Давайте розберемося: чому ніщо не може бути швидше за світло? (9 фото). Чи можлива надсвітлова швидкість

А справді, що буде? Питання це насправді немає відповіді, бо суперечить усім законам фізики, а дослідів, як відомо, провести не можна. Але теоретично поміркувати ніхто не заборонить. Отже, припустимо, ми роздобули такий автомобіль марки "Ваз", здатний розігнатися, для початку, до швидкості світла. Поїхали…

Як ми знаємо з курсу фізики за 11 клас, швидкість світла - величина постійна і становить не мало не мало, а 300 000 км в секунду. На навколосвітніх швидкостях звичні закони фізики не діють. Тут діють закони релятивістської фізики, тому нам доведеться звернутися до пана Ейнштейна та почитати його теорію відносності.

Застосовуючи закони класичної фізики, можна припустити, що швидкість фотонів (частин світла) складеться зі швидкістю машини, і фари світитимуть, як завжди. Але ... При цьому вийде, що ці фотони повинні летіти з подвійною швидкістю світла - складається швидкість машини і швидкість фотонів. Але це неможливо, адже ще 1905 року Ейнштейн довів, що швидкість світла незмінна у будь-якій системі відліку. Це означає, що фотон від фари все одно матиме швидкість 300 000 км/сек. Але й машина має таку саму швидкість. Значить, фотони світла летітимуть поряд із машиною? Тоді водій світла фар не побачить. Спостерігач на узбіччі повинен, здавалося б, побачити пляму світла, що пролетіла повз. Насправді – не зовсім так.

Користуючись теорією відносності, можна уявити іншу картину, набагато фантастичнішу. Тут багато факторів накладається один на одного, і створюють щось неймовірне.

Наприклад, при швидкості, близькій до швидкості світла, об'єкт, тобто машина, має придбати необмежену масу. Повинна вийти якась чорна діра, яка своєю гравітацією не дозволить жодним фотонам залишити свою поверхню. Навпаки, вона, як і належить об'єкту неймовірної маси, втягуватиме в себе всю навколишню матерію. При швидкості світла маса нашої машини дорівнюватиме нескінченності. Ну, а про швидкість ще більшу, навіть гадати не варто. При цьому час у ній дорівнюватиме нулю, тобто зупиниться.

З іншого боку, рух будь-якої частки визначається відстанню в одиницю часу. А якщо час вартий, який може бути рух? Все завмерло, доки швидкість не знизиться. Теоретично наша машина могла б пролетіти весь Всесвіт, а годинник у ній і частку секунди б не відрахували! Та й як би вони вважали, якби всі молекули в них зупинилися. Адже зупинка молекул означає температуру об'єкта абсолютного нуля! Уявляєте, для людини в машині час іде все повільніше та повільніше, поки зовсім не зупиняється. Він завмирає і навіть молекули у його тілі стоять – у нього температура абсолютного нуля. Але швидкість якимось чином знижується і людина оживає. Він навіть не помітив цієї зупинки. Ось він простягає руку і витрачає на це секунди у своєму часі, а в нас минають години, роки, а то й віки! Хоча тут все туманно, адже накопичення матерії підвищує тиск і температуру, а тут абсолютний нуль. Як би наднова не вийшла!

Припустимо навіть, що наша машина залишилася машиною і водій живий виявився, і фари включити зміг. Як відомо, при великих швидкостях діє так званий ефект Доплера. Адже світло має хвильову природу. Це означає, що частота або спектр видимого світлового випромінювання змінюється. Якщо об'єкт наближається, ми побачимо зміщення спектра до фіолетової частини, і якщо видаляється – до червоної.

Якщо застосувати це до нашої навколосвітлової машини, то ми можемо отримати замість світла фар уже жорстке гамма-випромінювання, а просто радіацію. Водій може і не зрозуміє нічого, це спірне питання, адже для нього нічого особливо не змінилося. А ось наш спостерігач навряд чи житиме більше частки секунди після того, як машина пролетить повз. Він отримає всі види опромінення - ультрафіолетову частину, поки машина наближається, і інфрачервону - поки що видаляється. Навряд це можна назвати світлом фар.

На питання, що буде зі світлом на надсвітловій швидкості, немає відповіді. Як немає його і для світлової. Навколосвітла – будь ласка, тут діє теорія відносності. Світло залишається звичайним світлом. Але при досягненні швидкості світла починаються такі чудеса, що мозок швидше закипить, ніж знайде відповідь або представить усі можливі варіанти. Там починаються неймовірні для нас зміни матерії та часу. Може і на краще, що такої швидкості не можна досягти ніколи. Не кажучи вже про надсвітлову.

