції, вручивши кожному з них по одному зі сплутаних фотонів. Як тільки вони розійдуться на пристойну відстань і Аліса вирішить почати телепортацію, вона бере потрібний фотон і вимірює його стан разом із станом першого зі сплутаних фотонів. Невизначена хвильова функція цього фотона колапсує і моментально відгукується у другому поплутаному фотоні Боба.

На жаль, Боб не знає, як саме його фотон реагує на поведінку фотона Аліси: щоб зрозуміти це, йому треба дочекатися, поки вона надішле результати своїх вимірювань звичайною поштою, не швидше за швидкість світла. Тому жодну інформацію передати таким каналом не вийде, але факт залишиться фактом. Ми телепортували стан одного фотона. Щоб перейти до людини, залишається масштабувати технологію, охопивши кожну частину всього лише з 7000 трильйонів трильйонів атомів нашого тіла, – здається, від цього прориву нас відокремлює не більше, ніж вічність.

Однак квантова телепортація і сплутаність залишаються одними з найгарячіших тем сучасної фізики. Насамперед тому, що використання таких каналів зв'язку обіцяє незламний захист даних, що передаються: щоб отримати доступ до них, зловмисникам знадобиться заволодіти не тільки листом від Аліси до Боба, але й доступом до сплутаної частки Боба, і навіть якщо їм вдасться до неї дістатися і зробити. Вимірювання, це назавжди змінить стан фотона і буде відразу ж розкрито.

Ефект Вавілова – Черенкова

Статус: давно використовується

Цей аспект подорожей швидше за швидкість світла – приємний привід згадати заслуги російських учених. Явище було відкрито в 1934 році Павлом Черенковым, який працював під керівництвом Сергія Вавілова, через три роки воно отримало теоретичне обґрунтування в роботах Ігоря Тамма та Іллі Франка, а в 1958 р. всі учасники цих робіт, крім уже померлого Вавилова, були нагороджені Нобелєвим. фізики.

Справді, говорить лише про швидкість світла у вакуумі. В інших прозорих середовищах світло уповільнюється, причому досить помітно, внаслідок чого на їхньому кордоні з повітрям можна спостерігати заломлення. Коефіцієнт заломлення скла дорівнює 1,49 - значить, фазова швидкість світла в ньому в 1,49 рази менше, а, наприклад, у алмазу коефіцієнт заломлення вже 2,42, і швидкість світла в ньому знижується більш ніж удвічі. Іншим часткам ніщо не заважає летіти і швидше за світлові фотони.

Саме це сталося з електронами, які в експериментах Черенкова були вибиті високоенергетичним гамма-випромінюванням зі своїх місць у молекулах люмінесцентної рідини. Цей механізм часто порівнюють із утворенням ударної звукової хвилі при польоті в атмосфері на надзвуковій швидкості. Але можна уявити і як біг у натовпі: рухаючись швидше світла, електрони проносяться повз інші частки, ніби зачіпаючи їх плечем – і на кожен сантиметр свого шляху змушуючи сердито випромінювати від кількох сотень фотонів.

Незабаром така ж поведінка була виявлена і в усіх інших досить чистих і прозорих рідин, а згодом випромінювання Черенкова зареєстрували навіть глибоко в океанах. Звісно, фотони світла з поверхні сюди справді не долітають. Зате надшвидкі частинки, які вилітають від невеликих кількостей радіоактивних частинок, що розпадаються, час від часу створюють світіння, можливо, сяк-так дозволяє бачити місцевим жителям.

Випромінювання Черенкова - Вавілова знайшло застосування в науці, ядерній енергетиці та суміжних областях. Яскраво світяться реактори АЕС, наповнені швидкими частинками. Точно вимірюючи характеристики цього випромінювання і знаючи фазову швидкість нашому робочому середовищі, ми можемо зрозуміти, що з частки його викликали. Черенківськими детекторами користуються і астрономи, виявляючи легкі та енергійні космічні частинки: важкі неймовірно важко розігнати до потрібної швидкості, і випромінювання вони не створюють.

Бульбашки та нори

Ось мурашка повзе по аркуші паперу. Швидкість його невелика, і на те, щоб дістатися від лівого краю площини до правого, у бідолахи йде секунд 10. Але варто нам пожалкувати над ним і зігнути папір, з'єднавши його краї, як він миттєво «телепортується» у потрібну точку. Щось подібне можна зробити і з нашим рідним простором-часом, з тією лише різницею, що вигин вимагає участі інших вимірювань, які ми не сприймаємо, утворюючи тунелі простору-часу, – знамениті червоточини, або кротові нори.

До речі, згідно з новими теоріями, такі кротові нори – це якийсь просторово-часовий еквівалент уже знайомого нам квантового феномену заплутаності. Взагалі, їхнє існування не суперечить жодним важливим уявленням сучасної фізики, включаючи . Але для підтримки такого тунелю в тканині Всесвіту знадобиться щось, мало схоже на справжню науку, – гіпотетична «екзотична матерія», яка має негативну щільність енергії. Інакше кажучи, це має бути така матерія, яка викликає гравітаційне відштовхування. Важко уявити, що колись ця екзотика буде знайдена, а тим більше приручена.

