Сповільнене світло. Чи постійна швидкість світла? У прозорому середовищі

Лікар технічних наукО. ГОЛУБЄВ

Поняття швидкості поширення хвилі виявляється простим лише за відсутності дисперсії.

Лін Вестергард Хеу біля установки, де було проведено унікальний експеримент.

Навесні минулого року наукові та науково-популярні журнали світу повідомили сенсаційну новину. Американські фізикипровели унікальний експеримент: вони зуміли знизити швидкість світла до 17 метрів за секунду.

Усі знають, що світло поширюється з величезною швидкістю – майже 300 тисяч кілометрів на секунду. Точне значення її величини у вакуумі = 299792458 м/с – фундаментальна фізична константа. Відповідно до теорії відносності, це максимально можлива швидкістьпередачі сигналу.

У будь-якому прозорому середовищі світло поширюється повільніше. Його швидкість v залежить від показника заломлення середовища n: v = с/n. Показник заломлення повітря – 1,0003, води – 1,33, різних сортів скла – від 1,5 до 1,8. Одне з самих великих значеньпоказника заломлення має алмаз – 2,42. Таким чином, швидкість світла у звичайних речовинах зменшиться не більше ніж у 2,5 рази.

На початку 1999 року група фізиків із Роуландівського інституту наукових дослідженьпри Гарвардському університеті(штат Массачусетс, США) та зі Стенфордського університету (штат Каліфорнія) досліджувала макроскопічний квантовий ефект- так звану самоіндуковану прозорість, пропускаючи лазерні імпульси через непрозору в звичайних умовахсереду. Цим середовищем були атоми натрію, що знаходяться в особливому стані, який називається бозе-ейнштейнівським конденсатом. При опроміненні лазерним імпульсом він набуває оптичні властивості, які зменшують групову швидкість імпульсу у 20 мільйонів разів у порівнянні зі швидкістю у вакуумі. Експериментаторам удалося довести швидкість світла до 17 м/с!

Перш ніж описувати суть цього унікального експерименту, нагадаємо сенс деяких фізичних понять.

Групова швидкість.При поширенні світла середовищі розрізняють дві швидкості - фазову і групову. Фазова швидкість v ф характеризує переміщення фази ідеальної монохроматичної хвилі - нескінченної синусоїди строго однієї частоти та визначає напрямок поширення світла. Фазовій швидкості в середовищі відповідає фазовий показник заломлення - той самий, значення якого вимірюються для різних речовин. Фазовий показник заломлення, отже, і фазова швидкість залежить від довжини хвилі. Ця залежність називається дисперсією; вона призводить, зокрема, до розкладання білого світла, що проходить через призму, у спектр.

Але реальна світлова хвиляскладається з набору хвиль різних частот, що групуються у певному спектральному інтервалі. Такий набір називають групою хвиль, хвильовим пакетом чи світловим імпульсом. Ці хвилі поширюються серед з різними фазовими швидкостями через дисперсії. У цьому імпульс розтягується, яке форма змінюється. Тому для опису руху імпульсу групи хвиль як цілого вводять поняття групової швидкості. Воно має сенс лише у разі вузького спектра і серед слабкої дисперсією, коли відмінність фазових швидкостей окремих складових невелика. Для кращого з'ясування ситуації можна навести наочну аналогію.

Уявімо, що на лінії старту вишикувалися сім спортсменів, одягнених у різнокольорові майки за кольорами спектру: червону, помаранчеву, жовту і т.д. За сигналом стартового пістолета вони одночасно починають біг, але "червоний" спортсмен біжить швидше, ніж "помаранчевий" , "помаранчевий" - швидше, ніж "жовтий", і т. д., так що вони розтягуються в ланцюжок, довжина якого безперервно збільшується. А тепер уявімо, що ми дивимося на них згори з такої висоти, що окремих бігунів не розрізняємо, а бачимо просто строкату пляму. Чи можна говорити про швидкість руху цієї плями як цілої? Можна, але тільки в тому випадку, якщо воно не дуже розпливається, коли різниця у швидкостях різнокольорових бігунів невелика. В іншому випадку пляма може розтягнутися на всю довжину траси, і питання про його швидкість втратить сенс. Це відповідає сильній дисперсії - великому розкиду швидкостей. Якщо бігунів одягнути в майки майже одного кольору, що відрізняються лише відтінками (скажімо, від темно-червоного до світло-червоного), це відповідатиме нагоді вузького спектру. Тоді й швидкості бігунів будуть відрізнятися ненабагато, група під час руху залишиться досить компактною і може бути охарактеризована цілком певною величиною швидкості, яка і називається груповою.

