Superluminal resor är en av grunden till rymd science fiction. Emellertid vet förmodligen alla - även människor långt ifrån fysik - att den största möjliga hastigheten för rörelse av materiella objekt eller utbredningen av några signaler är ljusets hastighet i ett vakuum. Det betecknas med bokstaven c och är nästan 300 tusen kilometer per sekund; det exakta värdet är c = 299 792 458 m / s.
Ljushastigheten i ett vakuum är en av de grundläggande fysiska konstanterna. Umuligheten att uppnå hastigheter som överstiger c följer av Einsteins speciella relativitetsteori (SRT). Om det var möjligt att bevisa att signaler kan överföras med superluminala hastigheter skulle relativitetsteorin falla. Hittills har detta inte hänt, trots många försök att motbevisa förbudet mot att det finns hastigheter större än c. I senare experimentella studier har emellertid några mycket intressanta fenomen upptäckts, vilket indikerar att under speciellt skapade förhållanden kan superluminala hastigheter observeras och principerna för relativitetsteorin inte bryts.
Till att börja med, låt oss komma ihåg de viktigaste aspekterna relaterade till problemet med ljusets hastighet.
Först av allt: varför är det omöjligt (under normala förhållanden) att överskrida ljusgränsen? För då bryts vår världs grundläggande lag - kausalitetslagen, enligt vilken effekten inte kan överskrida orsaken. Ingen har någonsin sett, till exempel, först föll en björn död, och sedan en jägare avfyrade. Vid hastigheter som överstiger s omkastas händelseförloppet, tidbandet spolas om. Detta är lätt att verifiera genom följande enkla resonemang.
Låt oss anta att vi befinner oss på ett slags rymd mirakelfartyg, rör oss snabbare än ljus. Då skulle vi gradvis komma ikapp med det ljus som släppts ut från källan vid tidigare och tidigare tidpunkter. Först skulle vi komma ikapp de fotoner som släppts ut, säg igår, sedan de som släpptes i förrgår, sedan en vecka, en månad, ett år sedan, och så vidare. Om ljuskällan var en spegel som återspeglar livet, skulle vi först se händelserna i går, sedan i går, och så vidare. Vi kunde se, säga, en gammal man som gradvis förvandlas till en medelålders man, sedan till en ung man, till en ungdom, till ett barn … Det vill säga, tiden skulle vända tillbaka, vi skulle gå från nuet till det förflutna. Orsakerna och effekterna skulle vändas.
Även om detta resonemang helt ignorerar de tekniska detaljerna i processen att observera ljus, från en grundläggande synvinkel, visar det tydligt att rörelse med superluminal hastighet leder till en omöjlig situation i vår värld. Naturen har emellertid ställt ännu strängare förhållanden: det går inte att uppnå inte bara med superluminal hastighet, utan också med en hastighet som är lika med ljusets hastighet - du kan bara närma dig den. Från relativitetsteorin följer att med en ökning av rörelsens hastighet uppstår tre omständigheter: massan hos ett rörligt objekt ökar, dess storlek minskar i rörelseriktningen och tidsflödet på detta objekt bromsar (ur synpunkten för en extern "vilande" observatör). Vid vanliga hastigheter är dessa förändringar försumbara, men när de närmar sig ljusets hastighet blir de mer synliga,och i gränsen - med en hastighet lika med c - blir massan oändligt stor, objektet förlorar helt sin storlek i rörelseriktningen och tiden stannar på den. Därför kan ingen materiell kropp nå ljusets hastighet. Endast ljuset själv har sådan hastighet! (Och även den "genomträngande" partikeln - neutrino, som, precis som en foton, inte kan röra sig med en hastighet mindre än s.)
