Je li moguća superluminalna brzina? Superluminalna brzina. Superluminalna brzina - hrabre ideje

24.11.2019

Pročitajte također

Čestitke za prošlu Novu godinu - pjesme, proza, SMS Čestitam za prošlu Novu godinu i Božić

Razglednice s prvim danom proljeća - lijepe i smiješne s natpisima: Kratke SMS čestitke za prvi dan proljeća

Svojim voljenima možete čestitati prekrasnom razglednicom

Smiješna slika Sretan Majčin dan za djecu - čestitke mami od učenika vrtića

Tradicionalno se označava latinskim slovom " c (\displaystyle c)" (izgovara se kao "tse"). Brzina svjetlosti u vakuumu je temeljna konstanta, neovisna o izboru inercijalnog referentnog sustava (ISO). Odnosi se na temeljne fizičke konstante koje karakteriziraju ne samo pojedina tijela ili polja, već svojstva geometrije prostora i vremena u cjelini. Od postulata uzročnosti (svaki događaj može utjecati samo na događaje koji se događaju kasnije od njega i ne može utjecati na događaje koji su se dogodili prije njega) i postulata specijalne teorije relativnosti o neovisnosti brzine svjetlosti u vakuumu od izbora inercije referentni okvir (brzina svjetlosti u vakuumu jednaka je u svim koordinatnim sustavima koji se kreću pravocrtno i jednolično jedan u odnosu na drugi) proizlazi da brzina bilo kojeg signala i elementarne čestice ne može premašiti brzinu svjetlosti. Dakle, brzina svjetlosti u vakuumu je granična brzina čestica i širenja interakcija.

U vakuumu (praznini)

Najtočnije mjerenje brzine svjetlosti 299 792 458 ± 1,2 / na temelju standardnog mjerača napravljeno je 1975 .

Trenutno se vjeruje da je brzina svjetlosti u vakuumu temeljna fizička konstanta, po definiciji, točno jednako 299.792.458 m/s, odnosno 1.079.252.848,8 km/h. Točnost vrijednosti posljedica je činjenice da se od 1983. metar u Međunarodnom sustavu jedinica (SI) definira kao udaljenost koju svjetlost prijeđe u vakuumu u vremenskom intervalu jednakom 1/299,792,458 sekundi .

U prirodi se, brzinom svjetlosti, šire (u vakuumu):

Masivne čestice mogu imati brzine koje se približavaju brzini svjetlosti, ali je ipak ne dostižu točno. Na primjer, brzina bliske svjetlosti, samo 3 m/s manja od brzine svjetlosti, ima masivne čestice (protone) dobivene na akceleratoru (Veliki hadronski sudarač) ili uključene u kozmičke zrake. [ ]

U suvremenoj fizici tvrdnja da se uzročni učinak ne može prenijeti brzinom većom od brzine svjetlosti u vakuumu (uključujući prijenos takvog učinka od strane nekog fizičkog tijela) smatra se utemeljenom. Postoji, međutim, problem "zamršenih stanja" čestica, koje kao da trenutno "nauče" jedno drugo stanje. No, ni u ovom slučaju nema superluminalnog prijenosa informacija, budući da je za prijenos informacija na ovaj način potrebno uključiti dodatni klasični prijenosni kanal brzinom svjetlosti.

Iako je, u principu, kretanje nekih objekata brzinom većom od brzine svjetlosti u vakuumu sasvim moguće, međutim, sa suvremenog stajališta, to mogu biti samo objekti koji se ne mogu koristiti za prijenos informacija svojim kretanjem. (na primjer, sunčeva zraka u principu, može se kretati duž zida brzinom većom od brzine svjetlosti, ali se ne može koristiti za prijenos informacija takvom brzinom s jedne točke zida na drugu) .

Slični Videi

U transparentnom okruženju

Brzina svjetlosti u prozirnom mediju je brzina kojom svjetlost putuje u mediju koji nije vakuum. U mediju s disperzijom razlikuju se fazna i grupna brzina.

Fazna brzina povezuje frekvenciju i valnu duljinu monokromatske svjetlosti u mediju ( λ = c ν (\displaystyle \lambda =(\frac (c)(\nu )))). Ova brzina je obično (ali ne nužno) manja c (\displaystyle c). Omjer brzine svjetlosti u vakuumu i fazne brzine svjetlosti u mediju naziva se indeks loma medija.

Grupna brzina svjetlosti definira se kao brzina širenja otkucaja između dva vala sa sličnom frekvencijom iu ravnotežnom mediju uvijek je manja c (\displaystyle c). Međutim, u neravnotežnim medijima, na primjer, jako apsorbirajućim medijima, može premašiti c (\displaystyle c). U ovom se slučaju, međutim, vodeći rub impulsa i dalje kreće brzinom koja ne prelazi brzinu svjetlosti u vakuumu. Kao rezultat toga, superluminalni prijenos informacija ostaje nemoguć.

Promjenjivost brzine svjetlosti dosljedno je potvrđena mnogim eksperimentima. Eksperimentalno je moguće samo provjeriti da brzina svjetlosti u "dvostranom" eksperimentu (na primjer, od izvora do zrcala i obrnuto) ne ovisi o referentnom okviru, budući da je nemoguće izmjeriti brzina svjetlosti u jednom smjeru (npr. od izvora do udaljenog prijamnika) bez dodatnih dogovora o tome kako sinkronizirati satove izvora i prijemnika. Međutim, ako za to primijenimo Einsteinovu sinkronizaciju, jednosmjerna brzina svjetlosti postaje jednaka dvosmjernoj brzini po definiciji.

Specijalna teorija relativnosti istražuje implikacije invarijantnosti c (\displaystyle c) uz pretpostavku da su zakoni fizike isti u svim inercijskim referentnim okvirima. Jedna od posljedica je da c (\displaystyle c)- ovo je brzina kojom se sve čestice i valovi bez mase (posebno svjetlost) moraju kretati u vakuumu.

Specijalna teorija relativnosti ima mnoge eksperimentalno provjerene implikacije koje su kontraintuitivne. Takve posljedice uključuju: masno-energetsku ekvivalentnost (E 0 = m c 2) (\displaystyle (E_(0)=mc^(2))), kontrakcija duljine (skupljanje objekata dok se kreću) i dilatacija vremena (pokretni satovi rade sporije). Koeficijent koji pokazuje koliko se puta duljina skraćuje i vrijeme usporava poznat je kao Lorentzov faktor (Lorentz faktor)

γ = 1 1 − v 2 c 2 , (\displaystyle \gamma =(\frac (1)(\sqrt (1-(\frac (v^(2))(c^(2)))))), )

gdje v (\displaystyle v) je brzina objekta. Za brzine puno manje od c (\displaystyle c)(npr. za brzine s kojima se svakodnevno susrećemo) razlika između γ (\displaystyle \gamma ) a 1 je toliko mala da se može zanemariti. U ovom slučaju, specijalna relativnost je dobro aproksimirana Galilejevom relativnošću. Ali pri relativističkim brzinama razlika se povećava i teži beskonačnosti kao v (\displaystyle v) do c (\displaystyle c).

Kombiniranje rezultata specijalne relativnosti zahtijeva da budu ispunjena dva uvjeta: (1) prostor i vrijeme su jedna struktura poznata kao prostor-vrijeme (gdje c (\displaystyle c) povezuje mjerne jedinice prostora i vremena), i (2) fizikalni zakoni zadovoljavaju zahtjeve posebne simetrije zvane Lorentzova invarijantnost (Lorentzova invarijantnost), čija formula sadrži parametar c (\displaystyle c). Lorentzova invarijantnost je sveprisutna u modernim fizikalnim teorijama kao što su kvantna elektrodinamika, kvantna kromodinamika, standardni model fizike čestica i opća teorija relativnosti. Dakle, parametar c (\displaystyle c) nalazi se posvuda u modernoj fizici i pojavljuje se na mnogo načina koji nemaju nikakve veze sa samom svjetlošću. Na primjer, opća teorija relativnosti sugerira da se gravitacija i gravitacijski valovi šire brzinom c (\displaystyle c). U neinercijalnim referentnim okvirima (u gravitacijsko zakrivljenom prostoru ili u referentnim okvirima koji se kreću ubrzano) lokalna brzina svjetlosti je također konstantna i jednaka je c (\displaystyle c), međutim, brzina svjetlosti duž putanje konačne duljine može se razlikovati od c (\displaystyle c) ovisno o tome kako su prostor i vrijeme definirani.

Vjeruje se da temeljne konstante kao npr c (\displaystyle c), imaju istu vrijednost kroz prostor-vrijeme, odnosno ne ovise o mjestu i ne mijenjaju se s vremenom. Međutim, neke teorije sugeriraju da se brzina svjetlosti može mijenjati tijekom vremena. Iako ne postoje uvjerljivi dokazi za takve promjene, one su i dalje predmet istraživanja.

Osim toga, vjeruje se da je brzina svjetlosti izotropna, odnosno da ne ovisi o smjeru njezina širenja. Promatranja zračenja prijelaza nuklearne energije kao funkcije orijentacije jezgri u magnetskom polju (pokus Googs-Drever), kao i rotirajućih optičkih šupljina (pokus Michelson-Morley i njegove nove varijacije), nametnula su stroga ograničenja na mogućnost dvostrane anizotropije.

Događaj A prethodi događaju B u crvenom referentnom okviru (RS), istovremeno s B u zelenom okviru i javlja se nakon B u plavom okviru

Općenito, informacija ili energija ne mogu se prenositi kroz svemir brže od brzine svjetlosti. Jedan argument za to proizlazi iz kontraintuitivnog zaključka specijalne relativnosti poznatog kao relativnost istovremenosti. Ako je prostorna udaljenost između dva događaja A i B veća od vremenskog intervala između njih pomnoženog s c (\displaystyle c), onda postoje takvi referentni okviri u kojima A prethodi B, i drugi u kojima B prethodi A, kao i oni u kojima su događaji A i B simultani. Kao rezultat toga, ako bi se objekt kretao brže od brzine svjetlosti u odnosu na neki inercijski referentni okvir, tada bi se u drugom referentnom okviru putovao unatrag u vremenu, a princip uzročnosti bi bio narušen. U takvom referentnom okviru, "učinak" bi se mogao promatrati prije njegovog "izvornog uzroka". Takvo kršenje uzročnosti nikada nije uočeno. To također može dovesti do paradoksa kao što je tahionski antitijelofon.

Povijest mjerenja brzine svjetlosti

Drevni znanstvenici, uz rijetke iznimke, smatrali su da je brzina svjetlosti beskonačna. U moderno doba ovo je pitanje postalo predmetom rasprave. Galileo i Hooke pretpostavljali su da je ona konačna, iako vrlo velika, dok su Kepler, Descartes i Fermat još uvijek tvrdili za beskonačnost brzine svjetlosti.

Pola stoljeća kasnije, 1728., otkriće aberacije omogućilo je J. Bradleyu da potvrdi konačnost brzine svjetlosti i precizira njezinu procjenu: vrijednost koju je Bradley dobio bila je 308 000 km/s.

