Что есть быстрее скорости света. Как ученые из NASA собираются превысить скорость света в космосе

В современной физике считается, что тело(обладающее массой), воздействие или информация не могут переноситься/перемещаться быстрее скорости света. Предпринимается много попыток доказать, что скорость света может быть превышена, однако, пока, безуспешно. Экспериментально опровергнуть это утверждение не получается, да что там, экспериментально, даже теоретики недалеко продвинулись в своих изысканиях, придумав гипотетические тахионы (частицы, всегда движущиеся быстрее скорости света) и на этом застопорились, передав идею для воплощения писателям-фантастам.

Тем не менее, есть ряд явлений, которые, кажется, что нарушают вышеуказанное ограничение, и демонстрируют сверхсветовые скорости.

Например, иногда, от людей можно услышать такой аргумент, что солнечный зайчик может "перемещаться" по стене быстрее скорости света. Почему-то пример с солнечным зайчиком часто ставит людей в тупик, хотя "движущийся солнечный зайчик" ничем не лучше "движущегося мокрого пятна" за водой из под шланга. "Солнечный зайчик" не перемещается, как некий предмет, и посредством солнечного зайчика нельзя перенести информацию из одной точки в другую, а значит и нет превышения скорости света.

Или так называемые "запутанные кванты", которые будучи разнесенными на любые расстояния, точно "знают" в каком противоположном состоянии находится второй квант. Стоит нам определить состояние одного кванта, как состояние второго окажется прямо противоположным в этот же самый момент. Однако квантовая запутанность также не позволяет передавать какую-либо информацию.

Впрочем, статья не об этом. К сожалению забыл первоисточник, но на свете все-таки есть кое-что, что распространяется со скоростью быстрее скорости света:

"Согласно утверждению философа Лай Тинь Видля, известна только одна вещь, двигающаяся быстрее обычного света. Это монархия. Ход рассуждений Видля примерно таков: в каждый данный момент вы не можете иметь больше одного короля. Наряду с этим традиция требует, чтобы между королями не было промежутков. Следовательно, когда король умирает, престол должен перейти к наследнику мгновенно. Предположительно, рассуждает философ, должны существовать некие элементарные частицы - королионы или, возможно, королевионы, обеспечивающие непрерывность".

Продолжая такую логику, можно найти много примеров подобных "вещей, двигающихся быстрее обычного света", связанных с изменением статуса человека и это, конечно же, шутка. Хотя... чем глубже погружаешься в вопросы физики, тем больше возникает новых вопросов и иногда кажется, что ответы научных мужей ушли не слишком далеко от философских размышлений Лай Тинь Видля.

Такова физика. Именно по этой причине царицей всех наук останется математика. Пятничный анекдот в тему:

Теория относительности завораживает своими парадоксами. Все мы знаем про близнецов, про возможности засунуть длинный самолёт в короткий ящик. Сегодня каждый выпускник школы знает ответы на эти классические загадки, а уж студенты-физики и подавно считают, что тайн в специальной теории относительности для них не осталось.

Всё бы хорошо, если бы не удручающе обстоятельство - невозможность сверхсветовых скоростей. Неужели никак нельзя быстрее?! - думала я в детстве. А может быть можно?! Поэтому приглашаю вас на сеанс, уж и не знаю, чёрной или белой магии имени Альберта Эйнштейна с разоблачением в конце. Впрочем для тех, кому покажется мало, я приготовила ещё и задачку.

UPD: Сутки спустя публикую решение. Много текста формул, графиков в конце.

К Альфе Центавра

Вот мы уже прилично разогнались, пускай до половины скорости света . Зададим казалось несложный вопрос: с какой же скоростью мы будем приближаться к Альфа Центавра в нашей собственной (корабельной) системе отсчёта. Казалось бы всё просто, если мы летим со скоростью в неподвижной системе отсчёта Земли и Альфы Центавра, то и с нашей точки зрения мы приближаемся к цели со скоростью .

Тот, кто уже почувствовал подвох, совершенно прав. Ответ неверен! Тут надо сделать уточнение, под скоростью приближения к Альфа Центавра я называю изменение оставшегося расстояния до неё, делённое на промежуток времени, за который такое изменение произошло. Всё, разумеется, измеряется в нашей системе отсчёта, связанной с космическим кораблём.

Тут надо вспомнить, о лоренцевском сокращении длины. Ведь разогнавшись до половины скорости света мы обнаружим, что масштаб вдоль направления нашего движения сжался. Напомню формулу:

И теперь, если на скорости в половину скорости света мы измерим расстояние от Земли до Альфы Центавра, мы получил не 4 св. года, а всего лишь 3,46 св.года.

Получается, что только благодаря тому факту, что мы разогнались до мы уже уменьшили расстояние до конечной точки путешествия почти 0,54 св.года. А если мы будем не просто двигаться с большой скоростью, но ещё и ускоряться, то у масштабного фактора появится производная по времени, которая по сути тоже есть скорость приближения и плюсуется к .

Таким образом помимо к нашей обычной, я бы сказала классической, скорости добавляется ещё один член - динамическое сокращение длины оставшегося пути, которое возникает тогда и только тогда, когда есть ненулевое ускорение. Ну что же, возьмём карандаш и посчитаем.

А тех, кому лень следить за вычислениями встречаю на другом берегу спойлера

Текущее расстояние до звезды по линейке капитана корабля, - время на часах в кают-компании, - скорость.

Уже здесь мы видим, что первая частная производная - это скорость, просто скорость со знаком минус, коль скоро мы приближаемся к Альфе Центавра. А вот второе слагаемое - тот самый подвох, о котором, подозреваю, не все задумывались.

Чтобы найти производную скорости по времени во втором слагаемом, надо быть аккуратным, т.к. мы находимся в подвижной системе отсчёта. Проще всего на пальцах её вычислить из формулы сложения релятивистских скоростей. Пусть в момент времени мы движемся со скоростью , а через какой-то промежуток времени прирастили нашу скорость на . Результирующая скорость по формуле теории относительности будет

Теперь соберём вместе (2) и (3), причём производную от (3) надо взять при , т.к. мы рассматриваем малые приращения.

Она удивительна! Если первый член - скорость - ограничен скоростью света, то второй член не ограничен ничем! Возьмите побольше и… второе слагаемое с лёгкостью может превысить .

Что-что! - не поверят некоторые.
- Да-да, именно так, - отвечу я. - Оно может быть больше скорости света, больше двух скоростей света, больше 10 скоростей света. Перефразируя Архимеда, могу сказать: «дайте мне подходящую , и я обеспечу вам сколь угодно большую скорость.»

Что ж а давайте подставим числа, с числами всегда интереснее. Как мы помним, капитан установил ускорение , а скорость уже достигла . Тогда обнаружим, что при светового года, наша скорость приближения сравняется со скоростью света. Если же мы подставим световых года, то

Прописью: «три целых, три десятых скорости света».

