Чому не можна летіти зі швидкістю світла. Чому не можна перевищити швидкість світла? Квантовий тунельний ефект

Цьогорічний рекорд швидкості у космосі тримається вже 46 років. Коли ж його буде побито? Ми, люди, одержимі швидкістю. Так, лише за останні кілька місяців стало відомо про те, що студенти в Німеччині поставили рекорд швидкості для електромобіля, а в США планують так удосконалити гіперзвукові літаки, щоб ті розвивали швидкість п'ять разів, що перевищує швидкість звуку, тобто. понад 6100 км/год. У таких літаків не буде екіпажу, але не тому, що люди не можуть пересуватися з такою високою швидкістю. Насправді люди вже переміщалися зі швидкістю, яка в кілька разів вища за швидкість звуку. У 1969 році, коли астронавти облетіли навколо Місяця і поверталися назад, капсула в якій вони знаходилися, розвинула швидкість, яка на Землі дорівнювала б 39,897 км / год. "Я думаю, що сто років тому ми навряд чи могли собі уявити, що людина зможе переміщатися в космосі зі швидкістю майже 40 тисяч кілометрів на годину", - говорить Джим Брей з аерокосмічного концерну Lockheed Martin. Брей - директор проекту модуля для перспективного корабля "Оріон" (Orion) ), який розробляється Космічним агентством США НАСА. За задумом розробників, космічний корабель "Оріон" – багатоцільовий та частково багаторазовий - мусить виводити астронавтів на низьку орбіту Землі. Нова надважка ракета, що входить до Системи космічних пусків (Space Launch System), повинна, згідно з планом, здійснити свій перший пілотований політ у 2021 році. Це буде обліт астероїда, що знаходиться на близькомісячній орбіті. Потім мають відбутися багатомісячні експедиції до Марса. Зараз, на думку конструкторів, звичайна максимальна швидкість "Оріона" має становити приблизно 32 тисячі км/год. Однак швидкість, яку розвинув "Аполлон 10", можна буде перевершити навіть при збереженні базової конфігурації корабля "Оріон". "Orion призначений для польотів до різних цілей протягом усього свого терміну експлуатації, - каже Брей. , Що ми зараз плануємо ". Але навіть "Оріон" не буде представляти пік швидкісного потенціалу людини. "По суті, не існує іншої межі швидкості, з якою ми можемо переміщатися, крім швидкості світла", - говорить Брей. Швидкість світла 1 млрд км/год. Чи є надія, що нам вдасться подолати розрив між 40 тисячами км/год та цими величинами? бік. Отже, люди – теоретично – можуть переміщатися у просторі лише трохи повільніше " швидкісної межі всесвіту " , тобто. швидкості світла. Але навіть якщо припустити, що ми подолаємо значні технологічні перешкоди, пов'язані зі створенням швидкісних космічних кораблів, наші тендітні, що складаються в основному з води тіла, зіткнуться з новими небезпеками, пов'язаними з ефектами високої швидкості. якщо люди зможуть пересуватися швидше за швидкість світла завдяки використанню лазівок у сучасній фізиці або за допомогою відкриттів, що розривають шаблон. Як витримати перевантаження Втім, якщо ми маємо намір пересуватися зі швидкістю понад 40 тисяч км/год, нам доведеться досягати її, а потім уповільнюватися, не поспішаючи і зберігаючи терпіння. Про це свідчить тяжкість тілесних травм, що виникають внаслідок автомобільних катастроф, при яких швидкість падає з кількох десятків кілометрів на годину до нуля. У чому причина цього? У тому властивості Всесвіту, що зветься інерції чи здібності фізичного тіла, що має масою, протистояти зміні його стану спокою чи руху за відсутності чи компенсації зовнішніх впливів. спокою або рівномірного і прямолінійного руху, поки і оскільки він не спонукається докладеними силами змінювати цей стан. Близько століття тому створення міцних літаків, які могли маневрувати на швидкості, призвело до того, що пілоти почали говорити про дивні симптоми, що викликаються змінами швидкості та напряму польоту. Ці симптоми включали в себе тимчасову втрату зору і відчуття або тяжкості, або невагомості. Ці одиниці відображають вплив прискорення вільного падіння на масу, наприклад, людського тіла. які людина відчуває вертикально з голови до п'ят чи навпаки, є поганою новиною для пілотів і пасажирів. При негативних навантаженнях, тобто. уповільнення, кров приливає від пальців на ногах до голови, виникає відчуття перенасичення, як при стійці на руках. закривають зіниці очей. І, навпаки, при прискоренні чи позитивних навантаженнях кров відливає від голови до ніг, очі і мозок починають відчувати нестачу кисню, оскільки кров накопичується в нижніх кінцівках. Спочатку зір туманиться, тобто. відбувається втрата кольорового зору і накочує, що називається, "сіра пелена", потім настає повна втрата зору або "чорна пелена", але людина залишається у свідомості. Надмірні навантаження ведуть до повної втрати свідомості. Цей стан називають непритомністю, викликаним перевантаженням. Багато пілотів загинули через те, що на їхні очі опускалася "чорна пелена" - і вони розбивалися. Середньостатистична людина може винести перевантаження приблизно в п'ять G, перш ніж знепритомніє. розслабляти м'язи торсу для того, щоб кров не відливала від голови, здатні керувати літаком при перевантаженнях приблизно в дев'ять G. "Протягом коротких періодів часу людське тіло може переносити набагато сильніші навантаження, ніж дев'ять G", - каже Джефф Свентек, виконавчий директор Асоціації аерокосмічної медицини, розташованої в місті Олександрія, штат Вірджинія. - Але витримувати високі перевантаження протягом тривалого періоду часу здатні дуже небагато". поставив капітан ВПС США Елі Бідінг-молодший на а віабазе Холломен в Нью-Мексико. У 1958 році він при гальмуванні на спеціальних санях з ракетним двигуном після розгону до 55 км/год за 0.1 секунду зазнав перевантаження в 82.3 G. Цей результат зафіксував акселерометр, закріплений у нього на грудях. На очі Бідінга також впала "чорна пелена", але він відбувся тільки синцями під час цієї видатної демонстрації витривалості людського організму. Щоправда, після заїзду він провів три дні у шпиталі. А тепер у космос Астронавти, залежно від автомобіля, також відчували досить високі навантаження - від трьох до п'яти G - під час зльотів і при поверненні в щільні шари атмосфери відповідно. положенні лежачи обличчям у напрямку польоту. Після досягнення стабільної крейсерської швидкості в 26 000 км/год на орбіті астронавти відчувають швидкість не більше, ніж пасажири комерційних авіарейсів. космічним камінням – мікрометеоритами – все складніше. Ці частинки розміром з рисове зернятко можуть розвивати вражаючі і при цьому руйнівні швидкості до 300 тисяч км/год. Для забезпечення цілісності корабля та безпеки його екіпажу "Оріон" оснащений зовнішнім захисним шаром, товщина якого варіюється від 18 до 30 см. Крім того, передбачені додаткові екрануючі щити, а також використовується хитромудре розміщення обладнання всередині корабля. важливих для всього космічного корабля, ми повинні точно розраховувати кути підльоту мікрометеоритів", - каже Джим Брей. Будьте впевнені: мікрометеорити - не єдина перешкода для космічних експедицій, під час яких високі швидкості польоту людини в безповітряному просторі будуть відігравати все більш важливу роль. Під час експедиції до Марса доведеться вирішувати й інші практичні завдання, наприклад, щодо постачання екіпажу продовольством та протидії підвищеній небезпеці ракових захворювань через вплив на людський організм космічної радіації. ой. Нові кораблі НАСА, які загрожують побити рекорд швидкості "Аполлона 10", як і раніше, будуть покладатися на випробувані часом хімічні системи ракетних двигунів, що використовуються з часів перших. Але ці системи мають жорсткі обмеження швидкості через вивільнення малих величин енергії на одиницю палива. Тому, щоб істотно збільшити швидкість польоту для людей, що вирушають на Марс і далі, необхідні, як визнають вчені, абсолютно нові підходи. хотіли б стати свідками революції в двигунах”. кошти, з точки зору традиційної фізики, здатні допомогти людству досягти швидкостей, розумно достатніх для міжпланетних подорожей.