Своєрідною альтернативою кротовим норам може бути ще екзотичніша деформація простору-часу – рух усередині міхура викривленої структури цього континууму. Ідею висловив 1993 року фізик Мігеле Алькуб'єрре, хоча у творах фантастів вона звучала набагато раніше. Це як космічний корабель, який рухається, стискаючи та змінюючи простір-час перед своїм носом і знову розгладжуючи його позаду. Сам корабель та його екіпаж у своїй залишаються у локальній області, де простір-час зберігає звичайну геометрію, і жодних незручностей не відчувають. Це чудово видно по популярному серед мрійників серіалу «Зоряний шлях», де такий «варп-двигун» дозволяє подорожувати, не скромничаючи, по всьому Всесвіту.

Статус: від фантастичного до теоретичного

Фотони - частки безмасові, як і деякі інші: їх маса в спокої дорівнює нулю, і щоб не зникнути остаточно, вони змушені завжди рухатися, і завжди - зі швидкістю світла. Однак деякі теорії припускають існування і більш екзотичних частинок - тахіонів. Маса їх, що фігурує в нашій улюбленій формулі E = mc 2 , не простим, а уявним числом, що включає особливий математичний компонент, квадрат якого дає негативне число. Це дуже корисна властивість, і сценаристи улюбленого нами серіалу «Зоряний шлях» пояснювали роботу свого фантастичного двигуна саме «приборканням енергії тахіонів».

Насправді, уявна маса робить неймовірне: тахіони повинні втрачати енергію, прискорюючись, тому для них все в житті зовсім не так, як ми звикли думати. Зіткнувшись з атомами, вони втрачають енергію і прискорюються, так що наступне зіткнення буде ще сильнішим, яке забере ще більше енергії і знову прискорить тахіони аж до нескінченності. Зрозуміло, що таке самозахоплення просто порушує базові причинно-наслідкові залежності. Можливо, тому вивчають тахіони поки лише теоретики: жодного прикладу розпаду причинно-наслідкових зв'язків у природі поки що ніхто не бачив, а якщо ви побачите, шукайте тахіон, і Нобелівська премія вам забезпечена.

Проте теоретики все ж таки показали, що тахіони, може, і не існують, але в далекому минулому цілком могли існувати, і, за деякими уявленнями, саме їхні нескінченні можливості відіграли важливу роль у Великому вибуху. Присутністю тахіонів пояснюють вкрай нестабільний стан хибного вакууму, в якому міг бути Всесвіт до свого народження. У такій картині світу тахіони, що рухаються швидше світла - справжня основа нашого існування, а поява Всесвіту описується як перехід тахионного поля помилкового вакууму в інфляційне поле істинного. Варто додати, що це цілком шановані теорії, як і раніше, що головні порушники законів Ейнштейна і навіть причинно-наслідкового зв'язку виявляються у ній родоначальниками всіх причин і наслідків.

Швидкість пітьми

Статус: філософічний

Якщо міркувати філософськи, темрява – це просто відсутність світла, і швидкості мають бути однакові. Але варто подумати ретельніше: темрява здатна набувати форми, що переміщається набагато швидше. Ім'я цієї форми – тінь. Уявіть, що ви показуєте пальцями силует собаки на протилежній стіні. Промінь від ліхтаря розходиться, і тінь від вашої руки стає набагато більшою за саму руку. Достатньо найменшого руху пальця, щоб тінь від нього на стіні змістилася на помітну відстань. А якщо ми відкидатимемо тінь на Місяць? Чи на уявний екран ще далі?

Ледве помітне помах - і вона перебіжить з будь-якою швидкістю, яка задається лише геометрією, так що ніякий Ейнштейн їй не указ. Втім, з тінями краще не заграватися, адже вони легко дурять нас. Варто повернутися на початок і згадати, що темрява – це просто відсутність світла, тому ніякий фізичний об'єкт за такого руху не передається. Немає ні частинок, ні інформації, ні деформацій простору-часу є лише наша ілюзія того, що це окреме явище. У реальному світі ніяка темрява не зможе зрівнятися у швидкості зі світлом.

Лікар технічних наук А. ГОЛУБЄВ.

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

Приклади "надсвітлового" руху.

На початку 60-х років короткі світлові імпульси великої потужності стали одержувати, пропускаючи через квантовий підсилювач (середовище з інверсною заселеністю) лазерний спалах.

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

Експеримент Ліджуна Вонґа.

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

Світловий імпульс є набір коливань різної частоти.

Напевно, всім – навіть людям, далеким від фізики, – відомо, що гранично можливою швидкістю руху матеріальних об'єктів чи поширення будь-яких сигналів є швидкість світла у вакуумі. Вона позначається буквою зі становить майже 300 тисяч кілометрів на секунду; точна величина з= 299792458 м/с. Швидкість світла у вакуумі – одна з фундаментальних фізичних констант. Неможливість досягнення швидкостей, що перевищують з, Випливає зі спеціальної теорії відносності (СТО) Ейнштейна. Якби вдалося довести, що можлива передача сигналів із надсвітловою швидкістю, теорія відносності впала б. Поки що цього не трапилося, незважаючи на численні спроби спростувати заборону на існування великих, великих з. Проте в експериментальних дослідженнях останнього часу виявилися деякі дуже цікаві явища, що свідчать про те, що за спеціально створених умов можна спостерігати надсвітлову швидкість і при цьому принципи теорії відносності не порушуються.