Prvi put mjerenja brzine svjetlosti, temeljena na određivanju vremena potrebnog svjetlosti da prijeđe točno izmjerenu udaljenost u zemaljskim uvjetima, izveo je 1849. A. I. L. Fizeau. U svojim eksperimentima Fizeau je koristio "metodu prekida" koju je razvio, dok je udaljenost koju je svjetlost priješla iznosila 8,63 km. Vrijednost dobivena kao rezultat izvršenih mjerenja pokazala se 313.300 km/s. Nakon toga je metoda prekida značajno poboljšana i korištena za mjerenja od strane M. A. Cornua (1876.), A. J. Perrotina (1902.) i E. Bergstrand. Mjerenja E. Bergstranda 1950. dala su vrijednost od 299.793,1 km/s za brzinu svjetlosti, dok je točnost mjerenja povećana na 0,25 km/s.

Druga laboratorijska metoda („metoda rotirajućih zrcala“), čiju je ideju 1838. izrazio F. Arago, 1862. proveo je Leon Foucault. Mjerenjem malih vremenskih intervala zrcalom koje se okreće velikom brzinom (512 o/min) dobio je vrijednost od 298 000 km/s za brzinu svjetlosti s greškom od 500 km/s. Duljina baze u Foucaultovim pokusima bila je relativno mala - dvadeset metara. Nakon toga, zbog poboljšanja eksperimentalne tehnike, povećanja korištene baze i točnijeg određivanja njezine duljine, značajno je povećana točnost mjerenja metodom rotirajućih zrcala. Tako je S. Newcomb 1891. dobio vrijednost od 299 810 km/s s greškom od 50 km/s, a A. A. Michelson je 1926. uspio smanjiti pogrešku na 4 km/s i dobiti vrijednost od 299 796 km/s za ubrzati. U svojim eksperimentima, Michelson je koristio bazu jednaku 35.373,21 m.

Daljnji napredak povezan je s pojavom masera i lasera, koji se odlikuju vrlo visokom stabilnošću frekvencije zračenja, što je omogućilo određivanje brzine svjetlosti istovremenim mjerenjem valne duljine i frekvencije njihova zračenja. Početkom 1970-ih, pogreška mjerenja za brzinu svjetlosti približila se 1 m/s. Nakon provjere i slaganja rezultata dobivenih u različitim laboratorijima, XV Generalna konferencija za utege i mjere 1975. preporučila je korištenje vrijednosti jednake 299 792 458 m/s kao vrijednosti brzine svjetlosti u vakuumu, uz relativnu grešku (nesigurnost) 4 10 - 9, što odgovara apsolutnoj pogrešci od 1,2 m/s.

Značajno je da je daljnje povećanje točnosti mjerenja postalo nemoguće zbog okolnosti fundamentalne prirode: ograničavajući čimbenik bila je veličina nesigurnosti u provedbi definicije brojila koja je tada bila na snazi. Pojednostavljeno, glavni doprinos pogrešci mjerenja brzine svjetlosti dala je pogreška "proizvodnje" etalona, čija je relativna vrijednost bila 4·10 -9 . Na temelju toga, a također uzimajući u obzir druga razmatranja, XVII Generalna konferencija za utege i mjere 1983. usvojila je novu definiciju metra, temeljenu na prethodno preporučenoj vrijednosti brzine svjetlosti i definirajući metar kao udaljenost koju svjetlost putuje u vakuumu u vremenskom razdoblju jednakom 1/299,792,458 sekundi .

FTL pokret

Iz posebne teorije relativnosti proizlazi da bi prekoračenje brzine svjetlosti od strane fizičkih čestica (masivnih ili bezmasenih) narušilo načelo uzročnosti - u nekim inercijskim referentnim okvirima bilo bi moguće prenositi signale iz budućnosti u prošlost. . Međutim, teorija ne isključuje za hipotetske čestice koje ne stupaju u interakciju s običnim česticama, kretanje u prostor-vremenu superluminalnom brzinom.

Hipotetičke čestice koje se kreću superluminalnim brzinama nazivaju se tahioni. Matematički, gibanje tahiona opisuje se Lorentzovim transformacijama kao gibanje čestica s imaginarnom masom. Što je veća brzina ovih čestica, to manje energije nose, i obrnuto, što je njihova brzina bliža brzini svjetlosti, to je njihova energija veća – baš kao i energija običnih čestica, energija tahiona teži beskonačnosti kada približava brzini svjetlosti. To je najočitija posljedica Lorentzove transformacije, koja ne dopušta masivnoj čestici (i stvarne i imaginarne mase) da postigne brzinu svjetlosti – jednostavno je nemoguće čestici dati beskonačnu količinu energije.

Treba razumjeti da su, prvo, tahioni klasa čestica, a ne samo jedna vrsta čestica, i drugo, tahioni ne krše načelo uzročnosti ako ni na koji način ne stupaju u interakciju s običnim česticama.

Obične čestice koje se kreću sporije od svjetlosti nazivaju se tardioni. Tardioni ne mogu doseći brzinu svjetlosti, već joj se mogu približiti samo onoliko koliko žele, budući da u tom slučaju njihova energija postaje beskonačno velika. Svi tardioni imaju masu, za razliku od čestica bez mase zvanih luksoni. Luksoni u vakuumu uvijek se kreću brzinom svjetlosti, to uključuje fotone, gluone i hipotetske gravitone.

Od 2006. godine pokazalo se da se u takozvanom efektu kvantne teleportacije prividna interakcija čestica širi brže od brzine svjetlosti. Na primjer, 2008. je istraživački tim dr. Nicolasa Gisina sa Sveučilišta u Ženevi, proučavajući stanja zamršenih fotona razdvojenih 18 km u svemiru, pokazao da se ta prividna „interakcija između čestica događa brzinom od oko sto tisuća puta većom nego brzina Svete«. Takozvani " Hartmannov paradoks» - prividna superluminalna brzina u efektu tunela. Analiza ovih i sličnih rezultata pokazuje da se oni ne mogu koristiti za superluminalni prijenos bilo kakve poruke koja nosi informaciju ili za kretanje materije.

Kao rezultat obrade podataka iz eksperimenta OPERA, prikupljenih od 2008. do 2011. u laboratoriju Gran Sasso u suradnji s CERN-om, zabilježena je statistički značajna indikacija viška brzine svjetlosti mionskih neutrina. Ovu objavu pratila je i objava u arhivi predtiska. Dobiveni rezultati doveli su u pitanje stručnjaci, budući da nisu u skladu ne samo s teorijom relativnosti, već i s drugim eksperimentima s neutrinima. U ožujku 2012. u istom tunelu provedena su nezavisna mjerenja i nisu pronađene superluminalne brzine neutrina. U svibnju 2012. OPERA je provela niz kontrolnih eksperimenata i došla do konačnog zaključka da je tehnički nedostatak (loše umetnut konektor optičkog kabela) razlog za pogrešnu pretpostavku o superluminalnoj brzini.

vidi također

Komentari

Od površine Sunca - od 8 min. 8,3 sek. u perihelu do 8 min. 25 sek. u afelu.
Brzina širenja svjetlosnog impulsa u mediju razlikuje se od brzine njegova širenja u vakuumu (manja nego u vakuumu), a može biti različita za različite medije. Kada se jednostavno govori o brzini svjetlosti, obično se misli na brzinu svjetlosti u vakuumu; ako se govori o brzini svjetlosti u mediju, to se u pravilu eksplicitno navodi.
Trenutno se najtočnije metode za mjerenje brzine svjetlosti temelje na neovisnom određivanju valnih duljina λ (\displaystyle \lambda) i učestalost ν (\displaystyle \nu ) svjetlosnog ili drugog elektromagnetskog zračenja i naknadni proračun u skladu s jednakošću c = λ ν (\displaystyle c=\lambda \nu ).
Vidi na primjer "Oh-My-Bože čestica".
Analogija bi mogla biti nasumično slanje dvije zatvorene omotnice s bijelim i crnim papirom na različita mjesta. Otvaranje jedne omotnice jamči da će druga sadržavati drugi list - ako je prva crna, onda je druga bijela, i obrnuto. Ova "informacija" može putovati brže od brzine svjetlosti - uostalom, drugu omotnicu možete otvoriti u bilo kojem trenutku, a taj drugi list uvijek će biti. Istodobno, temeljna razlika s kvantnim slučajem je samo u tome što je u kvantnom slučaju, prije mjerenja „otvaranja omotnice“, stanje unutarnjeg lista u osnovi neizvjesno, kao u Schrödingerovoj mački, i svaki list može budi tamo.
Međutim, frekvencija svjetlosti ovisi o kretanju izvora svjetlosti u odnosu na promatrača, zbog Dopplerovog efekta.
Dok se pomičući mjereni objekti čine kraćima duž linije relativnog gibanja, čini se da su i rotirani. Ovaj efekt, poznat kao Terrellova rotacija, povezan je s vremenskom razlikom između signala koji pristižu promatraču iz različitih dijelova objekta.
Vjeruje se da Scharnhorstov efekt omogućuje da se signali šire nešto više c (\displaystyle c), ali posebni uvjeti pod kojima se učinak može pojaviti otežavaju primjenu tog učinka na kršenje načela uzročnosti