Якщо коротко, йдеться про явища виділення енергії при розщепленні речовини, термоядерному синтезі та анігіляції антиматерії.Перший метод полягає в розподілі атомів і застосовується в комерційних ядерних реакторах.Другий, термоядерний синтез, полягає в створенні більш важких атомів із простих атомів - такого роду реакції живлять енергією Сонце. Це технологія, яка заворожує, але не дається до рук; до її набуття "завжди залишається ще 50 років" - і так буде завжди, як говорить старий девіз цієї галузі. "Це дуже передові технології, - каже Девіс, - але вони засновані на традиційній фізиці і міцно утвердилися ще на зорі Атомного віку". За оптимістичними оцінками, рухові системи, засновані на концепціях поділу атомів і термоядерному синтезі, теоретично, здатні розігнати корабель до 10% швидкості світла, тобто. до дуже гідних 100 мільйонів км/год. Найбільш переважне, хоч і важкодосяжне джерело енергії для швидкого космічного корабля - це антиматерія, двійник і антипод звичайної матерії. У той же час виробництво антиречовини в корисних кількостях вимагатиме нових спеціальних потужностей наступного покоління, а інженерної думки доведеться вступити в конкурентну гонку зі створення відповідного космічного корабля. Як каже Девіс, чимало відмінних ідей вже опрацьовується на креслярських дошках. При цьому перевантаження на борту залишатимуться прийнятними для мешканців кораблів. Разом з тим, такі фантастичні нові швидкості будуть таїти в собі й інші небезпеки для організму людини. Енергетичний градНа швидкості в кілька сотень мільйонів кілометрів на годину будь-яка порошинка в космосі, від розпорошених атомів водню до мікрометеоритів, неминуче стає кулею, що володіє високою енергією і здатною прошити корпус корабля наскрізь. Разом з покійним батьком, Вільямом Едельстайном, професором радіології в Медичній школі Університету імені Джона Хопкінса, він працював над науковою працею, в якій розглядалися наслідки впливу атомів космічного водоймища. на людей і техніку) під час надшвидких космічних подорожей в космосі. Хоча його вміст не перевищує одного атома на кубічний сантиметр, розсіяний в космосі водень може придбати властивості інтенсивної радіаційної бомбардування. Ію радіації як екіпаж, так і обладнання. На швидкості, що дорівнює 95% швидкості світла, вплив такої радіації означатиме майже миттєву смерть. , негайно закипить. "Це всі вкрай неприємні проблеми", - зауважує Едельстайн з похмурим гумором. переміщатися зі швидкістю, яка не перевищує половини швидкості звуку. Тоді люди на борту мають шанс вижити. Марк Мілліс, фізик, який займається проблемами поступального руху, і колишній керівник програми НАСА з проривних розробок у фізиці руху, попереджає, що ця потенційна межа швидкості для польотів у космосі залишається поки що проблемою віддаленого майбутнього. фізичних знань, накопичених до теперішнього часу, можна сказати, що розвинути швидкість понад 10% від швидкості світло буде вкрай важко, - каже Мілліс.- Небезпека нам поки що не загрожує. не увійшли у воду”. Швидше за світло? Якщо припустити, що ми, так би мовити, навчилися плавати, чи зможемо ми тоді освоїти ковзання за космічним часом - якщо розвивати далі цю аналогію - і літати з надсвітловою швидкістю? Один із таких інтригуючих способів переміщення заснований на технологіях, подібних до тих, що застосовуються в "варп-двигуні" або "двигуні викривлення" з серіалу "Зоряний шлях". Принцип дії цієї силової установки, відомої ще як "двигун Алькуб'єрре"* (названого на прізвище мексиканського фізика-теоретика Мігеля Алькуб'єрре), полягає в тому, що він дозволяє кораблю стискати перед собою нормальний простір-час, описаний Альбертом Ейнштейном, і розширювати його позаду себе. По суті, корабель переміщається обсязі простору-часу, своєрідному "міхурі викривлення", який рухається швидше за швидкість світла. Таким чином, корабель залишається нерухомим у нормальному просторі-часі в цьому "бульбашці", не піддаючись деформаціям і уникаючи порушень універсальної межі швидкості світла. як серфінгіста, що мчить на дошці по гребеню хвилі ". Є тут і певний каверз. Для реалізації цієї витівки необхідна екзотична форма матерії, що володіє негативною масою, щоб стискати і розширювати простір-час. Існує й інший підступ. В опублікованій в 2012 році роботі дослідники з Університету Сіднея припустили, що "бульбашка викривлення" накопичуватиме заряджені високою енергією космічні частинки, оскільки неминуче почне взаємодіяти з вмістом Всесвіту. Невже ми так і приречені застрягти на етапі досвітніх швидкостей через нашу делікатну біологію?! Адже не стільки про те, щоб встановити новий світовий (галактичний?) рекорд швидкості для людини, скільки про перспективу перетворення людства на міжзоряне суспільство. .Зі швидкістю в половину швидкості світла - а це та межа, яка, згідно з даними пошуків Едельстайна, здатна витримати наш організм - подорож до найближчої зірки в обидва кінці займе понад 16 років. (Ефекти розширення часу, під впливом яких для екіпажу зорельоту в його системі координат пройде менше часу, ніж для людей, що залишилися на Землі у своїй системі координат, не призведуть до драматичних наслідків на швидкості, що становить половину швидкості світла). Марк Мілліс сповнений надій. Зважаючи на те, що людство винайшло протиперевантажувальні костюми та захист від мікрометеоритів, що дозволяють людям безпечно подорожувати у великій блакитній далечіні та засіяній зірками чорноті космосу, він упевнений, що ми зможемо знайти способи виживання, на які б швидкісні рубежі не вийшли в майбутньому. А самі технології, які зможуть допомогти нам досягати неймовірних нових швидкостей переміщення, - розмірковує Мілліс, - забезпечать нас новими, поки невідомими можливостями для захисту екіпажів". А в 1995 році російський фізик-теоретик Сергій Красніков запропонував концепцію пристрою для космічних подорожей швидше за швидкість звуку. Ідея отримала назву "труби Краснікова". Це штучне викривлення простору часу за принципом так званої кротової нори. Гіпотетично корабель рухатиметься по прямій від Землі до заданої зірки крізь викривлений простір-час, проходячи через інші виміри. Згідно з теорією Краснікова, космічний мандрівник повернеться назад у той самий час, коли він вирушив у дорогу.