Nu om signalöverföringshastigheten. Det är lämpligt att använda ljusrepresentationen i form av elektromagnetiska vågor. Vad är en signal? Detta är någon form av information som ska överföras. En ideal elektromagnetisk våg är en oändlig sinus med strikt en frekvens, och den kan inte bära någon information, eftersom varje period av en sådan sinusoid exakt upprepar den föregående. Rörelsens hastighet för en sinusformig vågs fas - den så kallade fashastigheten - kan i ett medium under vissa förhållanden överskrida ljusets hastighet i vakuum. Det finns inga begränsningar här, eftersom fashastigheten inte är signalhastigheten - den är inte där ännu. För att skapa en signal måste du göra ett slags "märke" på vågen. Ett sådant märke kan till exempel vara en förändring i någon av vågparametrarna - amplitud, frekvens eller initial fas. Men när märket är gjort,vågen förlorar sinusoidalitet. Den blir modulerad och består av en uppsättning enkla sinusvågor med olika amplituder, frekvenser och initiala faser - en grupp vågor. Den hastighet med vilken markeringen rör sig i den modulerade vågen är signalens hastighet. Vid förökning i ett medium sammanfaller denna hastighet vanligtvis med grupphastigheten, som kännetecknar förökningen av ovannämnda våggrupp som helhet (se Science and Life No. 2, 2000). Under normala förhållanden är grupphastigheten och därmed signalhastigheten mindre än ljusets hastighet i vakuum. Det är inte av en slump att uttrycket "under normala förhållanden" används, eftersom grupphastigheten i vissa fall också kan överstiga c eller till och med förlora sin betydelse, men då gäller det inte för signalutbredning. I SRT fastställs att det är omöjligt att överföra en signal med en hastighet större än s. Den blir modulerad och består av en uppsättning enkla sinusvågor med olika amplituder, frekvenser och initiala faser - en grupp vågor. Den hastighet med vilken markeringen rör sig i den modulerade vågen är signalens hastighet. Vid förökning i ett medium sammanfaller denna hastighet vanligtvis med grupphastigheten, som kännetecknar förökningen av ovannämnda våggrupp som helhet (se Science and Life, nr 2, 2000). Under normala förhållanden är grupphastigheten och därmed signalhastigheten mindre än ljusets hastighet i vakuum. Det är inte av en slump att uttrycket "under normala förhållanden" används, eftersom grupphastigheten i vissa fall också kan överstiga c eller till och med förlora sin betydelse, men då gäller det inte för signalutbredning. I SRT fastställs att det är omöjligt att överföra en signal med en hastighet större än s. Den blir modulerad och består av en uppsättning enkla sinusvågor med olika amplituder, frekvenser och initiala faser - en grupp vågor. Den hastighet med vilken markeringen rör sig i den modulerade vågen är signalens hastighet. Vid förökning i ett medium sammanfaller denna hastighet vanligtvis med grupphastigheten, som kännetecknar förökningen av ovannämnda våggrupp som helhet (se Science and Life, nr 2, 2000). Under normala förhållanden är grupphastigheten och därmed signalhastigheten mindre än ljusets hastighet i vakuum. Det är inte av en slump att uttrycket "under normala förhållanden" används, eftersom grupphastigheten i vissa fall också kan överstiga c eller till och med förlora sin betydelse, men då gäller det inte för signalutbredning. I SRT fastställs att det är omöjligt att överföra en signal med en hastighet större än s.som består av en uppsättning enkla sinusformiga vågor med olika amplituder, frekvenser och initiala faser - en grupp vågor. Den hastighet med vilken markeringen rör sig i den modulerade vågen är signalens hastighet. Vid förökning i ett medium sammanfaller denna hastighet vanligtvis med grupphastigheten, som kännetecknar förökningen av ovannämnda våggrupp som helhet (se Science and Life, nr 2, 2000). Under normala förhållanden är grupphastigheten och därmed signalhastigheten mindre än ljusets hastighet i vakuum. Det är inte av en slump att uttrycket "under normala förhållanden" används, eftersom grupphastigheten i vissa fall också kan överstiga c eller till och med förlora sin betydelse, men då gäller det inte för signalutbredning. I SRT fastställs att det är omöjligt att överföra en signal med en hastighet större än s.som består av en uppsättning enkla sinusformiga vågor med olika amplituder, frekvenser och initiala faser - en grupp vågor. Den hastighet med vilken markeringen rör sig i den modulerade vågen är signalens hastighet. Vid förökning i ett medium sammanfaller denna hastighet vanligtvis med grupphastigheten, som kännetecknar förökningen av ovannämnda våggrupp som helhet (se Science and Life No. 2, 2000). Under normala förhållanden är grupphastigheten och därmed signalhastigheten mindre än ljusets hastighet i vakuum. Det är inte av en slump att uttrycket "under normala förhållanden" används, eftersom grupphastigheten i vissa fall också kan överstiga c eller till och med förlora sin betydelse, men då gäller det inte för signalutbredning. I SRT fastställs att det är omöjligt att överföra en signal med en hastighet större än s.frekvenser och initialfaser - grupper av vågor. Den hastighet med vilken markeringen rör sig i den modulerade vågen