Продолжаем удивляться

Вот я села в машину и нажала на газ. У меня есть скорость и ускорение. И в этот самый момент я могу гарантировать, что где-то примерно сотне-другой миллионов световых лет впереди меня есть объекты, приближающиеся сейчас ко мне быстрее света. Для простоты я ещё не брала в расчёт скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца, и Солнца вокруг центра Галактики. С их учётом объекты со сверхсветовой скоростью приближения окажутся уже совсем поблизости - не на космологических масштабах, а где-то на периферии нашей Галактики.

Получается, что невольно даже при минимальных ускорениях, например встав со стула, мы участвуем в сверхсветовом движении.

Удивляемся ещё

Несложно понять и другой удивительный эффект. Ведь стоит изменить направление ускорения, как второе слагаемое в (5) тут же поменяет знак. Т.е. скорость приближения может запросто стать нулевой, а то и отрицательной. Хотя обычная скоростью у нас по прежнему будет направлена к Альфе Центавра.

Разоблачение

В неинерциальной системе отсчёта Эйнштейн нам ничего не гарантирует. Такие дела!

Тоже самое, чуть более подробно и чуть более сложно

В формуле (5) содержится расстояние . Когда оно равно нулю, т.е. когда мы пытаемся определить скорость локально относительно близких объектов, останется только первое слагаемое , которое, разумеется, не превышает световую скорость. Никаких проблем. И лишь на больших расстояниях, т.е. не локально, мы можем получить сверхсветовые скорости.

Надо сказать, что вообще говоря, относительная скорость удалённых друг от друга объектов - понятие плохо определённое. Наше плоское пространство-время в ускоренной системе отсчёта выглядит искривлённым. Это знаменитый «лифт Эйнштейна» эквивалентный гравитационному полю. А сравнивать две векторные величины в искривлённом пространстве корректно, только когда они находятся в одной точке (в одном касательном пространстве из соответствующего векторного расслоения).

Кстати о нашем парадоксе сверхсветовой скорости можно рассуждать и по-другому, я бы сказала интегрально. Ведь релятивистское путешествия к Альфе Центавра займёт по собственным часам космонавта гораздо меньше 4 лет, поэтому поделив изначальное расстояние на затраченное собственное время, мы получим эффективную скорость больше скорости света. По сути это тот же парадокс близнецов. Кому удобно, может именно так и понимать сверхсветовое перемещение.

Вот и весь фокус. Ваша Капитанша Очевидность.

Задачка

Каково расстояние между кораблями в системе отсчёта корабля землян в момент старта, когда они находились у Земли и Альфы Центавра соответственно? Напишите ответ в комментариях.

UPD: Решение

Договоримся, что часы на Альфе, Земле, ракете и тарелке синхронизованы (это было сделано заранее), и старт по всем четырём часам состоялся в 12:00.

Рассмотрим пространство время графически в покоящихся координатах . Земля находится в нуле, Альфа на расстоянии по оси . Мировая линия Альфы Центавра, очевидно, просто идёт вертикально вверх. Мировая линия тарелки идёт с наклоном влево, т.к. она вылетела из точки в направлении Земли.

Теперь на этом графике пририсуем оси координат системы отсчёта ракеты, стартовавшей с Земли. Как известно, такое преобразование системы координат (СК) называется бустом. При этом оси наклоняются симметрично относительно диагональной линии, которая показывает световой луч.

Я думаю, в этот момент вам уже всё стало понятно. Смотрите, ось пересекает мировые линии Альфы и летающей тарелки в разных точках. Что же произошло?

Удивительная вещь. Перед стартом с точки зрения ракеты и тарелка и Альфа находились в одной точке, а после набора скорости выясняется, что в движущеёся СК старт ракеты и тарелки не был одновременен. Тарелка, вдруг оказывается, стартовала раньше и успела немного приблизиться к нам. Поэтому сейчас в 12:00:01 по часам ракеты до тарелки уже ближе, чем до Альфы.

А если ракета разгонится ещё, она «перепрыгнет» в следующую СК, где тарелка ещё ближе. Причём такое приближение тарелки происходит только за счёт ускорения и динамического сжатия продольного масштаба (о чём собственно весь мой пост), а не продвижения ракеты в пространстве, т.к. ракета ещё по сути ничего и не успела пролететь. Это приближение тарелки, как раз и есть второй член в формуле (5).

Ну и кроме всего прочего надо учесть обычное лоренцевское сокращение расстояния. Сразу сообщу ответ, что при скоростях ракеты и тарелки по каждая расстояние

• между ракетой и Альфой: 3,46 св. года (обычное лоренцевское сокращение)
• между ракетой и тарелкой: 2,76 св. года

Кому интересно, давайте поколдуем с формулами в четырёхмерном пространстве

Такого рода задачи удобно решать с помощью четырёхмерных векторов. Бояться их не надо, всё делается при помощи самых обычных действий линейной алгебры. Тем более мы движемся только вдоль одной оси, поэтому от четырёх координат остаётся только две: и .

Далее договоримся о простых обозначениях. Скорость света считаем равной единице. Мы, физики, всегда так делаем. :) Ещё обычно единицей считаем постоянную Планка и гравитационную постоянную. Сути это не меняет, зато чертовски облегчает писанину.

Итак повсеместно присутствующий «релятивистский корень» обозначим гамма-фактором для компактности записей, где - скорость земной ракеты:

Теперь запишем в компонентах вектор :

Верхняя компонента - время, нижняя - пространственная координата. Корабли стартуют одновременно в неподвижной системе, поэтому верхняя составляющая вектора равна нулю.

Теперь найдём координаты точки в подвижной системе координат , т.е. . Для этого используем преобразование к движущейся системе отсчёта. Оно называется бустом и делается очень просто. Любой вектор надо умножить на матрицу буста

Умножаем:

Как мы видим, временная компонента этого вектора отрицательна. Это и значит, что точка с точки зрения движущеёся ракеты находится под осью , т.е. в прошлом (что и видно на рисунке выше).

Найдём вектор в неподвижной системе. Временная компонента - некоторый неизвестный пока промежуток времени , пространственная - расстояние, на которое приближается тарелка за время , двигаясь со скоростью :

Теперь тот же самый вектор в системе

Найдём обычную векторную сумму

Почему эту сумму я приравняла справа к таком вектору? По определению точка находится на оси , поэтому временная компонента должна быть равна нулю, а пространственная компонента - это и будет то самое искомое расстояние от ракеты до тарелки. Отсюда получаем систему двух простых уравнений - приравниваем временные компоненты отдельно, пространственные отдельно.

Из первого уравнения определяем неизвестный параметр , подставляем его во второе уравнение и получаем . Позвольте опустить простые вычисления и сразу записать

Подставив , , получаем

Со школьной скамьи нас учили - превысить скорость света невозможно, и поэтому перемещение человека в космическом пространстве является большой неразрешимой проблемой (как долететь до ближайшей солнечной системы, если свет сможет преодолеть это расстояние только за несколько тысяч лет?). Возможно, американские ученые нашли способ летать на сверхскоростях, не только не обманув, но и следуя фундаментальным законам Альберта Эйнштейна. Во всяком случае так утверждает автор проекта двигателя деформации пространства Гарольд Уайт.