Для початку нагадаємо основні аспекти, що стосуються проблеми швидкості світла. Насамперед: чому не можна (за звичайних умов) перевищити світлову межу? Тому що тоді порушується фундаментальний закон нашого світу – закон причинності, відповідно до якого слідство не може випереджати причину. Ніхто ніколи не спостерігав, щоб, наприклад, спочатку замертве впав ведмідь, а потім вистрілив мисливець. При швидкостях, що перевищують з, Послідовність подій стає зворотною, стрічка часу відмотується назад. У цьому легко переконатись з наступного простого міркування.

Припустимо, що ми знаходимося на якомусь космічному диво-кораблі, що рухається швидше за світло. Тоді ми поступово наздоганяли б світло, випущене джерелом у дедалі більш ранні моменти часу. Спочатку ми наздогнали б фотони, випущені, скажімо, вчора, потім - випущені позавчора, потім - тиждень, місяць, рік тому і таке інше. Якби джерелом світла було дзеркало, що відображає життя, то ми спочатку побачили б події вчорашнього дня, потім позавчорашнього і таке інше. Ми могли б побачити, скажімо, старого, який поступово перетворюється на людину середніх років, потім на молоду, на юнака, на дитину... Тобто час повернув би назад, ми рухалися б із сьогодення в минуле. Причини і наслідки у своїй змінилися б місцями.

Хоча в цьому міркуванні повністю ігноруються технічні деталі процесу спостереження за світлом, з принципової точки зору воно наочно демонструє, що рух із надсвітловою швидкістю призводить до неможливої ситуації в нашому світі. Проте природа поставила ще жорсткіші умови: недосяжний рух як із надсвітловою швидкістю, а й зі швидкістю, рівної швидкості світла, - до неї можна лише наближатися. З теорії відносності випливає, що при збільшенні швидкості руху виникають три обставини: зростає маса об'єкта, що рухається, зменшується його розмір у напрямку руху і сповільнюється плин часу на цьому об'єкті (з точки зору зовнішнього "спочиваючого" спостерігача). При звичайних швидкостях ці зміни мізерно малі, але в міру наближення до швидкості світла вони стають все відчутнішими, а в межі - при швидкості, що дорівнює з, - Маса стає нескінченно великий, об'єкт повністю втрачає розмір у напрямку руху і час на ньому зупиняється. Тому ніяке матеріальне тіло не може досягти швидкості світла. Таку швидкість має тільки саме світло! (А також "всепроникаюча" частка - нейтрино, яка, як і фотон, не може рухатися зі швидкістю, меншою с.)

Тепер про швидкість передачі сигналу. Тут доречно скористатися уявленням світла як електромагнітних хвиль. Що таке сигнал? Це певна інформація, яка підлягає передачі. Ідеальна електромагнітна хвиля - це нескінченна синусоїда строго однієї частоти, і вона не може нести жодної інформації, бо кожен період такої синусоїди точно повторює попередній. Швидкість переміщення фази синусоїдальної хвилі - так звана фазова швидкість - може в середовищі за певних умов перевищувати швидкість світла у вакуумі. Тут обмеження відсутні, оскільки фазова швидкість перестав бути швидкістю сигналу - його ще немає. Щоб створити сигнал, треба зробити якусь відмітку на хвилі. Такою відміткою може бути, наприклад, зміна будь-якого параметра хвилі - амплітуди, частоти або початкової фази. Але як тільки відмітка зроблена, хвиля втрачає синусоїдальність. Вона стає модульованою, що складається з набору простих синусоїдальних хвиль з різними амплітудами, частотами та початковими фазами - групи хвиль. Швидкість переміщення позначки у модульованій хвилі і є швидкістю сигналу. При поширенні в середовищі ця швидкість зазвичай збігається з груповою швидкістю, що характеризує поширення вищезгаданої групи хвиль як цілого (див. "Наука і життя" № 2, 2000). За звичайних умов групова швидкість, отже, і швидкість сигналу менше швидкості світла у вакуумі. Тут не випадково вжито вираз "за звичайних умов", бо в деяких випадках і групова швидкість може перевищувати забо взагалі втрачати сенс, але тоді вона не відноситься до поширення сигналу. У СТО встановлюється, що неможлива передача сигналу зі швидкістю більшою з.

Чому це так? Тому що перешкодою для передачі будь-якого сигналу зі швидкістю більше зслужить той самий закон причинності. Уявімо таку ситуацію. У деякій точці А світловий спалах (подія 1) включає пристрій, що посилає якийсь радіосигнал, а у віддаленій точці під дією цього радіосигналу відбувається вибух (подія 2). Зрозуміло, що подія 1 (спалах) – причина, а подія 2 (вибух) – наслідок, що настає пізніше причини. Але якби радіосигнал поширювався із надсвітловою швидкістю, спостерігач поблизу точки В побачив би спочатку вибух, а вже потім - швидку, що дійшла до нього. зсвітловий спалах, причина вибуху. Іншими словами, для цього спостерігача подія 2 відбулася б раніше, ніж подія 1, тобто слідство випередило причину.