Bilješke

. Voyager - Međuzvjezdana misija. Laboratorij za mlazni pogon, Kalifornijski institut za tehnologiju. Preuzeto 12. srpnja 2011. Arhivirano iz izvornika 3. veljače 2012.
Nova galaksija "najudaljenija" još otkrivena
, sa. 169.
, sa. 122.
Čudinov E. M. Teorija relativnosti i filozofija. - M.: Politizdat, 1974. - S. 222-227.
, sa. 167.
, sa. 170.
, sa. 184.
Sazhin M.V. Brzina svjetlosti // Space Physics. Mala enciklopedija / Pogl. izd. R. A. Sunyaev. - 2. izd. - M.: Sovjetska enciklopedija, 1986. - S. 622. - 783 str.
GOST 8.417-2002. Državni sustav za osiguranje ujednačenosti mjerenja. Jedinice za količine.
Abbott B. P. i sur. (LIGO Scientific Collaboration, Virgo Collaboration, Fermi Gamma-ray Burst Monitor i INTEGRAL). Gravitacijski valovi i gama-zrake iz spajanja binarnih neutronskih zvijezda: GW170817 i GRB 170817A // The Astrophysical Journal. - 2017. - God. 848.-P. L13. - DOI:10.3847/2041-8213/aa920c .[ispraviti ]
Bolotovsky B. M., Ginzburg V. L.// UFN. - 1972. - T. 106, br. - S. 577-592.
Stachel, JJ. Einstein od "B" do "Z" – svezak 9 Einsteinovih studija. - Springer, 2002. - Str. 226. - ISBN 0-8176-4143-2.
Einstein, A (1905). "Zur Elektrodynamik bewegter Körper" (njemački). Annalen der Physik 17 : 890–921. DOI:10.1002/andp.19053221004. Engleski prijevod: Perrett, W O elektrodinamici gibljivih tijela . Fourmilab. Preuzeto 27. studenog 2009. Arhivirano iz originala 1. veljače 2013.
Aleksandrov E. B. Teorija relativnosti: izravni eksperiment sa zakrivljenom gredom // Kemija i život. - 2012. - Broj 3.
Hsu, J-P. Invarijantnost Lorentza i Poincarea / J-P Hsu, Zhang. - Svjetski znanstveni, 2001. - God. 8. - Str. 543 ff. - ISBN 981-02-4721-4.
Zhang, Y.Z. Specijalna teorija relativnosti i njezini eksperimentalni temelji. - Svjetski znanstveni, 1997. - God. 4. - Str. 172–3. - ISBN 981-02-2749-3.
d"Inverno, R. Uvođenje Einsteinove relativnosti - Oxford University Press, 1992. - P. 19–20. - ISBN 0-19-859686-3.
Sriranjan B. Postulati specijalne teorije relativnosti i njihove posljedice // The Special Theory to Relativity. - PHI Učenje, 2004. - Str. 20 ff. - ISBN 81-203-1963-X.
Roberts, T Koja je eksperimentalna osnova Specijalne relativnosti? . FAQ o Usenet Physics. Sveučilište Kalifornije, Riverside (2007.). Preuzeto 27. studenog 2009. Arhivirano iz originala 1. veljače 2013.
Terrell, J (1959). "Nevidljivost Lorentzove kontrakcije". Fizički pregled 116 (4): 1041–5. DOI:10.1103/PhysRev.116.1041. Bibcode : 1959PhRv..116.1041T.
Penrose, R (1959). "Prividni oblik relativistički pokretne sfere". Proceedings of the Cambridge Philosophical Society 55 (01): 137–9. DOI:10.1017/S0305004100033776. Bibcode: 1959PCPS...55..137P.
Hartle, JB. Addison-Wesley, 2003. - P. 52–9. - ISBN 981-02-2749-3.
Hartle, JB. Gravitacija: Uvod u Einsteinovu opću relativnost - Addison-Wesley, 2003. - P. 332. - ISBN 981-02-2749-3.
Neki autori smatraju sumnjivim tumačenje zapažanja o binarnim sustavima koji se koriste za određivanje brzine gravitacije, ostavljajući eksperimentalnu situaciju neizvjesnom; vidjeti Schafer, G.Širenje svjetlosti u gravitacijskom polju binarnih sustava do kvadratnog reda u Newtonovoj gravitacijskoj konstanti: 3. dio: 'O kontroverzi brzine gravitacije' // Laseri, satovi i kontrola bez povlačenja: Istraživanje relativističke gravitacije u svemiru / G Schäfer, Brügmann - Springer, 2008. - ISBN 3-540-34376-8.
Gibbs, P Je li brzina svjetlosti konstantna? . FAQ o Usenet Physics. Sveučilište Kalifornije, Riverside (1997.). Preuzeto 26. studenog 2009. Arhivirano iz originala 17. studenog 2009.

25. ožujka 2017

FTL putovanja jedan su od temelja svemirske znanstvene fantastike. Međutim, vjerojatno svi - čak i ljudi daleko od fizike - znaju da je najveća moguća brzina kretanja materijalnih objekata ili širenja bilo kojeg signala brzina svjetlosti u vakuumu. Označava se slovom c i iznosi gotovo 300 tisuća kilometara u sekundi; točna vrijednost c = 299 792 458 m/s.

Brzina svjetlosti u vakuumu jedna je od temeljnih fizikalnih konstanti. Nemogućnost postizanja brzina većih od c proizlazi iz Einsteinove specijalne teorije relativnosti (SRT). Kada bi bilo moguće dokazati da je prijenos signala superluminalnom brzinom moguć, teorija relativnosti bi pala. Do sada se to nije dogodilo, unatoč brojnim pokušajima pobijanja zabrane postojanja brzina većih od c. Međutim, nedavna eksperimentalna istraživanja otkrila su neke vrlo zanimljive pojave, koje ukazuju da je u posebno stvorenim uvjetima moguće promatrati superluminalne brzine bez kršenja načela teorije relativnosti.

Za početak, prisjetimo se glavnih aspekata vezanih uz problem brzine svjetlosti.

Prije svega: zašto je nemoguće (u normalnim uvjetima) prekoračiti svjetlosnu granicu? Jer tada se krši temeljni zakon našeg svijeta – zakon uzročnosti, prema kojem posljedica ne može nadmašiti uzrok. Nitko nikada nije primijetio da je, na primjer, medvjed prvo pao mrtav, a onda je lovac pucao. Pri brzinama većim od c, slijed događaja postaje obrnut, vremenska vrpca se premotava unatrag. To se može lako vidjeti iz sljedećeg jednostavnog razmišljanja.

Pretpostavimo da se nalazimo na određenom kozmičkom čudotvornom brodu koji se kreće brže od svjetlosti. Tada bismo postupno sustizali svjetlo koje je emitirao izvor u ranijim i ranijim točkama vremena. Prvo bismo uhvatili korak s fotonima emitiranim, recimo, jučer, zatim - emitiranim prekjučer, zatim - prije tjedan dana, mjesec dana, godinu dana i tako dalje. Kad bi izvor svjetlosti bio ogledalo koje odražava život, tada bismo prvo vidjeli događaje od jučer, zatim prekjučer i tako dalje. Mogli smo vidjeti, recimo, starca koji se postepeno pretvara u sredovječnog čovjeka, pa u mladića, u mladića, u dijete... Odnosno, vrijeme bi se vratilo, iz sadašnjosti bismo se preselili u prošlost. Uzrok i posljedica bi tada bili obrnuti.

Iako ovaj argument potpuno zanemaruje tehničke detalje procesa promatranja svjetlosti, s temeljne točke gledišta, jasno pokazuje da kretanje superluminalnom brzinom dovodi do situacije koja je nemoguća u našem svijetu. Međutim, priroda je postavila još strože uvjete: kretanje je nedostižno ne samo superluminalnom brzinom, već i brzinom jednakom brzini svjetlosti – možete mu se samo približiti. Iz teorije relativnosti proizlazi da s povećanjem brzine kretanja nastaju tri okolnosti: povećava se masa tijela u pokretu, smanjuje se njegova veličina u smjeru kretanja, a protok vremena na tom objektu usporava (od stajalište vanjskog promatrača koji »odmara«). Pri običnim brzinama te su promjene zanemarive, ali kako se približavamo brzini svjetlosti, one postaju sve uočljivije, a u granici - pri brzini jednakoj c - masa postaje beskonačno velika, objekt potpuno gubi svoju veličinu u smjer kretanja i vrijeme se na njemu zaustavlja. Stoga niti jedno materijalno tijelo ne može dostići brzinu svjetlosti. Samo svjetlost sama po sebi ima takvu brzinu! (A također i čestica koja prožima sve - neutrino, koja se, poput fotona, ne može kretati brzinom manjom od c.)

Sada o brzini prijenosa signala. Ovdje je prikladno koristiti prikaz svjetlosti u obliku elektromagnetskih valova. Što je signal? Ovo su neke informacije koje treba prenijeti. Idealni elektromagnetski val je beskonačna sinusoida striktno jedne frekvencije i ne može nositi nikakvu informaciju, jer svaki period takve sinusoide točno ponavlja prethodni. Brzina kretanja faze sinusoidnog vala - takozvana fazna brzina - može u mediju pod određenim uvjetima premašiti brzinu svjetlosti u vakuumu. Ovdje nema ograničenja, budući da fazna brzina nije brzina signala - ona još ne postoji. Da biste stvorili signal, trebate napraviti neku vrstu "oznake" na valu. Takva oznaka može biti, na primjer, promjena bilo kojeg od parametara vala - amplitude, frekvencije ili početne faze. Ali čim se napravi oznaka, val gubi svoju sinusoidnost. Postaje moduliran, sastoji se od skupa jednostavnih sinusoidnih valova s različitim amplitudama, frekvencijama i početnim fazama - skupina valova. Brzina kretanja oznake u moduliranom valu je brzina signala. Kada se širi u mediju, ta se brzina obično podudara sa grupnom brzinom koja karakterizira širenje gornje skupine valova u cjelini (vidi "Znanost i život" br. 2, 2000.). U normalnim uvjetima, grupna brzina, a time i brzina signala, manja je od brzine svjetlosti u vakuumu. Nije slučajno da se ovdje koristi izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima grupna brzina može premašiti c ili čak izgubiti značenje, ali se tada ne odnosi na širenje signala. U SRT-u je utvrđeno da je nemoguće prenijeti signal brzinom većom od c.

Zašto je to tako? Budući da je prepreka prijenosu bilo kojeg signala brzinom većom od c isti zakon uzročnosti. Zamislimo takvu situaciju. U nekom trenutku A svjetlosni bljesak (događaj 1) uključuje uređaj koji šalje određeni radio signal, a u udaljenoj točki B pod djelovanjem tog radio signala dolazi do eksplozije (događaj 2). Jasno je da je događaj 1 (bljesak) uzrok, a događaj 2 (eksplozija) je posljedica koja se javlja kasnije od uzroka. Ali ako bi se radio signal širio superluminalnom brzinom, promatrač blizu točke B prvo bi vidio eksploziju, a tek onda - bljesak svjetlosti koji je do njega stigao brzinom svjetlosnog bljeska, uzrok eksplozije. Drugim riječima, za ovog promatrača, događaj 2 bi se dogodio prije događaja 1, to jest, učinak bi prethodio uzroku.

Prikladno je naglasiti da se "superluminalna zabrana" teorije relativnosti nameće samo kretanju materijalnih tijela i prijenosu signala. U mnogim situacijama moguće je kretati se bilo kojom brzinom, ali to će biti kretanje nematerijalnih objekata i signala. Na primjer, zamislite dva prilično duga ravnala koja leže u istoj ravnini, od kojih se jedan nalazi vodoravno, a drugi ga siječe pod malim kutom. Ako se prva linija pomakne prema dolje (u smjeru označenom strelicom) velikom brzinom, točka presjeka linija može se pokrenuti proizvoljno brzo, ali ta točka nije materijalno tijelo. Drugi primjer: ako uzmete svjetiljku (ili, recimo, laser koji daje uski snop) i brzo opišete luk u zraku, tada će se linearna brzina svjetlosne točke povećavati s udaljenosti i, na dovoljno velikoj udaljenosti, premašit će c. Svjetlosna točka će se kretati između točaka A i B superluminalnom brzinom, ali to neće biti prijenos signala od A do B, budući da takva svjetlosna točka ne nosi nikakvu informaciju o točki A.