Зі шкільної лави нас вчили - перевищити швидкість світла неможливо, і тому переміщення людини в космічному просторі є великою нерозв'язною проблемою (як долетіти до найближчої сонячної системи, якщо світло зможе подолати цю відстань лише за кілька тисяч років?). Можливо, американські вчені знайшли спосіб літати на надшвидкості, не тільки не обдуривши, але й дотримуючись фундаментальних законів Альберта Ейнштейна. У всякому разі, так стверджує автор проекту двигуна деформації простору Гарольд Уайт.

Ми в редакції визнали новину абсолютно фантастичною, тому сьогодні, напередодні Дня космонавтики, публікуємо репортаж Костянтина Какаєса для журналу Popular Science про феноменальний проект NASA, у разі успіху якого людина зможе вирушити за межі Сонячної системи.

У вересні 2012 року кілька сотень вчених, інженерів та космічних ентузіастів зібралися разом для другої публічної зустрічі гурту під назвою 100 Year Starship. Групою керує колишній астронавт Май Джемісон, і засновано вона DARPA. Мета конференції – «уможливити подорож людини за межі Сонячної системи до інших зірок протягом найближчих ста років». Більшість учасників конференції визнають, що зрушення в вивченні космічного простору, що пілотується, занадто незначні. Незважаючи на мільярди доларів, витрачених в останні кілька кварталів, космічні агенції можуть майже стільки ж, скільки могли у 1960-х. Власне, 100 Year Starship скликана, щоби все це виправити.

Але ближчий до справи. Через кілька днів конференції її учасники дійшли найфантастичніших тем: регенерація органів, проблема організованої релігії на борту корабля тощо. Одна з найцікавіших презентацій на зборах 100 Year Starship називалася «Механіка деформаційного поля 102» і провів її Гарольд «Сонні» Уайт з NASA. Ветеран агентства Уайт керує просунутою імпульсною програмою в космічному центрі Джонсона (JSC). Разом із п'ятьма колегами він створив «Дорожню карту космічних рухових систем», яка озвучує цілі NASA у найближчих космічних подорожах. На плані перераховуються всі види рухових проектів: від удосконалених хімічних ракет до розробок, що далеко йдуть, на зразок антиматерії або ядерних машин. Але область досліджень Уайта є найбільш футуристичною з усіх: вона стосується двигуна деформації простору.

