Superluminālais ceļojums ir viens no kosmosa zinātniskās fantastikas pamatiem. Tomēr droši vien visi - pat cilvēki, kas ir tālu no fizikas - zina, ka materiālo priekšmetu maksimālais iespējamais kustības ātrums vai jebkādu signālu izplatīšanās ir gaismas ātrums vakuumā. To apzīmē ar burtu c un tas ir gandrīz 300 tūkstoši kilometru sekundē; precīza vērtība ir c = 299 792 458 m / s.
Gaismas ātrums vakuumā ir viena no galvenajām fizikālajām konstantes. Neiespējamība sasniegt ātrumu, kas pārsniedz c, izriet no Einšteina īpašās relativitātes teorijas (SRT). Ja būtu iespējams pierādīt, ka signālus var pārraidīt ar superluminal ātrumu, relativitātes teorija kritīs. Pagaidām tas nav noticis, neskatoties uz daudzajiem mēģinājumiem atspēkot aizliegumu eksistēt ātrumiem, kas lielāki par c. Tomēr nesenajos eksperimentālajos pētījumos ir atklātas dažas ļoti interesantas parādības, kas norāda, ka īpaši radītos apstākļos var novērot superluminal ātrumus un relativitātes teorijas principi netiek pārkāpti.
Sākumā atgādināsim galvenos aspektus, kas saistīti ar gaismas ātruma problēmu.
Pirmkārt: kāpēc nav iespējams (normālos apstākļos) pārsniegt gaismas robežu? Tāpēc, ka tad tiek pārkāpts mūsu pasaules pamatlikums - cēloņsakarības likums, saskaņā ar kuru sekas nevar pārspēt cēloni. Neviens nekad nav novērojis, piemēram, vispirms lācis nokrita miris, un pēc tam mednieks izšāva. Ātrumā, kas pārsniedz s, notikumu secība tiek mainīta, laika josla tiek savīta. To ir viegli pārbaudīt, izmantojot vienkāršu pamatojumu.
Pieņemsim, ka mēs atrodamies uz kaut kāda veida kosmosa brīnumu kuģa, kas pārvietojas ātrāk nekā gaisma. Tad mēs pakāpeniski ķertos pie gaismas avota izstarotajiem agrākajos un agrākajos laika punktos. Pirmkārt, mēs pievērstos izstarotajiem fotoniem, teiksim, vakar, pēc tam - izstarotajiem aizvakar, pēc tam nedēļu, mēnesi, gadu atpakaļ utt. Ja gaismas avots būtu spogulis, kas atspoguļo dzīvi, tad vispirms mēs redzētu vakardienas notikumus, tad aizvakar utt. Varējām redzēt, teiksim, vecu vīru, kurš pamazām pārvēršas par pusmūža vīrieti, pēc tam par jaunu, par jaunību, par bērnu … Tas ir, laiks pagriezīsies atpakaļ, mēs pārcelsimies no tagadnes uz pagātni. Cēloņi un sekas tiks mainīti.
Lai gan šajā argumentācijā pilnībā tiek ignorētas gaismas novērošanas procesa tehniskās detaļas, no principiāla viedokļa tas skaidri parāda, ka pārvietošanās ar virsluminal ātrumu noved pie neiespējamas situācijas mūsu pasaulē. Tomēr daba ir noteikusi vēl stingrākus nosacījumus: nav sasniedzams ne tikai ar superluminal ātrumu, bet arī ar ātrumu, kas vienāds ar gaismas ātrumu - tu vari tam pieiet tikai tuvojoties. No relativitātes teorijas izriet, ka, palielinoties kustības ātrumam, rodas trīs apstākļi: palielinās kustīga objekta masa, tā lielums samazinās kustības virzienā, un laika plūsma uz šo objektu palēninās (no ārēja "atpūtas" novērotāja viedokļa). Parastā ātrumā šīs izmaiņas ir niecīgas, taču, tuvojoties gaismas ātrumam, tās kļūst pamanāmākas,un ierobežojumā - ar ātrumu, kas vienāds ar c - masa kļūst bezgala liela, objekts pilnīgi zaudē savu izmēru kustības virzienā, un laiks apstājas uz tā. Tāpēc neviens materiālais ķermenis nevar sasniegt gaismas ātrumu. Tikai pašai gaismai ir tāds ātrums! (Un arī "visu caurstrāvojošā" daļiņa - neitrīno, kas tāpat kā fotons nevar pārvietoties ar ātrumu mazāku par s.)