Хоча відповіді на запитання і не вдалося дати через неможливість пояснити неможливе, але їжа для роздумів вийшла, здається, смачною.

March 25th, 2017

Подорож на надсвітловій швидкості одна з основ космічної наукової фантастики. Однак, 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 с і 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 с, випливає із 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 швидкостей великих с. 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 же, що перевищують, 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, - 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 "всепроникна" частка - нейтрино, яка, як і фотон, не може рухатися зі швидкістю, меншою за 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 або взагалі втрачати сенс, але тоді вона не відноситься до поширення сигналу. У СТО встановлюється, що неможлива передача сигналу зі швидкістю більшою за с.

Чому це так? Тому, що перешкодою для передачі будь-якого сигналу зі швидкістю більше з служить 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 з надсвітловою швидкістю, спостерігач поблизу точки В побачив би спочатку вибух, а вже потім - швидкий зі світловим спалахом, що дійшов до нього, причину 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 с.

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 (-273,15оC). 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 від 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 > с ). Це і є аномальна дисперсія, коли картина поширення світла в речовині змінюється радикальним чином. Групова швидкість Vгр стає більшою за фазову швидкість 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, проте, зауважити, що умова Vгр > з є суто формальним, оскільки поняття груповий швидкості введено для 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 в 300 разів швидше, досягає ближньої стінки і зустрічається з хвилею. 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, який "стрибнув" уперед у часі, рухаючись швидше за 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 с.

"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 на 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 у тому, що у спеціальній теорії відносності немає суворого математичного обгрунтування (базується, скажімо, на рівняннях Максвелла для електромагнітного поля) неможливості передачі сигналів зі швидкістю більше с. 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 усе-таки настільки суперечить характеру всього нашого досвіду, що неможливість припущення V > з видається достатньою мірою доведеною». Принцип причинності - ось той наріжний камінь, який є основою 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.

Але все ж таки уявімо, що математика відносності, як і раніше, працюватиме на надсвітлових швидкостях. Це означає, що теоретично ми таки можемо дізнатися, що сталося б, якби тілу перевищити швидкість світла.

Уявімо два космічних корабля, що прямують від Землі в бік зірки, яка віддалена від нашої планети на відстані в 100 світлових років. Перший корабель залишає Землю зі швидкістю 50% від швидкості світла, тож на весь шлях у нього піде 200 років. Другий корабель, оснащений гіпотетичним варп-двигуном, вирушить зі швидкістю 200% від швидкості світла, але через 100 років після першого. Що ж станеться?

Відповідно до теорії відносності, правильна відповідь багато в чому залежить від перспективи спостерігача. З Землі здаватиметься, що перший корабель уже пройшов значну відстань, перш ніж його випередив другий корабель, який рухається вчетверо швидше. А ось з точки зору людей, які перебувають на першому кораблі, все не так.

Корабель №2 рухається швидше світла, а значить може обігнати навіть світло, яке саме й випромінює. Це призводить до свого роду "світлової хвилі" (аналог звуковий, тільки замість вібрацій повітря тут вібрують світлові хвилі), що породжує кілька цікавих ефектів. Нагадаємо, що світло від корабля №2 рухається повільніше, ніж сам корабель. В результаті станеться візуальне подвоєння. Іншими словами, спочатку екіпаж корабля №1 побачить, що другий корабель виник поряд з ним немов з нізвідки. Потім світло від другого корабля з невеликим запізненням досягне першого, і в результаті вийде видима копія, яка рухатиметься в тому ж напрямку з невеликим відставанням.

Щось подібне можна побачити в комп'ютерних іграх, коли в результаті системного збою двигун провантажує модель і її алгоритми в кінцевій точці руху швидше, ніж закінчується сама анімація руху, тому виникають множинні дублі. Мабуть, саме тому наша свідомість і не сприймає той гіпотетичний аспект Всесвіту, в якому тіла рухаються на надсвітловій швидкості — можливо, це й на краще.

П.С. ... а ось в останньому прикладі я щось не зрозумів, чому реальне становище корабля пов'язується з "випромінюваним ним світлом"? Ну і хай що бачити його будуть як то не там, але реально він обжене перший корабель!

джерела

Тіні можуть переміщатися швидше світла, але не можуть переносити речовину або інформацію

Чи можливий надсвітловий політ?

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

Прості приклади надсвітлового переміщення

1. Ефект Черенкова

Коли ми говоримо про рух із надсвітловою швидкістю, то маємо на увазі швидкість світла у вакуумі c(299792458 м/с). Тому ефект Черенкова не може розглядатися як приклад руху із надсвітловою швидкістю.