är signalens hastighet. Vid förökning i ett medium sammanfaller denna hastighet vanligtvis med grupphastigheten, som kännetecknar förökningen av ovannämnda våggrupp som helhet (se Science and Life No. 2, 2000). Under normala förhållanden är grupphastigheten och därmed signalhastigheten mindre än ljusets hastighet i vakuum. Det är inte av en slump att uttrycket "under normala förhållanden" används, eftersom grupphastigheten i vissa fall också kan överstiga c eller till och med förlora sin betydelse, men då gäller det inte för signalutbredning. I SRT fastställs att det är omöjligt att överföra en signal med en hastighet större än s.frekvenser och initialfaser - grupper av vågor. Den hastighet med vilken markeringen rör sig i den modulerade vågen är signalens hastighet. Vid förökning i ett medium sammanfaller denna hastighet vanligtvis med grupphastigheten, som kännetecknar förökningen av ovannämnda våggrupp som helhet (se Science and Life No. 2, 2000). Under normala förhållanden är grupphastigheten och därmed signalhastigheten mindre än ljusets hastighet i vakuum. Det är inte av en slump att uttrycket "under normala förhållanden" används, eftersom grupphastigheten i vissa fall också kan överstiga c eller till och med förlora sin betydelse, men då gäller det inte för signalutbredning. I SRT fastställs att det är omöjligt att överföra en signal med en hastighet större än s. Vid förökning i ett medium sammanfaller denna hastighet vanligtvis med grupphastigheten, som kännetecknar förökningen av ovannämnda våggrupp som helhet (se Science and Life No. 2, 2000). Under normala förhållanden är grupphastigheten och därmed signalhastigheten mindre än ljusets hastighet i vakuum. Det är inte av en slump att uttrycket "under normala förhållanden" används, eftersom grupphastigheten i vissa fall också kan överstiga c eller till och med förlora sin betydelse, men då gäller det inte för signalutbredning. I SRT fastställs att det är omöjligt att överföra en signal med en hastighet större än s. Vid förökning i ett medium sammanfaller denna hastighet vanligtvis med grupphastigheten, som kännetecknar förökningen av ovannämnda våggrupp som helhet (se Science and Life No. 2, 2000). Under normala förhållanden är grupphastigheten och därmed signalhastigheten mindre än ljusets hastighet i vakuum. Det är inte av en slump att uttrycket "under normala förhållanden" används, för i vissa fall kan grupphastigheten också överstiga c eller till och med förlora sin betydelse, men då gäller det inte för signalutbredning. I SRT fastställs att det är omöjligt att överföra en signal med en hastighet större än s. Det är inte av en slump att uttrycket "under normala förhållanden" används, eftersom grupphastigheten i vissa fall också kan överstiga c eller till och med förlora sin betydelse, men då gäller det inte för signalutbredning. I SRT fastställs att det är omöjligt att överföra en signal med en hastighet större än s. Det är inte av en slump att uttrycket "under normala förhållanden" används, eftersom grupphastigheten i vissa fall också kan överstiga c eller till och med förlora sin betydelse, men då gäller det inte för signalutbredning. I SRT fastställs att det är omöjligt att överföra en signal med en hastighet större än s.
Kampanjvideo:
Varför är det så? Eftersom samma kausalitetslag fungerar som ett hinder för överföring av någon signal med en hastighet större än c. Låt oss föreställa oss följande situation. Vid någon punkt A slår en ljusblixten (händelse 1) på en enhet som sänder en viss radiosignal, och vid en avlägsen punkt B inträffar en explosion under verkan av denna radiosignal (händelse 2). Det är tydligt att händelse 1 (blixt) är en orsak, och händelse 2 (explosion) är en konsekvens som inträffar senare än orsaken. Men om radiosignalen förökades med en superluminal hastighet skulle en iakttagare nära punkt B först se en explosion, och först då - en blixt som nådde honom med en snabb blixt, orsaken till explosionen. Med andra ord, för denna iakttagare skulle händelse 2 inträffa tidigare än händelse 1, det vill säga effekten skulle vara före orsaken.
Det är lämpligt att betona att det "superluminala förbudet" för relativitetsteorin endast åläggs rörelse av materiella kroppar och överföring av signaler. I många situationer är rörelse med vilken hastighet som helst möjlig, men det kommer inte att vara rörelse av materiella föremål eller signaler. Föreställ dig till exempel två ganska långa linjaler som ligger i samma plan, varav en är horisontell, och den andra korsar den i en liten vinkel. Om den första linjalen flyttas nedåt (i pilens riktning) med hög hastighet kan linjernas skärningspunkt göras så fort du vill, men denna punkt är inte en materiell kropp. Ett annat exempel: om du tar en ficklampa (eller, till exempel, en laser som ger en smal stråle) och snabbt beskriver en båge i luften, kommer ljusfläckens linjära hastighet att öka med avståndet och på ett tillräckligt stort avstånd överstiga c. Ljusfläcken kommer att röra sig mellan punkterna A och B med en superluminal hastighet, men detta kommer inte att vara en signalöverföring från A till B, eftersom en sådan ljuspunkt inte innehåller någon information om punkt A.