Зрозуміло, що все це звучить абсолютно фантастично: подібні розробки - це справжня революція, яка розв'яже руки всім астрофізикам світу. Замість витрачати 75 тисяч років на подорож до Альфа-Центаври, найближчої до нашої зіркової системи, астронавти на кораблі з таким двигуном зможуть здійснити цю подорож за кілька тижнів.

У світлі закриття програми запуску шатлів і дедалі більшої ролі приватних польотів до навколоземної орбіти NASA заявляє, що переорієнтується на далекосяжні, набагато сміливіші плани, що виходять далеко за межі подорожей на Місяць. Досягти цих цілей можна лише з допомогою розвитку нових рухових систем - що швидше, краще. Через кілька днів після конференції глава NASA Чарльз Болден, повторив слова Уайта: «Ми хочемо пересуватися швидше за швидкість світла і без зупинок на Марсі».

ЗВІДКИ МИ ЗНАЄМО ПРО ЦЕЙ ДВИГУН

Перше популярне використання виразу "двигун деформації простору" датується 1966 роком, коли Джен Родденберрі випустив "Зоряний шлях". Наступні 30 років цей двигун існував лише як частина цього фантастичного серіалу. Фізик на ім'я Мігель Алькуб'єрре подивився один з епізодів цього серіалу якраз у той момент, коли працював над докторською в галузі загальної теорії відносності і ставив питання, чи можливе створення двигуна деформації простору в реальності. 1994 року він опублікував документ, що викладає цю позицію.

Алькуб'єрре представив у космосі міхур. У передній частині міхура час-простір скорочується, а задній - розширюється (як було за Великому вибуху, на думку фізиків). Деформація змусить корабель гладко ковзати в космічному просторі, ніби він серфіл на хвилі, незважаючи на навколишній шум. У принципі деформований міхур може рухатися скільки завгодно швидко; обмеження у швидкості світла, за теорією Ейнштейна, поширюються лише у контексті простору-часу, але з таких спотвореннях простору-часу. Усередині міхура, як припускав Алькуб'єрре, простір-час не зміниться, а космічним мандрівникам не буде завдано жодної шкоди.

Рівняння Ейнштейна у загальній теорії відносності складно вирішити щодо одного напрямі, з'ясовуючи, як матерія викривляє простір, але це можливо. Використовуючи їх, Алькуб'єрре визначив, що розподіл матерії є необхідною умовою створення деформованого міхура. Проблема лише тому, що рішення призводили до невизначеної формі матерії під назвою негативна енергія.

Говорячи простою мовою, гравітація – це сила тяжіння між двома об'єктами. Кожен об'єкт незалежно від його розмірів надає певну силу тяжіння навколишню матерію. На думку Ейнштейна, ця сила є викривленням простору-часу. Негативна енергія, однак, гравітаційно негативна, тобто відразлива. Замість з'єднувати час і простір, негативна енергія відштовхує і роз'єднує їх. Грубо кажучи, щоб така модель працювала, Алькубьерре необхідна негативна енергія, щоб розширювати простір-час позаду корабля.

Незважаючи на те, що ніхто і ніколи особливо не вимірював негативну енергію, згідно з квантовою механікою, вона існує, а вчені навчилися створювати її в лабораторних умовах. Один із способів її відтворення – через Казіміров ефект: дві паралельно провідні пластини, розташовані близько один до одного, створюють деяку кількість негативної енергії. Слабке місце моделі Алькубьерре в тому, що для її здійснення потрібна величезна кількість негативної енергії, на кілька порядків вище, ніж, за оцінками вчених, її можна зробити.

Уайт каже, що він знайшов, як піти в обхід цього обмеження. У комп'ютерному симуляторі Уайт змінив геометрію деформаційного поля так, що в теорії він міг би виробляти деформований міхур, використовуючи в мільйони разів менше негативної енергії, ніж потрібно за оцінками Алькуб'єрра, і, можливо, досить мало, щоб космічний корабель міг нести засоби його виробництва. «Відкриття, – каже Уайт, – змінюють метод Алькуб'єрре з непрактичного на цілком правдоподібний».

РЕПОРТАЖ З ЛАБОРАТОРІЇ УАЙТУ

Космічний центр Джонсона розташувався поруч із лагунами Х'юстона, звідки відкривається шлях до затоки Гальвестон. Центр трохи нагадує приміський кампус коледжу, спрямований лише на підготовку астронавтів. У день мого відвідування Уайт зустрічає мене у будівлі 15, багатоповерховому лабіринті коридорів, офісів та лабораторій, у яких проводяться випробування двигуна. На Уайті сорочка поло з емблемою Eagleworks (так він називає свої експерименти зі створення двигуна), на якій вишитий орел, що ширяє над футуристичним космічним кораблем.

Уайт розпочинав свою кар'єру з роботи інженером – проводив дослідження у складі роботічної групи. Згодом він узяв на себе командування всім крилом, яке займається роботами на МКС, одночасно закінчуючи писати докторську в галузі фізики плазми. Тільки 2009-го він змінив свої інтереси на вивчення руху, і ця тема захопила його настільки, що стала основною причиною, через яку він вирушив працювати на NASA.

«Він досить незвичайна людина, – каже його бос Джон Епплуайт, який очолює відділення рухових систем. - Він абсолютно точно великий фантазер, але водночас і талановитий інженер. Він уміє перетворювати свої фантазії на реальний інженерний продукт». Приблизно в той же час, коли він приєднався до NASA, Уайт попросив дозволу відкрити свою лабораторію, присвячену просунутим руховим системам. Він сам і вигадав назву Eagleworks і навіть попросив NASA створити логотип для його спеціалізації. Тоді й розпочалася ця робота.