2. Третій спостерігач

Якщо ракета Aлетить від мене зі швидкістю 0.6cна захід, а ракета Bлетить від мене зі швидкістю 0.6cна схід, то я бачу, що відстань між Aі Bзбільшується зі швидкістю 1.2c. Спостерігаючи політ ракет Aі Bз боку, третій спостерігач бачить, що сумарна швидкість видалення ракет більша, ніж c .

Однак відносна швидкістьне дорівнює сумі швидкостей. Швидкість ракети Aщодо ракети B- це швидкість збільшення відстані до ракети A, яку бачить спостерігач, що летить на ракеті B. Відносну швидкість слід розраховувати за релятивістською формулою складання швидкостей. (див. How do You Add Velocities in Special Relativity?) У цьому прикладі відносна швидкість приблизно дорівнює 0.88c. Тож у цьому прикладі ми не отримали надсвітлової швидкості.

3. Світло та тінь

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

Інший об'єкт, який може переміщатися швидше за світло - світлова пляма від лазера, спрямованого на Місяць. Відстань до Місяця 385 000 км. Ви можете розрахувати швидкість переміщення світлової плями по поверхні Місяця при невеликих коливаннях лазерної указки у вашій руці. Вам також може сподобатися приклад із хвилею, що набігає на пряму лінію пляжу під невеликим кутом. З якою швидкістю може переміщатися вздовж пляжу точка перетину хвилі та берега?

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

4. Тверде тіло

Якщо у вас є довгий жорсткий стрижень, і ви вдарите по одному кінці стрижня, то хіба інший кінець не почне рухатися негайно? Хіба це не спосіб надсвітлової передачі?

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

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

Формулювання релятивістської теорії пружності досить складне, але загальну ідею можна ілюструвати з використанням ньютонівської механіки. Рівняння поздовжнього руху ідеально-пружного тіла можна вивести із закону Гука. Позначимо лінійну щільність стрижня ρ , модуль пружності Юнга Y. Поздовжнє зміщення Xзадовольняє хвильове рівняння

ρ·d 2 X/dt 2 - Y·d 2 X/dx 2 = 0

Рішення у вигляді плоских хвиль переміщується зі швидкістю звуку s, що визначається з формули s 2 = Y/ρ. Хвильове рівняння не дозволяє обуренням середовища переміщатися швидше, ніж зі швидкістю s. Крім того, теорія відносності дає межу величині пружності: Y< ρc 2 . Майже жоден відомий матеріал не наближається до цієї межі. Врахуйте також, що навіть швидкість звуку близька до c, та сама речовина не обов'язково рухається з релятивістською швидкістю.

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

5. Фазова швидкість

Хвильове рівняння
d 2 u/dt 2 - c 2 ·d 2 u/dx 2 + w 2 ·u = 0

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

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

Але це більше, ніж с. Чи може це рівняння для тахіонів? (Див. далі розділ ). Ні, це нормальне релятивістське рівняння для частки з масою.

Щоб усунути феномен потрібно розрізняти "фазову швидкість" v ph і "групову швидкість" v gr , причому
v ph · v gr = c 2

Рішення у вигляді хвилі може мати дисперсію за частотою. При цьому хвильовий пакет рухається з груповою швидкістю, яка менша, ніж c. За допомогою хвильового пакета можна передавати інформацію лише з груповою швидкістю. Хвилі у хвильовому пакеті рухаються із фазовою швидкістю. Фазова швидкість - ще один приклад надсвітлового руху, який не можна використовувати передачі повідомлень.

6. Надсвітлові галактики

7. Релятивістська ракета

Нехай спостерігач на Землі бачить космічний корабель, що віддаляється зі швидкістю 0.8cВідповідно до теорії відносності, він побачить, що годинник на космічному кораблі йде повільніше в 5/3 рази. Якщо розділити відстань до корабля на час польоту бортовим годинником, то отримаємо швидкість 4/3c. Спостерігач робить висновок, що, використовуючи свій бортовий годинник, пілот корабля теж визначить, що летить із надсвітловою швидкістю. З точки зору пілота його годинник йде нормально, а міжзоряний простір стиснувся в 5/3 рази. Тому він пролітає відомі відстані між зірками швидше, зі швидкістю 4/3c .

Але це все ж таки не надсвітловий політ. Не можна розраховувати швидкість, використовуючи відстань та час, визначені у різних системах відліку.