Мы в редакции сочли новость совершенно фантастической, поэтому сегодня, в преддверии Дня космонавтики, публикуем репортаж Константина Какаеса для журнала Popular Science о феноменальном проекте NASA, в случае успеха которого человек сможет отправиться за пределы Солнечной системы.

В сентябре 2012 года несколько сотен ученых, инженеров и космических энтузиастов собрались вместе для второй публичной встречи группы под названием 100 Year Starship. Группой руководит бывший астронавт Май Джемисон, и основана она DARPA. Цель конференции - «сделать возможным путешествие человека за пределы Солнечной системы к другим звездам в течение ближайших ста лет». Большинство участников конференции признают, что подвижки в пилотируемом изучении космического пространства слишком незначительны. Несмотря на миллиарды долларов, затраченных в последние несколько кварталов, космические агентства могут почти столько же, сколько могли в 1960-х. Собственно, 100 Year Starship созвана, чтобы все это исправить.

Но ближе к делу. Спустя несколько дней конференции ее участники дошли до самых фантастических тем: регенерация органов, проблема организованной религии на борту корабля и так далее. Одна из наиболее любопытных презентаций на собрании 100 Year Starship называлась «Механика деформационного поля 102», и провел ее Гарольд «Сонни» Уайт из NASA. Ветеран агентства, Уайт руководит продвинутой импульсной программой в космическом центре Джонсона (JSC). Вместе с пятью коллегами он создал «Дорожную карту космических двигательных систем», которая озвучивает цели NASA в ближайших космических путешествиях. На плане перечисляются все виды двигательных проектов: от усовершенствованных химических ракет до далеко идущих разработок, вроде антиматерии или ядерных машин. Но область исследований Уайта самая футуристичная из всех: она касается двигателя деформации пространства.

Понятно, что звучит это все совершенно фантастически: подобные разработки - это настоящая революция, которая развяжет руки всем астрофизикам мира. Вместо того, чтобы тратить 75 тысяч лет на путешествие к Альфа-Центавре, ближайшей к нашей звездной системе, астронавты на корабле с таким двигателем смогут совершить это путешествие за пару недель.

В свете закрытия программы запуска шаттлов и все возрастающей роли частных полетов к околоземной орбите NASA заявляет, что переориентируется на далекоидущие, намного более смелые планы, выходящие далеко за рамки путешествий на Луну. Достичь этих целей можно только с помощью развития новых двигательных систем - чем быстрее, тем лучше. Несколько дней спустя после конференции глава NASA Чарльз Болден, повторил слова Уайта: «Мы хотим перемещаться быстрее скорости света и без остановок на Марсе».

ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ ПРО ЭТОТ ДВИГАТЕЛЬ

Первое популярное использование выражения «двигатель деформации пространства» датируется 1966 годом, когда Джен Родденберри выпустил «Звездный путь». Следующие 30 лет этот двигатель существовал только как часть этого фантастического сериала. Физик по имени Мигель Алькубьерре посмотрел один из эпизодов этого сериала как раз в тот момент, когда трудился над докторской в области общей теории относительности и задавался вопросом, возможно ли создание двигателя деформации пространства в реальности. В 1994 году он опубликовал документ, излагающий эту позицию.

Алькубьерре представил в космосе пузырь. В передней части пузыря время-пространство сокращается, а в задней - расширяется (как было при Большом взрыве, по мнению физиков). Деформация заставит корабль гладко скользить в космическом пространстве, как если бы он серфил на волне, несмотря на окружающий шум. В принципе деформированный пузырь может двигаться сколько угодно быстро; ограничения в скорости света, по теории Эйнштейна, распространяются только в контексте пространства-времени, но не в таких искажениях пространства-времени. Внутри пузыря, как предполагал Алькубьерре, пространство-время не изменится, а космическим путешественникам не будет нанесено никакого вреда.

Уравнения Эйнштейна в общей теории относительности сложно решить в одном направлении, выясняя, как материя искривляет пространство, но это осуществимо. Используя их, Алькубьерре определил, что распределение материи есть необходимое условие для создания деформированного пузыря. Проблема только в том, что решения приводили к неопределенной форме материи под названием отрицательная энергия.

Говоря простым языком, гравитация - это сила притяжения между двумя объектами. Каждый объект вне зависимости от его размеров оказывает некоторую силу притяжения на окружающую материю. По мнению Эйнштейна, эта сила является искривлением пространства-времени. Отрицательная энергия, однако, гравитационно отрицательна, то есть отталкивающа. Вместо того чтобы соединять время и пространство, отрицательная энергия отталкивает и разобщает их. Грубо говоря, чтобы такая модель работала, Алькубьерре необходима отрицательная энергия, чтобы расширять пространство-время позади корабля.

Несмотря на то, что никто и никогда особенно не измерял отрицательную энергию, согласно квантовой механике, она существует, а ученые научились создавать ее в лабораторных условиях. Один из способов ее воссоздания - через Казимиров эффект: две параллельно проводящие пластины, расположенные близко друг к другу, создают некоторое количество отрицательной энергии. Слабое место модели Алькубьерре в том, что для ее осуществления требуется огромное количество отрицательной энергии, на несколько порядков выше, чем, по оценкам ученых, ее можно произвести.

Уайт говорит, что он нашел, как пойти в обход этого ограничения. В компьютерном симуляторе Уайт изменил геометрию деформационного поля так, что в теории он мог бы производить деформированный пузырь, используя в миллионы раз меньше отрицательной энергии, чем требовалось по оценкам Алькубьерра, и, возможно, достаточно мало, чтобы космический корабль мог нести средства его производства. «Открытия, - говорит Уайт, - меняют метод Алькубьерре с непрактичного на вполне правдоподобный».

РЕПОРТАЖ ИЗ ЛАБОРАТОРИИ УАЙТА

Космический центр Джонсона расположился рядом с лагунами Хьюстона, откуда открывается путь к заливу Гальвестон. Центр немного напоминает пригородный кампус колледжа, только направленный на подготовку астронавтов. В день моего посещения Уайт встречает меня в здании 15, многоэтажном лабиринте коридоров, офисов и лабораторий, в которых проводятся испытания двигателя. На Уайте рубашка поло с эмблемой Eagleworks (так он называет свои эксперименты по созданию двигателя), на которой вышит орел, парящий над футуристическим космическим кораблем.

Уайт начинал свою карьеру с работы инженером - проводил исследования в составе роботической группы. Со временем он взял на себя командование всем крылом, занимающимся роботами на МКС, одновременно заканчивая писать докторскую в области физики плазмы. Только в 2009-м он сменил свои интересы на изучение движения, и эта тема захватила его настолько, что стала основной причиной, по которой он отправился работать на NASA.

«Он довольно необычный человек, - говорит его босс Джон Эпплуайт, возглавляющий отделение двигательных систем. - Он совершенно точно большой фантазер, но одновременно и талантливый инженер. Он умеет превращать свои фантазии в реальный инженерный продукт». Примерно в то же время, когда он присоединился к NASA, Уайт попросил разрешения открыть собственную лабораторию, посвященную продвинутым двигательным системам. Он сам и придумал название Eagleworks и даже попросил NASA создать логотип для его специализации. Тогда и началась эта работа.

