Замедленный свет. Постоянна ли скорость света? В прозрачной среде

Доктор технических наук А. ГОЛУБЕВ

Понятие скорости распространения волны оказывается простым только в отсутствии дисперсии.

Лин Вестергард Хэу возле установки, на которой был проведен уникальный эксперимент.

Весной прошлого года научные и научно-популярные журналы мира сообщили сенсационную новость. Американские физики провели уникальный эксперимент: они сумели понизить скорость света до 17 метров в секунду.

Все знают, что свет распространяется с огромной скоростью - почти 300 тысяч километров в секунду. Точное значение ее величины в вакууме = 299792458 м/с - фундаментальная физическая константа. Согласно теории относительности, это максимально возможная скорость передачи сигнала.

В любой прозрачной среде свет распространяется медленнее. Его скорость v зависит от показателя преломления среды n: v = с/n . Показатель преломления воздуха - 1,0003, воды - 1,33, различных сортов стекла - от 1,5 до 1,8. Одно из самых больших значений показателя преломления имеет алмаз - 2,42. Таким образом, скорость света в обычных веществах уменьшится не более чем в 2,5 раза.

В начале 1999 года группа физиков из Роуландовского института научных исследований при Гарвардском университете (штат Массачусетс, США) и из Стэнфордского университета (штат Калифорния) исследовала макроскопический квантовый эффект - так называемую самоиндуцированную прозрачность, пропуская лазерные импульсы через непрозрачную в обычных условиях среду. Этой средой были атомы натрия, находящиеся в особом состоянии, называемом бозе-эйнштейновским конденсатом. При облучении лазерным импульсом он приобретает оптические свойства, которые уменьшают групповую скорость импульса в 20 миллионов раз по сравнению со скоростью в вакууме. Экспериментаторам удалось довести скорость света до 17 м/с!

Прежде чем описывать сущность этого уникального эксперимента, напомним смысл некоторых физических понятий.

Групповая скорость. При распространении света в среде различают две скорости - фазовую и групповую. Фазовая скорость v ф характеризует перемещение фазы идеальной монохроматической волны - бесконечной синусоиды строго одной частоты и определяет направление распространения света. Фазовой скорости в среде соответствует фазовый показатель преломления - тот самый, значения которого измеряются для различных веществ. Фазовый показатель преломления, а следовательно, и фазовая скорость зависят от длины волны. Эта зависимость называется дисперсией; она приводит, в частности, к разложению белого света, проходящего через призму, в спектр.

Но реальная световая волна состоит из набора волн различных частот, группирующихся в некотором спектральном интервале. Такой набор называют группой волн, волновым пакетом или световым импульсом. Эти волны распространяются в среде с различными фазовыми скоростями из-за дисперсии. При этом импульс растягивается, а его форма меняется. Поэтому для описания движения импульса, группы волн как целого, вводят понятие групповой скорости. Оно имеет смысл только в случае узкого спектра и в среде со слабой дисперсией, когда различие фазовых скоростей отдельных составляющих невелико. Для лучшего уяснения ситуации можно привести наглядную аналогию.

Представим себе, что на линии старта выстроились семь спортсменов, одетых в разноцветные майки по цветам спектра: красную, оранжевую, желтую и т. д. По сигналу стартового пистолета они одновременно начинают бег, но "красный" спортсмен бежит быстрее, чем "оранжевый", "оранжевый" - быстрее, чем "желтый", и т. д., так что они растягиваются в цепочку, длина которой непрерывно увеличивается. А теперь представим, что мы смотрим на них сверху с такой высоты, что отдельных бегунов не различаем, а видим просто пестрое пятно. Можно ли говорить о скорости движения этого пятна как целого? Можно, но только в том случае, если оно не очень расплывается, когда разница в скоростях разноцветных бегунов невелика. В противном случае пятно может растянуться на всю длину трассы, и вопрос о его скорости потеряет смысл. Это соответствует сильной дисперсии - большому разбросу скоростей. Если бегунов одеть в майки почти одного цвета, различающиеся лишь оттенками (скажем, от темно-красного до светло-красного), это станет соответствовать случаю узкого спектра. Тогда и скорости бегунов будут различаться ненамного, группа при движении останется достаточно компактной и может быть охарактеризована вполне определенной величиной скорости, которая и называется групповой.

Статистика Бозе-Эйнштейна. Это один из видов так называемой квантовой статистики - теории, описывающей состояние систем, содержащих очень большое число частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.