8. Швидкість гравітації

Деякі наполягають, що швидкість гравітації набагато більша cабо навіть нескінченна. Подивіться Does Gravity Travel на Speed ​​of Light? та What is Gravitational Radiation? Гравітаційні обурення та гравітаційні хвилі поширюються зі швидкістю c .

9. Парадокс ЕПР

10. Віртуальні фотони

11. Квантовий тунельний ефект

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

Квантова електродинаміка каже "Ні!" Тим не менш, виконаний експеримент, який продемонстрував надсвітлову передачу інформації за допомогою тунельного ефекту. Через бар'єр завширшки 11.4 см зі швидкістю 4.7 cпередано Сорокову симфонію Моцарта. Пояснення цього експерименту дуже суперечливе. Більшість фізиків вважають, що за допомогою тунельного ефекту не можна передати інформаціюшвидше світла. Якби це було можливо, то чому не передати сигнал у минуле, помістивши обладнання в систему відліку, що швидко переміщається.

17. Квантова теорія поля

За винятком гравітації, всі фізичні явища, що спостерігаються, відповідають "Стандартній моделі". Стандартна модель - це релятивістська квантова теорія поля, яка пояснює електромагнітні та ядерні взаємодії, а також усі відомі частки. У цій теорії будь-яка пара операторів, що відповідають фізичним спостережуваним, розділеним просторовоподібним інтервалом подій, "комутує" (тобто можна змінити порядок цих операторів). В принципі, це передбачає, що в стандартній моделі вплив не може поширюватися швидше за світло, і це можна вважати квантово-польовим еквівалентом доказу про нескінченну енергію.

Однак у квантовій теорії поля Стандартної моделі немає бездоганно суворих доказів. Ніхто поки що навіть не довів, що ця теорія внутрішньо несуперечлива. Швидше за все це не так. У всякому разі, немає гарантії, що не існує якихось поки не відкритих частинок або сил, які не підкоряються забороні надсвітового переміщення. Немає також узагальнення цієї теорії, що включає гравітацію і загальну теорію відносності. Багато фізиків, які працюють в галузі квантової гравітації, сумніваються, що прості уявлення про причинність і локальність буде узагальнено. Немає гарантії, що в майбутній повнішій теорії швидкість світла збереже сенс граничної швидкості.

18. Парадокс дідуся

У спеціальній теорії відносності частка, що летить швидше світла лише у системі відліку, рухається назад у часі іншій системі отсчета. Надсвітлове переміщення чи передача інформації давали можливість подорожі чи відправки повідомлення у минуле. Якби така подорож у часі була можливою, то ви могли б повернутися в минуле і змінити хід історії, вбивши свого дідуся.

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

Правильне і зворотне. Якби ми могли переміститися у минуле, то змогли б подолати швидкість світла. Можна повернутися в минуле, полетіти кудись із невеликою швидкістю, і прибути туди раніше, ніж прибуде світло, відправлене звичайним чином. Дивіться подробиці з цієї теми в Time Travel.

Відкриті питання надсвітлових подорожей

У цьому останньому розділі я опишу кілька серйозних ідей про можливе переміщення швидше за світло. Ці теми не часто включають до FAQ, тому що вони більше не схожі на відповіді, а на безліч нових питань. Вони включені сюди, щоб показати, що у цьому напрямі проводяться серйозні дослідження. Дається лише короткий вступ у тему. Подробиці можна знайти в інтернеті. Як і до всього в інтернеті, ставтеся до них критично.

19. Тахіони

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

Поки тахіони не знайдені, і фізики сумніваються у їхньому існуванні. Були заяви, що в експериментах з вимірювання маси нейтрино, що народжуються при бета-розпаді тритію, нейтрино були тахіонами. Це сумнівно, але поки що остаточно не спростовано.

Теоретично тахіонів є проблеми. Крім можливого порушення причинності, тахіони також роблять вакуум нестабільним. Можливо вдасться обійти ці труднощі, але тоді ми зможемо використовувати тахионы для надсветовой передачі повідомлень.

Більшість фізиків вважає, що поява тахіонів у теорії – ознака якихось проблем цієї теорії. Ідея тахіонів така популярна у публіки просто тому, що вони часто згадуються у фантастичній літературі. Дивіться Tachyons.

20. Кротові нори

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

Щоб утримувати кротову нору відкритої, потрібні області простору з негативною енергією. C.W.Misner та K.S.Thorne запропонували для створення негативної енергії використовувати ефект Казимира у великому масштабі. Visser запропонував використати для цього космічні струни. Це дуже умоглядні ідеї, і, можливо, це неможливо. Можливо, необхідної форми екзотичної матерії з негативною енергією немає.