Уайт ведет меня к своему офису, который делит с коллегой, занимающимся поисками воды на Луне, а после ведет вниз к Eagleworks. На ходу он рассказывает мне про свою просьбу открыть лабораторию и называет это «долгим трудным процессом поиска продвинутого движения, чтобы помочь человеку исследовать космос».

Уайт демонстрирует мне объект и показывает его центральную функцию - нечто, что он называет «квантовый вакуумный плазменный двигатель» (QVPT). Это приспособление внешне похоже на огромный красный бархатный пончик с проводами, плотно оплетающими сердцевину. Это одна из двух инициатив Eagleworks (вторая - деформационный двигатель). Еще это секретная разработка. Когда я спрашиваю, что это, Уайт отвечает, что может сказать только, что эта технология даже круче, чем деформационный двигатель). Согласно отчету NASA за 2011 год, написанному Уайтом, аппарат использует квантовые флуктации в пустом пространстве в качестве источника топлива, а значит, космический корабль, приводимый в движение QVPT, не требует топлива.

Двигатель использует квантовые флуктации в пустом пространстве в качестве источника топлива,
а значит, космический корабль,
приводимый в движение QVPT, не требует топлива.

Когда девайс работает, система Уайта выглядит кинематографически идеально: цвет лазера красный, и два луча скрещены, как сабли. Внутри кольца находятся четыре керамических конденсатора, сделанных из титаната бария, который Уайт заряжает до 23 тысяч вольт. Уайт провел последние два с половиной года, разрабатывая эксперимент, и он говорит, что конденсаторы демонстрируют огромную потенциальную энергию. Однако, когда я спрашиваю, как создать отрицательную энергию, необходимую для деформированного пространства-времени, он уклоняется от ответа. Он объясняет, что подписал соглашение о неразглашении, и потому не может раскрывать подробности. Я спрашиваю, с кем он заключал эти соглашения. Он говорит: «С людьми. Они приходят и хотят поговорить. Больше подробностей я вам сообщить не могу».

ПРОТИВНИКИ ИДЕИ ДВИГАТЕЛЯ

Пока что теория деформированного путешествия довольно интуитивна - деформация времени и пространства, чтобы создать движущийся пузырь, - и в ней есть несколько значительных недостатков. Даже если Уайт значительно уменьшит количество отрицательной энергии, запрашиваемой Алькубьерре, ее все равно потребуется больше, чем способны произвести ученые, заявляет Лоуренс Форд, физик-теоретик в университете Тафтс, за последние 30 лет написавший множество статей на тему отрицательной энергии. Форд и другие физики заявляют, что есть фундаментальные физические ограничения, причем дело не столько в инженерных несовершенствах, сколько в том, что такое количество отрицательной энергии не может существовать в одном месте длительное время.

Другая сложность: для создания деформационного шара, который двигается быстрее света, ученым потребуется произвести отрицательную энергию вокруг космического корабля и в том числе над ним. Уайт не считает, что это проблема; он весьма туманно отвечает, что двигатель, скорее всего, будет работать благодаря некоему имеющемуся «аппарату, который создает необходимые условия». Однако создание этих условий перед кораблем будет означать обеспечение постоянной поставки отрицательной энергии, перемещаемой быстрей скорости света, что снова противоречит общей теории относительности.

Наконец, двигатель деформации пространства ставит концептуальный вопрос. В общей теории относительности путешествие на сверхсветовой скорости эквивалентно путешествию во времени. Если такой двигатель реален, Уайт создает машину времени.

Эти препятствия рождают некоторые серьезные сомнения. «Не думаю, что известная нам физика и ее законы позволяют допустить, что он чего-то добьется своими экспериментами», - говорит Кен Олум, физик из университета Тафтс, который также участвовал в дебатах насчет экзотического движения на собрании «100-летия звездного корабля». Ноа Грэхам, физик из колледжа Миддлбёри, читавший две работы Уайта по моей просьбе, написал мне e-mail: «Не вижу ценных научных доказательств, помимо отсылок к его предыдущим работам».

Алькубьерре, ныне физик в Национальном автономном университете Мексики, и сам высказывает сомнение. «Даже если я стою на космическом корабле и у меня есть в наличии отрицательная энергия, мне ни за что не поместить ее туда, куда требуется, - говорит он мне по телефону из своего дома в Мехико. - Нет, идея-то волшебная, мне нравится, я же ее сам и написал. Но в ней есть пара серьезных недостатков, которые я уже сейчас, с годами, вижу, и я не знаю ни единого способа их исправить».

БУДУЩЕЕ СВЕРХСКОРОСТЕЙ

Слева от главных ворот Джонсонского научного центра лежит на боку ракета «Сатурн-В», ее ступени разъединены для демонстрации внутреннего содержимого. Он гигантский - размер одного из множества двигателей равен размеру маленького автомобиля, а сама ракета на пару футов длиннее, чем футбольное поле. Это, конечно, вполне красноречивое свидетельство особенностей космического плавания. Кроме того, ей 40 лет, и время, которое она представляет - когда NASA было частью огромного национального плана по отправлению человека не Луну, - давно прошло. Сегодня JSC - это просто место, которое когда-то было великим, но с тех пор покинуло космический авангард.

Прорыв в движении может означать новую эру для JSC и NASA, и в какой-то степени часть этой эры начинается уже сейчас. Зонд Dawn («Рассвет»), запущенный в 2007-м, изучает кольцо астероидов при помощи ионных двигателей. В 2010-м японцы ввели в эксплуатацию «Икар», первый межпланетный звездный корабль, приводимый в движение солнечным парусом, еще один вид экспериментального движения. И в 2016-м ученые планируют испытать VASMIR, систему, работающую на плазме, сделанную специально для высокой двигательной тяги в ISS. Но когда эти системы, возможно, доставят астронавтов на Марс, они все еще не будут способны забросить их за пределы Солнечной системы. Чтобы добиться этого, по словам Уайта, NASA потребуется пойти на более рискованные проекты.

Деформационный двигатель - возможно, самое притянутое за уши из насовских усилий по созданию проектов движения. Научное сообщество заявляет, что Уайт не может создать его. Эксперты заявляют, что он работает против законов природы и физики. Несмотря на это, за проектом стоит NASA. «Его субсидируют не на том высоком государственном уровне, на котором должны были бы, - говорит Апплуайт. - Я думаю, что у дирекции есть какой-то особенный интерес в том, чтобы он продолжал свою работу; это одна из тех теоретических концепций, в случае успехов которых игра меняется полностью».

В январе Уайт собрал свой деформационный интерферометр и двинулся к следующей цели. Eagleworks перерос собственный дом. Новая лаборатория больше и, как он заявляет с энтузиазмом, «сейсмически изолирована», имея в виду, что он защищен от колебаний. Но, возможно, лучшее в новой лаборатории (и самое впечатляющее) - то, что NASA создало Уайту такие же условия, что были у Нила Армстронга и Базза Олдрина на Луне. Что ж, посмотрим.