Tagad par signāla pārraides ātrumu. Šeit ir lietderīgi izmantot gaismas attēlojumu elektromagnētisko viļņu veidā. Kas ir signāls? Šī ir sava veida informācija, kas jānosūta. Ideāls elektromagnētiskais vilnis ir bezgalīgs sinusoīds ar stingri vienu frekvenci, un tas nevar pārvadāt nekādu informāciju, jo katrs šāda sinusoīda periods precīzi atkārto iepriekšējo. Sinusoidālā viļņa fāzes kustības ātrums - tā sauktais fāzes ātrums - vidējā stāvoklī noteiktos apstākļos var pārsniegt gaismas ātrumu vakuumā. Šeit nav ierobežojumu, jo fāzes ātrums nav signāla ātrums - tā vēl nav. Lai izveidotu signālu, jums ir jāveic sava veida "atzīme" uz viļņa. Šāda atzīme var būt, piemēram, jebkura viļņa parametra - amplitūdas, frekvences vai sākuma fāzes - izmaiņas. Bet, kad atzīme ir izdarīta,vilnis zaudē sinusoiditāti. Tas kļūst modulēts, kas sastāv no vienkāršu sinusoidālu viļņu kopuma ar dažādām amplitūdām, frekvencēm un sākuma fāzēm - viļņu grupas. Ātrums, ar kādu zīme pārvietojas modulētā viļņā, ir signāla ātrums. Pavairoties barotnē, šis ātrums parasti sakrīt ar grupas ātrumu, kas raksturo iepriekšminētās viļņu grupas izplatību kopumā (sk. Zinātne un Dzīve Nr. 2, 2000). Normālos apstākļos grupas ātrums un līdz ar to arī signāla ātrums ir mazāks par gaismas ātrumu vakuumā. Nav nejauši, ka tiek izmantots izteiciens "normālos apstākļos", jo dažos gadījumos grupas ātrums var arī pārsniegt c vai pat zaudēt nozīmi, bet tad tas neattiecas uz signāla izplatīšanos. SRT ir noteikts, ka nav iespējams pārraidīt signālu ar ātrumu lielāku par s. Tas kļūst modulēts, kas sastāv no vienkāršu sinusoidālu viļņu kopuma ar dažādām amplitūdām, frekvencēm un sākuma fāzēm - viļņu grupas. Ātrums, ar kādu zīme pārvietojas modulētā viļņā, ir signāla ātrums. Pavairojot barotnē, šis ātrums parasti sakrīt ar grupas ātrumu, kas raksturo iepriekšminētās viļņu grupas izplatību kopumā (sk. Zinātne un dzīve Nr. 2, 2000). Normālos apstākļos grupas ātrums un līdz ar to arī signāla ātrums ir mazāks par gaismas ātrumu vakuumā. Nav nejauši, ka tiek izmantots izteiciens "normālos apstākļos", jo dažos gadījumos grupas ātrums var arī pārsniegt c vai pat zaudēt nozīmi, bet tad tas neattiecas uz signāla izplatīšanos. SRT ir noteikts, ka nav iespējams pārraidīt signālu ar ātrumu lielāku par s. Tas kļūst modulēts, kas sastāv no vienkāršu sinusoidālu viļņu kopuma ar dažādām amplitūdām, frekvencēm un sākuma fāzēm - viļņu grupas. Ātrums, ar kādu zīme pārvietojas modulētā viļņā, ir signāla ātrums. Pavairojot barotnē, šis ātrums parasti sakrīt ar grupas ātrumu, kas raksturo iepriekšminētās viļņu grupas izplatību kopumā (sk. Zinātne un dzīve Nr. 2, 2000). Normālos apstākļos grupas ātrums un līdz ar to arī signāla ātrums ir mazāks par gaismas ātrumu vakuumā. Nav nejauši, ka tiek izmantots izteiciens "normālos apstākļos", jo dažos gadījumos grupas ātrums var arī pārsniegt c vai pat zaudēt nozīmi, bet tad tas neattiecas uz signāla izplatīšanos. SRT ir noteikts, ka nav iespējams pārraidīt signālu ar ātrumu lielāku par s.kas sastāv no vienkāršu sinusoidālu viļņu kopuma ar dažādu amplitūdu, frekvenci un sākuma fāzēm - viļņu grupa. Ātrums, ar kādu zīme pārvietojas modulētā viļņā, ir signāla ātrums. Pavairojot barotnē, šis ātrums parasti sakrīt ar grupas ātrumu, kas raksturo iepriekšminētās viļņu grupas izplatību kopumā (sk. Zinātne un dzīve Nr. 2, 2000). Normālos apstākļos grupas ātrums un līdz ar to arī signāla ātrums ir mazāks par gaismas ātrumu vakuumā. Nav nejauši, ka tiek izmantots izteiciens "normālos apstākļos", jo dažos gadījumos grupas ātrums var arī pārsniegt c vai pat zaudēt nozīmi, bet tad tas neattiecas uz signāla izplatīšanos. SRT ir noteikts, ka nav iespējams pārraidīt signālu ar ātrumu lielāku par s.kas sastāv no vienkāršu sinusoidālu viļņu kopuma ar dažādu amplitūdu, frekvenci un sākuma fāzēm - viļņu grupa. Ātrums, ar kādu zīme pārvietojas modulētā viļņā, ir signāla ātrums. Pavairojot barotnē, šis ātrums parasti sakrīt ar grupas ātrumu, kas raksturo iepriekšminētās viļņu grupas izplatību kopumā (sk. Zinātne un dzīve Nr. 2, 2000). Normālos apstākļos grupas ātrums un līdz ar to arī signāla ātrums ir mazāks par gaismas ātrumu vakuumā. Nav nejauši, ka tiek izmantots izteiciens "normālos apstākļos", jo dažos gadījumos grupas ātrums var arī pārsniegt c vai pat zaudēt nozīmi, bet tad tas neattiecas uz signāla izplatīšanos. SRT ir noteikts, ka nav iespējams pārraidīt signālu ar ātrumu lielāku par s.frekvences un sākuma fāzes - viļņu grupas. Ātrums, ar kādu zīme pārvietojas modulētā viļņā, ir signāla