1) Чи висвітлює світло фар інші об'єкти і відбивається назад у вічі?

Ні. Як відомо, не можна перевищити швидкість світла. Це означає, що в одному з напрямків світло взагалі не може світити, тому що не здатне перевищити швидкість автомобіля, тому ніколи не вийде з фар. Однак, ми живемо у багатовимірному світі і не все світло світить в одному напрямку.

Уявимо двомірний автомобіль без маси (тобто рухається зі швидкістю світла), який випромінював два фотони, один вгору, а інший вниз. Два промені відокремлюються від автомобіля і залишаються позаду нього. Вони рухаються з такою самою швидкістю світла, але не можуть рухатися впереднастільки ж швидко, оскільки один із векторів швидкості спрямований вгору/вниз, тому ми обганяємо їх. Ці фотони потім зустрічають на своєму шляху якусь перешкоду, наприклад, дороговказ або дерево, і відбиваються назад. Проблема в тому, що вони вже не можуть наздогнати вас. Інші люди, що йдуть тротуаром, здатні бачити відбите світло, але ви вже поїхали і ніколи його не побачите.

Ось, будь ласка, все можна пояснити на одному тільки факті, що весь світ рухається з однаковою швидкістю, неважливо куди. Це навряд чи стосується теорії відносності.

Проте, існує й хардкорніша версія.

2) Чи можуть речі, що рухаються зі швидкістю світла, мати фари? Чи можуть вони взагалі мати зір?

Ось де божевільна істина теорії відносності по-справжньому вступає в гру, так що не треба соромитися, якщо чогось не зрозумієте, але відповідь знову виходить негативною.

Можливо, вам знайома концепція релятивістського часу. Припустимо, я з другом сідаємо у різні поїзди та їдемо назустріч. Проїжджаючи повз, якщо ми подивимося через вікно на настінний годинник у купе один у одного, то обидвазауважимо, що вони йдуть повільніше, ніж звичайно. Це не тому, що годинник гальмує, а тому, що входить у справу світло між нами: чим швидше ми рухаємося, тим повільніше старіємо щодо менш рухливих об'єктів. Це тому, що час не є абсолютним для всіх об'єктів у Всесвіті, він свій у кожного об'єкта і залежить від його швидкості. Наш час залежить тільки від нашоїшвидкості у Всесвіті. Ви можете уявити це як рух у різних напрямках на шкалі простору-часу. Тут є певна проблема, тому що наш мозок не пристосований для розуміння геометрії простору-часу, а схильний представляти час як абсолют. Тим не менш, почитавши трохи літератури на цю тему, ви нормально зможете сприймати як природний факт: ті, хто рухається швидко щодо вас, старіють повільніше.

Припустимо, що ваш друг сидить у гіпотетичній машині і мчить зі швидкістю світла. Отже, підставимо його швидкість у нашу формулу і подивимося, якою буде відповідь.

Ой-їй! Схоже, у нього взагалі не минуло жодного часу! Напевно, щось неправильне з нашими обчисленнями? З'ясовується, що ні. Часу. Ні. Існує. Для. Об'єктів. На. Швидкість. Світлана.

Його просто нема.

Це означає, що речі на швидкості світла не можуть сприймати «події», що відбуваються, таким же чином, як сприймаємо ми. Події не можуть відбуватисядля них. Вони можуть робити дії, але не можуть набувати досвіду. Сам Ейнштейн одного разу сказав: «Час існує, щоб все не відбувалося одночасно». Але для об'єкта, який рухається на швидкості світла, цей принцип не працює, тому що Усевідбувається одночасно. Мандрівник на швидкості світла ніколи не побачить, не подумає та не відчує чогось, що ми вважаємо осмисленим.

Ось такий несподіваний висновок.

У вересні 2011 року фізик Антоніо Ередітато шокував світ. Його заява могла перевернути наше розуміння Всесвіту. Якщо дані, зібрані 160-ма вченими проекту OPERA, були правильними, спостерігалося неймовірне. Частинки - у разі нейтрино - рухалися швидше світла. Відповідно до теорії відносності Ейнштейна, це неможливо. І наслідки такого спостереження були б неймовірними. Можливо, довелося б переглянути основи фізики.

Хоча Ередітато говорив, що він і його команда були «вкрай впевнені» у своїх результатах, вони не говорили про те, що дані були точними. Навпаки, вони попросили інших вчених допомогти розібратися в тому, що відбувається.