Верхний предел скорости известен даже школьникам: связав массу и энергию знаменитой формулой E = mc 2 , еще в начале ХХ века указал на принципиальную невозможность ничему, обладающему массой, перемещаться в пространстве быстрее, чем скорость света в вакууме. Однако уже в этой формулировке содержатся лазейки, обойти которые вполне по силам некоторым физическим явлениям и частицам. По крайней мере, явлениям, существующим в теории.

Первая лазейка касается слова «масса»: на безмассовые частицы эйнштейновские ограничения не распространяются. Не касаются они и некоторых достаточно плотных сред, в которых скорость света может быть существенно меньше, чем в вакууме. Наконец, при приложении достаточной энергии само пространство может локально деформироваться, позволяя перемещаться так, что для наблюдателя со стороны, вне этой деформации, движение будет происходить словно быстрее скорости света.

Некоторые такие «сверхскоростные» явления и частицы физики регулярно фиксируют и воспроизводят в лабораториях, даже применяют на практике, в высокотехнологичных инструментах и приборах. Другие, предсказанные теоретически, ученые еще пытаются обнаружить в реальности, а на третьи у них большие планы: возможно, когда-нибудь эти явления позволят и нам перемещаться по Вселенной свободно, не ограничиваясь даже скоростью света.

Квантовая телепортация

Статус: активно развивается

Живого существа – хороший пример технологии, теоретически допустимой, но практически, видимо, неосуществимой никогда. Но если речь идет о телепортации, то есть мгновенном перемещении из одного места в другое небольших предметов, а тем более частиц, она вполне возможна. Чтобы упростить задачу, начнем с простого – частиц.

Кажется, нам понадобятся аппараты, которые (1) полностью пронаблюдают состояние частицы, (2) передадут это состояние быстрее скорости света, (3) восстановят оригинал.

Однако в такой схеме даже первый шаг полностью реализовать невозможно. Принцип неопределенности Гейзенберга накладывает непреодолимые ограничения на точность, с которой могут быть измерены «парные» параметры частицы. Например, чем лучше мы знаем ее импульс, тем хуже – координату, и наоборот. Однако важной особенностью квантовой телепортации является то, что, собственно, измерять частицы и не надо, как не надо ничего и восстанавливать – достаточно получить пару спутанных частиц.

Например, для приготовления таких спутанных фотонов нам понадобится осветить нелинейный кристалл лазерным излучением определенной волны. Тогда некоторые из входящих фотонов распадутся на два спутанных – необъяснимым образом связанных, так что любое изменение состояния одного моментально сказывается на состоянии другого. Эта связь действительно необъяснима: механизмы квантовой спутанности остаются неизвестны, хотя само явление демонстрировалось и демонстрируется постоянно. Но это такое явление, запутаться в котором в самом деле легко – достаточно добавить, что до измерения ни одна из этих частиц не имеет нужной характеристики, при этом какой бы результат мы ни получили, измерив первую, состояние второй странным образом будет коррелировать с нашим результатом.

Механизм квантовой телепортации, предложенный в 1993 году Чарльзом Беннеттом и Жилем Брассардом, требует добавить к паре запутанных частиц всего одного дополнительного участника – собственно, того, кого мы собираемся телепортировать. Отправителей и получателей принято называть Алисой и Бобом, и мы последуем этой традиции, вручив каждому из них по одному из спутанных фотонов. Как только они разойдутся на приличное расстояние и Алиса решит начать телепортацию, она берет нужный фотон и измеряет его состояние совместно с состоянием первого из спутанных фотонов. Неопределенная волновая функция этого фотона коллапсирует и моментально отзывается во втором спутанном фотоне Боба.

К сожалению, Боб не знает, как именно его фотон реагирует на поведение фотона Алисы: чтобы понять это, ему надо дождаться, пока она пришлет результаты своих измерений обычной почтой, не быстрее скорости света. Поэтому никакую информацию передать по такому каналу не получится, но факт останется фактом. Мы телепортировали состояние одного фотона. Чтобы перейти к человеку, остается масштабировать технологию, охватив каждую частицу из всего лишь 7000 триллионов триллионов атомов нашего тела, – думается, от этого прорыва нас отделяет не более, чем вечность.

Однако квантовая телепортация и спутанность остаются одними из самых «горячих» тем современной физики. Прежде всего потому, что использование таких каналов связи обещает невзламываемую защиту передаваемых данных: чтобы получить доступ к ним, злоумышленникам понадобится завладеть не только письмом от Алисы к Бобу, но и доступом к спутанной частице Боба, и даже если им удастся до нее добраться и проделать измерения, это навсегда изменит состояние фотона и будет сразу же раскрыто.

Эффект Вавилова – Черенкова

Статус: давно используется

Этот аспект путешествий быстрее скорости света – приятный повод вспомнить заслуги российских ученых. Явление было открыто в 1934 году Павлом Черенковым, работавшим под руководством Сергея Вавилова, три года спустя оно получило теоретическое обоснование в работах Игоря Тамма и Ильи Франка, а в 1958 г. все участники этих работ, кроме уже скончавшегося Вавилова, были награждены Нобелевской премией по физике.

В самом деле, говорит лишь о скорости света в вакууме. В других прозрачных средах свет замедляется, причем довольно заметно, в результате чего на их границе с воздухом можно наблюдать преломление. Коэффициент преломления стекла равен 1,49 – значит, фазовая скорость света в нем в 1,49 раза меньше, а, например, у алмаза коэффициент преломления уже 2,42, и скорость света в нем снижается более чем в два раза. Другим частицам ничто не мешает лететь и быстрее световых фотонов.

Именно это произошло с электронами, которые в экспериментах Черенкова были выбиты высокоэнергетическим гамма-излучением со своих мест в молекулах люминесцентной жидкости. Этот механизм часто сравнивают с образованием ударной звуковой волны при полете в атмосфере на сверхзвуковой скорости. Но можно представить и как бег в толпе: двигаясь быстрее света, электроны проносятся мимо других частиц, словно задевая их плечом – и на каждый сантиметр своего пути заставляя сердито излучать от нескольких до нескольких сотен фотонов.

Вскоре такое же поведение было обнаружено и у всех других достаточно чистых и прозрачных жидкостей, а впоследствии излучение Черенкова зарегистрировали даже глубоко в океанах. Конечно, фотоны света с поверхности сюда действительно не долетают. Зато сверхбыстрые частицы, которые вылетают от небольших количеств распадающихся радиоактивных частиц, время от времени создают свечение, возможно, худо-бедно позволяющее видеть местным жителям.

Излучение Черенкова – Вавилова нашло применение в науке, ядерной энергетике и смежных областях. Ярко светятся реакторы АЭС, битком набитые быстрыми частицами. Точно измеряя характеристики этого излучения и зная фазовую скорость в нашей рабочей среде, мы можем понять, что за частицы его вызвали. Черенковскими детекторами пользуются и астрономы, обнаруживая легкие и энергичные космические частицы: тяжелые невероятно трудно разогнать до нужной скорости, и излучения они не создают.