Все частицы - как заключенные в атоме, так и свободные - делятся на два класса. Для одного из них справедлив принцип запрета Паули, в соответствии с которым на каждом энергетическом уровне не может находиться более одной частицы. Частицы этого класса называются фермионами (это электроны, протоны и нейтроны; в этот же класс входят частицы, состоящие из нечетного числа фермионов), а закон их распределения называется статистикой Ферми-Дирака. Частицы другого класса называются бозонами и не подчиняются принципу Паули: на одном энергетическом уровне может скапливаться неограниченное число бозонов. В этом случае говорят о статистике Бозе-Эйнштейна. К бозонам относятся фотоны, некоторые короткоживущие элементарные частицы (например, пи-мезоны), а также атомы, состоящие из четного числа фермионов. При очень низких температурах бозоны собираются на самом низком - основном - энергетическом уровне; тогда говорят, что происходит бозе-эйнштейновская конденсация. Атомы конденсата теряют свои индивидуальные свойства, и несколько миллионов их начинают вести себя как одно целое, их волновые функции сливаются, а поведение описывается одним уравнением. Это дает возможность говорить, что атомы конденсата стали когерентными, подобно фотонам в лазерном излучении. Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий использовали это свойство конденсата Бозе-Эйнштейна для создания "атомного лазера" (см. "Наука и жизнь" № 10, 1997 г.).

Самоиндуцированная прозрачность. Это один из эффектов нелинейной оптики - оптики мощных световых полей. Он заключается в том, что очень короткий и мощный световой импульс проходит без ослабления через среду, которая поглощает непрерывное излучение или длинные импульсы: непрозрачная среда становится для него прозрачной. Самоиндуцированая прозрачность наблюдается в разреженных газах при длительности импульса порядка 10 -7 - 10 -8 с и в конденсированных средах - менее 10 -11 c. При этом возникает запаздывание импульса - его групповая скорость сильно уменьшается. Впервые этот эффект был продемонстрирован Мак-Коллом и Ханом в 1967 году на рубине при температуре 4 К. В 1970 году в парах рубидия были получены задержки, соответствующие скоростям импульса, на три порядка (в 1000 раз) меньшим скорости света в вакууме.

Обратимся теперь к уникальному эксперименту 1999 года. Его осуществили Лен Вестергард Хэу, Захари Даттон, Сайрус Берузи (Роуландовский институт) и Стив Харрис (Стэнфордский университет). Они охладили плотное, удерживаемое магнитным полем облако атомов натрия до перехода их в основное состояние - на уровень с наименьшей энергией. При этом выделяли только те атомы, у которых магнитный дипольный момент был направлен противоположно направлению магнитного поля. Затем исследователи охладили облако до температуры менее 435 нК (нанокельвинов, т.е. 0,000000435 К, почти до абсолютного нуля).

После этого конденсат осветили "связующим пучком" линейно поляризованного лазерного света с частотой, соответствующей энергии его слабого возбуждения. Атомы перешли на более высокий энергетический уровень и перестали поглощать свет. В результате конденсат стал прозрачным для идущего следом лазерного излучения. И вот здесь появились очень странные и необычные эффекты. Измерения показали, что при определенных условиях импульс, проходящий через бозе-эйнштейновский конденсат, испытывает задержку, соответствующую замедлению света более чем на семь порядков - в 20 миллионов раз. Скорость светового импульса замедлилась до 17 м/с, а его длина уменьшилась в несколько раз - до 43 микрометров.

Исследователи считают, что, избежав лазерного нагрева конденсата, им удастся еще сильнее замедлить свет - возможно, до скорости нескольких сантиметров в секунду.

Система с такими необычными характеристиками позволит исследовать квантово-оптические свойства вещества, а также создавать различные устройства для квантовых компьютеров будущего, скажем, однофотонные переключатели.

В исследовательском центре Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) получили крайне неожиданные результаты, которые привели физиков в замешательство: похоже, что субатомные частицы могут двигаться со скоростью, превышающей скорость света.

Итоги экспериментов в скором времени будут помещены в интернете, чтобы их могли изучить все желающие эксперты.

Осторожность ученых, которые не спешат заявить о новом открытии, понятна – если результаты подтвердятся, то целое столетие развития физической науки окажется под вопросом.

Директор исследовательской лаборатории ЦЕРНа назвал результаты экспериментов "просто невероятными".