Det verkar som om frågan om superluminala hastigheter har lösts. Men på 60-talet av det tjugonde århundradet framförde teoretiska fysiker en hypotes om förekomsten av superluminala partiklar som kallas takyoner. Dessa är mycket konstiga partiklar: teoretiskt sett är de möjliga, men för att undvika motsägelser med relativitetsteorin, var de tvungna att tillskriva en imaginär vilamassa. Fysiskt imaginär massa finns inte, det är en rent matematisk abstraktion. Detta orsakade emellertid inte mycket larm, eftersom tachyoner inte kan vara i vila - de finns (om de finns!) Endast vid hastigheter som överstiger ljusets hastighet i ett vakuum, och i detta fall visar massan på tachyon vara verklig. Det finns en viss analogi här med fotoner: en foton har noll vilovärde, men det betyder helt enkelt att en foton inte kan vara i vila - ljus kan inte stoppas.
Det svåraste, som förväntat, var att förena tachyonhypotesen med kausalitetslagen. Försök i denna riktning, även om de var ganska geniala, ledde inte till uppenbar framgång. Ingen lyckades heller registrera tachyoner experimentellt. Som ett resultat blekade intresset för takyoner som superluminala elementära partiklar gradvis bort.
Men på 60-talet upptäcktes ett fenomen experimentellt som initialt förvirrade fysiker. Detta beskrivs i detalj i artikeln av A. N. Oraevsky "Superluminalvågor i förstärkningsmedia" (Phys. Phys. Nr. 12, 1998). Här sammanfattar vi kortfattat ärendet och hänvisar läsaren som är intresserad av detaljer till den angivna artikeln.
Strax efter upptäckten av lasrar - i början av 60-talet - uppstod problemet med att få korta (cirka 1 ns = 10-9 s) högeffekta ljuspulser. För detta leddes en kort laserpuls genom en optisk kvantförstärkare. Pulsen delades upp i två delar av en stråldelande spegel. En av dem, mer kraftfull, skickades till förstärkaren, medan den andra förökades i luften och fungerade som en referenspuls med vilken man kunde jämföra den puls som passerade genom förstärkaren. Båda pulserna matades till fotodetektorer, och deras utsignaler kunde visuellt observeras på oscilloskopskärmen. Det förväntades att ljuspulsen som passerar genom förstärkaren kommer att uppleva en viss fördröjning i den jämfört med referenspulsen, det vill säga hastigheten för utbredning av ljus i förstärkaren kommer att vara mindre än i luft. Föreställ dig forskarnas överraskning när de upptäckte att pulsen spridit sig genom förstärkaren med en hastighet inte bara större än i luft, utan också överskred ljusets hastighet i vakuum flera gånger!
Efter att ha återhämtat sig från den första chocken började fysiker leta efter orsaken till ett så oväntat resultat. Ingen hade ens det minsta tvivel om principerna för den speciella relativitetsteorin, och det var detta som hjälpte till att hitta den korrekta förklaringen: om principerna för special relativitet är bevarade, bör svaret sökas i förstärkningsmediets egenskaper.
Utan att gå in på detaljer här påpekar vi bara att en detaljerad analys av förstärkningsmediets verkningsmekanism har helt klargjort situationen. Punkten bestod i en förändring i koncentrationen av fotoner under pulsutbredningen - en förändring på grund av en förändring i mediets förstärkning till ett negativt värde under passagen av baksidan av pulsen, när mediet redan absorberar energi, eftersom dess egen reserv redan har använts på grund av dess överföring till ljuspulsen. Absorption orsakar inte förstärkning, utan en försvagning av impulsen, och därmed förbättras impulsen i framsidan och försvagas i ryggen. Låt oss föreställa oss att vi observerar en puls med hjälp av en enhet som rör sig med ljusets hastighet i ett förstärkningsmedium. Om mediet var transparent skulle vi se impulsen frusen i orörlighet. I miljön,där processen som nämns ovan inträffar kommer förstärkningen av framkanten och försvagningen av pulsens bakkant att visas för observatören på ett sådant sätt att mediet som sagt har förflyttat pulsen framåt. Men eftersom enheten (observatören) rör sig med ljusets hastighet och pulsen överträffar den överstiger pulsens hastighet ljusets hastighet! Det är denna effekt som registrerades av experterna. Och här finns det verkligen ingen motsägelse med relativitetsteorin: bara förstärkningsprocessen är sådan att koncentrationen av fotoner som kom ut tidigare visar sig vara mer än de som kom ut senare. Det är inte fotoner som rör sig med superluminal hastighet, utan pulshöljet, i synnerhet dess maximala, som observeras på oscilloskopet. Men eftersom enheten (observatören) rör sig med ljusets hastighet och pulsen överträffar den överstiger pulsens hastighet ljusets hastighet! Det är denna effekt som registrerades av experterna. Och här finns det verkligen ingen motsägelse med relativitetsteorin: bara förstärkningsprocessen är sådan att koncentrationen av fotoner som kom ut tidigare visar sig vara mer än de som kom ut senare. Det är inte fotoner som rör sig med superluminal hastighet, utan pulshöljet, i synnerhet dess maximala, som observeras på oscilloskopet. Men eftersom enheten (observatören) rör sig med ljusets hastighet och pulsen överträffar den överstiger pulsens hastighet ljusets hastighet! Det är denna effekt som registrerades av experterna. Och här finns det verkligen ingen motsägelse med relativitetsteorin: bara förstärkningsprocessen är sådan att koncentrationen av fotoner som kom ut tidigare visar sig vara mer än de som kom ut senare. Det är inte fotoner som rör sig med superluminal hastighet, utan pulshöljet, i synnerhet dess maximala, som observeras på oscilloskopet. Det är inte fotoner som rör sig med superluminal hastighet, utan pulshöljet, i synnerhet dess maximala, som observeras på oscilloskopet. Det är inte fotoner som rör sig med superluminal hastighet, utan pulshöljet, i synnerhet dess maximala, som observeras på oscilloskopet.