Уайт веде мене до свого офісу, який ділить із колегою, що займається пошуками води на Місяці, а потім веде вниз до Eagleworks. На ходу він розповідає мені про своє прохання відкрити лабораторію і називає це «довгим важким процесом пошуку рухомого руху, щоб допомогти людині дослідити космос».

Уайт демонструє мені об'єкт і показує його центральну функцію - щось, що він називає "квантовий вакуумний плазмовий двигун" (QVPT). Це пристосування зовні схоже на величезний червоний оксамитовий пончик з проводами, що щільно обплітають серцевину. Це одна з двох ініціатив Eagleworks (друга – деформаційний двигун). Ще це таємна технологія. Коли я питаю, що це, Уайт відповідає, що може сказати тільки, що ця технологія навіть крутіша, ніж деформаційний двигун). Згідно зі звітом NASA за 2011 рік, написаним Уайтом, апарат використовує квантові флуктації в порожньому просторі як джерело палива, а отже, космічний корабель, що рухається QVPT, не вимагає палива.

Двигун використовує квантові флуктації в порожньому просторі як джерело палива,
отже, космічний корабель,
приведений у рух QVPT, не вимагає палива.

Коли девайс працює, система Уайта виглядає кінематографічно ідеально: колір лазера червоний, і два промені схрещені, як шаблі. Усередині кільця знаходяться чотири керамічні конденсатори, виготовлені з титанату барію, який Уайт заряджає до 23 тисяч вольт. Уайт провів останні два з половиною роки, розробляючи експеримент, і він каже, що конденсатори демонструють величезну потенційну енергію. Однак, коли я питаю, як створити негативну енергію, необхідну для деформованого простору-часу, він ухиляється від відповіді. Він пояснює, що підписав угоду про нерозголошення і тому не може розкривати подробиці. Я питаю, з ким він укладав ці угоди. Він каже: «З людьми. Вони приходять і хочуть поговорити. Більше подробиць я вам повідомити не можу.

ПРОТИВНИКИ ІДЕЇ ДВИГУНА

Поки що теорія деформованої подорожі досить інтуїтивна - деформація часу і простору, щоб створити міхур, що рухається, - і в ній є кілька значних недоліків. Навіть якщо Уайт значно зменшить кількість негативної енергії, яку запитує Алькуб'єрре, її все одно буде потрібно більше, ніж здатні зробити вчені, заявляє Лоуренс Форд, фізик-теоретик в університеті Тафтс, який за останні 30 років написав безліч статей на тему негативної енергії. Форд та інші фізики заявляють, що є фундаментальні фізичні обмеження, причому справа не так в інженерних недосконалостях, як у тому, що така кількість негативної енергії не може існувати в одному місці тривалий час.

Інша складність: для створення деформаційної кулі, яка рухається швидше за світло, вченим потрібно виробити негативну енергію навколо космічного корабля і в тому числі над ним. Уайт не вважає, що це проблема; він дуже туманно відповідає, що двигун, швидше за все, працюватиме завдяки певному «апарату, який створює необхідні умови». Однак створення цих умов перед кораблем означатиме забезпечення постійного постачання негативної енергії, що переміщується швидше за швидкість світла, що знову суперечить загальній теорії відносності.

Зрештою, двигун деформації простору ставить концептуальне питання. У загальній теорії відносності подорож на надсвітловій швидкості еквівалентна подорожі у часі. Якщо такий двигун є реальним, Уайт створює машину часу.

Ці перешкоди породжують певні серйозні сумніви. «Не думаю, що відома нам фізика та її закони дозволяють припустити, що він чогось досягне своїми експериментами», - каже Кен Олум, фізик з університету Тафтс, який також брав участь у дебатах щодо екзотичного руху на зборах «100-річчя зіркового корабля ». Ноа Грехам, фізик з коледжу Міддлбері, який читав дві роботи Уайта на моє прохання, написав мені e-mail: «Не бачу цінних наукових доказів, крім посилань до його попередніх робіт».

Алькуб'єрре, нині фізик у Національному автономному університеті Мексики, сам висловлює сумнів. «Навіть якщо я стою на космічному кораблі і в мене є негативна енергія, мені нізащо не помістити її туди, куди потрібно, - каже він мені телефоном зі свого будинку в Мехіко. - Ні, ідея чарівна, мені подобається, я ж її сам і написав. Але в ній є кілька серйозних недоліків, які я вже зараз, з роками, бачу, і я не знаю жодного способу їх виправити».

МАЙБУТНЄ СВЕРХШВИДКОСТЕЙ

Ліворуч від головних воріт Джонсонського наукового центру лежить на боці ракета «Сатурн-В», її щаблі роз'єднані для демонстрації внутрішнього вмісту. Він гігантський - розмір одного з безлічі двигунів дорівнює розміру маленького автомобіля, а сама ракета на пару футів довша за футбольне поле. Це, звісно, ​​цілком промовисте свідчення особливостей космічного плавання. Крім того, їй 40 років, і час, який вона репрезентує - коли NASA було частиною величезного національного плану з відправлення людини не Місяць, - давно минув. Сьогодні JSC – це просто місце, яке колись було великим, але відтоді залишило космічний авангард.

Прорив у русі може означати нову еру для JSC та NASA, і певною мірою частина цієї ери починається вже зараз. Зонд Dawn («Світанок»), запущений 2007-го, вивчає кільце астероїдів за допомогою іонних двигунів. У 2010-му японці ввели в експлуатацію «Ікар», перший міжпланетний зоряний корабель, що рухається сонячним вітрилом, ще один вид експериментального руху. І в 2016-му вчені планують випробувати VASMIR, систему, що працює на плазмі, зроблену спеціально для високої рухової тяги до ISS. Але коли ці системи, можливо, доставлять астронавтів на Марс, вони ще не будуть здатні закинути їх за межі Сонячної системи. Щоб домогтися цього, за словами Уайта, NASA потрібно буде піти на більш ризиковані проекти.