По современным представлениям, скорость света является предельной во Вселенной. Вся современная физика – сформулированная в частной теории относительности Альберта Эйнштейна – основана на идее, что ничто не может превысить эту фундаментальную физическую постоянную.

Были проведены тысячи экспериментов, чтобы установить точное значение скорости света. Но ни разу ни одна частица не смогла преодолеть этот барьер.

Однако Антонио Эредитато и его коллеги обнаружили нейтрино, то есть субатомные частицы, которым, похоже, удалось превысить скорость света.

Вот уже три года большая группа физиков из нескольких десятков стран работает над проектом OPERA (Oscillation Project with Emulsion-Tracking Apparatus или эксперимент по изучению нейтринных осцилляций),

Эксперимент направлен на доказательство гипотезы превращения одних типов нейтрино (электронные, мюонные и тау-нейтрино) в другие.

Доктор Эредитато и его коллеги отправляют из ЦЕРН в подземную лабораторию в Италии пучок нейтрино лишь одного типа – мюонного.

Их цель – выяснить, сколько из посланных частиц прибывает в лабораторию Гран-Сассо уже в виде тау-нейтрино.

В ходе экспериментов исследователи заметили, что частицы проходили расстояние в 732 км чуть-чуть быстрее, чем свет. Если говорить точно, разница составила одну шестидесятимиллиардную долю секунды.

Физики измерили подобную скорость путешествия нейтрино около 15 тысяч раз. Подобная статистика позволяет говорить о том, что речь идет о научном открытии.

Впрочем, суть такого открытия настолько невероятна и может произвести такой переполох не только в ученой среде, но и в понимании Вселенной в целом, что исследователи проявляют особую осторожность.

Они решили обнародовать свои исследования в интернете, чтобы их можно было подвергнуть тщательному анализу в мировом масштабе.

Если ученые правы, частицы могут путешествовать во времени

Физики исследовательского центра Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в ходе проведения эксперимента выяснили, что субатомные частицы могут двигаться со скоростью, превышающей скорость света.

Пучок нейтрино, направленный из ЦЕРН в подземную лабораторию Гран-Сассо в Италии на расстояние в 732 км, прибыл на место назначения, как сообщается, на несколько миллиардных долей секунды раньше, чем если бы передвигался со скоростью света.

Если данные эксперимента будут подтверждены, то будет опровергнута теория относительности Эйнштейна, согласно которой ничто не может двигаться быстрее скорости света.

По данным ученых, пучки нейтрино обогнали ее на 60 наносекунд, что противоречит постулату, что элементарные частицы не могут двигаться быстрее скорость света.

Русская служба Би-би-си побеседовала о результатах эксперимента с Рубеном Саакяном, профессором физики Университетского колледжа Лондона.

Би-би-си: Вы работали в лаборатории Гран-Сассо, и, вероятно, хорошо знакомы с экспериментом "Опера".

Рубен Саакян: Я покинул лабораторию Гран-Сассо больше 10 лет назад, когда "Опера" только строилась. "Опера" – это эксперимент, который занимается поиском такого явления, как нейтринные осцилляций, то есть превращения одного типа нейтрино в другой.

Нейтрино – это фундаментальные частицы, так называемые кирпичики мироздания. У них есть ряд интересных свойств, в том числе превращение из одного типа в другой. "Опера" предназначена для того, чтобы изучать эту проблему.

Тот результат (данные, что нейтрино двигаются со скоростью, превышающей скорость света) был побочным продуктом эксперимента, который они делали.

Би-би-си: Убедительны ли представленные учеными результаты?

Р.С.: Опубликованные результаты выглядят убедительно. В экспериментальной науке существует численная мера доверия к результату, то есть ваше измерение должно превышать погрешность измерения по крайней мере в пять раз. А у них оно превышает в шесть раз.

С другой стороны, это сложное измерение, в нем много элементов, и на каждом этапе существует много способов сделать его неправильно. И поэтому нужно воспринимать его со здоровым скептицизмом. К чести авторов, они не интерпретируют результат, а просто констатируют данные, полученные в ходе эксперимента.

Би-би-си: Как отреагировало мировое научное сообщество на эти данные?

Р.С.: Мировое сообщество отреагировало со здоровым скептицизмом и даже консерватизмом. Ведь это серьезный эксперимент, а не популистское заявление.

Последствия, если будет доказанная истинность этих данных, слишком серьезны, чтобы их легко воспринимать.