Även om det i vanliga media alltid finns en dämpning av ljuset och en minskning av dess hastighet, bestämd av brytningsindexet, i aktiva lasermedier, observeras inte bara ljusförstärkning, utan också pulsutbredning med superluminal hastighet.
En del fysiker har försökt att experimentellt bevisa förekomsten av superluminal rörelse i tunneleffekten - ett av de mest fantastiska fenomenen i kvantmekanik. Denna effekt består i det faktum att en mikropartikel (mer exakt, ett mikroobjekt, som uppvisar både egenskaperna hos en partikel och egenskaperna hos en våg under olika förhållanden) kan penetrera den så kallade potentiella barriären - ett fenomen som är helt omöjligt i klassisk mekanik (där den analoga skulle vara en sådan situation: En boll som kastas in i väggen skulle vara på den andra sidan av väggen, eller den böljande rörelsen som tilldelas repet bundet till väggen skulle överföras till repet bundet till väggen på andra sidan). Kärnan i tunneleffekten i kvantmekanik är som följer. Om ett mikroobjekt med en viss energi möter ett område med potentiell energi på väg,överskrider mikroobjektets energi är detta område en barriär vars höjd bestäms av energidifferensen. Men mikroobjektet "siverar" genom barriären! Denna möjlighet ges till honom av den välkända Heisenberg-osäkerhetsrelationen, skriven för energi- och interaktionstiden. Om mikroobjektets interaktion med barriären inträffar under en tillräckligt bestämd tid, kommer mikroobjektets energi tvärtom att kännetecknas av osäkerhet, och om denna osäkerhet är i storleksordningen barriärhöjden, upphör det senare att vara ett oöverstigligt hinder för mikroobjektet. Här har hastigheten för penetrering genom en potentiell barriär blivit föremål för forskning av ett antal fysiker som tror att det kan överstiga s. Men mikroobjektet "siverar" genom barriären! Denna möjlighet ges till honom av den välkända Heisenberg-osäkerhetsrelationen, skriven för energi- och interaktionstiden. Om mikroobjektets interaktion med barriären inträffar under en tillräckligt bestämd tid, kommer mikroobjektets energi tvärtom att kännetecknas av osäkerhet, och om denna osäkerhet är i storleksordningen barriärhöjden, upphör det senare att vara ett oöverstigligt hinder för mikroobjektet. Här har hastigheten för penetrering genom en potentiell barriär blivit föremål för forskning av ett antal fysiker som tror att det kan överstiga s. Men mikroobjektet "siverar" genom barriären! Denna möjlighet ges till honom av den välkända Heisenberg-osäkerhetsrelationen, skriven för energi- och interaktionstiden. Om mikroobjektets interaktion med barriären inträffar under en tillräckligt bestämd tid, kommer mikroobjektets energi tvärtom att kännetecknas av osäkerhet, och om denna osäkerhet är i storleksordningen barriärhöjden, upphör det senare att vara ett oöverstigligt hinder för mikroobjektet. Här har hastigheten för penetrering genom en potentiell barriär blivit föremål för forskning av ett antal fysiker som tror att det kan överstiga s. Om mikroobjektets interaktion med barriären inträffar under en tillräckligt bestämd tid, kommer mikroobjektets energi tvärtom att kännetecknas av osäkerhet, och om denna osäkerhet är i storleksordningen barriärhöjden, upphör det senare att vara ett oöverstigligt hinder för mikroobjektet. Här har hastigheten för penetrering genom en potentiell barriär blivit föremål för forskning av ett antal fysiker som tror att det kan överstiga s. Om mikroobjektets interaktion med barriären inträffar under en tillräckligt bestämd tid, kommer mikroobjektets energi tvärtom att kännetecknas av osäkerhet, och om denna osäkerhet är i storleksordningen barriärhöjden, upphör det senare att vara ett oöverstigligt hinder för mikroobjektet. Här har hastigheten för penetrering genom en potentiell barriär blivit föremål för forskning av ett antal fysiker som tror att det kan överstiga s.
