Fysiska fenomen som inte känner igen några hastighetsgränser
Den övre hastighetsgränsen är känd även för skolbarn: efter att ha kopplat massa och energi med den berömda formeln E = mc2 påpekade Albert Einstein i början av det tjugonde århundradet att ingenting med massa kunde röra sig i rymden snabbare än ljusets hastighet i ett vakuum. Emellertid innehåller denna formulering redan kryphål som vissa fysiska fenomen och partiklar är ganska kapabla att kringgå. Åtminstone de fenomen som finns i teorin.
Det första kryphålet rör ordet "massa": Einsteins begränsningar gäller inte masslösa partiklar. De gäller inte heller för några tämligen media, där ljusets hastighet kan vara betydligt mindre än i ett vakuum. Slutligen, när tillräckligt med energi appliceras, kan själva utrymmet deformeras lokalt, så att det kan röra sig på ett sådant sätt att för en observatör från sidan, utanför denna deformation, rörelsen kommer att ske som snabbare än ljusets hastighet.
Vissa av dessa "superhöghastighets" -fenomen och fysikpartiklar registreras och reproduceras regelbundet i laboratorier, även tillämpade i praktiken, i högteknologiska instrument och apparater. Andra, förutsagt teoretiskt, försöker forskare fortfarande att upptäcka i verkligheten, och på den tredje har de stora planer: kanske en dag kommer dessa fenomen att tillåta oss att röra oss runt universum fritt, inte ens begränsas av ljusets hastighet.
Kvanteteleportering
Status: utvecklas aktivt
Teleportering av en levande varelse är ett bra exempel på en teknik som teoretiskt är tillåten, men praktiskt taget, tydligen, aldrig möjligt. Men om vi talar om teleportering, det vill säga omedelbar rörelse från en plats till en annan av små föremål, och ännu mer så partiklar, är det fullt möjligt. För att hålla sakerna enkla, låt oss börja enkelt - partiklar.
Kampanjvideo:
Det verkar som om vi kommer att behöva enheter som (1) fullständigt observerar partikelns tillstånd, (2) överför detta tillstånd snabbare än ljusets hastighet, (3) återställer originalet.
Men i ett sådant schema kan till och med det första steget inte genomföras fullt ut. Heisenbergs osäkerhetsprincip sätter oöverstigliga gränser för noggrannheten med vilken "par" -parametrarna för en partikel kan mätas. Till exempel, desto bättre vi vet dess fart, desto sämre - koordinaten och vice versa. En viktig egenskap hos kvanttelefortorteringen är dock att du i själva verket inte behöver mäta partiklar, precis som du inte behöver återställa någonting - du behöver bara få ett par sammanfiltrade partiklar.
För att förbereda sådana intrasslade fotoner måste vi till exempel belysa en olinjär kristall med laserstrålning av en viss våg. Då kommer några av de inkommande fotonerna att ruttna ned i två sammanfiltrade - oförklarligt länkade, så att varje förändring i tillståndet för den ena direkt påverkar tillståndet för den andra. Denna koppling är verkligen oförklarlig: mekanismerna för kvantförvirring förblir okända, även om själva fenomenet har varit och demonstreras ständigt. Men detta är ett sådant fenomen, där det är väldigt lätt att bli förvirrad - räcker det för att lägga till att innan mätningen, ingen av dessa partiklar har de önskade egenskaperna, och oavsett vilket resultat vi får genom att mäta det första, kommer tillståndet för den andra konstigt att korrelera med vårt resultat …
Mekanismen för kvantteleportering, som föreslogs 1993 av Charles Bennett och Gilles Brassard, kräver att endast en ytterligare deltagare läggs till paret med sammanfiltrade partiklar - i själva verket den vi ska teleportera. Avsändare och mottagare kallas vanligtvis Alice och Bob, och vi kommer att följa denna tradition och ge var och en av dem en sammanfiltrad foton. Så snart de sprider ett anständigt avstånd och Alice beslutar att starta teleportering, tar hon den önskade fotonen och mäter dess tillstånd tillsammans med tillståndet för den första av de sammanfiltrade fotonerna. Denna fotons obestämda vågfunktion kollapsar och reagerar direkt i Bobs andra intrasslade foton.
Tyvärr vet Bob inte exakt hur hans foton reagerar på Alisys fotons beteende: för att förstå detta måste han vänta tills hon skickar resultaten från sina mätningar med vanlig post, inte snabbare än ljusets hastighet. Därför kan ingen information överföras via en sådan kanal, men faktum kommer att förbli ett faktum. Vi teleporterade tillståndet för en foton. För att gå till människan återstår det att skala teknologin och omfamna varje partikel av endast 7000 biljoner biljoner atomer i vår kropp - det verkar som om inte mer än evigheten skiljer oss från detta genombrott.