Деформаційний двигун - можливо, найпритягнутіший за вуха з насовських зусиль зі створення проектів руху. Наукове співтовариство заявляє, що Уайт не може створити його. Експерти заявляють, що він працює проти законів природи та фізики. Незважаючи на це, за проектом стоїть NASA. «Його субсидують не на тому високому державному рівні, на якому мали б, - каже Апплуайт. - Я думаю, що дирекція має якийсь особливий інтерес у тому, щоб він продовжував свою роботу; це з тих теоретичних концепцій, у разі успіхів яких гра змінюється повністю».

У січні Уайт зібрав свій деформаційний інтерферометр і вирушив до наступної мети. Eagleworks переріс власний будинок. Нова лабораторія більша і, як він заявляє з ентузіазмом, «сейсмічно ізольована», маючи на увазі, що він захищений від вагань. Але, можливо, найкраще в новій лабораторії (і вражаюче) - те, що NASA створило Уайту такі ж умови, що були у Ніла Армстронга та Базза Олдріна на Місяці. Що ж, побачимо.

Лікар технічних наук А. ГОЛУБЄВ.

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

Приклади "надсвітлового" руху.

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

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

Експеримент Ліджуна Вонґа.

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

Світловий імпульс є набір коливань різної частоти.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Не вдаючись тут до деталей, вкажемо лише, що докладний аналізмеханізму дії посилюючого середовища 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 і було зареєстровано експериментаторами. І тут справді немає протиріччя з теорією відносності: просто процес посилення такий, що концентрація фотонів, що вийшли раніше, виявляється більшою, ніж пізніше. З надсвітловою швидкістю переміщуються не фотони, а загальна імпульсу, зокрема його максимум, який і спостерігається на осцилографі.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Див. у номері на ту саму тему

Але виявилось, що можна; тепер вважають, що ми ніколи не зможемо подорожувати швидше світла...". Але насправді це неправда, що хтось колись вважав, що рухатися швидше за звук неможливо. Задовго до того, як з'явилися надзвукові літаки вже було відомо, що швидше звуку летять кулі, реально ж йшлося про те, що неможливий керованийнадзвуковий політ і помилка була в цьому. СС рух – це зовсім інша справа. Із самого початку було ясно, що надзвуковому польоту перешкоджають технічні проблеми, які треба було б просто вирішити. Але зовсім неясно, чи можна колись вирішити проблеми, що перешкоджають СС руху. Теорія відносності може багато чого сказати з цього приводу. Якщо буде можлива СС подорож або навіть передача сигналу, то буде порушена причинність, а з цього будуть абсолютно неймовірні висновки.

Спочатку ми обговоримо прості випадки руху СС. Ми згадуємо їх не тому, що вони цікаві, а тому, що вони знову і знову спливають в обговореннях руху СС і тому з ними доводиться мати справу. Потім ми обговоримо те, що вважаємо складними випадками СС руху чи спілкування, і розглянемо деякі аргументи проти них. Нарешті, ми розглянемо найсерйозніші припущення про цей СС руху.

Просте СС рух

1. Явище черенківського випромінювання

Один спосіб рухатися швидше світла полягає в тому, щоб спершу сповільнити саме світло! :-) У вакуумі світло летить зі швидкістю c, і ця величина є світовою постійною (див. питання Постійна швидкість світла), а в більш щільному середовищі на кшталт води або скла - сповільнюється до швидкості c/n, де n- це показник заломлення середовища (1,0003 у повітря; 1,4 у води). Тому частки можуть рухатися у воді чи повітрі швидше, ніж там рухається світло. В результаті виникає випромінювання Вавилова-Черенкова (див. питання).

Але коли ми говоримо про СС руху, ми, звичайно, маємо на увазі перевищення над швидкістю світла у вакуумі c(299792458 м/с). Тому явище Черенкова неспроможна вважатися прикладом СС руху.

2. З третього боку

Якщо ракета Алетить від мене зі швидкістю 0,6cна захід, а інша Б- від мене зі швидкістю 0,6cна схід, то тоді загальна відстань між Аі Бу моїй системі відліку збільшується зі швидкістю 1,2c. Таким чином, видима відносна швидкість, велика, може спостерігатися "з третьої сторони".

Однак така швидкість – це не те, що ми зазвичай розуміємо під відносною швидкістю. Справжня швидкість ракети Ащодо ракети Б- це та швидкість зростання відстані між ракетами, яку спостерігає спостерігач у ракеті Б. Дві швидкості треба скласти за релятивістською формулою складання швидкостей (див. питання Як треба складати швидкості в приватній відносності). У цьому випадку відносна швидкість виходить приблизно 0,88cтобто не є надсвітловою.

3. Тіні та зайчики

Подумайте, з якою швидкістю може рухатись тінь? Якщо Ви створите на далекій стіні тінь від свого пальця від близької лампи, а потім поворухніть пальцем, то тінь засувається набагато швидше пальця. Якщо палець зміщуватиметься паралельно стіні, то швидкість тіні буде в D/dразів більше швидкості пальця, де d- відстань від пальця до лампи, а D- Відстань від лампи до стіни. А може вийти і ще більша швидкість, якщо стіна буде розташована під кутом. Якщо стіна розташована дуже далеко, то рух тіні буде відставати від руху пальця, так як світло повинен буде долетіти від пальця до стіни, але все одно швидкість руху тіні буде в стільки ж разів більше. Тобто швидкість руху тіні не обмежена швидкістю світла.