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

Здавалося б, питання надсвітлових швидкостей вирішене. Але в 60-х роках ХХ століття фізиками-теоретиками була висунута гіпотеза існування надсвітлових частинок, названих тахіонами. Це дуже дивні частки: теоретично вони можливі, але, щоб уникнути протиріч із теорією відносності, їм довелося приписати уявну масу спокою. Фізично уявна маса немає, це суто математична абстракція. Однак це не викликало особливої тривоги, оскільки тахіони не можуть перебувати у спокої - вони існують (якщо існують!) тільки при швидкостях, що перевищують швидкість світла у вакуумі, а в цьому випадку маса тахіону виявляється речовою. Тут є деяка аналогія з фотонами: у фотона маса спокою дорівнює нулю, але це просто означає, що фотон не може бути спокій - світло не можна зупинити.

Найбільш складним виявилося, як і слід очікувати, примирити тахіонну гіпотезу із законом причинності. Спроби, що робилися в цьому напрямку, хоч і були дотепними, не призвели до явного успіху. Експериментально зареєструвати тахіони також нікому не вдалося. У результаті інтерес до тахіонів як до надсвітлових елементарних частинок поступово зійшов нанівець.

Проте в 60-х роках було експериментально виявлено явище, що спочатку привело фізиків у замішання. Про це докладно розказано у статті А. Н. Ораєвського "Надсвітлові хвилі в посилювальних середовищах" (УФН № 12, 1998). Тут ми коротко наведемо суть справи, надсилаючи читача, який цікавиться подробицями, до цієї статті.

Незабаром після відкриття лазерів – на початку 60-х років – виникла проблема отримання коротких (тривалістю порядку 1 нс = 10 -9 с) імпульсів світла великої потужності. Для цього короткий лазерний імпульс пропускався через квантовий оптичний підсилювач. Імпульс розщеплювався світлоробним дзеркалом на дві частини. Одна з них, сильніша, прямувала в підсилювач, а інша поширювалася в повітрі і служила опорним імпульсом, з яким можна було порівнювати імпульс через підсилювач. Обидва імпульси подавалися на фотоприймачі, які вихідні сигнали могли візуально спостерігатися на екрані осцилографа. Очікувалося, що світловий імпульс, що проходить через підсилювач, зазнає в ньому деякої затримки порівняно з опорним імпульсом, тобто швидкість поширення світла в підсилювачі буде меншою, ніж у повітрі. Яке ж було здивування дослідників, коли вони виявили, що імпульс поширювався через підсилювач зі швидкістю не тільки більшою, ніж у повітрі, а й перевищує швидкість світла у вакуумі у кілька разів!

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

Не вдаючись тут до деталей, вкажемо лише, що докладний аналіз механізму дії середовища, що посилює, повністю прояснив ситуацію. Справа полягала у зміні концентрації фотонів при поширенні імпульсу - зміні, обумовленій зміною коефіцієнта посилення середовища аж до негативного значення при проходженні задньої частини імпульсу, коли середовище вже поглинає енергію, бо її власний запас вже витрачено внаслідок передачі світлового імпульсу. Поглинання викликає не посилення, а ослаблення імпульсу, і, таким чином, імпульс виявляється посиленим у передній та ослабленим у задній його частині. Уявімо, що ми спостерігаємо за імпульсом за допомогою приладу, що рухається зі швидкістю світла серед підсилювача. Якби середовище було прозорим, ми бачили б застиглий у нерухомості імпульс. У середовищі ж, у якій відбувається згаданий вище процес, посилення переднього та ослаблення заднього фронту імпульсу буде представлятися спостерігачеві так, що середовище як би посунуло імпульс уперед. Але якщо прилад (спостерігач) рухається зі швидкістю світла, а імпульс обганяє його, то швидкість імпульсу перевищує швидкість світла! Саме цей ефект був зареєстрований експериментаторами. І тут справді немає протиріччя з теорією відносності: просто процес посилення такий, що концентрація фотонів, що вийшли раніше, виявляється більшою, ніж пізніше. З надсвітловою швидкістю переміщуються не фотони, а загальна імпульсу, зокрема його максимум, який і спостерігається на осцилографі.

Таким чином, у той час як у звичайних середовищах завжди відбувається ослаблення світла та зменшення його швидкості, що визначається показником заломлення, в активних лазерних середовищах спостерігається не тільки посилення світла, але й поширення імпульсу з надсвітловою швидкістю.

Деякі фізики намагалися експериментально довести наявність надсвітлового руху за тунельного ефекту - одного з найдивовижніших явищ у квантовій механіці. Цей ефект полягає в тому, що мікрочастинка (точніше кажучи, мікрооб'єкт, що в різних умовах виявляє як властивості частки, так і властивості хвилі) здатна проникати через так званий потенційний бар'єр - явище, абсолютно неможливе в класичній механіці (в якій аналогом була б така ситуація : кинутий у стіну м'яч виявився б по інший бік стіни або хвилеподібний рух, наданий прив'язаної до стіни мотузці, передавалося б мотузці, прив'язаної до стіни з іншого боку). Сутність тунельного ефекту в квантовій механіці полягає у наступному. Якщо мікрооб'єкт, що має певну енергію, зустрічає на своєму шляху область з потенційною енергією, що перевищує енергію мікрооб'єкта, ця область є для нього бар'єром, висота якого визначається різницею енергій. Але мікрооб'єкт "просочується" через бар'єр! Таку можливість дає йому відоме співвідношення невизначеностей Гейзенберга, записане для енергії та часу взаємодії. Якщо взаємодія мікрооб'єкта з бар'єром відбувається протягом досить певного часу, то енергія мікрооб'єкта, навпаки, характеризуватиметься невизначеністю, і якщо ця невизначеність буде порядку висоти бар'єру, то останній перестає бути для мікрооб'єкта непереборною перешкодою. Ось швидкість проникнення через потенційний бар'єр і стала предметом досліджень низки фізиків, які вважають, що вона може перевищувати з.