Пузыри и норы

Вот муравей ползет по листу бумаги. Скорость его невелика, и на то, чтобы добраться от левого края плоскости до правого, у бедняги уходит секунд 10. Но стоит нам сжалиться над ним и согнуть бумагу, соединив ее края, как он моментально «телепортируется» в нужную точку. Нечто подобное можно проделать и с нашим родным пространством-временем, с той лишь разницей, что изгиб требует участия других, невоспринимаемых нами измерений, образуя туннели пространства-времени, – знаменитые червоточины, или кротовые норы.

Кстати, согласно новым теориям, такие кротовые норы – это некий пространственно-временной эквивалент уже знакомого нам квантового феномена запутанности. Вообще, их существование не противоречит никаким важным представлениям современной физики, включая . Но вот для поддержания такого туннеля в ткани Вселенной потребуется нечто, мало похожее на настоящую науку, – гипотетическая «экзотическая материя», которая обладает отрицательной плотностью энергии. Иначе говоря, это должна быть такая материя, которая вызывает гравитационное... отталкивание. Трудно представить, что когда-нибудь эта экзотика будет найдена, а тем более приручена.

Своеобразной альтернативой кротовым норам может служить еще более экзотическая деформация пространства-времени – движение внутри пузыря искривленной структуры этого континуума. Идею высказал в 1993 году физик Мигеле Алькубьерре, хотя в произведениях фантастов она звучала намного раньше. Это как космический корабль, который движется, сжимая и сминая пространство-время перед своим носом и снова разглаживая его позади. Сам корабль и его экипаж при этом остаются в локальной области, где пространство-время сохраняет обычную геометрию, и никаких неудобств не испытывают. Это прекрасно видно по популярному в среде мечтателей сериалу «Звездный путь», где такой «варп-двигатель» позволяет путешествовать, не скромничая, по всей Вселенной.

Статус: от фантастического до теоретического

Фотоны – частицы безмассовые, как и и некоторые другие: их масса в покое равна нулю, и чтобы не исчезнуть окончательно, они вынуждены всегда двигаться, и всегда – со скоростью света. Однако некоторые теории предполагают существование и куда более экзотических частиц – тахионов. Масса их, фигурирующая в нашей любимой формуле E = mc 2 , задается не простым, а мнимым числом, включающим особый математический компонент, квадрат которого дает отрицательное число. Это очень полезное свойство, и сценаристы любимого нами сериала «Звездный путь» объясняли работу своего фантастического двигателя именно «обузданием энергии тахионов».

В самом деле, мнимая масса делает невероятное: тахионы должны терять энергию, ускоряясь, поэтому для них все в жизни обстоит совсем не так, как мы привыкли думать. Сталкиваясь с атомами, они теряют энергию и ускоряются, так что следующее столкновение будет еще более сильным, которое отнимет еще больше энергии и снова ускорит тахионы вплоть до бесконечности. Понятно, что такое самоувлечение просто нарушает базовые причинно-следственные зависимости. Возможно, поэтому изучают тахионы пока лишь теоретики: ни единого примера распада причинно-следственных связей в природе пока никто не видел, а если вы увидите, ищите тахион, и Нобелевская премия вам обеспечена.

Однако теоретики все же показали, что тахионы, может, и не существуют, но в далеком прошлом вполне могли существовать, и, по некоторым представлениям, именно их бесконечные возможности сыграли важную роль в Большом взрыве. Присутствием тахионов объясняют крайне нестабильное состояние ложного вакуума, в котором могла находиться Вселенная до своего рождения. В такой картине мира движущиеся быстрее света тахионы – настоящая основа нашего существования, а появление Вселенной описывается как переход тахионного поля ложного вакуума в инфляционное поле истинного. Стоит добавить, что все это вполне уважаемые теории, несмотря на то, что главные нарушители законов Эйнштейна и даже причинно-следственной связи оказываются в ней родоначальниками всех причин и следствий.

Скорость тьмы

Статус: философический

Если рассуждать философски, тьма – это просто отсутствие света, и скорости у них должны быть одинаковые. Но стоит подумать тщательнее: тьма способна принимать форму, перемещающуюся куда быстрее. Имя этой формы – тень. Представьте, что вы показываете пальцами силуэт собаки на противоположной стене. Луч от фонаря расходится, и тень от вашей руки становится намного больше самой руки. Достаточно малейшего движения пальца, чтобы тень от него на стене сместилась на заметное расстояние. А если мы будем отбрасывать тень на Луну? Или на воображаемый экран еще дальше?..

Едва заметное мановение – и она перебежит с любой скоростью, которая задается лишь геометрией, так что никакой Эйнштейн ей не указ. Впрочем, с тенями лучше не заигрываться, ведь они легко обманывают нас. Стоит вернуться в начало и вспомнить, что тьма – это просто отсутствие света, поэтому никакой физический объект при таком движении не передается. Нет ни частиц, ни информации, ни деформаций пространства-времени, есть только наша иллюзия того, что это отдельное явление. В реальном же мире никакая тьма не сможет сравниться в скорости со светом.

March 25th, 2017

Путешествие на сверхсветовой скорости — одна из основ космической научной фантастики. Однако наверное, всем - даже людям, далеким от физики, - известно, что предельно возможной скоростью движения материальных объектов или распространения любых сигналов является скорость света в вакууме. Она обозначается буквой с и составляет почти 300 тысяч километров в секунду; точная величина с = 299 792 458 м/с.

Скорость света в вакууме - одна из фундаментальных физических констант. Невозможность достижения скоростей, превышающих с, вытекает из специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. Если бы удалось доказать, что возможна передача сигналов со сверхсветовой скоростью, теория относительности пала бы. Пока что этого не случилось, несмотря на многочисленные попытки опровергнуть запрет на существование скоростей, больших с. Однако в экспериментальных исследованиях последнего времени обнаружились некоторые весьма интересные явления, свидетельствующие о том, что при специально созданных условиях можно наблюдать сверхсветовые скорости и при этом принципы теории относительности не нарушаются.

Для начала напомним основные аспекты, относящиеся к проблеме скорости света.

Прежде всего: почему нельзя (при обычных условиях) превысить световой предел? Потому, что тогда нарушается фундаментальный закон нашего мира - закон причинности, в соответствии с которым следствие не может опережать причину. Никто никогда не наблюдал, чтобы, например, сначала замертво упал медведь, а потом выстрелил охотник. При скоростях же, превышающих с, последовательность событий становится обратной, лента времени отматывается назад. В этом легко убедиться из следующего простого рассуждения.

Предположим, что мы находимся на неком космическом чудо-корабле, движущемся быстрее света. Тогда мы постепенно догоняли бы свет, испущенный источником во все более и более ранние моменты времени. Сначала мы догнали бы фотоны, испущенные, скажем, вчера, затем - испущенные позавчера, потом - неделю, месяц, год назад и так далее. Если бы источником света было зеркало, отражающее жизнь, то мы сначала увидели бы события вчерашнего дня, затем позавчерашнего и так далее. Мы могли бы увидеть, скажем, старика, который постепенно превращается в человека средних лет, затем в молодого, в юношу, в ребенка... То есть время повернуло бы вспять, мы двигались бы из настоящего в прошлое. Причины и следствия при этом поменялись бы местами.