Čini se da je pitanje superluminalnih brzina riješeno. No, 60-ih godina dvadesetog stoljeća teoretski fizičari iznijeli su hipotezu o postojanju superluminalnih čestica, nazvanih tahioni. To su vrlo čudne čestice: teoretski su moguće, ali kako bi se izbjegla proturječja s teorijom relativnosti, morala im se dodijeliti zamišljena masa mirovanja. Fizički imaginarna masa ne postoji, ona je čisto matematička apstrakcija. Međutim, to nije izazvalo veliku zabrinutost, budući da tahioni ne mogu mirovati - postoje (ako postoje!) samo pri brzinama koje prelaze brzinu svjetlosti u vakuumu, a u ovom slučaju masa tahiona ispada stvarnom. Ovdje postoji neka analogija s fotonima: foton nema masu mirovanja, ali to jednostavno znači da foton ne može mirovati – svjetlost se ne može zaustaviti.

Najteže je bilo, očekivano, pomiriti hipotezu tahiona sa zakonom kauzalnosti. Pokušaji u tom smjeru, iako su bili prilično genijalni, nisu doveli do očitog uspjeha. Nitko nije uspio eksperimentalno registrirati tahione. Kao rezultat toga, interes za tahione kao superluminalne elementarne čestice postupno je nestao.

Međutim, 60-ih godina prošlog stoljeća eksperimentalno je otkriven fenomen koji je fizičare isprva doveo u zabunu. To je detaljno opisano u članku A. N. Oraevskog "Superluminalni valovi u medijima za pojačavanje" (UFN br. 12, 1998.). Ovdje ukratko sažimamo bit stvari, upućujući čitatelja zainteresiranog za pojedinosti na navedeni članak.

Ubrzo nakon otkrića lasera - početkom 1960-ih - pojavio se problem dobivanja kratkih (s trajanjem reda 1 ns = 10-9 s) svjetlosnih impulsa velike snage. Da bi se to postiglo, kratki laserski impuls je prošao kroz optičko kvantno pojačalo. Puls je podijeljen zrcalom za cijepanje snopa na dva dijela. Jedan od njih, snažniji, poslan je u pojačalo, a drugi se širio u zraku i služio je kao referentni impuls, s kojim je bilo moguće usporediti impuls koji je prošao kroz pojačalo. Oba su impulsa dovedena u fotodetektore, a njihovi izlazni signali mogli su se vizualno promatrati na ekranu osciloskopa. Očekivalo se da će svjetlosni impuls koji prolazi kroz pojačalo doživjeti određeno kašnjenje u odnosu na referentni impuls, odnosno da će brzina širenja svjetlosti u pojačalu biti manja nego u zraku. Kakvo je bilo zaprepaštenje istraživača kada su otkrili da se puls širi kroz pojačalo brzinom ne samo većom nego u zraku, već i nekoliko puta većom od brzine svjetlosti u vakuumu!

Nakon što su se oporavili od prvog šoka, fizičari su počeli tražiti razlog tako neočekivanog rezultata. Nitko nije ni najmanje sumnjao u načela specijalne teorije relativnosti, a upravo je to pomoglo da se nađe ispravno objašnjenje: ako se sačuvaju principi SRT-a, onda odgovor treba tražiti u svojstvima medija za pojačavanje. .

Ne ulazeći ovdje u detalje, samo ističemo da je detaljna analiza mehanizma djelovanja medija za pojačanje potpuno razjasnila situaciju. Poanta je bila promjena koncentracije fotona tijekom širenja impulsa - promjena zbog promjene pojačanja medija do negativne vrijednosti tijekom prolaska stražnjeg dijela impulsa, kada je medij već apsorbira energiju, jer je vlastita rezerva već iskorištena zbog prijenosa na svjetlosni puls. Apsorpcija ne uzrokuje povećanje, već smanjenje impulsa, pa se time impuls u prednjem dijelu pojačava, a straga slabi. Zamislimo da puls promatramo uz pomoć instrumenta koji se kreće brzinom svjetlosti u mediju pojačala. Da je medij proziran, vidjeli bismo impuls zamrznut u nepokretnosti. U mediju u kojem se odvija gore spomenuti proces, jačanje prednjeg ruba i slabljenje zadnjeg ruba pulsa će se promatraču pojaviti na način da je medij, takoreći, pomaknuo puls naprijed . Ali budući da se uređaj (promatrač) kreće brzinom svjetlosti, a impuls ga sustigne, tada brzina impulsa prelazi brzinu svjetlosti! Upravo su taj učinak registrirali eksperimentatori. I ovdje doista nema proturječja s teorijom relativnosti: samo je proces pojačanja takav da se koncentracija fotona koji su izašli ranije ispostavila da je veća od onih koji su izašli kasnije. Ne kreću se fotoni superluminalnom brzinom, već se na osciloskopu promatra omotnica impulsa, posebno njegov maksimum.

Dakle, dok u običnim medijima uvijek dolazi do slabljenja svjetlosti i smanjenja njezine brzine, određene indeksom loma, u aktivnim laserskim medijima ne opaža se samo pojačavanje svjetlosti, već i širenje impulsa superluminalnom brzinom.

Neki su fizičari pokušali eksperimentalno dokazati prisutnost superluminalnog gibanja u efektu tunela, jednom od najnevjerojatnijih pojava u kvantnoj mehanici. Taj se učinak sastoji u tome što mikročestica (točnije, mikroobjekt koji pokazuje i svojstva čestice i svojstva vala u različitim uvjetima) može prodrijeti kroz tzv. potencijalnu barijeru – fenomen koji je potpuno nemoguć. u klasičnoj mehanici (u kojoj bi takva situacija bila analogna: lopta bačena na zid završila bi s druge strane zida, ili bi se valovito gibanje koje daje uže privezano za zid prenijelo na uže privezano za zid zid s druge strane). Suština efekta tunela u kvantnoj mehanici je sljedeća. Ako mikroobjekt s određenom energijom na svom putu naiđe na područje čija je potencijalna energija veća od energije mikroobjekta, to područje za njega predstavlja barijeru čija je visina određena energetskom razlikom. Ali mikro-objekt "procuri" kroz barijeru! Tu mu mogućnost daje poznata Heisenbergova relacija nesigurnosti, zapisana za energiju i vrijeme interakcije. Ako se interakcija mikro-objekta s barijerom dogodi dovoljno određeno vrijeme, tada će energija mikro-objekta, naprotiv, biti okarakterizirana nesigurnošću, a ako je ta nesigurnost reda visine barijere, tada potonji prestaje biti nepremostiva prepreka za mikro-objekt. Upravo je stopa prodiranja kroz potencijalnu barijeru postala predmetom istraživanja brojnih fizičara, koji vjeruju da ona može premašiti c.

U lipnju 1998. u Kölnu je održan međunarodni simpozij o problemima superluminalnih gibanja na kojem se raspravljalo o rezultatima dobivenim u četiri laboratorija - u Berkeleyu, Beču, Kölnu i Firenci.

I naposljetku, 2000. godine objavljena su dva nova eksperimenta u kojima su se pojavili učinci superluminalnog širenja. Jednu od njih izveli su Lijun Wong i suradnici na istraživačkom institutu u Princetonu (SAD). Njegov rezultat je da svjetlosni impuls koji ulazi u komoru ispunjenu parama cezija povećava svoju brzinu za faktor 300. Pokazalo se da glavni dio pulsa napušta udaljenu stijenku komore i prije nego što puls uđe u komoru kroz prednju stijenku. Takva situacija proturječi ne samo zdravom razumu, nego, u biti, i teoriji relativnosti.

Izvješće L. Wonga izazvalo je intenzivnu raspravu među fizičarima, od kojih većina nije sklona vidjeti u dobivenim rezultatima kršenje načela relativnosti. Izazov je, vjeruju, ispravno objasniti ovaj eksperiment.

U eksperimentu L. Wonga, svjetlosni impuls koji je ušao u komoru s parama cezija imao je trajanje oko 3 μs. Atomi cezija mogu biti u šesnaest mogućih kvantnomehaničkih stanja nazvanih "hiperfine magnetske podrazine osnovnog stanja". Koristeći optičko lasersko pumpanje, gotovo svi atomi dovedeni su u samo jedno od ovih šesnaest stanja, što odgovara temperaturi gotovo apsolutnoj nuli na Kelvinovoj ljestvici (-273,15 °C). Duljina cezijeve komore bila je 6 centimetara. U vakuumu svjetlost putuje 6 centimetara za 0,2 ns. Kako su mjerenja pokazala, svjetlosni impuls je prošao kroz komoru s cezijem za 62 ns kraće vrijeme nego u vakuumu. Drugim riječima, vrijeme prolaska impulsa kroz cezijev medij ima predznak "minus"! Doista, ako od 0,2 ns oduzmemo 62 ns, dobivamo "negativno" vrijeme. Ovo "negativno kašnjenje" u mediju - neshvatljiv vremenski skok - jednako je vremenu tijekom kojeg bi impuls napravio 310 prolaska kroz komoru u vakuumu. Posljedica ovog "preokretanja vremena" bila je da se impuls koji je napustio komoru uspio odmaknuti od nje za 19 metara prije nego što je dolazni impuls stigao do bliske stijenke komore. Kako se može objasniti tako nevjerojatna situacija (osim ako, naravno, nema sumnje u čistoću eksperimenta)?

Sudeći po raspravi koja se razvila, točno objašnjenje još nije pronađeno, ali nema sumnje da neobična disperzijska svojstva medija ovdje igraju ulogu: cezijeva para, koja se sastoji od atoma pobuđenih laserskom svjetlošću, medij je s anomalna disperzija. Prisjetimo se ukratko što je to.

Disperzija tvari je ovisnost faznog (uobičajenog) indeksa loma n o valnoj duljini svjetlosti l. Kod normalne disperzije indeks loma raste sa smanjenjem valne duljine, a to je slučaj u staklu, vodi, zraku i svim drugim tvarima prozirnim za svjetlost. U tvarima koje snažno apsorbiraju svjetlost, tijek indeksa loma se obrće s promjenom valne duljine i postaje znatno strmiji: sa smanjenjem l (povećanje frekvencije w), indeks loma naglo opada i u određenom rasponu valnih duljina postaje manji. nego jedinica (fazna brzina Vf > s ). To je anomalna disperzija, u kojoj se uzorak širenja svjetlosti u tvari radikalno mijenja. Grupna brzina Vgr postaje veća od fazne brzine valova i može premašiti brzinu svjetlosti u vakuumu (i također postati negativna). L. Wong na tu okolnost ukazuje kao na razlog za mogućnost objašnjenja rezultata svog eksperimenta. Međutim, treba napomenuti da je uvjet Vgr > c čisto formalan, budući da je koncept grupne brzine uveden za slučaj male (normalne) disperzije, za prozirne medije, kada skupina valova gotovo ne mijenja svoj oblik tijekom razmnožavanje. U područjima anomalne disperzije, međutim, svjetlosni impuls se brzo deformira i koncept grupne brzine gubi svoje značenje; u ovom slučaju uvode se pojmovi brzine signala i brzine širenja energije, koje se u prozirnim medijima podudaraju sa grupnom brzinom, dok u medijima s apsorpcijom ostaju manje od brzine svjetlosti u vakuumu. Ali evo što je zanimljivo u Wongovom eksperimentu: svjetlosni impuls, prolazeći kroz medij s anomalnom disperzijom, ne deformira se – zadržava svoj oblik točno! A to odgovara pretpostavci da se impuls širi grupnom brzinom. Ali ako je tako, onda se ispostavlja da u mediju nema apsorpcije, iako je anomalna disperzija medija posljedica upravo apsorpcije! Sam Wong, uviđajući da mnogo toga ostaje nejasno, vjeruje da se ono što se događa u njegovoj eksperimentalnoj postavci može jasno objasniti kao prva aproksimacija na sljedeći način.