ātrums. Pavairoties barotnē, šis ātrums parasti sakrīt ar grupas ātrumu, kas raksturo iepriekšminētās viļņu grupas izplatību kopumā (sk. Zinātne un Dzīve Nr. 2, 2000). Normālos apstākļos grupas ātrums un līdz ar to arī signāla ātrums ir mazāks par gaismas ātrumu vakuumā. Nav nejauši, ka tiek izmantots izteiciens "normālos apstākļos", jo dažos gadījumos grupas ātrums var arī pārsniegt c vai pat zaudēt nozīmi, bet tad tas neattiecas uz signāla izplatīšanos. SRT ir noteikts, ka nav iespējams pārraidīt signālu ar ātrumu lielāku par s.frekvences un sākuma fāzes - viļņu grupas. Ātrums, ar kādu zīme pārvietojas modulētā viļņā, ir signāla ātrums. Pavairoties barotnē, šis ātrums parasti sakrīt ar grupas ātrumu, kas raksturo iepriekšminētās viļņu grupas izplatību kopumā (sk. Zinātne un Dzīve Nr. 2, 2000). Normālos apstākļos grupas ātrums un līdz ar to arī signāla ātrums ir mazāks par gaismas ātrumu vakuumā. Nav nejauši, ka tiek izmantots izteiciens "normālos apstākļos", jo dažos gadījumos grupas ātrums var arī pārsniegt c vai pat zaudēt nozīmi, bet tad tas neattiecas uz signāla izplatīšanos. SRT ir noteikts, ka nav iespējams pārraidīt signālu ar ātrumu lielāku par s. Pavairoties barotnē, šis ātrums parasti sakrīt ar grupas ātrumu, kas raksturo iepriekšminētās viļņu grupas izplatību kopumā (sk. Zinātne un Dzīve Nr. 2, 2000). Normālos apstākļos grupas ātrums un līdz ar to arī signāla ātrums ir mazāks par gaismas ātrumu vakuumā. Nav nejauši, ka tiek izmantots izteiciens "normālos apstākļos", jo dažos gadījumos grupas ātrums var arī pārsniegt c vai pat zaudēt nozīmi, bet tad tas neattiecas uz signāla izplatīšanos. SRT ir noteikts, ka nav iespējams pārraidīt signālu ar ātrumu lielāku par s. Pavairoties barotnē, šis ātrums parasti sakrīt ar grupas ātrumu, kas raksturo iepriekšminētās viļņu grupas izplatību kopumā (sk. Zinātne un Dzīve Nr. 2, 2000). Normālos apstākļos grupas ātrums un līdz ar to arī signāla ātrums ir mazāks par gaismas ātrumu vakuumā. Nav nejauši, ka tiek izmantots izteiciens "normālos apstākļos", jo dažos gadījumos grupas ātrums var arī pārsniegt c vai pat zaudēt nozīmi, bet tad tas neattiecas uz signāla izplatīšanos. SRT ir noteikts, ka nav iespējams pārraidīt signālu ar ātrumu lielāku par s. Nav nejauši, ka tiek izmantots izteiciens "normālos apstākļos", jo dažos gadījumos grupas ātrums var arī pārsniegt c vai pat zaudēt nozīmi, bet tad tas neattiecas uz signāla izplatīšanos. SRT ir noteikts, ka nav iespējams pārraidīt signālu ar ātrumu lielāku par s. Nav nejauši, ka tiek izmantots izteiciens "normālos apstākļos", jo dažos gadījumos grupas ātrums var arī pārsniegt c vai pat zaudēt nozīmi, bet tad tas neattiecas uz signāla izplatīšanos. SRT ir noteikts, ka nav iespējams pārraidīt signālu ar ātrumu lielāku par s.
Reklāmas video:
Kāpēc tas tā ir? Tā kā tas pats cēloņsakarības likums kalpo par šķērsli jebkura signāla pārraidei ar ātrumu lielāku par c. Iedomāsimies šādu situāciju. Kādā brīdī A zibspuldze (1. notikums) ieslēdz ierīci, kas sūta noteiktu radio signālu, un attālā vietā B šī radio signāla ietekmē notiek eksplozija (2. notikums). Ir skaidrs, ka 1. notikums (zibspuldze) ir iemesls, bet 2. notikums (eksplozija) ir sekas, kas notiek vēlāk nekā cēlonis. Bet, ja radiosignāls izplatītos ar superluminal ātrumu, novērotājs netālu no punkta B vispirms redzētu sprādzienu, un tikai tad - zibspuldzi, kas viņu sasniedza ar gaismas zibspuldzes ātrumu, eksplozijas iemesls. Citiem vārdiem sakot, šim novērotājam 2. notikums notiktu agrāk nekā 1. notikums, tas ir, ietekme būtu pirms cēloņa.
Jāuzsver, ka relativitātes teorijas "superluminal aizliegums" tiek uzlikts tikai materiālo ķermeņu kustībai un signālu pārraidei. Daudzās situācijās kustība ar jebkuru ātrumu ir iespējama, taču tā nebūs materiālo priekšmetu vai signālu kustība. Piemēram, iedomājieties divus diezgan garus lineālus, kas atrodas tajā pašā plaknē, no kuriem viens ir horizontāls, bet otrs to šķērso nelielā leņķī. Ja pirmais lineāls tiek pārvietots uz leju (bultiņas norādītajā virzienā) ar lielu ātrumu, lineālu krustošanās punktu var likt skriet tik ātri, cik vēlaties, taču šis punkts nav materiāla korpuss. Vēl viens piemērs: ja jūs paņemat lukturīti (vai, teiksim, lāzeru, kas dod šauru staru) un ātri aprakstāt loku gaisā, tad gaismas vietas lineārais ātrums palielināsies ar attālumu un pietiekami lielā attālumā pārsniegs c. Gaismas plankums pārvietosies starp punktiem A un B ar superluminal ātrumu, bet tas nebūs signāla pārraide no A uz B, jo šāds gaismas punkts nesniedz informāciju par punktu A.