I juni 1998 hölls ett internationellt symposium om FTL-problem i Köln, där resultaten som erhölls i fyra laboratorier diskuterades - i Berkeley, Wien, Köln och Florens.
Och slutligen, 2000, fanns det rapporter om två nya experiment där effekterna av superluminal förökning dök upp. En av dem utfördes av Lijun Wong och medarbetare vid ett forskningsinstitut i Princeton (USA). Resultatet är att ljuspulsen som kommer in i kammaren fylld med cesiumånga ökar sin hastighet 300 gånger. Det visade sig att pulsens huvuddel lämnar kammarens bortre vägg ännu tidigare än pulsen kommer in i kammaren genom framväggen. Denna situation motsäger inte bara sunt förnuft, utan i själva verket relativitetsteorin.
L. Wongs meddelande väckte intensiv diskussion bland fysiker, de flesta av dem är inte benägna att se i resultaten erhållna brott mot relativitetsprinciperna. Utmaningen, tror de, är att korrekt förklara detta experiment.
I L. Wongs experiment hade ljuspulsen som kom in i kammaren med cesiumånga en varaktighet av cirka 3 μs. Cesiumatomer kan vara i sexton möjliga kvantmekaniska tillstånd, kallade "magnetiska hyperfina marktillstånd under nivåer." Med hjälp av optisk laserpumpning fördes nästan alla atomer till endast en av dessa sexton tillstånd, motsvarande nästan absolut nolltemperatur på Kelvin-skalan (-273,15 ° C). Cesiumkammaren var 6 centimeter lång. I vakuum går ljuset 6 centimeter i 0,2 ns. Mätningarna visade att ljuspulsen passerade genom kammaren med cesium på 62 ns kortare tid än i vakuum. Med andra ord har pulsens transittid genom cesiummediet ett minustecken! Om 62 ns dras ifrån 0,2 ns får vi faktiskt en "negativ" tid. Denna "negativa fördröjning" i mediet - ett obegripligt tidshopp - är lika med den tid under vilken pulsen skulle ha fått 310 att passera genom kammaren i ett vakuum. Konsekvensen av denna "tillfälliga vändning" var att impulsen som lämnade kammaren hade tid att röra sig bort från den med 19 meter innan den inkommande impulsen nådde kammarens nära vägg. Hur kan en sådan otrolig situation förklaras (om det naturligtvis inte råder tvivel om experimentets renhet)?att inte tvivla på experimentets renhet)?att inte tvivla på experimentets renhet)?
Utifrån diskussionens utveckling har en exakt förklaring ännu inte hittats, men det råder ingen tvekan om att ovanliga spridningsegenskaper hos mediet spelar en roll här: cesiumångor, som består av atomer som är exciterade av laserljus, är ett medium med avvikande spridning. Låt oss kort komma ihåg vad det är.
Spridningen av ett ämne är beroendet av fas (konventionellt) brytningsindex n av våglängden för ljus 1. Vid normal spridning ökar brytningsindexet med minskande våglängd, och detta inträffar i glas, vatten, luft och alla andra ämnen som är öppna för ljus. I ämnen som starkt absorberar ljus förändras brytningsindexets motsats med en förändring i våglängden och blir mycket brantare: med en minskning i l (en ökning av frekvensen w) minskar brytningsindexet kraftigt och i en viss våglängdsregion blir den mindre än enhet (fashastigheten Vph> s). Detta är den anomala spridningen, i vilken bilden av spridningen av ljus i materia förändras radikalt. Grupphastigheten Vgr blir större än våghastigheternas fashastighet och kan överskrida ljusets hastighet i vakuum (och också bli negativ). L. Wong pekar på denna omständighet som anledningen till möjligheten att förklara resultaten av sitt experiment. Det bör emellertid noteras att villkoret Vgr> c är rent formellt, eftersom konceptet med grupphastighet infördes för fallet med liten (normal) spridning, för transparenta medier, när våggruppen nästan inte förändrar sin form under utbredningen. I områden med avvikande dispersion, å andra sidan, deformeras ljuspulsen snabbt och begreppet grupphastighet förlorar sin betydelse; i detta fall introduceras begreppen signalhastighet och energiutbredningshastighet, som i transparenta media sammanfaller med grupphastigheten och i media med absorption förblir mindre än ljusets hastighet i vakuum. Men här är det som är intressant i Wongs experiment: en lätt puls, som har passerat genom ett medium med anomal spridning, deformeras inte - den behåller exakt sin form!Och detta motsvarar antagandet om utbredningen av pulsen med grupphastigheten. Men i så fall visar det sig att det inte finns någon absorption i mediet, även om den anomala spridningen av mediet beror exakt på absorptionen! Wong själv, som medger att mycket fortfarande är oklart, anser att det som händer i hans experimentella uppsättning i en första tillnärmning tydligt kan förklaras på följande sätt.
