Виявлено частинки, швидкість яких вища за швидкість світла? Нейтрино рухається швидше за швидкість світла.

Швидкість світла – абсолютна величина швидкості поширення електромагнітних хвиль у вакуумі. У фізиці зазвичай позначається латинської буквою «c» (вимовляється як [це]). Швидкість світла у вакуумі - фундаментальна постійна, яка залежить від вибору інерційної системи відліку (ІСО). Вона відноситься до фундаментальних фізичних постійних, які характеризують не просто окремі тіла, а властивості простору-часу в цілому. За сучасними уявленнями, швидкість світла у вакуумі - гранична швидкість руху частинок та поширення взаємодій. Також важливим є той факт, що ця величина абсолютна. Це один із постулатів СТО.

У вакуумі (порожнечі)

У 1977 року вдалося обчислити приблизну швидкість світла, рівну 299 792 458 ± 1,2 м/с розраховану з еталонного метра 1960 року. На даний момент вважають, що швидкість світла у вакуумі - фундаментальна постійна фізична, за визначенням, точно рівна 299 792 458 м/с, або приблизно 1 079 252 848,8 км/год. Точне значення пов'язано з тим, що з 1983 року за зразок метра прийнято відстань, яка проходить світло у вакуумі за проміжок часу, що дорівнює 1/299 792 458 секунди. Швидкість світла позначається літерою c.

Основний для СТО досвід Майкельсон показав, що швидкість світла у вакуумі не залежить ні від швидкості руху джерела світла, ні від швидкості руху спостерігача. У природі зі швидкістю світла поширюються:

власне видиме світло

інші види електромагнітного випромінювання (радіохвилі, рентгенівські промені та ін.)

Зі спеціальної теорії відносності випливає, що прискорення частинок, що мають масу спокою, до швидкості світла неможливе, оскільки ця подія порушила б фундаментальний принцип причинності. Тобто виключається перевищення швидкості світла сигналом, або рух маси з такою швидкістю. Однак теорія не виключає рух частинок у просторі-часі з надсвітловою швидкістю. Гіпотетичні частки, що рухаються із надсвітловою швидкістю, називаються тахіонами. Математично, тахіони легко укладаються в перетворення Лоренца - це частки з уявною масою. Чим вище швидкість цих частинок, тим менше енергії вони несуть, і навпаки, чим ближче їх швидкість швидкості світла, тим більше їх енергія - так само, як і енергія звичайних частинок, енергія тахіонів прагне нескінченності при наближенні до швидкості світла. Це найочевидніше наслідок перетворення Лоренца, що не дозволяє частинці прискоритися до швидкості світла - повідомити частинку нескінченну кількість енергії просто неможливо. Слід розуміти, що, по-перше, тахіони - це клас частинок, а не один вид частинок, і, по-друге, ніяка фізична взаємодія не може поширюватися швидше за швидкість світла. З цього випливає, що тахіони не порушують принцип причинності - зі звичайними частинками вони ніяк не взаємодіють, а між собою різницю їх швидкостей також не буває рівної швидкості світла.

Звичайні частинки, що рухаються повільніше за світло, називаються тардіонами. Тардіони не можуть досягти швидкості світла, а тільки скільки завгодно близько підійти до неї, так як при цьому їх енергія стає необмежено великою. Всі тардіони мають масу спокою, на відміну від безмасових фотонів і гравітонів, які завжди рухаються зі швидкістю світла.

У планківських одиницях швидкість світла у вакуумі дорівнює 1, тобто світло проходить 1 одиницю довжини планків за одиницю планківського часу.

У прозорому середовищі

Швидкість світла в прозорому середовищі - швидкість, з якою світло поширюється серед, відмінної від вакууму. У середовищі, що володіє дисперсією, розрізняють фазову та групову швидкість.

Фазова швидкість пов'язує частоту та довжину хвилі монохроматичного світла в середовищі (λ=c/ν). Ця швидкість зазвичай (але не обов'язково) менша за c. Відношення фазової швидкості світла у вакуумі до швидкості світла у середовищі називається показником заломлення середовища. Групова швидкість світла в рівноважному середовищі завжди менша за c. Однак у нерівноважних середовищах вона може перевищувати c. При цьому, однак, передній фронт імпульсу все одно рухається зі швидкістю, яка не перевищує швидкості світла у вакуумі.