Kvanteteleportering och sammanfiltring är dock fortfarande några av de hetaste ämnena i modern fysik. Först av allt, eftersom användningen av sådana kommunikationskanaler lovar obrottsligt skydd av överförda data: för att få tillgång till dem, kommer attackerare att behöva gripa inte bara brevet från Alice till Bob, utan också åtkomst till Bobs sammansvetsade partikel, och även om de lyckas komma till det och göra det mätningar kommer detta att permanent ändra fotonens tillstånd och omedelbart avslöjas.
Vavilov - Cherenkov-effekt
Status: används länge
Denna aspekt av att resa snabbare än ljusets hastighet är ett trevligt tillfälle att komma ihåg de ryska forskarnas prestationer. Fenomenet upptäcktes 1934 av Pavel Cherenkov, som arbetade under ledning av Sergej Vavilov, tre år senare fick det en teoretisk grund i verk av Igor Tamm och Ilya Frank, och 1958 tilldelades alla deltagare i dessa verk, med undantag för den redan avlidna Vavilov, Nobelpriset för fysik.
Faktum är att relativitetsteorin endast talar om ljusets hastighet i ett vakuum. I andra transparenta medier bromsas ljuset ganska märkbart, vilket gör att refraktion kan observeras vid deras gräns till luft. Brytningsindexet för glas är 1,49, vilket innebär att ljusets fashastighet är 1,49 gånger mindre, och till exempel har diamant ett brytningsindex på 2,42, och ljusets hastighet i det minskar mer än två gånger. Ingenting hindrar andra partiklar från att flyga snabbare än ljusfotoner.
Det är exakt vad som hände med elektroner, som i Cherenkovs experiment slogs ut av högenergigammastrålning från deras platser i molekylerna i den självlysande vätskan. Denna mekanism jämförs ofta med bildandet av en ljudchockvåg när man flyger i atmosfären med supersonisk hastighet. Men det kan också föreställas som att det springer i en folkmassa: rör sig snabbare än ljus, elektroner rusar förbi andra partiklar, som om de vidrör dem med en axel - och för varje centimeter av deras väg, som tvingar dem att ilska avge från flera till flera hundra fotoner.
Snart hittades samma beteende i alla andra ganska rena och transparenta vätskor, och därefter registrerades Cherenkov-strålning till och med djupt i haven. Naturligtvis når fotoner av ljus från ytan inte riktigt här. Men ultrasnabba partiklar som flyger ut från små mängder av sönderfallande radioaktiva partiklar då och då skapar en glöd, kanske åtminstone tillåter lokalbefolkningen att se.
Cherenkov-Vavilov-strålning har hittat tillämpning inom vetenskap, kärnkraftsanläggning och relaterade områden. Kärnkraftsverkets reaktorer, full av snabba partiklar, glöder ljust. Genom att noggrant mäta egenskaperna för denna strålning och känna till fashastigheten i vår arbetsmiljö kan vi förstå vilken typ av partiklar som orsakade den. Astronomer använder också Cherenkov-detektorer, detekterar lätta och energiska kosmiska partiklar: tunga är oerhört svåra att accelerera till önskad hastighet och de skapar inte strålning.
Bubblor och hålor
Status: fantastisk till teoretiskt
Här är en myra som kryper på ett pappersark. Hastigheten är låg och det tar den stackars kollegan 10 sekunder att komma från flygplanets vänstra kant till höger. Men så snart vi är synd på honom och böjer papperet och ansluter dess kanter kommer han omedelbart "teleportera" till önskad punkt. Något liknande kan göras med vår ursprungliga rymdtid, med den enda skillnaden att böjning kräver deltagande av andra, omöjliga av oss dimensioner, bildar tunnlar i rymdtid - de berömda maskhålen eller maskhål.
Förresten, enligt nya teorier, är sådana maskhål ett slags rymd-ekvivalent med det redan bekanta kvantfenomenet med förvirring. I allmänhet motsäger deras existens inte några viktiga begrepp i modern fysik, inklusive den allmänna relativitetsteorin. Men för att upprätthålla en sådan tunnel i universums vävnad kommer något att krävas som har liten likhet med verklig vetenskap - en hypotetisk "exotisk materia" som har en negativ energitäthet. Med andra ord, det måste vara den typ av materia som orsakar tyngdkraft … avstötning. Det är svårt att föreställa sig att en exotisk dag kommer att finnas, än mindre tämd.