En ljuspuls består av många komponenter med olika våglängder (frekvenser). Figuren visar tre av dessa komponenter (vågorna 1-3). Vid någon tidpunkt är alla tre vågorna i fas (deras maxima sammanfaller); här förstärker de varandra och bildar en impuls. När vågorna sprider sig längre i rymden är vågorna ur fas och därmed "fuktar" varandra.
I området för avvikande dispersion (inuti cesiumcellen) blir vågen som var kortare (våg 1) längre. Omvänt blir den våg som var den längsta av de tre (våg 3) den kortaste.
Följaktligen förändras vågornas faser i enlighet därmed. När vågorna har passerat cesiumcellen återställs deras vågfronter. Efter att ha genomgått en ovanlig fasmodulering i ett ämne med anomal spridning, är de tre vågorna som beaktas igen i fas vid en viss punkt. Här viks de igen och bildar en puls med exakt samma form som in i cesiummediet.
Vanligtvis i luft och i praktiskt taget vilket som helst transparent medium med normal spridning, kan en ljuspuls inte exakt behålla sin form när den sprids över ett avstånd, det vill säga alla dess komponenter kan inte fasas vid någon avlägsen punkt längs förökningsvägen. Och under normala förhållanden visas en lätt puls vid en sådan avlägsen punkt efter en tid. På grund av de anomala egenskaperna hos mediet som använts i experimentet visade sig emellertid pulsen vid en avlägsen punkt fasas på samma sätt som när man kommer in i detta medium. Således uppträder ljuspulsen som om den hade en negativ tidsfördröjning på väg till en avlägsen punkt, det vill säga att den skulle ha kommit till den inte senare, men tidigare än den passerade miljön!
De flesta fysiker är benägna att associera detta resultat med utseendet på en föregångare med låg intensitet i kammarens dispersiva medium. Faktum är att i den spektrala nedbrytningen av en puls innehåller spektrumet komponenter av godtyckligt höga frekvenser med försumbar amplitud, den så kallade föregångaren, som går före pulsens "huvuddel". Arten av anläggningen och föregångarens form beror på spridningslagstiftningen i mediet. Med detta i åtanke föreslås händelseförloppet i Wongs experiment att tolkas på följande sätt. Den inkommande vågen, "som sträcker" frambäraren framför sig, närmar sig kameran. Innan toppen av den inkommande vågen träffar kammarens nära vägg initierar föregångaren en impuls i kammaren, som når fjärrväggen och reflekteras från den och bildar en "bakåtvåg". Den här vågensprider sig 300 gånger snabbare än c, når nära väggen och möter den inkommande vågen. Topparna på en våg möter en tråg i en annan, så de förstör varandra och ingenting blir kvar som resultat. Det visar sig att den inkommande vågen "returnerar skulden" till cesiumatomerna, som "lånade" energi till den i den andra änden av kammaren. Den som bara skulle observera början och slutet av experimentet skulle bara se en ljuspuls som "hoppade" framåt i tiden och rör sig snabbare med. Jag skulle bara se en ljuspuls som "hoppade" framåt i tiden och rör mig snabbare med. Jag skulle bara se en ljuspuls som "hoppade" framåt i tiden och rör mig snabbare med.
L. Wong tror att hans experiment inte överensstämmer med relativitetsteorin. Uttalandet om den ouppnåliga superluminalhastigheten, anser han, gäller endast för föremål med vilamassa. Ljus kan representeras antingen i form av vågor, till vilka begreppet massa i allmänhet inte kan tillämpas, eller i form av fotoner med en vilamassa, som är känt, lika med noll. Därför är ljusets hastighet i ett vakuum, tror Wong, inte gränsen. Ändå medger Wong att effekten han upptäckte inte gör det möjligt att överföra information med en hastighet som är större än s.
"Informationen här är redan i framkanten av pulsen," säger P. Milonny, en fysiker vid US Los Alamos National Laboratory. "Och du kan få intrycket av att skicka information snabbare än ljus, även om du inte skickar den."