Изменятся наши фундаментальные представления о мире. Теперь люди будут ждать дальнейших публикаций систематических ошибок эксперимента и, самое главное, данных независимых экспериментов.

Би-би-си: Каких например?

Р.С.: Существует американский эксперимент "Минус", который может это измерение подтвердить. Он очень похож на "Оперу". На ускорителе производится пучок нейтрино, потом посылается на 730 километров и измеряется в подземной лаборатории. Суть измерения проста: вы знаете время между вашим источником и вашим детектором, вы меряете время, за которое он пришел, и таким образом определяете скорость.

Дьявол в деталях. "Минус" уже четыре года назад произвел похожее измерение, но тогда у них та величина, которую они измерили, и погрешность были соизмеримы друг с другом. Их ключевая проблема заключалась в том, что у них не было точного расстояния.

730 километров между источником и детектором сложно измерить с абсолютной точностью, а "Опера" недавно сумела геодезическими методами измерить это расстояние вплоть до 20 сантиметров. "Минус" будет стараться сделать то же самое и тогда сможет проверить данные этого эксперимента.

Би-би-си: Если результат эксперимента подтвердится, как это повлияет на традиционные представления о мире?

Р.С.: Если это подтвердится, то результат будет серьезный. Сейчас существуют две теории, которые объясняют с научной точки зрения весь мир, который нас окружает: квантовая теория микромира и теория относительности Эйнштейна.

Результат эксперимента (нейтрино двигаются со скоростью, превышающей скорость света) напрямую противоречат теории относительности Эйнштейна, которая утверждает, что в любой точке отсчета скорость света постоянна и ничто не может обогнать скорость света.

Существует огромное количество головокружительных последствий, в частности, возможность путешествия во времени (для частиц).

Чтобы определить скорость (пройденное расстояние / затраченное время) мы должны выбрать стандарты расстояния и времени. Разные стандарты могут дать разные результаты измерения скорости.

Постоянна ли скорость света?

[На самом деле постоянная тонкой структуры зависит от масштаба энергии, но здесь мы имеем в виду её низкоэнергетический предел.]

Специальная теория относительности

Определение метра в системе СИ также основано на допущении о корректности теории относительности. Скорость света константа в соответствии с основным постулатом теории относительности. Это постулат содержит две идеи:

• Скорость света не зависит от движения наблюдателя.
• Скорость света не зависит от координат во времени и пространстве.

Идея о независимости скорости света от скорости наблюдателя противоречит интуиции. Некоторые люди даже не могут согласиться, что эта идея логична. В 1905 году Эйнштейн показал, что эта идея логически корректна, если отказаться от предположения об абсолютной природе пространства и времени.

В 1879 году считалось, что свет должен распространяться по некоторой среде в пространстве, как звук распространяется по воздуху и другим веществам. Майкельсон и Морли поставили эксперимент по обнаружению эфира путём наблюдения изменения скорости света при изменении направления движения Земли относительно Солнца в течение года. К их удивлению изменение скорости света не было обнаружено.

Работа нашего подсознания

Наше сознание которое мы порой считаем нашим «Я» является лишь небольшой частью работы мозга в целом. Осознание себя как личности лишь небольшая часть работы мозга, большинство других процессов происходящих в голове обрабатывается без привлечения сознания. Это не только автоматизированные реакции вроде дыхания, управления сердцем, мышцами при ходьбе, но и более сложные: распознавание образов, формирование объёмной окружающей реальности. Мозг, по сути, на предварительном уровне выбирает что показать сознанию, а что опустить. Какие-то действия выполняются настолько автоматизированно, что сознание не оповещается о выполняемой работе.

Совершенно случайно, недавно узнал что у меня вышли новые книги: «Сознательные выходы из тела. Опыт путешествия в иные миры» и «Контролируемые сновидения. Управляемая реальность». Вышли они от некого издательства ИПЛ в 2016 году. Оказывается бывает и такое, сам автор не знает что у него выходят новые книги.

Переименовали книгу на свой лад и выпустили как новинки автора. Что это за издательство не имею представления, но прочитав отзывы к книгам можно сделать вывод: это моя первая и вторая книга вышедшая в издательстве «Весь» под названиями: «Путник сновидений. Часть 1. Начало пути» и «Путник сновидений. Часть 2. Новое тысячелетие».

По сути это одни и те же книги. Если вы ранее читали серию Путник сновидений, то новые книги покупать не имеет смысла.