Арман Іполит Луї Фізо на досвіді довів, що рух середовища щодо світлового променя також здатний впливати на швидкість поширення світла в цьому середовищі.

Заперечення постулату про максимальність швидкості світла

В останні роки нерідко з'являються повідомлення про те, що в так званій квантовій телепортації взаємодія поширюється швидше за швидкість світла. Наприклад, 15 серпня 2008 р. дослідна група доктора Ніколаса Гізена (Nicolas Gisin) з університету Женеви, досліджуючи рознесені на 18 км у просторі пов'язані фотонні стани, нібито показала, що «взаємодія між частинками здійснюється зі швидкістю, приблизно в сто тисяч разів більшої швидкості світла». Раніше також обговорювався так званий парадокс Хартмана - надсвітлова швидкість за тунельного ефекту.

Науковий аналіз значимості цих та подібних результатів показує, що вони принципово не можуть бути використані для надсвітлової передачі будь-якого сигналу або переміщення речовини.

Історія вимірів швидкості світла

Античні вчені, за рідкісними винятками, вважали швидкість світла нескінченною. У Новий час це питання стало предметом дискусій. Галілей і Гук припускали, що вона кінцева, хоч і дуже велика, тоді як Кеплер, Декарт і Ферма, як і раніше, відстоювали нескінченність швидкості світла.

Першу оцінку швидкості світла дав Олаф Ремер (1676). Він зауважив, що коли Земля та Юпітер знаходяться по різні боки від Сонця, затемнення супутника Юпітера Іо запізнюються порівняно з розрахунками на 22 хвилини. Звідси він отримав значення швидкості світла близько 220000 км/сек - неточне, але близьке до істинного. Через півстоліття відкриття аберації дозволило підтвердити кінцівку швидкості світла та уточнити її оцінку.

Щоб визначити швидкість (пройдена відстань/витрачений час) ми маємо вибрати стандарти відстані та часу. Різні стандарти можуть дати різні результати виміру швидкості.

Чи постійна швидкість світла?

[Насправді постійна тонкої структури залежить від масштабу енергії, але тут ми маємо на увазі її низькоенергетичну межу.]

Спеціальна теорія відносності

Визначення метра в системі СІ також ґрунтується на припущенні про коректність теорії відносності. Швидкість світла константа відповідно до основного постулату теорії відносності. Це постулат містить дві ідеї:

• Швидкість світла залежить від руху спостерігача.
• Швидкість світла не залежить від координат у часі та просторі.

Ідея про незалежність швидкості світла від швидкості спостерігача суперечить інтуїції. Деякі люди навіть не можуть погодитися, що ця ідея є логічною. У 1905 Ейнштейн показав, що ця ідея логічно коректна, якщо відмовитися від припущення про абсолютну природу простору і часу.

У 1879 році вважалося, що світло поширюється по деякому середовищі в просторі, як звук поширюється повітрям та іншими речовинами. Майкельсон та Морліпоставили експеримент з виявлення ефіру шляхом спостереження зміни швидкості світла за зміни напряму руху Землі щодо Сонця протягом року. На їх подив зміну швидкості світла не було виявлено.

У дослідному центрі Європейської організації з ядерних досліджень (ЦЕРН) отримали вкрай несподівані результати, які збентежили фізиків: схоже, що субатомні частки можуть рухатися зі швидкістю, що перевищує швидкість світла.

Підсумки експериментів незабаром будуть розміщені в інтернеті, щоб їх могли вивчити всі бажаючі експерти.

Обережність вчених, які не поспішають заявити про нове відкриття, зрозуміла – якщо результати підтвердяться, то століття розвитку фізичної науки опиниться під питанням.

Директор дослідницької лабораторії ЦЕРНу назвав результати експериментів "просто неймовірними".

За сучасними уявленнями, швидкість світла є граничною у Всесвіті. Вся сучасна фізика – сформульована у приватній теорії відносності Альберта Ейнштейна – заснована на ідеї, що ніщо не може перевищити цю фундаментальну постійну фізичну.

Було проведено тисячі експериментів, щоб встановити точне значення швидкості світла. Але жодного разу жодна частка не змогла подолати цей бар'єр.

Проте Антоніо Ередітато та його колеги виявили нейтрино, тобто субатомні частинки, яким, схоже, вдалося перевищити швидкість світла.