Svjetlosni impuls se sastoji od mnogo komponenti s različitim valnim duljinama (frekvencijama). Slika prikazuje tri od ovih komponenti (valovi 1-3). U nekom trenutku sva tri vala su u fazi (njihovi maksimumi se podudaraju); ovdje se oni, zbrajajući, međusobno pojačavaju i tvore impuls. Kako se valovi dalje šire u prostoru, oni su izvan faze i tako se međusobno "gase".

U području anomalne disperzije (unutar cezijeve ćelije) val koji je bio kraći (val 1) postaje duži. Suprotno tome, val koji je bio najduži od tri (val 3) postaje najkraći.

Posljedično, faze valova se također mijenjaju u skladu s tim. Kada valovi prođu kroz cezijevu ćeliju, njihove valne fronte se obnavljaju. Nakon što su prošli neobičnu faznu modulaciju u tvari s anomalnom disperzijom, tri razmatrana vala se u nekom trenutku ponovno nađu u fazi. Ovdje se ponovno zbrajaju i tvore puls potpuno istog oblika kao onaj koji ulazi u cezijev medij.

Obično u zraku, i doista u bilo kojem normalno disperzivnom prozirnom mediju, svjetlosni impuls ne može točno zadržati svoj oblik kada se širi na udaljenu udaljenost, odnosno, sve njegove komponente ne mogu biti u fazi u bilo kojoj udaljenoj točki duž puta širenja. A u normalnim uvjetima, svjetlosni puls na tako udaljenoj točki pojavljuje se nakon nekog vremena. Međutim, zbog anomalnih svojstava medija korištenog u eksperimentu, pokazalo se da je puls na udaljenoj točki faziran na isti način kao i pri ulasku u ovaj medij. Dakle, svjetlosni se puls ponaša kao da ima negativno vremensko kašnjenje na putu do udaljene točke, odnosno da bi do njega stigao ne kasnije, nego prije nego što je prošao medij!

Većina fizičara sklona je povezati ovaj rezultat s pojavom prekursora niskog intenziteta u disperzivnom mediju komore. Činjenica je da u spektralnoj dekompoziciji impulsa spektar sadrži komponente proizvoljno visokih frekvencija s zanemarivom amplitudom, takozvani prekursor, koji ide ispred "glavnog dijela" impulsa. Priroda nastanka i oblik prethodnika ovise o zakonu disperzije u mediju. Imajući to na umu, predlaže se da se slijed događaja u Wongovom eksperimentu tumači na sljedeći način. Nadolazeći val, "razvlačeći" vjesnik ispred sebe, približava se kameri. Prije nego što vrh dolaznog vala udari u bližu stijenku komore, prekursor inicira pojavu impulsa u komori, koji dopire do udaljene stijenke i odbija se od nje, tvoreći "obrnuti val". Ovaj val, koji se širi 300 puta brže od c, doseže bliži zid i susreće se s nadolazećim valom. Vrhovi jednog vala susreću se s koritima drugog tako da se međusobno poništavaju i ništa ne ostaje. Ispada da nadolazeći val "vraća dug" atomima cezija, koji su mu "posudili" energiju na drugom kraju komore. Svatko tko je promatrao samo početak i kraj eksperimenta vidio bi samo svjetlosni puls koji je "skočio" naprijed u vremenu, krećući se brže od c.

L. Wong smatra da njegov eksperiment nije u skladu s teorijom relativnosti. Tvrdnja o nedostižnosti superluminalne brzine, smatra, primjenjiva je samo na objekte s masom mirovanja. Svjetlost se može predstaviti ili u obliku valova, na koje je koncept mase općenito neprimjenjiv, ili u obliku fotona s masom mirovanja, kao što je poznato, jednakom nuli. Stoga brzina svjetlosti u vakuumu, prema Wongu, nije granica. Međutim, Wong priznaje da učinak koji je otkrio onemogućuje prijenos informacija brže od c.

"Ovdje su informacije već sadržane u prednjem rubu impulsa", kaže P. Milonni, fizičar iz Nacionalnog laboratorija Los Alamos u Sjedinjenim Državama.

Većina fizičara vjeruje da novi rad ne zadaje snažan udarac temeljnim principima. Ali ne vjeruju svi fizičari da je problem riješen. Profesor A. Ranfagni, iz talijanskog istraživačkog tima koji je izveo još jedan zanimljiv eksperiment 2000. godine, kaže da je pitanje još uvijek otvoreno. Ovaj eksperiment, koji su proveli Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni i Rocco Ruggeri, otkrio je da se radio valovi centimetrskih valova šire u normalnom zraku brzinom 25% bržom od c.

Sumirajući, možemo reći sljedeće.

Radovi posljednjih godina pokazuju da se pod određenim uvjetima superluminalna brzina doista može dogoditi. Ali što se točno kreće superluminalnom brzinom? Teorija relativnosti, kao što je već spomenuto, zabranjuje takvu brzinu za materijalna tijela i za signale koji nose informaciju. Ipak, neki su istraživači vrlo uporni u svojim pokušajima da pokažu prevladavanje svjetlosne barijere posebno za signale. Razlog tome leži u činjenici da u specijalnoj teoriji relativnosti ne postoji rigorozno matematičko opravdanje (temeljeno, recimo, na Maxwellovim jednadžbama za elektromagnetsko polje) za nemogućnost prijenosa signala brzinom većom od c. Takva nemogućnost u SRT-u utvrđena je, reklo bi se, čisto aritmetički, na temelju Einsteinove formule za zbrajanje brzina, ali to u osnovi potvrđuje načelo kauzalnosti. Sam Einstein je, razmatrajući pitanje prijenosa superluminalnog signala, napisao da u ovom slučaju "... prisiljeni smo smatrati mogućim mehanizam prijenosa signala, pri korištenju kojeg postignuto djelovanje prethodi uzroku. Ali, iako to proizlazi iz čisto logičnog gledište ne sadrži u sebi, po mom mišljenju, nikakve proturječnosti, ono ipak proturječi karakteru cjelokupnog našeg iskustva u tolikoj mjeri da se čini da je nemogućnost pretpostavke V > c dovoljno dokazana. Načelo uzročnosti je kamen temeljac koji leži u osnovi nemogućnosti superluminalne signalizacije. I, po svemu sudeći, sve pretrage za superluminalnim signalima, bez iznimke, naletjet će na ovaj kamen, ma koliko eksperimentatori željeli otkriti takve signale, jer takva je priroda našeg svijeta.

Ali ipak, zamislimo da će matematika relativnosti i dalje raditi pri superluminalnim brzinama. To znači da teoretski još uvijek možemo saznati što bi se dogodilo da tijelo premaši brzinu svjetlosti.

Zamislite dva svemirska broda koji idu sa Zemlje prema zvijezdi koja je 100 svjetlosnih godina udaljena od našeg planeta. Prvi brod napušta Zemlju brzinom od 50% brzine svjetlosti, tako da će trebati 200 godina da završi putovanje. Drugi brod, opremljen hipotetičkim warp pogonom, krenut će 200% brzinom svjetlosti, ali 100 godina nakon prvog. Što će se dogoditi?

Prema teoriji relativnosti, točan odgovor uvelike ovisi o perspektivi promatrača. Sa Zemlje će se činiti da je prvi brod već prešao znatnu udaljenost prije nego što ga je pretekao drugi brod, koji se kreće četiri puta brže. Ali sa stajališta ljudi na prvom brodu, sve je malo drugačije.

Brod #2 kreće se brže od svjetlosti, što znači da može nadmašiti čak i svjetlost koju emitira. To dovodi do svojevrsnog "svjetlosnog vala" (analogno zvuku, ovdje vibriraju samo svjetlosni valovi umjesto vibracija zraka), što dovodi do nekoliko zanimljivih efekata. Podsjetimo da se svjetlo s broda #2 kreće sporije od samog broda. Rezultat će biti vizualno udvostručenje. Drugim riječima, prvo će posada broda #1 vidjeti da se drugi brod pojavio pored njih kao niotkuda. Zatim će svjetlo s drugog broda s malim zakašnjenjem doći do prvog broda, a rezultat će biti vidljiva kopija koja će se kretati u istom smjeru s malim zakašnjenjem.

Nešto slično se može vidjeti u računalnim igrama kada, kao rezultat kvara sustava, motor učitava model i njegove algoritme na krajnjoj točki pokreta brže nego što sama animacija gibanja završava, tako da dolazi do višestrukih snimanja. To je vjerojatno razlog zašto naša svijest ne percipira onaj hipotetski aspekt Svemira u kojem se tijela kreću superluminalnom brzinom – možda je to najbolje.

p.s. ... ali u posljednjem primjeru nešto nisam razumio, zašto je stvarna pozicija broda povezana sa "svjetlošću koju emitira"? Pa, iako će ga vidjeti nekako na krivom mjestu, ali u stvarnosti će prestići prvi brod!

izvori

Doktor tehničkih znanosti A. GOLUBEV.

Sredinom prošle godine u časopisima se pojavila senzacionalna reportaža. Skupina američkih istraživača otkrila je da vrlo kratak laserski puls putuje stotine puta brže u posebno odabranom mediju nego u vakuumu. Taj se fenomen činio apsolutno nevjerojatnim (brzina svjetlosti u mediju je uvijek manja nego u vakuumu) i čak je dovela do sumnje u valjanost posebne teorije relativnosti. U međuvremenu, superluminalni fizički objekt - laserski puls u mediju za pojačavanje - prvi je put otkriven ne 2000. godine, već 35 godina ranije, 1965., a mogućnost superluminalnog gibanja naširoko se raspravljalo sve do ranih 70-ih. Danas se rasprava oko ovog čudnog fenomena rasplamsala s novom snagom.

Primjeri "superluminalnog" kretanja.

Početkom 1960-ih, kratki svjetlosni impulsi velike snage počeli su se dobivati prolaskom laserskog bljeska kroz kvantno pojačalo (medij s inverznom populacijom).

U mediju za pojačavanje, početno područje svjetlosnog impulsa uzrokuje stimuliranu emisiju atoma u mediju pojačala, a njegovo konačno područje uzrokuje njihovu apsorpciju energije. Kao rezultat toga, promatraču će se činiti da se puls kreće brže od svjetlosti.

Lijun Wong eksperiment.

Snop svjetlosti koji prolazi kroz prizmu prozirnog materijala (kao što je staklo) se lomi, odnosno doživljava disperziju.

Svjetlosni puls je skup oscilacija različitih frekvencija.