Зрештою виявилося, що результати OPERA були помилковими. Через погано підключений кабель виникла проблема синхронізації, і сигнали з GPS-супутників були неточними. Була несподівана затримка у сигналі. Як наслідок, вимірювання часу, який знадобився нейтрино на подолання певної дистанції, показали зайві 73 наносекунди: здавалося, що нейтрино пролетіли швидше, ніж світло.

Незважаючи на місяці ретельної перевірки до початку експерименту та повторну перевірку даних згодом, вчені серйозно помилилися. Ередітато пішов у відставку, попри зауваження багатьох про те, що подібні помилки завжди відбувалися через надзвичайну складність пристрою прискорювачів частинок.

Чому припущення - тільки припущення - що щось може рухатися швидше світла, викликало такий шум? Наскільки ми впевнені, що нічого не може подолати цей бар'єр?

Давайте спочатку розберемо друге із цих питань. Швидкість світла у вакуумі становить 299 792,458 кілометри на секунду - для зручності, це число округляють до 300 000 кілометрів на секунду. Це дуже швидко. Сонце знаходиться за 150 мільйонів кілометрів від Землі, і світло від нього доходить до Землі всього за вісім хвилин і двадцять секунд.

Чи може якесь із наших творінь конкурувати в гонці зі світлом? Один із найшвидших штучних об'єктів серед будь-коли побудованих, космічний зонд «Нові горизонти», просвистів повз Плутон і Харон у липні 2015 року. Він досяг швидкості щодо Землі 16 км/c. Набагато менше ніж 300 000 км/с.

Проте ми мали крихітні частинки, які рухалися дуже швидко. На початку 1960-х років Вільям Бертоцці в Массачусетському технологічному інституті експериментував із прискоренням електронів до ще вищих швидкостей.

Оскільки електрони мають негативний заряд, їх можна розганяти - точніше відштовхувати - застосовуючи той же негативний заряд до матеріалу. Що більше енергії прикладається, то швидше розганяються електрони.

Можна було б подумати, що потрібно просто збільшувати енергію, що додається, щоб розігнатися до швидкості в 300 000 км/с. Але виявляється, що електрони просто не можуть рухатися так швидко. Експерименти Бертоцці показали, що використання більшої енергії не призводить до прямого пропорційного збільшення швидкості електронів.

Натомість потрібно було прикладати величезні кількості додаткової енергії, щоб хоч трохи змінити швидкість руху електронів. Вона наближалася до швидкості світла дедалі ближче, але ніколи її не досягла.

Уявіть собі рух до дверей невеликими кроками, кожен з яких долає половину відстані від поточної позиції до дверей. Строго кажучи, ви ніколи не дістанетеся до дверей, оскільки після кожного вашого кроку у вас залишатиметься дистанція, яку потрібно подолати. Приблизно з такою проблемою Бертоцці зіткнувся, розбираючись із своїми електронами.

Але світло складається з частинок під назвою фотони. Чому ці частинки можуть рухатися на швидкості світла, а електрони – ні?

«У міру того як об'єкти рухаються все швидше і швидше, вони стають все важчими - чим важчими вони стають, тим важче їм розігнатися, тому ви ніколи не наберете швидкість світла», говорить Роджер Рассул, фізик з Університету Мельбурна в Австралії. «Фотон не має маси. Якби він мав масу, він не міг би рухатися зі швидкістю світла».

Фотони особливі. У них не тільки немає маси, що забезпечує їм повну свободу переміщень у космічному вакуумі, їм ще й розганятися не потрібно. Природна енергія, яку вони мають, переміщається хвилями, як і вони, тому в момент їх створення вони вже мають максимальну швидкість. У певному сенсі простіше думати про світло як про енергію, а не як про потік частинок, хоча, правду кажучи, світло є і тим, і іншим.

Проте світло рухається набагато повільніше, ніж ми могли б очікувати. Хоча інтернет-техніки люблять говорити про комунікації, які працюють на швидкості світла в оптоволокні, світло рухається на 40% повільніше у склі цього оптоволокна, ніж у вакуумі.

Насправді фотони рухаються на швидкості 300 000 км/с, але стикаються з певною інтерференцією, перешкодами, викликаними іншими фотонами, які випускаються атомами скла, коли проходить головна світлова хвиля. Зрозуміти це може бути нелегко, але ми хоч би спробували.

Так само, в рамках спеціальних експериментів з окремими фотонами, вдавалося сповільнити їх дуже переконливо. Але для більшості випадків буде справедливо число 300 000. Ми не бачили і не створювали нічого, що могло б рухатися так само швидко, або ще швидше. Є особливі моменти, але перш ніж ми їх торкнемося, давайте торкнемося іншого наше питання. Чому так важливо, щоб правило швидкості світла виконувалося суворо?