Ось уже три роки велика група фізиків з кількох десятків країн працює над проектом OPERA (Oscillation Project with Emulsion-Tracking Apparatus або експеримент із вивчення нейтринних осциляцій),

Експеримент спрямований на доказ гіпотези перетворення одних типів нейтрино (електронні, мюонні та тау-нейтрино) на інші.

Лікар Ередитато та його колеги відправляють із ЦЕРН до підземної лабораторії в Італії пучок нейтрино лише одного типу – мюонного.

Їхня мета – з'ясувати, скільки з посланих частинок прибуває до лабораторії Гран-Сассо вже у вигляді тау-нейтрино.

У ході експериментів дослідники помітили, що частки проходили відстань у 732 км трохи швидше, ніж світло. Якщо говорити точно, різниця становила одну шістдесятимільярдну частку секунди.

Фізики виміряли подібну швидкість подорожі нейтрино близько 15 тисяч разів. Подібна статистика дозволяє говорити про те, що йдеться про наукове відкриття.

Втім, суть такого відкриття настільки неймовірна і може зробити такий переполох не лише в науковому середовищі, а й у розумінні Всесвіту загалом, що дослідники виявляють особливу обережність.

Вони вирішили оприлюднити свої дослідження в інтернеті, щоб їх можна було піддати ретельному аналізу у світовому масштабі.

Якщо вчені мають рацію, частки можуть подорожувати в часі

Фізики дослідницького центру Європейської організації з ядерних досліджень (ЦЕРН) під час експерименту з'ясували, що субатомні частки можуть рухатися зі швидкістю, що перевищує швидкість світла.

Пучок нейтрино, спрямований із ЦЕРН до підземної лабораторії Гран-Сассо в Італії на відстань у 732 км, прибув на місце призначення, як повідомляється, на кілька мільярдних часток секунди раніше, ніж якби пересувався зі швидкістю світла.

Якщо дані експерименту будуть підтверджені, то буде спростована теорія відносності Ейнштейна, згідно з якою ніщо не може рухатися швидше за швидкість світла.

За даними вчених, пучки нейтрино обігнали її на 60 наносекунд, що суперечить постулату, що елементарні частинки не можуть рухатися швидше за швидкість світла.

Російська служба Бі-Бі-Сі поговорила про результати експерименту з Рубеном Саакяном, професором фізики Університетського коледжу Лондона.

Бі-бі-сі: Ви працювали в лабораторії Гран-Сассо, і, мабуть, добре знайомі з експериментом "Опера".

Рубен Саакян:Я покинув лабораторію Гран-Сассо більше 10 років тому, коли "Опера" лише будувалася. "Опера" - це експеримент, який займається пошуком такого явища, як нейтринні осциляції, тобто перетворення одного типу нейтрино в інший.

Нейтрино - це фундаментальні частинки, так звані цеглини світобудови. Вони мають низку цікавих властивостей, зокрема перетворення з одного типу на інший. "Опера" призначена для того, щоб вивчати цю проблему.

Той результат (дані, що нейтрино рухаються зі швидкістю, що перевищує швидкість світла), був побічним продуктом експерименту, який вони робили.

Бі-бі-сі: Чи переконливі представлені вченими результати?

Р.С.:Опубліковані результати виглядають переконливо. В експериментальній науці існує чисельна міра довіри до результату, тобто ваш вимір має перевищувати похибку виміру принаймні вп'ятеро. А у них воно перевищує у шість разів.

З іншого боку, це складне вимір, у ньому багато елементів, і кожному етапі існує багато способів зробити його неправильно. І тому слід сприймати його зі здоровим скептицизмом. На честь авторів, вони не інтерпретують результат, а просто констатують дані, отримані в ході експерименту.

Бі-бі-сі: Як відреагувало світове наукове співтовариство на ці дані?

Р.С.:Світова спільнота відреагувала зі здоровим скептицизмом та навіть консерватизмом. Це ж серйозний експеримент, а не популістська заява.

Наслідки, якщо буде доведена істинність цих даних, є надто серйозними, щоб їх легко сприймати.

Зміняться наші фундаментальні уявлення про світ. Тепер люди чекатимуть на подальші публікації систематичних помилок експерименту і, найголовніше, даних незалежних експериментів.

Бі-бі-сі: Яких, наприклад?