Vjerojatno svi - čak i ljudi daleko od fizike - znaju da je najveća moguća brzina kretanja materijalnih objekata ili širenja bilo kakvih signala brzina svjetlosti u vakuumu. Označeno je slovom s i iznosi gotovo 300 tisuća kilometara u sekundi; točna vrijednost s= 299 792 458 m/s. Brzina svjetlosti u vakuumu jedna je od temeljnih fizikalnih konstanti. Nemogućnost postizanja prekoračenja brzina s, slijedi iz Einsteinove specijalne teorije relativnosti (SRT). Kada bi bilo moguće dokazati da je prijenos signala superluminalnom brzinom moguć, teorija relativnosti bi pala. Do sada se to nije dogodilo, unatoč brojnim pokušajima pobijanja zabrane postojanja brzina većih od s. Međutim, nedavna eksperimentalna istraživanja otkrila su neke vrlo zanimljive pojave, koje ukazuju da je u posebno stvorenim uvjetima moguće promatrati superluminalne brzine bez kršenja načela teorije relativnosti.

Za početak, prisjetimo se glavnih aspekata vezanih uz problem brzine svjetlosti. Prije svega: zašto je nemoguće (u normalnim uvjetima) prekoračiti svjetlosnu granicu? Jer tada se krši temeljni zakon našeg svijeta – zakon uzročnosti, prema kojem posljedica ne može nadmašiti uzrok. Nitko nikada nije primijetio da je, na primjer, medvjed prvo pao mrtav, a onda je lovac pucao. Pri brzinama većim s, slijed događaja postaje obrnut, vremenska vrpca se premotava. To se može lako vidjeti iz sljedećeg jednostavnog razmišljanja.

Iako ovaj argument potpuno zanemaruje tehničke detalje procesa promatranja svjetlosti, s temeljne točke gledišta, jasno pokazuje da kretanje superluminalnom brzinom dovodi do situacije koja je nemoguća u našem svijetu. Međutim, priroda je postavila još strože uvjete: kretanje je nedostižno ne samo superluminalnom brzinom, već i brzinom jednakom brzini svjetlosti – možete mu se samo približiti. Iz teorije relativnosti proizlazi da s povećanjem brzine kretanja nastaju tri okolnosti: povećava se masa tijela u pokretu, smanjuje se njegova veličina u smjeru kretanja, a protok vremena na tom objektu usporava (od stajalište vanjskog promatrača koji »odmara«). Pri običnim brzinama te su promjene zanemarive, ali kako se približavamo brzini svjetlosti, one postaju sve uočljivije, a u granici - brzinom jednakom s, - masa postaje beskonačno velika, predmet potpuno gubi svoju veličinu u smjeru kretanja i vrijeme se na njemu zaustavlja. Stoga niti jedno materijalno tijelo ne može dostići brzinu svjetlosti. Samo svjetlost sama po sebi ima takvu brzinu! (A također i "sveprodiruća" čestica - neutrin, koji se, poput fotona, ne može kretati brzinom manjom od s.)

Sada o brzini prijenosa signala. Ovdje je prikladno koristiti prikaz svjetlosti u obliku elektromagnetskih valova. Što je signal? Ovo su neke informacije koje treba prenijeti. Idealni elektromagnetski val je beskonačna sinusoida striktno jedne frekvencije i ne može nositi nikakvu informaciju, jer svaki period takve sinusoide točno ponavlja prethodni. Brzina kojom se kreće faza sinusnog vala – tzv. fazna brzina - može premašiti brzinu svjetlosti u vakuumu pod određenim uvjetima. Ovdje nema ograničenja, budući da fazna brzina nije brzina signala - ona još ne postoji. Da biste stvorili signal, trebate napraviti neku vrstu "oznake" na valu. Takva oznaka može biti, na primjer, promjena bilo kojeg od parametara vala - amplitude, frekvencije ili početne faze. Ali čim se napravi oznaka, val gubi svoju sinusoidnost. Postaje moduliran, sastoji se od skupa jednostavnih sinusoidnih valova s različitim amplitudama, frekvencijama i početnim fazama - skupina valova. Brzina kretanja oznake u moduliranom valu je brzina signala. Kada se širi u mediju, ta se brzina obično podudara sa grupnom brzinom koja karakterizira širenje gornje skupine valova u cjelini (vidi "Znanost i život" br. 2, 2000.). U normalnim uvjetima, grupna brzina, a time i brzina signala, manja je od brzine svjetlosti u vakuumu. Nije slučajno da se ovdje koristi izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima i grupna brzina može premašiti s ili čak gube značenje, ali onda se to ne odnosi na širenje signala. U SRT-u je utvrđeno da je nemoguće odašiljati signal brzinom većom od s.

Zašto je to tako? Budući da je prepreka prijenosu bilo kojeg signala brzinom većom od s vrijedi isti zakon uzročnosti. Zamislimo takvu situaciju. U nekom trenutku A svjetlosni bljesak (događaj 1) uključuje uređaj koji šalje određeni radio signal, a u udaljenoj točki B pod djelovanjem tog radio signala dolazi do eksplozije (događaj 2). Jasno je da je događaj 1 (bljesak) uzrok, a događaj 2 (eksplozija) je posljedica koja se javlja kasnije od uzroka. Ali ako bi se radio signal širio superluminalnom brzinom, promatrač blizu točke B prvo bi vidio eksploziju, a tek onda - koja je do njega stigla brzinom s bljesak svjetlosti, uzrok eksplozije. Drugim riječima, za ovog promatrača, događaj 2 bi se dogodio prije događaja 1, to jest, učinak bi prethodio uzroku.

Prikladno je naglasiti da se "superluminalna zabrana" teorije relativnosti nameće samo kretanju materijalnih tijela i prijenosu signala. U mnogim situacijama moguće je kretati se bilo kojom brzinom, ali to će biti kretanje nematerijalnih objekata i signala. Na primjer, zamislite dva prilično duga ravnala koja leže u istoj ravnini, od kojih se jedan nalazi vodoravno, a drugi ga siječe pod malim kutom. Ako se prva linija pomakne prema dolje (u smjeru označenom strelicom) velikom brzinom, točka presjeka linija može se pokrenuti proizvoljno brzo, ali ta točka nije materijalno tijelo. Drugi primjer: ako uzmete svjetiljku (ili, recimo, laser koji daje uski snop) i brzo opišete luk u zraku, tada će se linearna brzina svjetlosne točke povećavati s udaljenosti i, na dovoljno velikoj udaljenosti, će premašiti s. Svjetlosna točka će se kretati između točaka A i B superluminalnom brzinom, ali to neće biti prijenos signala od A do B, budući da takva svjetlosna točka ne nosi nikakvu informaciju o točki A.

Ubrzo nakon otkrića lasera, početkom 1960-ih, pojavio se problem dobivanja kratkih (s trajanjem reda od 1 ns = 10 -9 s) svjetlosnih impulsa velike snage. Da bi se to postiglo, kratki laserski impuls je prošao kroz optičko kvantno pojačalo. Puls je podijeljen zrcalom za cijepanje snopa na dva dijela. Jedan od njih, snažniji, poslan je u pojačalo, a drugi se širio u zraku i služio je kao referentni impuls, s kojim je bilo moguće usporediti impuls koji je prošao kroz pojačalo. Oba su impulsa dovedena u fotodetektore, a njihovi izlazni signali mogli su se vizualno promatrati na ekranu osciloskopa. Očekivalo se da će svjetlosni impuls koji prolazi kroz pojačalo doživjeti određeno kašnjenje u odnosu na referentni impuls, odnosno da će brzina širenja svjetlosti u pojačalu biti manja nego u zraku. Kakvo je bilo zaprepaštenje istraživača kada su otkrili da se puls širi kroz pojačalo brzinom ne samo većom nego u zraku, već i nekoliko puta većom od brzine svjetlosti u vakuumu!

U eksperimentu L. Wonga, svjetlosni impuls koji je ušao u komoru s parama cezija imao je trajanje oko 3 μs. Atomi cezija mogu biti u šesnaest mogućih kvantnomehaničkih stanja nazvanih "hiperfine magnetske podrazine osnovnog stanja". Optičkim laserskim pumpanjem gotovo svi atomi dovedeni su u samo jedno od ovih šesnaest stanja, što odgovara temperaturi gotovo apsolutnoj nuli na Kelvinovoj ljestvici (-273,15 o C). Duljina cezijeve komore bila je 6 centimetara. U vakuumu svjetlost putuje 6 centimetara za 0,2 ns. Kako su mjerenja pokazala, svjetlosni impuls je prošao kroz komoru s cezijem za 62 ns kraće vrijeme nego u vakuumu. Drugim riječima, vrijeme prolaska impulsa kroz cezijev medij ima predznak "minus"! Doista, ako od 0,2 ns oduzmemo 62 ns, dobivamo "negativno" vrijeme. Ovo "negativno kašnjenje" u mediju - neshvatljiv vremenski skok - jednako je vremenu tijekom kojeg bi impuls napravio 310 prolaska kroz komoru u vakuumu. Posljedica ovog "preokretanja vremena" bila je da se impuls koji je napustio komoru uspio odmaknuti od nje za 19 metara prije nego što je dolazni impuls stigao do bliske stijenke komore. Kako se može objasniti tako nevjerojatna situacija (osim ako, naravno, nema sumnje u čistoću eksperimenta)?

Disperzija tvari je ovisnost faznog (običnog) indeksa loma n na valnoj duljini svjetlosti l. Kod normalne disperzije indeks loma raste sa smanjenjem valne duljine, a to je slučaj u staklu, vodi, zraku i svim drugim tvarima prozirnim za svjetlost. U tvarima koje snažno apsorbiraju svjetlost, tijek indeksa loma se obrće s promjenom valne duljine i postaje mnogo strmiji: kako l opada (frekvencija w raste), indeks loma naglo opada i u određenom rasponu valnih duljina postaje manji od jedinice (faza brzina V f > s). To je anomalna disperzija, u kojoj se uzorak širenja svjetlosti u tvari radikalno mijenja. grupna brzina V cp postaje veći od fazne brzine valova i može premašiti brzinu svjetlosti u vakuumu (i također postati negativan). L. Wong na tu okolnost ukazuje kao na razlog za mogućnost objašnjenja rezultata svog eksperimenta. Međutim, treba napomenuti da stanje V gr > s je čisto formalno, budući da je koncept grupne brzine uveden za slučaj male (normalne) disperzije, za prozirne medije, kada skupina valova gotovo ne mijenja svoj oblik tijekom širenja. U područjima anomalne disperzije, međutim, svjetlosni impuls se brzo deformira i koncept grupne brzine gubi svoje značenje; u ovom slučaju uvode se pojmovi brzine signala i brzine širenja energije, koje se u prozirnim medijima podudaraju sa grupnom brzinom, dok u medijima s apsorpcijom ostaju manje od brzine svjetlosti u vakuumu. Ali evo što je zanimljivo u Wongovom eksperimentu: svjetlosni impuls, prolazeći kroz medij s anomalnom disperzijom, ne deformira se – zadržava svoj oblik točno! A to odgovara pretpostavci da se impuls širi grupnom brzinom. Ali ako je tako, onda se ispostavlja da u mediju nema apsorpcije, iako je anomalna disperzija medija posljedica upravo apsorpcije! Sam Wong, uviđajući da mnogo toga ostaje nejasno, vjeruje da se ono što se događa u njegovoj eksperimentalnoj postavci može jasno objasniti kao prva aproksimacija na sljedeći način.