Крім тіней швидше світла можуть рухатися і зайчики, наприклад, цятка від лазерного променя, спрямованого на Місяць. Знаючи, що відстань до Місяця 385 000 км., спробуйте розрахувати швидкість руху зайчика, якщо злегка поводити лазером. Ще можете подумати про морську хвилю, косо вдаряючи об берег. З якою швидкістю може рухатися точка, в якій хвиля розбивається?

Подібні речі можуть відбуватися і у природі. Наприклад, світловий промінь від пульсара може прочісувати хмару пилу. Яскравий спалах породжує оболонку, що розширюється, зі світла або іншого випромінювання. Коли вона перетинає поверхню, то створюється світлове кільце, що збільшується швидше за швидкість світла. У природі таке зустрічається, коли електромагнітний імпульс від блискавки досягає верхніх шарів атмосфери.

Все це були приклади речей, що рухаються швидше за світло, але які не були фізичними тілами. За допомогою тіні або зайчика не можна передати СС повідомлення, так що і спілкування швидше за світло не виходить. І знову-таки, це, мабуть, не те, що ми хочемо розуміти під СС рухом, хоча стає зрозуміло, наскільки важко визначити, що саме нам потрібно (див. питання надсвітлових ножиць).

4. Тверді тіла

Якщо взяти довгу тверду палицю і штовхнути один її кінець, чи інший кінець засувається відразу ж, чи ні? Чи не можна таким чином здійснити СС передачу повідомлення?

Так, це було бможна зробити, якби такі тверді тіла існували. Насправді ж вплив удару до кінця палиці поширюється нею зі швидкістю звуку у цій речовині, а швидкість звуку залежить від пружності і щільності матеріалу. Відносність накладає абсолютну межу можливої ​​твердості будь-яких тіл так, що швидкість звуку в них не може перевищувати c.

Те саме відбувається і у випадку, якщо ви находитеся в полі тяжіння, і спочатку тримаєте вертикально струну або жердину за верхній кінець, а потім відпускаєте його. Точка, яку ви відпустили, почне рухатися відразу, а нижній кінець не зможе почати падати до тих пір, поки до нього зі швидкістю звуку не дійде вплив відпускання.

Складно сформулювати загальну теорію пружних матеріалів у рамках відносності, але основну ідею можна показати і на прикладі механіки Ньютона. Рівняння поздовжнього руху ідеально пружного тіла можна отримати із закону Гука. У змінних маси на одиницю довжини pта модуля пружності Юнга Y, поздовжнє зміщення Xзадовольняє хвильове рівняння.

Рішення у вигляді плоских хвиль рухається зі швидкістю звуку s, причому s 2 = Y/p. Дане рівняння не передбачає можливості причинного впливу, що поширюється швидше s. Таким чином, відносність накладає теоретичну межу на величину пружності: Y < pc 2. Практично ж не зустрічаються матеріали, навіть близькі до нього. До речі, навіть якщо швидкість звуку в матеріалі близька до c, речовина сама по собі зовсім не повинна рухатися з релятивістською швидкістю. Але звідки ми знаємо, що в принципі не може існувати речовина, яка долає цю межу? Відповідь полягає в тому, що всі речовини складаються з частинок, взаємодія між якими підпорядковується стандартній моделі елементарних частинок, а в цій моделі ніяка взаємодія поширюватися швидше світла не може (дивися нижче щодо квантової теорії поля).

5. Фазова швидкість

Подивіться це хвильове рівняння:

Він має рішення виду:

Ці рішення є синусоїдальні хвилі, що рухаються зі швидкістю,

Але ж це швидше за світло, значить у нас в руках рівняння тахійного поля? Ні, це всього лише звичайне релятивістське рівняння масивної скалярної частинки!

Парадокс вирішиться, якщо зрозуміти різницю між цією швидкістю, званою також фазовою швидкістю v phвід іншої швидкості, званої групової v grяка датись формулою,

Якщо у хвильового рішення є розкид частот, то воно набуде вигляду хвильового пакета , який рухається з груповою швидкістю, що не перевищує c. Тільки гребені хвилі рухаються із фазовою швидкістю. Передавати інформацію за допомогою такої хвилі можна лише з груповою швидкістю, тому фазова швидкість дає нам черговий приклад надсвітлової швидкості, яка не може переносити інформацію.

7. Релятивістська ракета

Диспетчер на Землі стежить за космічним кораблем, що летить зі швидкістю 0,8 c. Відповідно до теорії відносності, навіть після обліку доплерівського зсуву сигналів від корабля, він побачить, що час на кораблі сповільнений і годинник там іде повільніше з коефіцієнтом 0,6. Якщо він розрахує приватне від поділу відстані, пройденого кораблем на витрачений час, виміряний по годинниках корабля, він отримає 4/3 c. Це означає, що пасажири корабля долають міжзоряний простір з ефективною швидкістю, більшою, ніж швидкість світла, яку вони отримали б, якби її виміряли. З погляду пасажирів корабля, міжзоряні відстані схильні до лоренцевого скорочення з тим самим коефіцієнтом 0,6 і отже, вони теж повинні визнати, що вони покривають відомі міжзоряні відстані зі швидкістю 4/3 c.

Це реальне явище і воно, в принципі, може бути використане космічними мандрівниками для подолання величезних відстаней протягом життя. Якщо вони пришвидшуватимуться з постійним прискоренням, рівним прискоренню вільного падіння на Землі, то у них на кораблі буде не тільки ідеальна штучна сила тяжіння, але вони ще встигнуть перетнути Галактику всього за 12 своїх років! (див. питання Які рівняння релятивістської ракети?)

Однак, і це - не справжній СС рух. Ефективна швидкість обчислена з відстані в одній системі відліку, а часу – в іншій. Це не справжня швидкість. Тільки пасажири корабля одержують переваги від цієї швидкості. Диспечер, наприклад, не встигне за своє життя побачити, як вони пролетять гігантську відстань.