Статистика Бозе-Ейнштейна.Це один із видів так званої квантової статистики - теорії, що описує стан систем, що містять дуже велике числочастинок, які підпорядковуються законам квантової механіки.

Усі частки – як ув'язнені в атомі, так і вільні – поділяються на два класи. Для одного з них справедливий принцип заборони Паулі, відповідно до якого на кожному енергетичному рівні не може бути більше однієї частинки. Частинки цього класу називаються ферміонами (це електрони, протони та нейтрони; до цього ж класу входять частинки, що складаються з непарного числа ферміонів), а закон їх розподілу називається статистикою Фермі-Дірака. Частинки іншого класу називаються бозонами і не підкоряються принципу Паулі: на одному енергетичному рівні може накопичуватися необмежену кількістьбозонів. У цьому випадку говорять про статистику Бозе-Ейнштейна. До бозонів відносяться фотони, деякі короткоживучі елементарні частки(наприклад, пі-мезон), а також атоми, що складаються з парного числа ферміонів. При дуже низьких температурахбозони збираються на найнижчому – основному – енергетичному рівні; тоді кажуть, що відбувається бозе-ейнштейнівська конденсація. Атоми конденсату втрачають свої індивідуальні властивості, і кілька мільйонів їх починають поводитись як одне ціле, їх хвильові функціїзливаються, а поведінка описується одним рівнянням. Це дає можливість говорити, що атоми конденсату стали когерентними, подібно до фотонів у лазерному випромінюванні. Дослідники з американського Національного інститутустандартів і технологій використовували цю властивість конденсату Бозе-Ейнштейна до створення " атомного лазера " (див. " Наука життя і життя " № 10, 1997 р.).

Самоіндукована прозорість.Це один із ефектів нелінійної оптики - оптики потужних світлових полів. Він полягає в тому, що дуже короткий і потужний світловий імпульс проходить без ослаблення через середовище, яке поглинає безперервне випромінювання або довгі імпульси: непрозоре середовище стає для нього прозорим. Самоіндукована прозорість спостерігається в розріджених газах при тривалості імпульсу порядку 10 -7 - 10 -8 с та в конденсованих середовищах - менше 10 -11 c. При цьому виникає запізнення імпульсу – його групова швидкість сильно зменшується. Вперше цей ефект був продемонстрований Мак-Коллом і Ханом в 1967 на рубіні при температурі 4 К. У 1970 в парах рубідія були отримані затримки, що відповідають швидкостям імпульсу, на три порядки (в 1000 разів) меншим швидкості світла у вакуумі.

Звернемося тепер до унікального експерименту 1999 року. Його здійснили Льон Вестергард Хеу, Захарі Даттон, Сайрус Берузі (Роуландівський інститут) та Стів Харріс (Стенфордський університет). Вони охолодили щільне, утримуване магнітним полем хмара атомів натрію до переходу в основний стан - рівень із найменшою енергією. При цьому виділяли ті атоми, у яких магнітний дипольний моментбув направлений протилежно до напрямку магнітного поля. Потім дослідники охолодили хмару до температури менше 435 нК (нанокельвінів, тобто 0,000000435, майже до абсолютного нуля).

Після цього конденсат висвітлили "зв'язуючим пучком" лінійно поляризованого. лазерного світлаз частотою, що відповідає енергії його слабкого збудження. Атоми перейшли на вищий енергетичний рівеньі перестали поглинати світло. В результаті конденсат став прозорим для того, хто йде слідом. лазерного випромінювання. І ось тут з'явилися дуже дивні та незвичайні ефекти. Вимірювання показали, що за певних умовімпульс, що проходить через бозе-ейнштейнівський конденсат, відчуває затримку, що відповідає уповільненню світла більш ніж на сім порядків – у 20 мільйонів разів. Швидкість світлового імпульсу сповільнилася до 17 м/с, яке довжина зменшилася у кілька разів - до 43 мікрометрів.

Дослідники вважають, що, уникнувши лазерного нагріву конденсату, їм вдасться ще сильніше уповільнити світло – можливо, до швидкості кількох сантиметрів на секунду.

Система з такими незвичайними характеристиками дозволить досліджувати квантово-оптичні властивості речовини, а також створювати різні пристрої. квантових комп'ютерівмайбутнього, скажімо, однофотонні перемикачі.

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 наукиопиниться під питанням.

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

за сучасним уявленням, швидкість світла є граничною у Всесвіті. Вся сучасна фізика- Сформульована в приватної теоріїВідносність Альберта Ейнштейна – заснована на ідеї, що ніщо не може перевищити цю фундаментальну фізичну постійну.