En ännu mer exotisk deformation av rymdtiden - rörelsen inuti bubblan i den böjda strukturen i detta kontinuum - kan fungera som ett slags alternativ till maskhål. Idén uttrycktes 1993 av fysikern Miguele Alcubierre, även om den lät mycket tidigare i science fiction-författarnas verk. Det är som ett rymdskepp som rör sig, pressar och krossar rymdtid framför näsan och jämnar ut det igen. Samtidigt förblir själva skeppet och dess besättning i den lokala regionen, där rymdtid behåller sin vanliga geometri och inte upplever några besvär. Detta syns tydligt i den populära bland drömmare i serien "Star Trek", där en sådan "varp-enhet" gör att du kan resa, utan blygsamhet, över hela universum.
Tachyons
Status: fantastisk till teoretiskt
Fotoner är masslösa partiklar, som neutrinoer och några andra: deras massa i vila är noll, och för att inte försvinna helt, tvingas de alltid att röra sig, och alltid - med ljusets hastighet. Vissa teorier tyder dock på att det finns mycket mer exotiska partiklar - takyoner. Deras massa, som visas i vår favoritformel E = mc2, ges inte av en enkel, utan av ett imaginärt tal, inklusive en speciell matematisk komponent, vars kvadrat ger ett negativt tal. Detta är en mycket användbar egenskap, och författarna till vår favoritserie "Star Trek" förklarade arbetet med deras fantastiska motor genom att "bromsa tachyons energi."
I själva verket gör den imaginära massan det otroliga: takyoner måste tappa energi, accelerera, så för dem är allt i livet inte alls detsamma som vi brukade tänka. När de kolliderar med atomer förlorar de energi och accelererar, så att nästa kollision blir ännu starkare, vilket tar ännu mer energi och påskyndar tachyonerna igen till oändligheten. Förståeligtvis bryter en sådan självförälskelse helt enkelt med de grundläggande kausala förhållandena. Det är kanske därför bara teoretiker studerar takyoner hittills: ingen har ännu sett ett enda exempel på förfallet av orsak-och-effekt-förhållanden i naturen, och om du ser, leta efter en takyon, och Nobelpriset garanteras dig.
Men teoretiker visade fortfarande att takyoner kanske inte existerar, men i det avlägsna förflutet kunde de ha existerat, och enligt vissa idéer var det deras oändliga möjligheter som spelade en viktig roll i Big Bang. Närvaron av takyoner förklarar det extremt instabila tillståndet av ett falskt vakuum där universum kunde ha varit före dess födelse. I en sådan bild av världen är takyoner som rör sig snabbare än ljus den verkliga grunden för vår existens, och universums utseende beskrivs som övergången till det falska vakuumets tachyonfält till det sanna inflationsfältet. Det är värt att tillägga att alla dessa är ganska respekterade teorier, trots att de viktigaste kränkarna av Einsteins lagar och till och med orsak-och-effekt-förhållandet visar sig vara grundarna till alla orsaker och effekter i den.
Mörkets hastighet
Status: filosofisk
Filosofiskt sett är mörker helt enkelt frånvaron av ljus, och deras hastigheter borde vara desamma. Men det är värt att tänka mer noggrant: mörkret kan ta sig en form som rör sig mycket snabbare. Namnet på denna form är skugga. Föreställ dig att du pekar fingrarna mot silhuetten av en hund på motsatt vägg. Strålen från ficklampan avviker, och skuggan från din hand blir mycket större än själva handen. Den minsta rörelsen av ett finger räcker för att skuggan från den på väggen rör sig ett märkbart avstånd. Tänk om vi kastar en skugga på månen? Eller till en imaginär skärm ännu längre?..
En knappt märkbar våg - och hon kommer att stöta på med vilken hastighet som bara ges av geometri, så ingen Einstein kan berätta för henne. Det är dock bättre att inte flirta med skuggor, eftersom de lätt bedrar oss. Det är värt att gå tillbaka till början och komma ihåg att mörkret helt enkelt är frånvaron av ljus, därför överförs inget fysiskt objekt under en sådan rörelse. Det finns inga partiklar, ingen information, inga deformationer av rymdtid, det finns bara vår illusion att detta är ett separat fenomen. I den verkliga världen kan inget mörker jämföra i hastighet med ljus.
Sergey Vasiliev