U području anomalne disperzije (unutar cezijeve ćelije) val koji je bio kraći (val 1) postaje duži. Suprotno tome, val koji je bio najduži od tri (val 3) postaje najkraći.

Većina fizičara sklona je povezati ovaj rezultat s pojavom prekursora niskog intenziteta u disperzivnom mediju komore. Činjenica je da u spektralnoj dekompoziciji impulsa spektar sadrži komponente proizvoljno visokih frekvencija s zanemarivom amplitudom, takozvani prekursor, koji ide ispred "glavnog dijela" impulsa. Priroda nastanka i oblik prethodnika ovise o zakonu disperzije u mediju. Imajući to na umu, predlaže se da se slijed događaja u Wongovom eksperimentu tumači na sljedeći način. Nadolazeći val, "razvlačeći" vjesnik ispred sebe, približava se kameri. Prije nego što vrh dolaznog vala udari u bližu stijenku komore, prekursor inicira pojavu impulsa u komori, koji dopire do udaljene stijenke i odbija se od nje, tvoreći "obrnuti val". Ovaj val, koji se širi 300 puta brže s, stiže do blizu zida i susreće nadolazeći val. Vrhovi jednog vala susreću se s koritima drugog tako da se međusobno poništavaju i ništa ne ostaje. Ispada da nadolazeći val "vraća dug" atomima cezija, koji su mu "posudili" energiju na drugom kraju komore. Netko tko je promatrao samo početak i kraj eksperimenta vidio bi samo svjetlosni puls koji je "skočio" naprijed u vremenu, krećući se brže s.

L. Wong smatra da njegov eksperiment nije u skladu s teorijom relativnosti. Tvrdnja o nedostižnosti superluminalne brzine, smatra, primjenjiva je samo na objekte s masom mirovanja. Svjetlost se može predstaviti ili u obliku valova, na koje je koncept mase općenito neprimjenjiv, ili u obliku fotona s masom mirovanja, kao što je poznato, jednakom nuli. Stoga brzina svjetlosti u vakuumu, prema Wongu, nije granica. Ipak, Wong priznaje da učinak koji je otkrio ne omogućuje prijenos informacija brzinom većom od s.

"Ovdje su informacije već sadržane u prednjem rubu impulsa", kaže P. Milonni, fizičar iz Nacionalnog laboratorija Los Alamos u Sjedinjenim Državama.

Sumirajući, možemo reći sljedeće. Radovi posljednjih godina pokazuju da se pod određenim uvjetima superluminalna brzina doista može dogoditi. Ali što se točno kreće superluminalnom brzinom? Teorija relativnosti, kao što je već spomenuto, zabranjuje takvu brzinu za materijalna tijela i za signale koji nose informaciju. Ipak, neki su istraživači vrlo uporni u svojim pokušajima da pokažu prevladavanje svjetlosne barijere posebno za signale. Razlog tome leži u činjenici da u specijalnoj teoriji relativnosti ne postoji rigorozno matematičko opravdanje (temeljeno, recimo, na Maxwellovim jednadžbama za elektromagnetno polje) za nemogućnost prijenosa signala brzinom većom od s. Takva nemogućnost u SRT-u utvrđena je, reklo bi se, čisto aritmetički, na temelju Einsteinove formule za zbrajanje brzina, ali to u osnovi potvrđuje načelo kauzalnosti. Sam Einstein je, razmatrajući pitanje superluminalnog prijenosa signala, napisao da u ovom slučaju "... prisiljeni smo smatrati mogućim mehanizam prijenosa signala, pri korištenju kojeg postignuto djelovanje prethodi uzroku. Ali, iako to proizlazi iz čisto logičnog stajalište ne sadrži u sebi, po mom mišljenju, nikakve proturječnosti, ono je ipak u tolikoj suprotnosti s karakterom cjelokupnog našeg iskustva da je nemogućnost pretpostaviti V > cČini se da je dovoljno dokazano." Načelo kauzalnosti je kamen temeljac koji leži u osnovi nemogućnosti prijenosa superluminalnog signala. A ovaj će kamen, po svemu sudeći, posrnuti sve potrage za superluminalnim signalima, bez iznimke, ma koliko eksperimentatori željeli otkriti takve signale jer je to priroda našeg svijeta.

U zaključku, treba naglasiti da se sve navedeno odnosi upravo na naš svijet, na naš Svemir. Takva je rezerva napravljena jer su se nedavno u astrofizici i kozmologiji pojavile nove hipoteze koje dopuštaju postojanje mnogih svemira skrivenih od nas, povezanih topološkim tunelima - skakačima. Ovo stajalište dijeli, na primjer, poznati astrofizičar N. S. Kardashev. Za vanjskog promatrača, ulazi u te tunele obilježeni su anomalnim gravitacijskim poljima, sličnim crnim rupama. Kretanja u takvim tunelima, kako sugeriraju autori hipoteza, omogućit će da se zaobiđe ograničenje brzine kretanja koje u običnom prostoru nameće brzina svjetlosti i, posljedično, ostvariti ideju stvaranja vremeplov... stvari. I premda dosad takve hipoteze previše podsjećaju na zaplete iz znanstvene fantastike, teško da treba kategorički odbaciti temeljnu mogućnost višeelementnog modela strukture materijalnog svijeta. Druga stvar je da će svi ti drugi Svemiri, najvjerojatnije, ostati čisto matematičke konstrukcije teorijskih fizičara koji žive u našem Svemiru i pokušavaju snagom svojih misli pronaći svjetove zatvorene za nas...

Vidi u sobi na istu temu

U (lokalno) inercijskom referentnom okviru s ishodištem, razmotrite materijalnu točku koja je na . Brzinom ove točke nazivamo superluminal u trenutku ako je tačna sljedeća nejednakost:

Style="max-width: 98%; height: auto; width: auto;" src="/pictures/wiki/files/50/21ea15551d469cba11529bd16574e427.png" border="0">

gdje , je brzina svjetlosti u vakuumu, a vrijeme i udaljenost od točke do mjere se u spomenutom referentnom okviru.

gdje je vektor radijusa u nerotirajućem koordinatnom sustavu, vektor kutne brzine rotacije koordinatnog sustava. Kao što se može vidjeti iz jednadžbe, neinercijalni referentni okvir povezan s rotirajućim tijelom, udaljeni objekti se mogu kretati u FTL-u, u smislu da style="max-width: 98%; height: auto; width: auto;" src="/pictures/wiki/files/54/6fa9a2d9089db2f154c5c90051ce210b.png" border="0">. To nije u suprotnosti s onim što je rečeno u uvodu, budući da . Na primjer, za koordinatni sustav povezan s glavom osobe na Zemlji, koordinatna brzina Mjesečevog kretanja s normalnim okretanjem glave bit će veća od brzine svjetlosti u vakuumu. U ovom sustavu, pri okretanju u kratkom vremenu, Mjesec će opisati luk polumjera približno jednakog udaljenosti između ishodišta koordinatnog sustava (glave) i Mjeseca.

Fazna brzina

Fazna brzina duž smjera koji je odstupio od valnog vektora za kut α. Razmatra se monokromatski ravni val.

Truba Krasnikov

Kvantna mehanika

Princip nesigurnosti u kvantnoj teoriji

U kvantnoj fizici stanja čestica opisuju se Hilbertovim vektorima prostora, koji određuju samo vjerojatnost dobivanja određenih vrijednosti fizikalnih veličina tijekom mjerenja (u skladu s principom kvantne nesigurnosti). Najpoznatiji prikaz ovih vektora su valne funkcije, čiji kvadrat modula određuje gustoću vjerojatnosti pronalaska čestice na određenom mjestu. Ispada da se ta gustoća može kretati brže od brzine svjetlosti (primjerice, pri rješavanju problema prolaska čestice kroz energetsku barijeru). U ovom slučaju, učinak prekoračenja brzine svjetlosti opaža se samo na kratkim udaljenostima. Richard Feynman je to u svojim predavanjima izrazio na sljedeći način:

… za elektromagnetsko zračenje također postoji amplituda vjerojatnosti [ne-nula] da putuje brže (ili sporije) od obične brzine svjetlosti. Vidjeli ste u prethodnom predavanju da se svjetlost ne kreće uvijek u ravnim linijama; sad ćete vidjeti da se ne kreće uvijek brzinom svjetlosti! Može se činiti iznenađujućim da postoji [ne-nula] amplituda da foton putuje brže ili sporije od normalne brzine svjetlosti. c

izvorni tekst(Engleski)

... također postoji amplituda da svjetlost ide brže (ili sporije) od konvencionalne brzine svjetlosti. U prošlom ste predavanju saznali da svjetlost ne ide samo u ravnim linijama; sada, otkrivaš da ne ide samo brzinom svjetlosti! Možda će vas iznenaditi da postoji amplituda za foton da ide brzinom većom ili sporijom od uobičajene brzine, c

Richard Feynman, dobitnik Nobelove nagrade za fiziku 1965.

Istodobno, zbog principa nerazlučivosti, nemoguće je reći promatramo li istu česticu, ili njezinu tek rođenu kopiju. U svom Nobelovom predavanju 2004. Frank Wilczek je iznio sljedeći argument:

Zamislite česticu koja se kreće prosječnom brzinom vrlo bliskom brzini svjetlosti, ali s onoliko nesigurnosti u položaju koliko zahtijeva kvantna teorija. Očito će postojati određena vjerojatnost promatranja ove čestice koja se kreće nešto brže od prosjeka, a time i brže od svjetlosti, što je u suprotnosti s posebnom teorijom relativnosti. Jedini poznati način za rješavanje ove kontradikcije zahtijeva ideju antičestica. Vrlo grubo, potrebna nesigurnost položaja postiže se pretpostavkom da čin mjerenja može uključivati stvaranje antičestica, od kojih se svaka ne može razlikovati od originala, s različitim rasporedom. Da bi se održala ravnoteža očuvanih kvantnih brojeva, dodatne čestice moraju biti popraćene istim brojem antičestica. (Dirac je do predviđanja antičestica došao kroz niz inventivnih interpretacija i reinterpretacija elegantne relativističke valne jednadžbe koju je izveo, a ne kroz heuristička razmatranja poput ovoga koje sam dao. Neizbježnost i općenitost ovih zaključaka, te njihov izravni odnos s osnovnim principi kvantne mehanike i specijalne relativnosti postali su očigledni tek retrospektivno).

izvorni tekst(Engleski)

Zamislite česticu koja se kreće u prosjeku brzinom koja je blizu svjetlosti, ali s nesigurnošću u položaju, kako to zahtijeva kvantna teorija. Očito će postojati određena vjerojatnost za promatranje ove čestice da se kreće malo brže od prosjeka, a time i brže od svjetlosti, što posebna teorija relativnosti ne dopušta. Jedini poznati način za rješavanje ove napetosti uključuje uvođenje ideje o antičesticama. Vrlo grubo govoreći, potrebna nesigurnost u položaju je prilagođena dopuštajući mogućnost da čin mjerenja može uključivati stvaranje nekoliko čestica, od kojih se svaka ne može razlikovati od izvorne, s različitim položajima. Da bi se održala ravnoteža očuvanih kvantnih brojeva, dodatne čestice moraju biti popraćene jednakim brojem antičestica. (Diraca su naveli da predvidi postojanje antičestica nizom genijalnih interpretacija i reinterpretacija elegantne relativističke valne jednadžbe koju je izumio, a ne heurističkim rezoniranjem kakve sam predstavio. Neizbježnost i općenitost njegovih zaključaka, i njihov izravni odnos s osnovnim principima kvantne mehanike i specijalne relativnosti, jasni su tek u retrospektivi).