Було проведено тисячі експериментів, щоб встановити точне значенняшвидкість 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 групафізиків 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 мова йдепро 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 центруЄвропейської 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 спростовано теорію відносності Ейнштейна, згідно з якою ніщо не може рухатися. швидше швидкостісвітла.

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 коледжуЛондон.

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.

Нейтріно – це фундаментальні частки, так звані цеглини світобудови. У них є низка цікавих властивостей, у тому числі 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 наукова спільнотана 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 методамивиміряти 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. Зараз існують дві теорії, які пояснюють з наукової точкизору весь світ, який нас оточує: квантова теоріямікросвіту та 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 велика кількістьзапаморочливих наслідків, зокрема, можливість подорожі у часі (для частинок).

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 структуризалежить 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.

Робота нашої підсвідомості

Наша свідомість, яку ми часом вважаємо нашим «Я», є лише невеликою частиною роботи мозку в цілому. Усвідомлення себе як особистості лише невелика частина роботи мозку, більшість інших процесів, що відбуваються в голові, обробляється без залучення свідомості. Це не тільки автоматизовані реакції на кшталт дихання, управління серцем, м'язами при ходьбі, а й складніші: розпізнавання образів, формування об'ємної реальності. Мозок, по суті, на попередньому рівні вибирає, що показати свідомості, а що опустити. Якісь дії виконуються настільки автоматизовано, що свідомість не повідомляється про виконувану роботу.

Цілком випадково, нещодавно дізнався, що в мене вийшли нові книги: «Свідомі виходи з тіла. Досвід подорожі в інші світи» та «Контрольовані сновидіння. Керована реальність». Вийшли вони від деякого видавництва ІПЛ у 2016 році. Виявляється буває і таке, сам автор не знає, що в нього виходять нові книги.

Перейменували книгу на свій лад та випустили як новинки автора.Що це за видавництво не маю уявлення, але прочитавши відгуки до книг можна зробити висновок: це моя перша та друга книга, що вийшла у видавництві «Весь» під назвами: «Мандрівник сновидінь. Частина 1. Початок шляху» та «Мандрівник сновидінь. Частина 2. Нове тисячоліття».

По суті це одні й самі книги. Якщо ви раніше читали серію Мандрівник сновидінь, то нові книги купувати не має сенсу.

До чого сняться щури

Отже, щоб дізнатися, з якого боку чекати укусу щура, проаналізуйте свій сон.

Розберемо як думка може мати силу. Як думки взагалі можуть взаємодіяти із всесвітом, викликати події не пов'язані з нашими прямими діями. Які закони всесвіту дозволяють виконувати наші уявні бажання. Яким чином наш мозок може мати даремно бачити на відстані або відчувати події, що відбуваються десь далеко про які ми не маємо уявлення.

Припустимо, що наше тіло і мозок, зокрема, є машиною. Складним, якоюсь мірою незрозумілим, але все ж таки пристроєм, що сприймає і передає сигнали у поза. Зробимо ще одне припущення, що ми схожі на сучасний комп'ютер. Останнім часомвсе більше і більше наш мозок порівнюють з електронними пристроями, Ось і ми не відходитимемо від цієї традиції. Таким чином, наші думки це свого роду програми, з циклами, функціями, що виконують ті чи інші завдання. Частина думок це вихідні дані, але частина мають силу - це програми побудовані за законами всесвіту.

За останній місяцьзіткнувся з кількома людьми, які намагаються змінити своє минуле. Потім дехто розповів про спогади неіснуючого минулого.

Більшість людей вважають зміну минулого не можливою, і ні точного описуяк змінити минуле. Але, так чи інакше, стикаюся з загадковими історіямиякі не можна підтвердити чи спростувати. Будь-яка зміна в минулому призводить до того, що всі навколишні пам'ятають нову історію. Таким чином не можна впевнено сказати, що така розповідь не вигадка автора. Лише деякі особи зберігають спогади про альтернативне сьогодення. Іноді це навіть пам'ять, лише відчуття неправильності поточного моменту; часом осяянні спалахів дежавю, або хибні спогади в голові якихось моментів, які насправді ніколи не було, але чомусь зберігаються в пам'яті як спогади.

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

Нинішній верхня межамаси фотона настільки малий, що становить менше однієї мільярдної, мільярдної, мільярдної частки маси протона. На підставі цього показника вчені підрахували, що фотон видимому спектріможе 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. Нашого Всесвіту, що з'явився в результаті Великого Вибуху, в даний час близько 13,7 мільярда років. І проведені в даний час наукові проектипризначені не тільки для вимірювання післясвіту 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, що 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