Šķiet, ka jautājums par superluminālajiem ātrumiem ir atrisināts. Bet divdesmitā gadsimta 60. gados teorētiskie fiziķi izvirzīja hipotēzi par superluminālo daļiņu, ko sauc par tahoniem, esamību. Tās ir ļoti dīvainas daļiņas: teorētiski tās ir iespējamas, taču, lai izvairītos no pretrunām ar relativitātes teoriju, tām bija jāuztver iedomāta atpūtas masa. Fiziski iedomāta masa neeksistē, tā ir tīri matemātiska abstrakcija. Tomēr tas neizraisīja daudz trauksmes, jo tahokoni nevar atrasties miera stāvoklī - tie pastāv (ja tādi ir!) Tikai ar ātrumu, kas pārsniedz gaismas ātrumu vakuumā, un šajā gadījumā tahiona masa izrādās reāla. Šeit ir kāda analoģija ar fotoniem: fotonam ir nulles atpūtas masa, bet tas vienkārši nozīmē, ka fotons nevar būt miera stāvoklī - gaismu nevar apturēt.
Visgrūtākais, kā gaidīts, bija saskaņot tahiona hipotēzi ar cēloņsakarības likumu. Mēģinājumi šajā virzienā, lai arī bija diezgan ģeniāli, tomēr nenoveda pie acīmredzamiem panākumiem. Nevienam neizdevās eksperimentāli reģistrēt arī tahoonus. Rezultātā pakāpeniski izzuda interese par tahoniem kā superluminal elementārdaļiņām.
Tomēr 60. gados eksperimentāli tika atklāta parādība, kas sākotnēji mulsināja fiziķus. Tas ir detalizēti aprakstīts A. N. Oraevsky rakstā "Superluminālie viļņi pastiprinošajā vidē" (Phys. Phys. No. 12, 1998). Šeit mēs īsumā apkoposim jautājumu, atsaucoties uz lasītāju, kurš interesējas par konkrēto rakstu.
Drīz pēc lāzera atklāšanas - 60. gadu sākumā - radās problēma ar īsu (apmēram 1 ns = 10-9 s) lielas jaudas gaismas impulsu iegūšanu. Šim nolūkam caur optisko kvantu pastiprinātāju tika nodots īss lāzera impulss. Impulsu sadalīja divās daļās ar staru dalīšanas spoguli. Viens no tiem, jaudīgāks, tika nosūtīts uz pastiprinātāju, bet otrs izplatījās gaisā un kalpoja kā atskaites impulss, ar kuru varēja salīdzināt impulsu, kas izgāja caur pastiprinātāju. Abi impulsi tika padoti fotodetektoriem, un to izejas signālus varēja vizuāli novērot osciloskopa ekrānā. Bija paredzams, ka gaismas impulss, kas iet cauri pastiprinātājam, piedzīvos zināmu kavēšanos, salīdzinot ar atskaites impulsu, tas ir, gaismas izplatīšanās ātrums pastiprinātājā būs mazāks nekā gaisā. Iedomājieties pētnieku pārsteigumu, kad viņi atklāja, ka impulss caur pastiprinātāju izplatās ar ātrumu, kas ir ne tikai lielāks nekā gaisā, bet arī vairākas reizes ātrāks par gaismas ātrumu vakuumā!
Atgūstoties no pirmā šoka, fiziķi sāka meklēt šāda negaidīta rezultāta iemeslu. Nevienam nebija pat ne mazāko šaubu par īpašās relativitātes teorijas principiem, un tieši tas palīdzēja atrast pareizo izskaidrojumu: ja īpašās relativitātes principi tiek saglabāti, tad atbilde jāmeklē pastiprinošās vides īpašībās.
Neiedziļinoties šeit, mēs tikai norādām, ka pastiprinošās vides darbības mehānisma detalizēta analīze ir pilnībā noskaidrojusi situāciju. Punkts sastāvēja no fotonu koncentrācijas izmaiņām impulsa izplatīšanās laikā - izmaiņām, kas saistītas ar barotnes pieauguma izmaiņām līdz negatīvai vērtībai impulsa aizmugurējās caurlaides laikā, kad barotne jau absorbē enerģiju, jo tā pati rezerve jau ir iztērēta sakarā ar tās pārnešanu uz gaismas impulsu. Absorbcija izraisa nevis pastiprināšanos, bet gan impulsa pavājināšanos, un tādējādi impulss tiek pastiprināts priekšā un vājināts aizmugurē. Iedomāsimies, ka mēs novērojam pulsu ar ierīces palīdzību, kas ar gaismas ātrumu pārvietojas pastiprinātāja vidē. Ja vide būtu caurspīdīga, mēs redzētu impulsu nekustīgu. Vidē,kurā notiek iepriekšminētais process, novērotājam parādīsies priekšējās malas pastiprināšana un impulsa aizmugurējās malas pavājināšanās tādā veidā, ka vide it kā ir pārvietojusi impulsu uz priekšu. Bet, tā kā ierīce (novērotājs) pārvietojas ar gaismas ātrumu un impulss to apdzen, tad impulsa ātrums pārsniedz gaismas ātrumu! Tieši šo efektu reģistrēja eksperimentētāji. Un šeit tiešām nav nekādu pretrunu ar relativitātes teoriju: vienkārši pastiprināšanas process ir tāds, ka fotonu koncentrācija, kas parādījās agrāk, izrādās lielāka nekā tā, kas parādījās vēlāk. Ar superluminālo ātrumu pārvietojas nevis fotoni, bet gan impulsa apvalks, it īpaši tā maksimums, ko novēro osciloskopā. Bet, tā kā ierīce (novērotājs) pārvietojas ar gaismas ātrumu un impulss to apdzen, tad impulsa ātrums pārsniedz gaismas ātrumu! Tieši šo efektu reģistrēja eksperimentētāji. Un šeit tiešām nav nekādu pretrunu ar relativitātes teoriju: vienkārši pastiprināšanas process ir tāds, ka fotonu koncentrācija, kas parādījās agrāk, izrādās lielāka nekā tā, kas parādījās vēlāk. Ar superluminālo ātrumu pārvietojas nevis fotoni, bet gan impulsa apvalks, it īpaši tā maksimums, ko novēro osciloskopā. Bet, tā kā ierīce (novērotājs) pārvietojas ar gaismas ātrumu un impulss to apdzen, tad impulsa ātrums pārsniedz gaismas ātrumu! Tieši šo efektu reģistrēja eksperimentētāji. Un šeit tiešām nav nekādu pretrunu ar relativitātes teoriju: vienkārši pastiprināšanas process ir tāds, ka fotonu koncentrācija, kas parādījās agrāk, izrādās lielāka nekā tā, kas parādījās vēlāk. Ar superluminālo ātrumu pārvietojas nevis fotoni, bet gan impulsa apvalks, it īpaši tā maksimums, ko novēro osciloskopā. Ar superluminālo ātrumu pārvietojas nevis fotoni, bet gan impulsa apvalks, it īpaši tā maksimums, ko novēro osciloskopā. Ar superluminālo ātrumu pārvietojas nevis fotoni, bet gan impulsa apvalks, it īpaši tā maksimums, ko novēro osciloskopā.