К чему снятся крысы

Итак, чтобы узнать с какой стороны ожидать укуса крысы проанализируйте своё сновидение.

Разберём как мысль может обладать силой . Как мысли вообще могут взаимодействовать со вселенной, вызывать события не связанные с нашими прямыми действиями. Какие законы вселенной позволяют выполнять наши мысленные желания. Каким образом наш мозг может обладать даром видеть на расстоянии или ощущать события происходящих где-то далеко о которых мы не имеем представления.

Предположим, что наше тело и мозг в частности, является машиной. Сложным, в какой-то степени непонятным, но все же устройством воспринимающим и передающим сигналы во вне. Сделаем ещё одно предположение, что мы чем-то похожи на современный компьютер. Последнее время все больше и больше наш мозг сравнивают с электронными устройствами, вот и мы не будем отходить от этой традиции. Таким образом наши мысли это своего рода программы, с циклами, функциями, выполняющие те или иные задачи. Часть мыслей это исходные данные, но часть обладают силой - это программы построенные по законам вселенной.

За последний месяц столкнулся с несколькими людьми пытающимися изменить свое прошлое. Потом кое-кто рассказал о воспоминаниях несуществующего прошлого.

Большинство людей считают изменение прошлого не возможным, и нет точного описания как изменить прошлое . Но, так или иначе, сталкиваюсь с загадочными историями которые нельзя подтвердить или опровергнуть. Любое изменение в прошлом приводит к тому, что все окружающие помнят новую история. Таким образом нельзя уверенно сказать, что такой рассказ не вымысел автора. Лишь некоторые личности сохраняют воспоминания об альтернативном настоящем. Порой это даже не память, а лишь ощущения неправильности текущего момента; порой озарении вспышек дежавю, или ложные воспоминания в голове каких-то моментов которые в действительности никогда не было, но почему-то хранятся в памяти как воспоминания.

Физики обнаружили, что частицы света (фотоны) могут жить около 1 триллиона лет, а после распада выделяют в свою очередь очень легкие частицы, которые могут двигаться быстрее света! С течением времени многие частицы подвержены естественному распаду. Например, неустойчивые радиоактивные атомы в определенный момент распадаются на мелкие частицы и выделяют всплеск энергии.

Буквально недавно ученые были уверены, что фотоны не распадаются, поскольку считалось, что они не имеют массы. Тем не менее, в настоящее время ученые предполагают, что фотоны обладают массой, просто она настолько мала, что не может быть измерена с помощью современных приборов.

Нынешний верхний предел массы фотона настолько мал, что составляет менее одной миллиардной, миллиардной, миллиардной доли массы протона. На основании этого показателя ученые подсчитали, что фотон в видимом спектре может жить около 1 триллиона лет. Однако этот чрезвычайно длительный срок жизни распространен не на все фотоны, он рассчитан в среднем. Существует вероятность того, что некоторые фотоны живут очень мало. Нашей Вселенной, появившейся в результате Большого Взрыва, в настоящее время около 13,7 миллиарда лет. И проводимые в настоящее время научные проекты предназначены не только для измерения послесвечения Большого Взрыва, но и для возможного обнаружения признаков раннего распада фотонов.

Если фотон сломать, в результате распада должны выделиться еще более легкие частицы, те, которые способны путешествовать в нашей Вселенной быстрее скорости света. Эти призрачные частицы (нейтрино) очень редко взаимодействуют с обычной материей. Бесчисленные потоки нейтрино мчатся каждую долю секунды не только сквозь космические просторы, звезды и тела, но и через каждого живущего на Земле человека, при этом не влияя на нашу материю.

При распаде каждый фотон выделяет два легких нейтрино, которые, будучи легче, чем свет, двигаются быстрее фотонов. Открытие нейтрино, казалось бы, нарушает закон теории относительности Эйнштейна о том, что ничто не может двигаться быстрее света, однако это не так, поскольку теория основана на том, что фотон не имеет массы тела. А в теории говорится, что никакая частица не может двигаться быстрее, чем безмассовая частица.

Кроме того, теория относительности Эйнштейна предполагает, что частицы движутся чрезвычайно быстро, находясь в искаженном временном пространстве. То есть, если бы они обладали сознанием, у них бы сложилось впечатление, что все происходящие вокруг них находится в режиме очень «замедленной съемки». Это означает, что в нашем временном пространстве фотоны должны жить около 1 триллиона лет, а в их временном потоке — всего лишь около трех лет.

Сергей Василенков