У червні 1998 року у Кельні відбувся міжнародний симпозіум з проблем надсвітлових рухів, де обговорювалися результати, отримані у чотирьох лабораторіях - у Берклі, Відні, Кельні та Флоренції.

І, нарешті, у 2000 році з'явилися повідомлення про два нові експерименти, в яких проявилися ефекти надсвітлового поширення. Один із них виконав Ліджун Вонг із співробітниками в дослідному інституті в Прінстоні (США). Його результат полягає в тому, що світловий імпульс, що входить до камери, наповненої парами цезію, збільшує свою швидкість у 300 разів. Виходило, що головна частина імпульсу виходить із дальньої стінки камери навіть раніше, ніж імпульс входить у камеру через передню стінку. Така ситуація суперечить не тільки здоровому глузду, але, по суті, і теорії відносності.

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

В експерименті Л.Вонга світловий імпульс, що входить до камери з парами цезію, мав тривалість близько 3 мкс. Атоми цезію можуть бути в шістнадцяти можливих квантовомеханічних станах, званих "надтонкі магнітні підрівні основного стану". За допомогою оптичного лазерного накачування майже всі атоми наводилися тільки в один із цих шістнадцяти станів, що відповідає майже абсолютному нулю температури за шкалою Кельвіна (-273,15 о C). Довжина цезієвої камери складала 6 сантиметрів. У вакуумі світло проходить 6 см за 0,2 нс. Через камеру з цезієм, як показали виконані вимірювання, світловий імпульс проходив за час на 62 нс менше, ніж у вакуумі. Іншими словами, час проходження імпульсу через цезієве середовище має знак мінус! Справді, якщо з 0,2 нс відняти 62 нс, отримаємо "негативний" час. Ця "негативна затримка" в середовищі - незбагненний тимчасовий стрибок - дорівнює часу, протягом якого імпульс зробив би 310 проходів через камеру у вакуумі. Наслідком цього "тимчасового перевороту" стало те, що імпульс, що виходить з камери, встиг піти від неї на 19 метрів, перш ніж імпульс, що приходить, досяг ближньої стінки камери. Як можна пояснити таку неймовірну ситуацію (якщо, звичайно, не сумніватися в чистоті експерименту)?

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

Дисперсією речовини називається залежність фазового (звичайного) показника заломлення nвід довжини хвилі світла l. При нормальній дисперсії показник заломлення збільшується із зменшенням довжини хвилі, і це має місце у склі, воді, повітрі та всіх інших прозорих для світла речовинах. У речовинах, що сильно поглинають світло, хід показника заломлення зі зміною довжини хвилі змінюється на зворотний і стає набагато крутішим: при зменшенні l (збільшенні частоти w) показник заломлення різко зменшується і в деякій області довжин хвиль стає менше одиниці (фазова швидкість Vф > з). Це і є аномальна дисперсія, коли картина поширення світла в речовині змінюється радикальним чином. Групова швидкість Vгр стає більше фазової швидкості хвиль і може перевищити швидкість світла у вакуумі (а також стати негативною). Л. Вонг свідчить про цю обставину як у причину, лежачу основу можливості пояснення результатів його експерименту. Слід, однак, зауважити, що умова Vгр > зє суто формальним, оскільки поняття груповий швидкості введено випадку малої (нормальної) дисперсії, для прозорих середовищ, коли група хвиль при поширенні майже змінює своєї форми. У областях аномальної дисперсії світловий імпульс швидко деформується і поняття груповий швидкості втрачає сенс; в цьому випадку вводяться поняття швидкості сигналу та швидкості поширення енергії, які в прозорих середовищах збігаються з груповою швидкістю, а в середовищах з поглинанням залишаються менше швидкості світла у вакуумі. Але ось що цікаво в експерименті Вонга: світловий імпульс, пройшовши через середовище з аномальною дисперсією, не деформується – він точно зберігає свою форму! І це відповідає припущенню поширення імпульсу з груповий швидкістю. Але якщо так, то виходить, що в середовищі немає поглинання, хоча аномальна дисперсія середовища зумовлена саме поглинанням! Сам Вонг, визнаючи, що багато що залишається незрозумілим, вважає, що у його експериментальної установці можна у першому наближенні наочно пояснити так.

Світловий імпульс складається з безлічі складових із різними довжинами хвиль (частотами). На малюнку показано три з цих складових (хвилі 1-3). У певній точці всі три хвилі знаходяться у фазі (їх максимуми збігаються); тут вони, складаючись, посилюють один одного і утворюють імпульс. У міру подальшого поширення у просторі хвилі розфазуються і тим самим "гасять" один одного.