Tādējādi, lai gan parastajos barotnēs aktīvajos lāzera nesējos vienmēr notiek gaismas vājināšanās un tās ātruma samazināšanās, ko nosaka refrakcijas koeficients, tiek novērota ne tikai gaismas pastiprināšanās, bet arī impulsa izplatīšanās ar superluminal ātrumu.
Daži fiziķi ir mēģinājuši eksperimentāli pierādīt superluminal kustības esamību tuneļu efektā - viena no pārsteidzošākajām parādībām kvantu mehānikā. Šis efekts sastāv no tā, ka mikrodaļiņa (precīzāk, mikroobjekts, kas dažādos apstākļos uzrāda gan daļiņas, gan viļņa īpašības) spēj iekļūt caur tā dēvēto potenciālo barjeru - parādību, kas klasiskajā mehānikā ir pilnīgi neiespējama (kurā analogs būtu šāda situācija): Sienā iemestās bumbiņas būtu sienas otrā pusē, vai arī viļņveidīgā kustība, kas piešķirta pie sienas piesietai virvei, tiktu novirzīta uz virvi, kas piesieta pie sienas otrā pusē). Tuneļu efekta būtība kvantu mehānikā ir šāda. Ja mikro objekts ar noteiktu enerģiju ceļā satiekas ar potenciālās enerģijas apgabalu,pārsniedzot mikroobjekta enerģiju, šī zona tam ir barjera, kuras augstumu nosaka enerģijas starpība. Bet mikroobjekts "iztek" caur barjeru! Šādu iespēju viņam dod labi zināmā Heizenberga nenoteiktības sakarība, kas uzrakstīta enerģijas un mijiedarbības laikam. Ja mikro objekta mijiedarbība ar barjeru notiek pietiekami noteiktu laiku, tad mikro objekta enerģijai, gluži pretēji, būs raksturīga nenoteiktība, un, ja šī nenoteiktība ir pēc barjeras augstuma, tad pēdējais pārstāj būt nepārvarams šķērslis mikroobjektam. Ātrums iespiešanās caur potenciālo barjeru ir kļuvis par pētījumu priekšmetu vairākiem fiziķiem, kuri uzskata, ka tas var pārsniegt s. Bet mikroobjekts "iztek" caur barjeru! Šādu iespēju viņam dod labi zināmā Heizenberga nenoteiktības sakarība, kas uzrakstīta enerģijas un mijiedarbības laikam. Ja mikro objekta mijiedarbība ar barjeru notiek pietiekami noteiktu laiku, tad mikro objekta enerģijai, gluži pretēji, būs raksturīga nenoteiktība, un, ja šī nenoteiktība ir pēc barjeras augstuma, tad pēdējais pārstāj būt nepārvarams šķērslis mikroobjektam. Ātrums iespiešanās caur potenciālo barjeru ir kļuvis par pētījumu priekšmetu vairākiem fiziķiem, kuri uzskata, ka tas var pārsniegt s. Bet mikroobjekts "iztek" caur barjeru! Šādu iespēju viņam dod labi zināmā Heizenberga nenoteiktības sakarība, kas uzrakstīta enerģijas un mijiedarbības laikam. Ja mikro objekta mijiedarbība ar barjeru notiek pietiekami noteiktu laiku, tad mikro objekta enerģijai, gluži pretēji, būs raksturīga nenoteiktība, un, ja šī nenoteiktība ir pēc barjeras augstuma, tad pēdējais pārstāj būt nepārvarams šķērslis mikroobjektam. Ātrums iespiešanās caur potenciālo barjeru ir kļuvis par pētījumu priekšmetu vairākiem fiziķiem, kuri uzskata, ka tas var pārsniegt s. Ja mikro objekta mijiedarbība ar barjeru notiek pietiekami noteiktu laiku, tad mikro objekta enerģijai, gluži pretēji, būs raksturīga nenoteiktība, un, ja šī nenoteiktība ir pēc barjeras augstuma, tad pēdējais pārstāj būt nepārvarams šķērslis mikroobjektam. Ātrums iespiešanās caur potenciālo barjeru ir kļuvis par pētījumu priekšmetu vairākiem fiziķiem, kuri uzskata, ka tas var pārsniegt s. Ja mikro objekta mijiedarbība ar barjeru notiek pietiekami noteiktu laiku, tad mikro objekta enerģijai, gluži pretēji, būs raksturīga nenoteiktība, un, ja šī nenoteiktība ir pēc barjeras augstuma, tad pēdējais pārstāj būt nepārvarams šķērslis mikroobjektam. Ātrums iespiešanās caur potenciālo barjeru ir kļuvis par pētījumu priekšmetu vairākiem fiziķiem, kuri uzskata, ka tas var pārsniegt s.