Відповідь пов'язана з людиною на ім'я Альберт Ейнштейн, як часто буває у фізиці. Його спеціальна теорія відносності досліджує багато наслідків його універсальних меж швидкості. Одним із найважливіших елементів теорії є ідея того, що швидкість світла стала. Незалежно від того, де ви і як швидко рухаєтеся, світло завжди рухається з однаковою швидкістю.

Але із цього випливає кілька концептуальних проблем.

Уявіть собі світло, яке падає від ліхтарика на дзеркало на стелі стаціонарного космічного апарату. Світло йде вгору, відбивається від дзеркала та падає на підлогу космічного апарату. Скажімо, він долає дистанцію за 10 метрів.

Тепер уявімо, що цей космічний апарат починає рух із колосальною швидкістю в багато тисяч кілометрів на секунду. Коли ви вмикаєте ліхтарик, світло поводиться як раніше: світить вгору, потрапляє в дзеркало і відбивається в підлогу. Але щоб це зробити, світові доведеться подолати діагональну відстань, а не вертикальну. Зрештою, дзеркало тепер швидко рухається разом із космічним апаратом.

Відповідно, збільшується дистанція, яку долає світло. Скажімо, на 5 метрів. Виходить 15 метрів загалом, а не 10.

І незважаючи на це, хоча дистанція збільшилася, теорії Ейнштейна стверджують, що світло, як і раніше, рухатиметься з тією ж швидкістю. Оскільки швидкість - це відстань, поділена на час, раз швидкість залишилася колишньою, а відстань збільшилася, час теж має збільшитися. Так, саме час має розтягнутися. І хоча це звучить дивно, але це було підтверджено експериментально.

Цей феномен називається уповільненням часу. Час рухається повільніше для людей, які пересуваються в транспорті, що швидко рухається, щодо тих, хто нерухомий.

Наприклад, час іде на 0,007 секунди повільніше для астронавтів на Міжнародній космічній станції, яка рухається зі швидкістю 7,66 км/с щодо Землі, якщо порівнювати з людьми на планеті. Ще цікавіша ситуація з частинками на кшталт вищезгаданих електронів, які можуть рухатися близько до швидкості світла. У випадку з цими частинками, ступінь уповільнення буде величезним.

Стівен Кольтхаммер, фізик-експериментатор з Оксфордського університету у Великій Британії, вказує на приклад із частинками під назвою мюони.

Мюони нестабільні: вони швидко розпадаються більш прості частинки. Так швидко, що більшість мюонів, що залишають Сонце, повинні розпадатися на момент досягнення Землі. Але насправді мюони прибувають на Землю із Сонця в колосальних обсягах. Фізики довго намагалися зрозуміти чому.

«Відповіддю на цю загадку є те, що мюони генеруються з такою енергією, що рухаються на швидкості близької до світлової, – каже Кольтхаммер. - Їх відчуття часу, так би мовити, їх внутрішній годинник іде повільно».

Мюони «залишаються живими» довше, ніж очікувалося, щодо нас, завдяки справжньому, природному викривленню часу. Коли об'єкти швидко рухаються щодо інших об'єктів, їх довжина також зменшується, стискається. Ці наслідки, уповільнення часу і зменшення довжини, є прикладами того, як змінюється простір-час залежно від руху речей - мене, тебе або космічного апарату - які мають масу.

Що важливо, як казав Ейнштейн, на світ це не впливає, оскільки він не має маси. Ось чому ці принципи йдуть пліч-о-пліч. Якби предмети могли рухатися швидше світла, вони підкорялися б фундаментальним законам, які описують роботу Всесвіту. Це є ключові принципи. Тепер ми можемо поговорити про кілька винятків та відступів.

З одного боку, хоча ми не бачили нічого, що рухалося б швидше за світло, це не означає, що цю межу швидкості не можна теоретично побити в вельми специфічних умовах. Наприклад, візьмемо розширення самого Всесвіту. Галактики у Всесвіті віддаляються один від одного на швидкості, що значно перевищує світлову.

Інша цікава ситуація стосується частинок, які поділяють одні й самі властивості в один і той же час, незалежно від того, як далеко знаходяться один від одного. Це так звана "квантова заплутаність". Фотон буде обертатися вгору і вниз, випадково вибираючи з двох можливих станів, але вибір напрямку обертання точно відбиватиметься на іншому фотоні деінде, якщо вони заплутані.

Два вчені, кожен з яких вивчає свій власний фотон, отримають той самий результат одночасно, швидше, ніж могла б дозволити швидкість світла.