В області аномальної дисперсії (всередині цезієвої комірки) хвиля, яка була коротшою (хвиля 1), стає довшою. І навпаки, хвиля, що була найдовшою з трьох (хвиля 3), стає найкоротшою.

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

Зазвичай у повітрі і фактично в будь-якому прозорому середовищі з нормальною дисперсією світловий імпульс не може точно зберігати свою форму при поширенні на віддалену відстань, тобто всі його складові не можуть бути сфазовані в будь-якій віддаленій точці уздовж шляху розповсюдження. І в звичайних умовах світловий імпульс у такій віддаленій точці з'являється через деякий час. Однак внаслідок аномальних властивостей використаного в експерименті середовища імпульс у віддаленій точці виявився сфазований так само, як і при вході до цього середовища. Таким чином, світловий імпульс веде себе так, ніби він мав негативну тимчасову затримку на шляху до віддаленої точки, тобто прийшов би в неї не пізніше, а раніше ніж пройшов середу!

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

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

"Інформація тут вже укладена в передньому краї імпульсу, - каже П. Мілоні, фізик з Лос-Аламоської національної лабораторії США. - І може створитися враження про надсвітлову посилку інформації, навіть коли ви її не посилаєте".

Більшість фізиків вважають, що нова робота не завдає нищівного удару за фундаментальними принципами. Але не всі фізики вважають, що проблему вирішено. Професор А. Ранфагні з італійської дослідницької групи, яка здійснила ще один цікавий експеримент 2000 року, вважає, що питання залишається відкритим. Цей експеримент, проведений Даніелом Мугнаї, Анедіо Ранфагні та Рокко Руггері, виявив, що радіохвилі сантиметрового діапазону у звичайному повітрі поширюються зі швидкістю, що перевищує зна 25%.

Резюмуючи, можна сказати таке. Роботи останніх років показують, що за певних умов надсвітлова швидкість справді може мати місце. Але що саме рухається із надсвітловою швидкістю? Теорія відносності, як згадувалося, забороняє таку швидкість для матеріальних тіл й у сигналів, що несуть інформацію. Проте деякі дослідники дуже наполегливо намагаються продемонструвати подолання світлового бар'єру саме для сигналів. Причина цього полягає в тому, що в спеціальній теорії відносності немає суворого математичного обґрунтування (базується, скажімо, на рівняннях Максвелла для електромагнітного поля) неможливості передачі сигналів зі швидкістю більше з. Така неможливість у СТО встановлюється, можна сказати, суто арифметично, виходячи з ейнштейнівської формули складання швидкостей, але фундаментально це підтверджується принципом причинності. Сам Ейнштейн, розглядаючи питання про надсвітлову передачу сигналів, писав, що в цьому випадку "...ми змушені вважати можливим механізм передачі сигналу, при використанні якого досягнута дія передує причині. Але, хоча цей результат з суто логічної точки зору і не містить собі, на мою думку, ніяких протиріч, він все ж настільки суперечить характеру всього нашого досвіду, що неможливість припущення V > зпредставляється в достатній мірі доведеною". Принцип причинності - ось той наріжний камінь, який лежить в основі неможливості надсвітлової передачі сигналів. І про цей камінь, мабуть, спотикатимуться всі без винятку пошуки надсвітлових сигналів, як би експериментаторам не хотілося виявити такі сигнали. Бо така природа нашого світу.

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

Див. у номері на ту саму тему

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

де , - це швидкість світла у вакуумі, а час і відстань від точки до вимірюються у згаданій системі відліку.

Фазова швидкість

Труба Краснікова

Квантова механіка

Принцип невизначеності у квантовій теорії

… для електромагнітного випромінювання існує також [ненульова] амплітуда ймовірності рухатися швидше (або повільніше), ніж звичайна швидкість світла. Ви переконалися на попередній лекції, що світло не завжди рухається лише прямими лініями; зараз ви побачите, що він не завжди рухається зі швидкістю світла! Це може здаватися дивним, що існує [ненульова] амплітуда для того, щоб фотон рухався швидше або повільніше, ніж звичайна швидкість світла c

Оригінальний текст(англ.)

… там є також amplitude for light to go faster (or slower) than the conventional speed of light. Ви знайдете у останній літературі, що світлі не є тільки в прямих лініях; now, you find out that it doesn’t go only at the speed of light! Це може призвести до того, що ви є amplitude for photon to go на швидкий проститель або племінник, аніж конвенційна швидкість, c

Річард Фейнман, нобелівський лауреат з фізики 1965 року.

Уявіть собі частинку, що рухається в середньому зі швидкістю, дуже близькою до швидкості світла, але з такою невизначеністю, як цього вимагає квантова теорія. Очевидно, буде певна ймовірність спостерігати цю частину, що рухається дещо швидше, ніж у середньому, і, отже, швидше за світло, що суперечить спеціальній теорії відносності. Єдиний відомий спосіб вирішити це протиріччя вимагає залучення ідеї античастинок. Дуже грубо кажучи, необхідна невизначеність у положенні досягається припущенням, що акт виміру може торкатися утворення античастинок, кожна з яких не відрізняється від оригіналу, з різними розташуваннями. Для збереження балансу квантових чисел, що зберігаються, додаткові частинки повинні супроводжуватися тим же числом античастинок. (Дірак прийшов до передбачення античастинок через послідовність винахідливих інтерпретацій і реінтерпретацій елегантного релятивістського хвильового рівняння, яке він вивів, а не через евристичний розгляд, подібний до того, який я привів. Неминуча і загальність цих висновків, а також їх пряме відношення до базових принципів і спеціальної теорії відносності стали очевидні лише у ретроспективі).