1998. gada jūnijā Ķelnē notika starptautisks simpozijs par FTL problēmām, kur tika apspriesti rezultāti, kas iegūti četrās laboratorijās - Berklijā, Vīnē, Ķelnē un Florencē.
Un, visbeidzot, 2000. gadā tika ziņots par diviem jauniem eksperimentiem, kuros parādījās superluminalā izplatīšanās ietekme. Vienu no tiem veica Lijun Wong un kolēģi Prinstonas (ASV) pētniecības institūtā. Tā rezultāts ir tas, ka gaismas impulss, kas nonāk kamerā, kas piepildīts ar cēzija tvaikiem, palielina tā ātrumu 300 reizes. Izrādījās, ka galvenā impulsa daļa atstāj kameras tālu sienu pat agrāk, nekā impulss kamerā nonāk caur priekšējo sienu. Šī situācija ir pretrunā ne tikai veselajam saprātam, bet būtībā arī ar relativitātes teoriju.
L. Vongs vēstījums izraisīja intensīvu diskusiju starp fiziķiem, no kuriem vairums nav sliecas redzēt iegūtos rezultātus par relativitātes principu pārkāpumu. Viņi uzskata, ka izaicinājums ir pareizi izskaidrot šo eksperimentu.
L. Wong eksperimentā gaismas impulsa, kas kamerā nonāk ar cēzija tvaiku, ilgums bija aptuveni 3 μs. Cēzija atomi var būt sešpadsmit iespējamos kvantu-mehāniskos stāvokļos, ko sauc par "magnētiski hipersmalkiem pamata stāvokļa apakšlīmeņiem". Ar optiskās lāzera sūknēšanas palīdzību gandrīz visi atomi tika ievesti tikai vienā no šiem sešpadsmit stāvokļiem, kas atbilst gandrīz absolūtai nulles temperatūrai Kelvina skalā (-273,15 ° C). Cēzija kamera bija 6 centimetrus gara. Vakuumā gaisma pārvietojas 6 centimetrus 0,2 ns. Mērījumi parādīja, ka gaismas impulss caur kameru ar cēziju izgāja 62 ns mazāk laika nekā vakuumā. Citiem vārdiem sakot, impulsa tranzīta laikam caur cēzija barotni ir mīnus zīme! Patiešām, ja 62 ns tiek atņemts no 0,2 ns, mēs iegūstam "negatīvu" laiku. Šī "negatīvā kavēšanās" vidē - nesaprotams laika lēciens - ir vienāda ar laiku, kurā pulss būtu sasniedzis 310, caur vakuumu iziet cauri kamerai. Šī "īslaicīgā apvērsuma" sekas bija tādas, ka impulsam, kas izgāja no kameras, bija laiks attālināties no tā par 19 metriem, pirms ienākošais impulss sasniedza blakus kameras sienai. Kā izskaidrot tik neticamu situāciju (ja, protams, nav šaubu par eksperimenta tīrību)?nešaubīties par eksperimenta tīrību)?nešaubīties par eksperimenta tīrību)?
Spriežot pēc izvērstās diskusijas, precīzs izskaidrojums vēl nav atrasts, taču nav šaubu, ka šeit nozīme ir barotnes neparastām izkliedes īpašībām: cēzija tvaiki, kas sastāv no atomiem, kurus ierosina lāzera gaisma, ir vide ar anomālu izkliedi. Īsi atgādināsim, kas tas ir.
Vielas izkliede ir fāzes (parastā) refrakcijas indeksa n atkarība no gaismas l viļņa garuma. Ar normālu izkliedi refrakcijas indekss palielinās, samazinoties viļņu garumam, un tas notiek stiklā, ūdenī, gaisā un visās pārējās gaismas caurspīdīgās vielās. Vielas, kas spēcīgi absorbē gaismu, refrakcijas indeksa gaita mainās uz pretējo, mainoties viļņa garumam, un kļūst daudz straujāka: samazinoties l (palielinoties frekvencei w), refrakcijas indekss strauji samazinās un noteiktā viļņu garuma reģionā tas kļūst mazāks par vienotību (fāzes ātrums Vph> s).). Šī ir anomāla izkliede, kurā gaismas izplatīšanās attēls matērijā mainās. Grupas ātrums Vgr kļūst lielāks par viļņu fāzes ātrumu un var pārsniegt gaismas ātrumu vakuumā (un arī kļūt negatīvs). L. Wong norāda uz šo apstākli kā iemeslu, kas ļāva izskaidrot viņa eksperimenta rezultātus. Tomēr jāpiebilst, ka nosacījums Vgr> c ir tīri formāls, jo grupas ātruma jēdziens tika ieviests nelielas (normālas) izkliedes gadījumā caurspīdīgai barotnei, kad viļņu grupa izplatīšanās laikā gandrīz nemaina savu formu. No otras puses, anomālās izkliedes reģionos gaismas impulss tiek strauji deformēts un grupas ātruma jēdziens zaudē nozīmi; šajā gadījumā tiek ieviesti signāla ātruma un enerģijas izplatīšanās ātruma jēdzieni, kas caurspīdīgā vidē sakrīt ar grupas ātrumu, un vidē ar absorbciju paliek mazāks par gaismas ātrumu vakuumā. Bet šeit ir tas, kas Wong eksperimentā ir interesants: gaismas impulss, izgājis caur barotni ar anomālu izkliedi, nav deformēts - tas precīzi saglabā savu formu!Un tas atbilst pieņēmumam par impulsa izplatīšanos ar grupas ātrumu. Bet, ja tā, tad izrādās, ka barotnē nav absorbcijas, lai gan barotnes anomālā izkliede notiek tieši absorbcijas dēļ! Pats Vongs, atzīstot, ka daudz kas joprojām ir neskaidrs, uzskata, ka viņa eksperimentālajā iestatījumā notiekošo pirmajā tuvinājumā var skaidri izskaidrot šādi.