Однак в обох цих прикладах важливо відзначити, що ніяка інформація не переміщується швидше за швидкість світла між двома об'єктами. Ми можемо обчислити розширення Всесвіту, але не можемо спостерігати об'єкти швидше світла в ньому: вони зникли з поля зору.

Що стосується двох вчених з їхніми фотонами, хоча вони могли б отримати один результат одночасно, вони не могли б дати про це знати один одному швидше, ніж рухається світло між ними.

«Це не створює нам жодних проблем, оскільки якщо ви здатні посилати сигнали швидше за світло, ви отримуєте химерні парадокси, відповідно до яких інформація може якимось чином повернутися назад у часі», каже Кольтхаммер.

Є й інший можливий спосіб зробити подорожі швидше за світло технічно можливими: розломи в просторі-часі, які дозволять мандрівникові уникнути правил звичайної подорожі.

Джеральд Клівер з Університету Бейлор у Техасі вважає, що якось ми зможемо побудувати космічний апарат, що подорожує швидше за світло. Який рухається через червоточину. Червоточини - це петлі в просторі-часі, що чудово вписуються в теорії Ейншейна. Вони могли б дозволити астронавту перескочити з одного кінця Всесвіту в інший за допомогою аномалії у просторі-часі, певної форми космічного короткого шляху.

Об'єкт, що подорожує через червоточину, не перевищуватиме швидкість світла, але теоретично може досягти пункту призначення швидше, ніж світло, що йде «звичайним» шляхом. Але червоточини можуть бути взагалі недоступними для космічних подорожей. Чи може бути інший спосіб активно спотворити простір-час, щоб рухатися швидше за 300 000 км/с щодо когось ще?

Клівер також дослідив ідею «двигуна Алькуб'єрре», запропоновану фізиком-теоретиком Мігелем Алькуб'єрре у 1994 році. Він визначає ситуацію, в якій простір-час стискається перед космічним апаратом, штовхаючи його вперед, і розширюється позаду нього, а також штовхаючи його вперед. «Але потім, – каже Клівер, – виникли проблеми: як це зробити і скільки знадобиться енергії».

2008 року він та його аспірант Річард Обоузі розрахували, скільки знадобиться енергії.

"Ми представили корабель 10 м х 10 м х 10 м - 1000 кубометрів - і підрахували, що кількість енергії, необхідна для початку процесу, буде еквівалентна масі цілого Юпітера".

Після цього енергія має постійно «підливатись», щоб процес не завершився. Ніхто не знає, чи це стане колись можливо, або на що будуть схожі необхідні технології. «Я не хочу, щоб мене потім століттями цитували, ніби я пророкував щось, чого ніколи не буде, – каже Клівер, – але поки що я не бачу рішень».

Отже, подорожі швидше за швидкість світла залишаються фантастикою на даний момент. Поки що єдиний спосіб відвідати екзопланету за життя - поринути у глибокий анабіоз. І все ж таки не все так погано. Найчастіше ми говорили про видиме світло. Але насправді світло - це набагато більше. Від радіохвиль і мікрохвиль до видимого світла, ультрафіолетового випромінювання, рентгенівських променів і гамма-променів, що випускаються атомами в процесі розпаду - всі ці прекрасні промені складаються з одного й того самого: фотонів.

Різниця в енергії, а значить – у довжині хвилі. Всі разом ці промені складають електромагнітний спектр. Те, що радіохвилі, наприклад, рухаються зі швидкістю світла, дуже корисно для комунікацій.

У своєму дослідженні Кольтхаммер створює схему, яка використовує фотони для передачі сигналів з однієї частини схеми в іншу, так що цілком заслуговує права прокоментувати корисність неймовірної швидкості світла.

«Сам факт того, що ми збудували інфраструктуру Інтернету, наприклад, а до нього і радіо, засновану на світі, має відношення до легкості, з якою ми можемо його передавати», зазначає він. І додає, що світло постає як комунікаційна сила Всесвіту. Коли електрони в мобільному телефоні починають тремтіти, фотони вилітають і призводять до того, що електрони в іншому мобільному телефоні теж тремтять. Так народжується телефонний дзвінок. Тремтіння електронів на Сонці також випромінює фотони - у величезних кількостях - які, звичайно, утворюють світло, що дає життя на Землі тепло і, кхм, світло.

Світло – це універсальна мова Всесвіту. Його швидкість – 299 792,458 км/с – залишається постійною. Тим часом, простір та час податливі. Можливо, нам варто замислюватися не про те, як рухатися швидше за світло, а як швидше пересуватися цим простором і цим часом? Зріти в корінь, так би мовити?