Оригінальний текст(англ.)

Імаґінний матеріал переміщується на середньому на дуже близько від освітлення, але з бездоганністю в положенні, як вимагається за quantum theory. Evidently it they will be some probability for observing this particle to move a little faster than average, and therefore faster than light, which special relativity won't permit. Тільки тількивідомі способи резолюції цієї тенденції встановлюють введення ідеї з antiparticles. Дуже лагідно говорячи, що потребує бездоганності в становищі є пристосованим до можливості, що дія дії може призвести до створення several particles, їх indistinguishable з original, with different positions. До maintain the balance of conserved quantum numbers, the extra particles must be accompanied by equal number of antiparticles. (Dirac був спричинений тим, що існують antiparticles через sequence of ingenious interpretations and re-interpretations of elegantní relativistic wave equation he invented, rathan than heuristic reasoning of the sort I've presentd. The inevitability and generality of his conclusions, і їхні прямі відносини до основних принципів quantum mechanics and special relativity, are only clear in retrospect).

Франк Вілчек

Ефект Шарнхорста

Теорії зі змінністю швидкості світла у вакуумі

November 26th, 2017

Верхня межа швидкості відома навіть школярам: зв'язавши масу та енергію знаменитою формулою, Альберт Ейнштейн ще на початку ХХ століття вказав на принципову неможливість нічому, що володіє масою, переміщатися у просторі швидше, ніж швидкість світла у вакуумі. Проте вже у цьому формулюванні містяться лазівки, обійти які цілком під силу деяким фізичним явищам та часткам.

Принаймні явищам, що існують у теорії.

Квантова телепортація

Телепортація живої істоти - добрий приклад технології, теоретично допустимої, але практично, мабуть, нездійсненної ніколи. Але якщо йдеться про телепортацію, тобто миттєве переміщення з одного місця в інше невеликих предметів, а тим більше частинок, вона цілком можлива. Щоб спростити завдання, почнемо із простого – частинок.

Однак у такій схемі навіть перший крок повністю реалізувати неможливо. Принцип невизначеності Гейзенберга накладає непереборні обмеження на точність, з якою можна виміряти «парні» параметри частки. Наприклад, що краще ми знаємо її імпульс, то гірше - координату, і навпаки. Однак важливою особливістю квантової телепортації є те, що, власне, вимірювати частинки і не треба, як не треба нічого й відновлювати – достатньо одержати пару сплутаних частинок.

Наприклад, для приготування таких поплутаних фотонів нам знадобиться висвітлити нелінійний кристал лазерним випромінюванням певної хвилі. Тоді деякі з вхідних фотонів розпадуться на два сплутані - незрозумілим чином пов'язані, так що будь-яка зміна стану одного моментально позначається на стані іншого. Цей зв'язок справді незрозумілий: механізми квантової сплутаності залишаються невідомими, хоча саме явище демонструвалося і демонструється постійно. Але це таке явище, заплутатися в якому насправді легко - достатньо додати, що до виміру жодна з цих частинок не має потрібної характеристики, при цьому який би результат ми не отримали, вимірявши першу, другий стан дивним чином корелюватиме з нашим результатом .

Механізм квантової телепортації, запропонований у 1993 році Чарльзом Беннеттом і Жілем Брассардом, вимагає додати до пари заплутаних частинок всього одного додаткового учасника – власне того, кого ми збираємося телепортувати. Відправників і одержувачів прийнято називати Алісою і Бобом, і ми підемо цієї традиції, вручивши кожному з них по одному зі сплутаних фотонів. Як тільки вони розійдуться на пристойну відстань і Аліса вирішить почати телепортацію, вона бере потрібний фотон і вимірює його стан разом із станом першого зі сплутаних фотонів. Невизначена хвильова функція цього фотона колапсує і моментально відгукується у другому поплутаному фотоні Боба.

На жаль, Боб не знає, як саме його фотон реагує на поведінку фотона Аліси: щоб зрозуміти це, йому треба дочекатися, поки вона надішле результати своїх вимірювань звичайною поштою, не швидше за швидкість світла. Тому жодну інформацію передати таким каналом не вийде, але факт залишиться фактом. Ми телепортували стан одного фотона. Щоб перейти до людини, залишається масштабувати технологію, охопивши кожну частину з лише 7000 трильйонів трильйонів атомів нашого тіла, - здається, від цього прориву нас відокремлює не більше, ніж вічність.

Ефект Вавілова - Черенкова

Цей аспект подорожей швидше за швидкість світла - приємний привід згадати заслуги російських учених. Явище було відкрито в 1934 році Павлом Черенковым, який працював під керівництвом Сергія Вавілова, через три роки воно отримало теоретичне обґрунтування в роботах Ігоря Тамма та Іллі Франка, а в 1958 р. всі учасники цих робіт, крім уже померлого Вавилова, були нагороджені Нобелєвим. фізики.