Gaismas impulss sastāv no daudziem komponentiem ar dažādu viļņu garumu (frekvencēm). Attēlā parādīti trīs no šiem komponentiem (1. – 3. Viļņi). Kādā brīdī visi trīs viļņi atrodas fāzē (to maksimumi sakrīt); šeit viņi, saskaitot, pastiprina viens otru un veido impulsu. Tā kā viļņi izplatās tālāk telpā, viļņi ir ārpus fāzes un tādējādi "nodziest" viens otru.
Anomālās izkliedes reģionā (cēzija šūnas iekšpusē) īsāks vilnis (1. vilnis) kļūst garāks. Un otrādi, vilnis, kas bija garākais no trim (3. vilnis), kļūst par īsāko.
Līdz ar to attiecīgi mainās viļņu fāzes. Kad viļņi ir izgājuši cauri cēzija šūnai, to viļņu frontes tiek atjaunotas. Pēc neparastas fāzes modulācijas vielā ar anomālu izkliedi trīs aplūkotie viļņi noteiktā brīdī atkal ir fāzē. Šeit viņi atkal saliecas un veido tieši tādas pašas formas impulsu kā ievadot cēzija barotni.
Parasti gaisā un praktiski jebkurā caurspīdīgā vidē ar normālu izkliedi gaismas impulss nevar precīzi saglabāt savu formu, izplatoties tālu attālumā, tas ir, visas tā sastāvdaļas nevar fāzēt nevienā tālākā izplatīšanās ceļa punktā. Un normālos apstākļos pēc kāda laika parādās gaismas pulss tik tālā vietā. Tomēr, ņemot vērā eksperimentā izmantotās barotnes anomālās īpašības, pulss tālākā punktā izrādījās fāzēts tādā pašā veidā kā ievadot šo barotni. Tādējādi gaismas impulss uzvedas tā, it kā tam būtu negatīvs laika kavējums ceļā uz tālu punktu, tas ir, tas nonāktu pie tā ne vēlāk, bet agrāk, nekā tas ir izturējis apkārtējo vidi!
Lielākā daļa fiziķu sliecas šo rezultātu saistīt ar zemas intensitātes prekursora parādīšanos kameras izkliedējošajā vidē. Fakts ir tāds, ka impulsa spektrālās sadalīšanās laikā spektrā ir patvaļīgi augstu frekvenču komponenti ar niecīgu amplitūdu, tā sauktais prekursors, kas iet priekšā impulsa "galvenajai daļai". Iestādes raksturs un priekšgājēja forma ir atkarīga no izkliedes likuma vidē. Ņemot to vērā, Wong eksperimenta notikumu secību ierosina interpretēt šādi. Ienākošais vilnis, "izstiepjot" harbingeru sev priekšā, tuvojas kamerai. Pirms ienākošā viļņa virsotne sasniedz kameras blakus esošo sienu, priekštecis kamerā ierosina impulsu, kurš nonāk līdz tālajai sienai un tiek atstarots no tās, veidojot "atpakaļvirzi". Šis vilnisizplatās 300 reizes ātrāk nekā c, sasniedz tuvu sienu un satiek ienākošo vilni. Viena viļņa virsotnes sakrīt ar otra siles, tāpēc tās iznīcina viena otru, un rezultātā nekas nepaliek. Izrādās, ka ienākošais vilnis "atdod parādu" cēzija atomiem, kas tam "aizdeva" enerģiju kameras otrajā galā. Ikviens, kurš novērotu tikai eksperimenta sākumu un beigas, redzētu tikai tādu gaismas impulsu, kas ar laiku "uzlēca" uz priekšu, ātrāk pārvietojoties ar. Es redzētu tikai tādu gaismas impulsu, kurš ar laiku "uzlēca" uz priekšu, ātrāk pārvietojoties ar. Es redzētu tikai tādu gaismas impulsu, kurš ar laiku "uzlēca" uz priekšu, ātrāk pārvietojoties ar.
L. Vongs uzskata, ka viņa eksperiments nepiekrīt relativitātes teorijai. Pēc viņa domām, apgalvojums par virslīnijas ātruma nepieejamību attiecas tikai uz objektiem ar atpūtas masu. Gaismu var attēlot vai nu viļņu veidā, kuriem masas jēdziens parasti nav piemērojams, vai arī fotonu veidā ar atpūtas masu, kā zināms, kas vienāda ar nulli. Tāpēc gaismas ātrums vakuumā, Wong uzskata, nav robeža. Neskatoties uz to, Wong atzīst, ka viņa atklātais efekts neļauj pārsūtīt informāciju ar ātrumu, kas lielāks par s.
“Šeit esošā informācija jau ir impulsa priekšējā malā,” saka P. Milonijs, fiziķis no ASV Los Alamos Nacionālās laboratorijas. "Un jums var rasties iespaids, ka informācija tiek sūtīta ātrāk nekā gaiši, pat ja to nesūtāt."