Хотя в этом рассуждении полностью игнорируются технические детали процесса наблюдения за светом, с принципиальной точки зрения оно наглядно демонстрирует, что движение со сверхсветовой скоростью приводит к невозможной в нашем мире ситуации. Однако природа поставила еще более жесткие условия: недостижимо движение не только со сверхсветовой скоростью, но и со скоростью, равной скорости света, - к ней можно только приближаться. Из теории относительности следует, что при увеличении скорости движения возникают три обстоятельства: возрастает масса движущегося объекта, уменьшается его размер в направлении движения и замедляется течение времени на этом объекте (с точки зрения внешнего "покоящегося" наблюдателя). При обычных скоростях эти изменения ничтожно малы, но по мере приближения к скорости света они становятся все ощутимее, а в пределе - при скорости, равной с, - масса становится бесконечно большой, объект полностью теряет размер в направлении движения и время на нем останавливается. Поэтому никакое материальное тело не может достичь скорости света. Такой скоростью обладает только сам свет! (А также "всепроникающая" частица - нейтрино, которая, как и фотон, не может двигаться со скоростью, меньшей с.)

Теперь о скорости передачи сигнала. Здесь уместно воспользоваться представлением света в виде электромагнитных волн. Что такое сигнал? Это некая информация, подлежащая передаче. Идеальная электромагнитная волна - это бесконечная синусоида строго одной частоты, и она не может нести никакой информации, ибо каждый период такой синусоиды в точности повторяет предыдущий. Cкорость перемещения фазы cинусоидальной волны - так называемая фазовая скорость - может в среде при определенных условиях превышать скорость света в вакууме. Здесь ограничения отсутствуют, так как фазовая скорость не является скоростью сигнала - его еще нет. Чтобы создать сигнал, надо сделать какую-то "отметку" на волне. Такой отметкой может быть, например, изменение любого из параметров волны - амплитуды, частоты или начальной фазы. Но как только отметка сделана, волна теряет синусоидальность. Она становится модулированной, состоящей из набора простых синусоидальных волн с различными амплитудами, частотами и начальными фазами - группы волн. Скорость перемещения отметки в модулированной волне и является скоростью сигнала. При распространении в среде эта скорость обычно совпадает с групповой скоростью, характеризующей распространение вышеупомянутой группы волн как целого (см. "Наука и жизнь" № 2, 2000 г.). При обычных условиях групповая скорость, а следовательно, и скорость сигнала меньше скорости света в вакууме. Здесь не случайно употреблено выражение "при обычных условиях", ибо в некоторых случаях и групповая скорость может превышать с или вообще терять смысл, но тогда она не относится к распространению сигнала. В СТО устанавливается, что невозможна передача сигнала со скоростью, большей с.

Почему это так? Потому, что препятствием для передачи любого сигнала со скоростью больше с служит все тот же закон причинности. Представим себе такую ситуацию. В некоторой точке А световая вспышка (событие 1) включает устройство, посылающее некий радиосигнал, а в удаленной точке В под действием этого радиосигнала происходит взрыв (событие 2). Понятно, что событие 1 (вспышка) - причина, а событие 2 (взрыв) - следствие, наступающее позже причины. Но если бы радиосигнал распространялся со сверхсветовой скоростью, наблюдатель вблизи точки В увидел бы сначала взрыв, а уже потом - дошедшую до него со скоростью с световую вспышку, причину взрыва. Другими словами, для этого наблюдателя событие 2 совершилось бы раньше, чем событие 1, то есть следствие опередило бы причину.

Уместно подчеркнуть, что "сверхсветовой запрет" теории относительности накладывается только на движение материальных тел и передачу сигналов. Во многих ситуациях возможно движение с любой скоростью, но это будет движение не материальных объектов и не сигналов. Например, представим себе две лежащие в одной плоскости достаточно длинные линейки, одна из которых расположена горизонтально, а другая пересекает ее под малым углом. Если первую линейку двигать вниз (в направлении, указанном стрелкой) с большой скоростью, точку пересечения линеек можно заставить бежать сколь угодно быстро, но эта точка - не материальное тело. Другой пример: если взять фонарик (или, скажем, лазер, дающий узкий луч) и быстро описать им в воздухе дугу, то линейная скорость светового зайчика будет увеличиваться с расстоянием и на достаточно большом удалении превысит с. Световое пятно переместится между точками А и В со сверхсветовой скоростью, но это не будет передачей сигнала из А в В, так как такой световой зайчик не несет никакой информации о точке А.

Казалось бы, вопрос о сверхсветовых скоростях решен. Но в 60-х годах двадцатого столетия физиками-теоретиками была выдвинута гипотеза существования сверхсветовых частиц, названных тахионами. Это очень странные частицы: теоретически они возможны, но во избежание противоречий с теорией относительности им пришлось приписать мнимую массу покоя. Физически мнимая масса не существует, это чисто математическая абстракция. Однако это не вызвало особой тревоги, поскольку тахионы не могут находиться в покое - они существуют (если существуют!) только при скоростях, превышающих скорость света в вакууме, а в этом случае масса тахиона оказывается вещественной. Здесь есть некоторая аналогия с фотонами: у фотона масса покоя равна нулю, но это просто означает, что фотон не может находиться в покое - свет нельзя остановить.

Наиболее сложным оказалось, как и следовало ожидать, примирить тахионную гипотезу с законом причинности. Попытки, предпринимавшиеся в этом направлении, хотя и были достаточно остроумными, не привели к явному успеху. Экспериментально зарегистриро вать тахионы также никому не удалось. В итоге интерес к тахионам как к сверхсветовым элементарным частицам постепенно сошел на нет.

Однако в 60-х же годах было экспериментально обнаружено явление, поначалу приведшее физиков в замешательство. Об этом подробно рассказано в статье А. Н. Ораевского "Сверхсветовые волны в усиливающих средах" (УФН № 12, 1998 г.). Здесь мы кратко приведем суть дела, отсылая читателя, интересующегося подробностями, к указанной статье.

Вскоре после открытия лазеров - в начале 60-х годов - возникла проблема получения коротких (длительностью порядка 1 нс = 10-9 с) импульсов света большой мощности. Для этого короткий лазерный импульс пропускался через оптический квантовый усилитель. Импульс расщеплялся светодели тельным зеркалом на две части. Одна из них, более мощная, направлялась в усилитель, а другая распространялась в воздухе и служила опорным импульсом, с которым можно было сравнивать импульс, прошедший через усилитель. Оба импульса подавались на фотоприемники, а их выходные сигналы могли визуально наблюдаться на экране осциллографа. Ожидалось, что световой импульс, проходящий через усилитель, испытает в нем некоторую задержку по сравнению с опорным импульсом, то есть скорость распространения света в усилителе будет меньше, чем в воздухе. Каково же было изумление исследователей, когда они обнаружили, что импульс распространялся через усилитель со скоростью не только большей, чем в воздухе, но и превышающей скорость света в вакууме в несколько раз!