Складні випадки СС руху

9. Парадокс Ейнштейна, Подільського, Розена (ЕПР)

10. Віртуальні фотони

11. Квантове тунелювання

Реальні кандидати в СС мандрівники

У даному розділі наведено умоглядні, але серйозні припущення про можливість надсвітлової подорожі. Це не ті речі, які зазвичай поміщають в ЧаВо, оскільки вони викликають більше питань, ніж дають відповідей. Вони наведені в основному для того, щоб показати, що в цьому напрямку проводяться серйозні дослідження. У кожному напрямі дається лише короткий вступ. Більш детальну інформацію можна отримати на просторах інтернету.

19. Тахіони

Тахіони - це гіпотетичні частки, які локально рухаються швидше за світло. Щоб це робити, у них повинна бути маса, що вимірюється уявним числом, але їх енергія і імпульс повинні бути позитивними. Іноді думають, що такі СС частки має бути неможливо засікти, але насправді причин так вважати немає. Тіні і зайчики підказують нам, що з СС руху ще не випливає непомітність.

Тахіони ніколи не спостерігалися і більшість фізиків сумніваються в їхньому існуванні. Якось заявлялося, що проведені досліди з вимірювання маси нейтрино, що вилітають при розпаді Трітія, і ці нейтрино були тахионными. Це дуже сумнівно, але все ж таки не виключено. У тахіонних теоріях є проблеми, оскільки з точки зору можливих порушень причинності, вони дестабілізують вакуум. Може і можна ці проблеми оминути, але тоді виявиться неможливо застосовувати тахіони у потрібному нам СС повідомленні.

Правда полягає в тому, що більшість фізиків вважають тахіони ознакою помилки в польових теорах їх, а інтерес до них з боку широких мас підігрівається, в основному, з боку наукової фантастики (див. статтю Тахіони).

20. Черевоточини

Найбільш відомою ймовірною можливістю СС подорожі є використання чревоточин. Червоточини - це тунелі в просторі-часі, що з'єднують одне місце у Всесвіті, з іншим. По них можна переміститися між цими точками швидше, ніж зробив би світло своїм звичайним шляхом. Червоточини - це явище класичної загальної відносності, але щоб їх створити, потрібно змінити топологію простору-часу. Можливість цього може бути укладено в теорії квантової гравітації.

Щоб підтримувати чревоточини у відкритому стані, потрібні величезні кількості негативної енергії. Міснері Торнзапропонували, що для генерації негативної енергії можна використовувати великомасштабний ефект Казимира, а Віссерзапропонував рішення із використанням космічних струн. Всі ці ідеї дуже умоглядні і можуть бути просто нереальними. Незвичайна речовина з негативною енергією може не існувати в потрібній для явища формі.

Торн виявив, що якщо жолоби можна створити, то з їх допомогою можна організувати замкнуті тимчасові петлі, які уможливлять подорожі в часі. Також було зроблено припущення, що багатоваріантна інтерпретація квантової механіки свідчить про те, що жодних парадоксів подорож у часі не викличе, і що події просто розгорнуться інакше, коли ви потрапите до минулого. Хокінг каже, що чревоточини можуть просто нестабільними і тому непридатними на практиці. Але сама тема залишається плідною областю для уявних експериментів, що дозволяють розібратися, що можливо і що не можливо виходячи і відомих і передбачуваних законів фізики.
refs:
W. G. Morris and K. S. Thorne, American Journal of Physics 56 , 395-412 (1988)
W. G. Morris, K. S. Thorne, і U. Yurtsever, Phys. Rev. Letters 61 , 1446-9 (1988)
Matt Visser, Physical Review D39, 3182-4 (1989)
see also "Black Holes and Time Warps" Kip Thorn, Norton & co. (1994)
Для explanation of multiverse see, "The Fabric of Reality" David Deutsch, Penguin Press.

21. Двигуни-деформатори

[Поняття не маю, як це перекласти! В оригіналі warp drive. - прим. перекладача;
переклав за аналогією зі статтею на Мембрані]

Деформатор міг би бути механізмом для закручування простору-часу таким чином, щоб об'єкт міг переміщатися швидше за світло. Мігель Алькаб'єрстав знаменитим завдяки тому, що розробив геометрію, яка описує такий деформатор. Спотворення простору-часу робить можливим для об'єкта переміщатися швидше світла, залишаючись на час-подібній кривій. Перешкоди ті ж, що і при створенні чревоточин. Щоб створити деформатор, потрібна речовина з негативною щільністю енергії. Навіть якщо така речовина можлива, все одно незрозуміло, як її можна отримати і як з її допомогою змусити працювати деформатор.
ref M. Alcubierre, Classical і Quantum Gravity, 11 , L73-L77, (1994)

Висновок

По-перше, виявилося нелегко взагалі визначити, що означає подорож СС і СС повідомлення. Багато речей, ніби тіней, роблять СС дивування, але так, що його не можна використовувати, наприклад, для передачі інформації. Але є й серйозні можливості реального СС переміщення, запропоновані у науковій літературі, та їх реалізація поки неможлива технічно. Принцип невизначеності Гейзенберга унеможливлює використання уявного СС руху в квантовій механіці. Загалом є потенційні засоби СС руху, але їх може бути неможливо використовувати. Думається, що вкрай малоймовірно, що в найближчому майбутньому, або взагалі, техніка виявиться здатна створювати космічні кораблі з СС двигунами, але цікаво, що теоретична фізика, як ми її зараз знаємо, не закриває двері для СС руху назовсім. СС рух у стилі науково-фантастичних романів, мабуть, зовсім неможливий. Для фізиків цікавим є питання: "а чому, власне, це неможливо, і чого з цього можна навчитися?"

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.