Lielākā daļa fiziķu uzskata, ka jaunais darbs nesniedz graujošu triecienu pamatprincipiem. Bet ne visi fiziķi uzskata, ka problēma ir atrisināta. Itāļu pētniecības grupas profesors A. Ranfagni, kurš 2000. gadā veica vēl vienu interesantu eksperimentu, uzskata, ka jautājums paliek atklāts. Šis eksperiments, ko veica Daniels Mugnai, Anedio Ranfagni un Rocco Ruggeri, atklāja, ka centimetru joslas radioviļņi parastā gaisa satiksmē ar ātrumu, kas ir par 25% lielāks nekā c.
Kopsavilkumā mēs varam teikt sekojošo
Pēdējo gadu darbs ir parādījis, ka noteiktos apstākļos superluminal ātrums faktiski var notikt. Bet kas īsti ceļo ar superluminal ātrumu? Relativitātes teorija, kā jau minēts, aizliedz šādu ātrumu materiālajiem ķermeņiem un signāliem, kas pārvadā informāciju. Neskatoties uz to, daži pētnieki ļoti neatlaidīgi cenšas parādīt, kā pārvarēt signālu gaismas barjeru. Iemesls tam ir fakts, ka īpašajā relativitātes teorijā nav stingra matemātiska pamatojuma (pamatojoties, teiksim, uz Maksvela elektromagnētiskā lauka vienādojumiem), ar kuru nav iespējams pārraidīt signālus ar ātrumu lielāku par s. Šāda neiespējamība SRT tiek noteikta, varētu teikt, tīri aritmētiski, balstoties uz Einšteina formulu ātruma pievienošanai,bet to pamatā apstiprina cēloņsakarības princips. Pats Einšteins, apsverot jautājumu par superluminālo signāla pārraidi, rakstīja, ka šajā gadījumā "… mēs esam spiesti apsvērt signāla pārraides mehānismu, kad izmantojot sasniegtā darbība ir pirms cēloņa. Bet, kaut arī šis rezultāts no tīri loģiska viedokļa nesatur, manuprāt, nav pretrunu, tas tik un tā ir pretrunā ar visu mūsu pieredzes raksturu, ka V> c pieņēmuma neiespējamība šķiet pietiekami pierādīta. " Cēloņsakarības princips ir stūrakmens, uz kura balstās FTL signāla pārraides neiespējamība. Un šis akmens, acīmredzot, paklups visus, bez izņēmuma, meklējot superluminālos signālus, neatkarīgi no tā, cik daudz eksperimenti vēlētos atrast šādus signālus,jo tāda ir mūsu pasaules daba.
Bet tomēr iedomāsimies, ka relativitātes matemātika joprojām darbosies ar ātrumu ātrāk nekā gaisma. Tas nozīmē, ka teorētiski mēs joprojām varam uzzināt, kas notiktu, ja ķermenis pārsniegtu gaismas ātrumu.
Iedomājieties divus kosmosa kuģus, kas virzās no Zemes uz zvaigzni, kas ir 100 gaismas gadu attālumā no mūsu planētas. Pirmais kuģis pamet Zemi ar 50% gaismas ātrumu, tāpēc visa brauciena laikā būs nepieciešami 200 gadi. Otrais kuģis, kas aprīkots ar hipotētisku šķēru piedziņu, ar gaismas ātrumu 200% brauks, bet 100 gadus pēc pirmā. Kas notiks?
Saskaņā ar relativitātes teoriju pareizā atbilde lielā mērā ir atkarīga no novērotāja perspektīvas. No Zemes parādīsies, ka pirmais kuģis jau ir nobraucis ievērojamu attālumu, pirms to apdzina otrais kuģis, kurš pārvietojas četras reizes ātrāk. Bet no pirmā kuģa cilvēku viedokļa viss ir nedaudz savādāk.
Kuģis Nr. 2 pārvietojas ātrāk nekā gaisma, kas nozīmē, ka tas pat var apdzīt gaismu, kuru pats izstaro. Tas noved pie sava veida "gaismas viļņa" (analogs skaņai, tikai gaisa vibrāciju vietā šeit vibrē gaismas viļņi), kas rada vairākus interesantus efektus. Atgādiniet, ka gaisma no kuģa Nr. 2 pārvietojas lēnāk nekā pats kuģis. Tā rezultātā notiks redzes dubultošanās. Citiem vārdiem sakot, vispirms kuģa nr. 1 apkalpe redzēs, ka otrais kuģis parādījās blakus tam it kā no nekurienes. Tad otrā kuģa gaisma sasniegs pirmo ar nelielu kavēšanos, un rezultāts būs redzama kopija, kas ar nelielu kavēšanos pārvietosies tajā pašā virzienā.
Kaut ko līdzīgu var redzēt datorspēlēs, kad sistēmas kļūmes rezultātā motors kustības beigu punktā ielādē modeli un tā algoritmus ātrāk, nekā beidzas pati animācija, tā ka notiek vairākas reizes. Iespējams, tieši tāpēc mūsu apziņa neuztver hipotētisko Visuma aspektu, kurā ķermeņi pārvietojas ar superluminal ātrumu - iespējams, tas ir labākais.
PS … bet pēdējā piemērā es kaut ko nesapratu, kāpēc kuģa reālā atrašanās vieta ir saistīta ar "tā izstaroto gaismu"? Nu ļaujiet viņiem viņu redzēt kā kaut ko tādu, kas tur nav, bet patiesībā viņš apdzīs pirmo kuģi!