Р.С.:Існує американський експеримент "Мінус", який може цей вимір підтвердити. Він дуже схожий на "Оперу". На прискорювачі виробляється пучок нейтрино, потім посилається на 730 кілометрів та вимірюється у підземній лабораторії. Суть виміру проста: ви знаєте час між вашим джерелом та вашим детектором, ви міряєте час, за який він прийшов, і таким чином визначаєте швидкість.

Диявол у деталях. "Мінус" вже чотири роки тому зробив схожий вимір, але тоді у них та величина, яку вони виміряли, і похибка були зрівнянні один з одним. Їхня ключова проблема полягала в тому, що у них не було точної відстані.

730 кілометрів між джерелом та детектором складно виміряти з абсолютною точністю, а "Опера" нещодавно зуміла геодезичними методами виміряти цю відстань аж до 20 сантиметрів. "Мінус" намагатиметься зробити те саме і тоді зможе перевірити дані цього експерименту.

Бі-бі-сі: Якщо результат експерименту підтвердиться, як це вплине на традиційні уявлення про світ?

Р.С.:Якщо це підтвердиться, результат буде серйозний. Нині існують дві теорії, які пояснюють з наукового погляду весь світ, що оточує нас: квантова теорія мікросвіту і теорія відносності Ейнштейна.

Результат експерименту (нейтрино рухаються зі швидкістю, що перевищує швидкість світла) прямо суперечать теорії відносності Ейнштейна, яка стверджує, що у будь-якій точці відліку швидкість світла постійна і ніщо не може обігнати швидкість світла.

Існує безліч запаморочливих наслідків, зокрема, можливість подорожі в часі (для частинок).

Фізики виявили, що частинки світла (фотони) можуть жити близько 1 трильйона років, а після розпаду виділяють у свою чергу дуже легкі частки, які можуть рухатися швидше за світло! З часом багато частинок схильні до природного розпаду. Наприклад, нестійкі радіоактивні атоми у певний момент розпадаються на дрібні частинки та виділяють сплеск енергії.

Буквально нещодавно вчені були впевнені, що фотони не розпадаються, оскільки вважалося, що вони не мають багато. Тим не менш, в даний час вчені припускають, що фотони мають масу, просто вона настільки мала, що не може бути виміряна за допомогою сучасних приладів.

Нинішня верхня межа маси фотона настільки мала, що становить менше однієї мільярдної, мільярдної, мільярдної частки маси протона. На підставі цього показника вчені підрахували, що фотон у видимому спектрі може жити близько 1 трильйона років. Однак цей надзвичайно тривалий термін життя поширений не на всі фотони, він розрахований у середньому. Існує ймовірність, що деякі фотони живуть дуже мало. Наш Всесвіт, що з'явився в результаті Великого Вибуху, в даний час близько 13,7 мільярда років. І наукові проекти, що проводяться в даний час, призначені не тільки для вимірювання післясвітіння Великого Вибуху, але і для можливого виявлення ознак раннього розпаду фотонів.

Якщо фотон зламати, в результаті розпаду повинні виділитися ще більш легкі частинки, ті, які здатні подорожувати у нашому Всесвіті швидше за швидкість світла. Ці примарні частки (нейтрино) дуже рідко взаємодіють зі звичайною матерією. Численні потоки нейтрино мчать кожну частку секунди не тільки крізь космічні простори, зірки і тіла, але й через кожну людину, яка живе на Землі, при цьому не впливаючи на нашу матерію.

При розпаді кожен фотон виділяє два легкі нейтрино, які, будучи легшими, ніж світло, рухаються швидше фотонів. Відкриття нейтрино, здавалося б, порушує закон теорії відносності Ейнштейна про те, що ніщо не може рухатися швидше за світло, проте це не так, оскільки теорія заснована на тому, що фотон не має маси тіла. А теоретично говориться, що ніяка частка не може рухатися швидше, ніж безмасова частка.

Крім того, теорія відносності Ейнштейна припускає, що частки рухаються надзвичайно швидко, перебуваючи у спотвореному часовому просторі. Тобто, якби вони мали свідомість, у них склалося б враження, що всі, що відбуваються навколо них, перебуває в режимі дуже «уповільненої зйомки». Це означає, що в нашому тимчасовому просторі фотони повинні жити близько 1 трильйона років, а в їхньому тимчасовому потоці — лише близько трьох років.

Сергій Василенков

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