De flesta fysiker tror att det nya arbetet inte slår ett krossande slag mot grundläggande principer. Men inte alla fysiker tror att problemet är löst. Professor A. Ranfagni från den italienska forskningsgruppen, som genomförde ytterligare ett intressant experiment år 2000, anser att frågan förblir öppen. Detta experiment, genomfört av Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni och Rocco Ruggeri, fann att centimeter-band radiovågor i vanliga flyg reser med en hastighet 25% större än c.
Sammanfattningsvis kan vi säga följande
Arbetet de senaste åren har visat att superluminal hastighet under vissa förhållanden faktiskt kan äga rum. Men vad exakt reser i superluminal hastighet? Som redan nämnts förbjuder relativitetsteorin en sådan hastighet för materiella kroppar och för signaler som bär information. Ändå försöker vissa forskare mycket ihärdigt att demonstrera hur man kan övervinna ljusbarriären för signaler. Anledningen till detta ligger i det faktum att det i den speciella relativitetsteorin inte finns någon rigorös matematisk motivering (baserat, säg, på Maxwells ekvationer för det elektromagnetiska fältet) för omöjligt att överföra signaler med en hastighet större än s. En sådan omöjlighet i SRT fastställs, kan man säga, rent aritmetiskt, och fortsätter från Einstein-formeln för tillsats av hastigheter,men detta bekräftas fundamentalt av kausalitetsprincipen. Einstein själv, med tanke på frågan om superluminal signalöverföring, skrev att i detta fall "… vi tvingas överväga en signalöverföringsmekanism, när vi använder den uppnådda handlingen före orsaken. Men även om detta resultat från en rent logisk synvinkel inte innehåller, enligt min åsikt, inga motsägelser, det motsäger fortfarande karaktären av hela vår erfarenhet så mycket att omöjligheten med antagandet V> c verkar vara tillräckligt bevisat. " Kausalitetsprincipen är hörnstenen som ligger till grund för omöjligheten för FTL-signalöverföring. Och denna sten kommer, till synes, att snubbla alla, utan undantag, söker efter superluminala signaler, oavsett hur mycket experterna vill hitta sådana signaler,för detta är vår världs natur.
Men ändå, låt oss föreställa oss att relativitetens matematik fortfarande kommer att arbeta med hastigheter snabbare än ljus. Det betyder att vi teoretiskt fortfarande kan ta reda på vad som skulle hända om kroppen råkar överskrida ljusets hastighet.
Föreställ dig två rymdfarkoster på väg från jorden mot en stjärna som är 100 ljusår från vår planet. Det första fartyget lämnar jorden med 50% ljusets hastighet, så det kommer att ta 200 år för hela resan. Det andra fartyget, utrustat med en hypotetisk varpdrivning, kommer att resa med 200% ljusets hastighet, men 100 år efter det första. Vad kommer att hända?
Enligt relativitetsteorin beror det rätta svaret till stor del på observatörens perspektiv. Från Jorden kommer det att se ut som att det första fartyget redan har rest ett betydande avstånd innan det övertas av det andra fartyget, som rör sig fyra gånger snabbare. Men med tanke på folket på det första fartyget är allt lite annorlunda.
Fartyg nr 2 rör sig snabbare än ljus, vilket innebär att det till och med kan ta bort det ljus som det släpper ut själv. Detta leder till en slags "ljusvåg" (analogt med ljud, bara i stället för luftvibrationer, vibrerar ljusvågor här), vilket genererar flera intressanta effekter. Kom ihåg att ljuset från fartyg nr 2 rör sig långsammare än själva fartyget. Som ett resultat kommer en visuell fördubbling att ske. Med andra ord, till en början kommer besättningen på fartyget nr 1 att se att det andra fartyget dök upp bredvid det som om ingenstans. Därefter kommer ljuset från det andra fartyget att nå det första med en liten fördröjning, och resultatet blir en synlig kopia som kommer att röra sig i samma riktning med en liten fördröjning.
Något liknande kan ses i datorspel, när, som ett resultat av ett systemfel, laddar motorn modellen och dess algoritmer vid slutpunkten för rörelse snabbare än animationen själv slutar, så att flera inträffar inträffar. Det är förmodligen anledningen till att vårt medvetande inte uppfattar den hypotetiska aspekten av universumet, där kroppar rör sig i superluminal hastighet - kanske detta är till det bästa.
PS … men i det sista exemplet förstod jag inte något, varför fartygets verkliga position är förknippad med "ljuset som släpps ut av det"? Tja, låt dem se honom som något som inte finns där, men i verkligheten kommer han att komma över det första fartyget!