Насправді теорія відносності говорить лише про швидкість світла у вакуумі. В інших прозорих середовищах світло уповільнюється, причому досить помітно, внаслідок чого на їхньому кордоні з повітрям можна спостерігати заломлення. Коефіцієнт заломлення скла дорівнює 1,49 - значить, фазова швидкість світла в ньому в 1,49 рази менше, а, наприклад, у алмазу коефіцієнт заломлення вже 2,42, і швидкість світла в ньому знижується більш ніж удвічі. Іншим часткам ніщо не заважає летіти і швидше за світлові фотони.

Саме це сталося з електронами, які в експериментах Черенкова були вибиті високоенергетичним гамма-випромінюванням зі своїх місць у молекулах люмінесцентної рідини. Цей механізм часто порівнюють із утворенням ударної звукової хвилі при польоті в атмосфері на надзвуковій швидкості. Але можна уявити і як біг у натовпі: рухаючись швидше світла, електрони проносяться повз інші частки, немов зачіпаючи їх плечем - і на кожен сантиметр свого шляху змушуючи сердито випромінювати від кількох сотень фотонів.

Бульбашки та нори

Ось мурашка повзе по аркуші паперу. Швидкість його невелика, і на те, щоб дістатися від лівого краю площини до правого, у бідолахи йде секунд 10. Але варто нам пожалкувати над ним і зігнути папір, з'єднавши його краї, як він миттєво «телепортується» у потрібну точку. Щось подібне можна зробити і з нашим рідним простором-часом, з тією лише різницею, що вигин вимагає участі інших вимірювань, які ми не сприймаємо, утворюючи тунелі простору-часу, - знамениті червоточини, або кротові нори.

До речі, згідно з новими теоріями, такі кротові нори – це якийсь просторово-часовий еквівалент уже знайомого нам квантового феномену заплутаності. Взагалі їх існування не суперечить жодним важливим уявленням сучасної фізики, включаючи загальну теорію відносності. Але для підтримки такого тунелю в тканині Всесвіту знадобиться щось, мало схоже на справжню науку, - гіпотетична «екзотична матерія», яка має негативну щільність енергії. Інакше кажучи, це має бути така матерія, яка викликає гравітаційне відштовхування. Важко уявити, що колись ця екзотика буде знайдена, а тим більше приручена.

Своєрідною альтернативою кротовим норам може бути ще екзотичніша деформація простору-часу - рух усередині міхура викривленої структури цього континууму. Ідею висловив 1993 року фізик Мігеле Алькуб'єрре, хоча у творах фантастів вона звучала набагато раніше. Це як космічний корабель, який рухається, стискаючи та змінюючи простір-час перед своїм носом і знову розгладжуючи його позаду. Сам корабель та його екіпаж у своїй залишаються у локальній області, де простір-час зберігає звичайну геометрію, і жодних незручностей не відчувають. Це чудово видно по популярному серед мрійників серіалу «Зоряний шлях», де такий «варп-двигун» дозволяє подорожувати, не скромничаючи, по всьому Всесвіту.

Тахіони

Фотони - частки безмасові, як і нейтрино та деякі інші: їхня маса в спокої дорівнює нулю, і щоб не зникнути остаточно, вони змушені завжди рухатися, і завжди - зі швидкістю світла. Однак деякі теорії припускають існування і набагато екзотичніших частинок - тахіонів. Маса їх, що фігурує у нашій улюбленій формулі E = mc2, задається не простим, а уявним числом, що включає особливий математичний компонент, квадрат якого дає негативне число. Це дуже корисна властивість, і сценаристи улюбленого нами серіалу «Зоряний шлях» пояснювали роботу свого фантастичного двигуна саме «приборканням енергії тахіонів».

Проте теоретики все ж таки показали, що тахіони, може, і не існують, але в далекому минулому цілком могли існувати, і, за деякими уявленнями, саме їхні нескінченні можливості відіграли важливу роль у Великому вибуху. Присутністю тахіонів пояснюють вкрай нестабільний стан хибного вакууму, в якому міг бути Всесвіт до свого народження. У такій картині світу тахіони, що рухаються швидше світла - справжня основа нашого існування, а поява Всесвіту описується як перехід тахійного поля помилкового вакууму в інфляційне поле істинного. Варто додати, що це цілком шановані теорії, як і раніше, що головні порушники законів Ейнштейна і навіть причинно-наслідкового зв'язку виявляються у ній родоначальниками всіх причин і наслідків.

Швидкість пітьми

Якщо міркувати філософськи, темрява – це просто відсутність світла, і швидкості у них мають бути однакові. Але варто подумати ретельніше: темрява здатна набувати форми, що переміщається набагато швидше. Ім'я цієї форми – тінь. Уявіть, що ви показуєте пальцями силует собаки на протилежній стіні. Промінь від ліхтаря розходиться, і тінь від вашої руки стає набагато більшою за саму руку. Достатньо найменшого руху пальця, щоб тінь від нього на стіні змістилася на помітну відстань. А якщо ми відкидатимемо тінь на Місяць? Чи на уявний екран ще далі?

джерела
naked-science.ru