Frank Wilczek

Scharnhorst efekt

Brzina valova ovisi o svojstvima medija u kojem se šire. Posebna teorija relativnosti kaže da je nemoguće ubrzati masivno tijelo do brzine veće od brzine svjetlosti u vakuumu. Istodobno, teorija ne postavlja nikakvu posebnu vrijednost za brzinu svjetlosti. Mjeri se eksperimentalno i može varirati ovisno o svojstvima vakuuma. Za vakuum čija je energija manja od energije običnog fizičkog vakuuma, brzina svjetlosti bi teoretski trebala biti veća, a najveća dopuštena brzina prijenosa signala određena je maksimalnom mogućom gustoćom negativne energije. Jedan primjer takvog vakuuma je Casimirov vakuum, koji se javlja u tankim prorezima i kapilarama veličine (promjera) do deset nanometara (oko stotinu puta veće veličine od tipičnog atoma). Taj se učinak može objasniti i smanjenjem broja virtualnih čestica u Casimirovom vakuumu, koje poput čestica kontinuiranog medija usporavaju širenje svjetlosti. Izračuni koje je napravio Scharnhorst pokazuju da brzina svjetlosti u Casimirovom vakuumu premašuje onu običnog vakuuma za 1/10 24 za jaz širine 1 nm. Također se pokazalo da prekoračenje brzine svjetlosti u Casimirovom vakuumu ne krši princip uzročnosti. Višak brzine svjetlosti u Casimirovom vakuumu u odnosu na brzinu svjetlosti u običnom vakuumu još nije eksperimentalno potvrđen zbog iznimne složenosti mjerenja ovog efekta.

Teorije s varijabilnosti brzine svjetlosti u vakuumu

U modernoj fizici postoje hipoteze prema kojima brzina svjetlosti u vakuumu nije konstanta, a njezina vrijednost se može mijenjati tijekom vremena (Variable Speed of Light (VSL)). U najčešćoj verziji ove hipoteze pretpostavlja se da je u početnim fazama života našeg svemira vrijednost konstante (brzine svjetlosti) bila puno veća nego što je sada. Prema tome, prije nego što se tvar mogla kretati brzinom, daleko superiorniji moderna brzina svjetlosti.

Superluminalno kretanje u znanstvenoj fantastici

vidi također

Bilješke

Landau, L. D., Lifshitz, E. M. Teorija polja. - Izdanje 6, ispravljeno i dopunjeno. - M .: Nauka, 1973. - 504 str. - ("Teorijska fizika", svezak II).
Petar Makovecki Pogledaj korijen!
Klasična mehanika se u današnje vrijeme koristi za opisivanje materijalnih tijela koja se kreću brzinama mnogo manjim od brzine svjetlosti i nalaze se izvan značajne zakrivljenosti prostor-vremena.
Predavanje broj 24 iz Teorijske mehanike
Ova jednadžba teorijske mehanike iz odjeljka "kinematika točke"
FTL
Ako mjesec nije u zenitu.
Fizička enciklopedija na mreži. Svezak 5, str.266.
M. Alcubierre Warp pogon: hiper-brzo putovanje unutar opće teorije relativnosti. - razred. kvant. Grav. 11, L73-L77 (1994), kopija na arxiv.org:
Charles T Ridgely Makroskopski pristup stvaranju egzotične materije
Feynman Poglavlje 3 // QED. - S. 89.

Američki astrofizičari razvili su matematički model hipersvemirskog pogona koji vam omogućuje prevladavanje svemirskih udaljenosti brzinom većom od brzine svjetlosti za 10³² puta, što vam omogućuje da odletite u susjednu galaksiju u roku od nekoliko sati i vratite se natrag.

Tijekom leta ljudi neće osjetiti preopterećenja koja se osjećaju u modernim avionima, iako se takav motor u metalu može pojaviti tek za nekoliko stotina godina.

Pogonski mehanizam temelji se na principu motora za deformaciju prostora (Warp Drive), koji je 1994. godine predložio meksički fizičar Miguel Alcubierre. Amerikanci su morali samo doraditi model i napraviti detaljnije izračune.
"Ako stisnete prostor ispred broda, a proširite iza njega, naprotiv, tada će se oko broda pojaviti prostorno-vremenski mjehur", kaže jedan od autora studije Richard Obousi. "On obavija brod i izvlači ga iz običnog svijeta u svoj vlastiti koordinatni sustav.zbog razlike u prostorno-vremenskom pritisku, ovaj mjehur se može kretati u bilo kojem smjeru, prevladavajući svjetlosni prag za tisuće redova veličine.

Vjerojatno će se prostor oko broda moći deformirati zbog malo proučenog toka tamne energije. "Tamna energija je vrlo slabo proučavana tvar, otkrivena relativno nedavno i koja objašnjava zašto se čini da se galaksije razmiču jedna od druge", rekao je Sergej Popov, viši istraživač na Odjelu za relativističku astrofiziku na Sternbergovom državnom astronomskom institutu Moskovskog državnog sveučilišta. Postoji nekoliko njegovih modela, ali koji "Nema općeprihvaćenog. Amerikanci su za osnovu uzeli model baziran na ekstra dimenzijama, a kažu da je moguće promijeniti svojstva tih dimenzija lokalno. Onda se okreće da mogu postojati različite kozmološke konstante u različitim smjerovima. I tada će se brod u mjehuru početi kretati."

Takvo "ponašanje" Svemira može se objasniti "teorijom struna", prema kojoj je cijeli naš prostor prožet mnogim drugim dimenzijama. Njihova međusobna interakcija stvara odbojnu silu, koja je sposobna proširiti ne samo materiju, kao što su galaksije, već i samo tijelo svemira. Taj se učinak naziva "inflacija svemira".

"Svemir se od prvih sekundi svog postojanja rastezao, - objašnjava Ruslan Metsaev, doktor fizikalno-matematičkih znanosti, zaposlenik Astro-svemirskog centra Instituta za fiziku Lebedeva. - I taj proces traje do danas. " Znajući sve to, možete pokušati umjetno proširiti ili suziti prostor. Da bi se to postiglo, predlaže se utjecati na druge dimenzije, čime će se dio prostora našeg svijeta početi kretati u pravom smjeru.

U ovom slučaju se ne krše zakoni teorije relativnosti. Unutar mjehurića ostat će isti zakoni fizičkog svijeta, a brzina svjetlosti bit će granica. U ovoj situaciji ne vrijedi takozvani efekt blizanaca, koji govori da se tijekom svemirskog putovanja brzinom svjetlosti vrijeme unutar broda značajno usporava i astronaut će, vraćajući se na Zemlju, susresti svog brata blizanca već vrlo starog čovjeka. Warp Dreve motor eliminira ovu gnjavažu, jer gura prostor, a ne brod.

Amerikanci su već pronašli metu za budući let. Ovo je planet Gliese 581 (Gliese 581), na kojem se klimatski uvjeti i gravitacija približavaju Zemlji. Udaljenost do njega je 20 svjetlosnih godina, a čak i ako Warp Drive radi trilijun puta slabije od maksimalne snage, vrijeme putovanja do njega bit će samo nekoliko sekundi.

Urednik rian.ru
http://ria.ru/science/20080823/150618337.html

Komentari: 1

Kao što znate, osoba živi u 3 dimenzije - dužina, širina i visina. Na temelju "teorije struna" postoji 10 dimenzija u svemiru, od kojih je prvih šest međusobno povezanih. Ovaj video govori o svim tim dimenzijama, uključujući posljednje 4, u okviru ideja o Svemiru.

Michio Kaku

Ova knjiga svakako nije zabavno štivo. To je ono što se zove "intelektualni bestseler". Što, zapravo, radi moderna fizika? Koji je trenutni model svemira? Kako razumjeti "višedimenzionalnost" prostora i vremena? Što su paralelni svjetovi? Koliko se ti koncepti, kao predmet znanstvenog istraživanja, razlikuju od religijskih i ezoterijskih ideja?

Andrew Pontzen, Tom Vinty

Koncept prostora odgovara na pitanje "gdje?". Koncept vremena odgovara na pitanje "kada?". Ponekad, da biste vidjeli ispravnu sliku svemira, trebate uzeti ova dva koncepta i kombinirati ih.

Michio Kaku

Donedavno nam je bilo teško i zamisliti današnji svijet poznatih stvari. Koja hrabra predviđanja pisaca znanstvene fantastike i filmaša o budućnosti imaju priliku ostvariti se pred našim očima? Michio Kaku, američki fizičar japanskog porijekla i jedan od autora teorije struna, pokušava odgovoriti na ovo pitanje. Jednostavnim riječima govoreći o najsloženijim pojavama i najnovijim dostignućima moderne znanosti i tehnologije, nastoji objasniti osnovne zakone svemira.

Godine 1994. sama je kraljica mačem dotakla rame ovog sramežljivog čovjeka, čime je postao vitez. Malo ljudi vjeruje u paradoksalnu logiku Rogera Penrosea – to je tako nevjerojatno. Malo tko se s njom svađa - tako je besprijekorna. U ovoj bilješci vitez fizike će govoriti o Svemiru, Bogu i ljudskom umu. I sve je konačno sjelo na svoje mjesto.

Tisućama godina astronomi su se za svoja istraživanja oslanjali isključivo na vidljivo svjetlo. U 20. stoljeću njihova je vizija obuhvaćala cijeli elektromagnetski spektar, od radio valova do gama zraka. Svemirske letjelice, došavši do drugih nebeskih tijela, obdarile su astronome dodirom. Konačno, promatranja nabijenih čestica i neutrina koje emitiraju udaljeni kozmički objekti dala su astronomima analog mirisa. Ali i dalje nemaju sluha. Zvuk ne putuje kroz vakuum prostora. Ali to nije prepreka za valove druge vrste - gravitacijske, koji također dovode do vibracija objekata. Ali još nije bilo moguće registrirati te sablasne valove. Ali astronomi su uvjereni da će dobiti "sluh" u sljedećem desetljeću.