Оправившись от первого шока, физики стали искать причину столь неожиданного результата. Ни у кого не возникло даже малейшего сомнения в принципах специальной теории относительности, и именно это помогло найти правильное объяснение: если принципы СТО сохраняются, то ответ следует искать в свойствах усиливающей среды.

Не вдаваясь здесь в детали, укажем лишь, что подробный анализ механизма действия усиливающей среды полностью прояснил ситуацию. Дело заключалось в изменении концентрации фотонов при распространении импульса - изменении, обусловленном изменением коэффициента усиления среды вплоть до отрицательного значения при прохождении задней части импульса, когда среда уже поглощает энергию, ибо ее собственный запас уже израсходован вследствие передачи ее световому импульсу. Поглощение вызывает не усиление, а ослабление импульса, и, таким образом, импульс оказывается усиленным в передней и ослабленным в задней его части. Представим себе, что мы наблюдаем за импульсом при помощи прибора, движущегося со скоростью света в среде усилителя. Если бы среда была прозрачной, мы видели бы застывший в неподвижности импульс. В среде же, в которой происходит упомянутый выше процесс, усиление переднего и ослабление заднего фронта импульса будет представляться наблюдателю так, что среда как бы подвинула импульс вперед. Но раз прибор (наблюдатель) движется со скоростью света, а импульс обгоняет его, то скорость импульса превышает скорость света! Именно этот эффект и был зарегистрирован экспериментаторами. И здесь действительно нет противоречия с теорией относительности: просто процесс усиления таков, что концентрация фотонов, вышедших раньше, оказывается больше, чем вышедших позже. Со сверхсветовой скоростью перемещаются не фотоны, а огибающая импульса, в частности его максимум, который и наблюдается на осциллографе.

Таким образом, в то время как в обычных средах всегда происходит ослабление света и уменьшение его скорости, определяемое показателем преломления, в активных лазерных средах наблюдается не только усиление света, но и распространение импульса со сверхсветовой скоростью.

Некоторые физики пытались экспериментально доказать наличие сверхсветового движения при туннельном эффекте - одном из наиболее удивительных явлений в квантовой механике. Этот эффект состоит в том, что микрочастица (точнее говоря, микрообъект, в разных условиях проявляющий как свойства частицы, так и свойства волны) способна проникать через так называемый потенциальный барьер - явление, совершенно невозможное в классической механике (в которой аналогом была бы такая ситуация: брошенный в стену мяч оказался бы по другую сторону стены или же волнообразное движение, приданное привязанной к стене веревке, передавалось бы веревке, привязанной к стене с другой стороны). Сущность туннельного эффекта в квантовой механике состоит в следующем. Если микрообъект, обладающий определенной энергией, встречает на своем пути область с потенциальной энергией, превышающей энергию микрообъекта, эта область является для него барьером, высота которого определяется разностью энергий. Но микрообъект "просачивается" через барьер! Такую возможность дает ему известное соотношение неопределенностей Гейзенбер га, записанное для энергии и времени взаимодействия. Если взаимодействие микрообъекта с барьером происходит в течение достаточно определенного времени, то энергия микрообъекта будет, наоборот, характеризоваться неопределенностью, и если эта неопределен ность будет порядка высоты барьера, то последний перестает быть для микрообъекта непреодолимым препятствием. Вот скорость проникновения через потенциальный барьер и стала предметом исследований ряда физиков, полагающих, что она может превышать с.

В июне 1998 года в КЈльне состоялся международный симпозиум по проблемам сверхсветовых движений, где обсуждались результаты, полученные в четырех лабораториях - в Беркли, Вене, КЈльне и во Флоренции.

И, наконец, в 2000 году появились сообщения о двух новых экспериментах, в которых проявились эффекты сверхсветового распространения. Один из них выполнил Лиджун Вонг с сотрудниками в исследовательском институте в Принстоне (США). Его результат состоит в том, что световой импульс, входящий в камеру, наполненную парами цезия, увеличивает свою скорость в 300 раз. Получалось, что главная часть импульса выходит из дальней стенки камеры даже раньше, чем импульс входит в камеру через переднюю стенку. Такая ситуация противоречит не только здравому смыслу, но, в сущности, и теории относитель ности.

Сообщение Л. Вонга вызвало интенсивное обсуждение в кругу физиков, большинство которых не склонны видеть в полученных результатах нарушение принципов относительно сти. Задача состоит в том, полагают они, чтобы правильно объяснить этот эксперимент.

В эксперименте Л.Вонга световой импульс, входящий в камеру с парами цезия, имел длительность около 3 мкс. Атомы цезия могут находиться в шестнадцати возможных квантовомеханических состояниях, называемых "сверхтонкие магнитные подуровни основного состояния". При помощи оптической лазерной накачки почти все атомы приводились только в одно из этих шестнадцати состояний, соответствующее почти абсолютному нулю температуры по шкале Кельвина (-273,15оC). Длина цезиевой камеры составляла 6 сантиметров. В вакууме свет проходит 6 сантиметров за 0,2 нс. Через камеру же с цезием, как показали выполненные измерения, световой импульс проходил за время на 62 нс меньшее, чем в вакууме. Другими словами, время прохождения импульса через цезиевую среду имеет знак "минус"! Действительно, если из 0,2 нс вычесть 62 нс, получим "отрицательное" время. Эта "отрицательная задержка" в среде - непостижимый временной скачок - равен времени, в течение которого импульс совершил бы 310 проходов через камеру в вакууме. Следствием этого "временного переворота" явилось то, что выходящий из камеры импульс успел удалиться от нее на 19 метров, прежде чем приходящий импульс достиг ближней стенки камеры. Как же можно объяснить такую невероятную ситуацию (если, конечно, не сомневаться в чистоте эксперимента)?

Судя по развернувшейся дискуссии, точное объяснение еще не найдено, но несомненно, что здесь играют роль необычные дисперсионные свойства среды: пары цезия, состоящие из возбужденных лазерным светом атомов, представляют собой среду с аномальной дисперсией. Напомним кратко, что это такое.

Дисперсией вещества называется зависимость фазового (обычного) показателя преломления n от длины волны света l. При нормальной дисперсии показатель преломления увеличивается с уменьшением длины волны, и это имеет место в стекле, воде, воздухе и всех других прозрачных для света веществах. В веществах же, сильно поглощающих свет, ход показателя преломления с изменением длины волны меняется на обратный и становится гораздо круче: при уменьшении l (увеличении частоты w) показатель преломления резко уменьшается и в некоторой области длин волн становится меньше единицы (фазовая скорость Vф > с). Это и есть аномальная дисперсия, при которой картина распространения света в веществе меняется радикальным образом. Групповая скорость Vгр становится больше фазовой скорости волн и может превысить скорость света в вакууме (а также стать отрицательной). Л. Вонг указывает на это обстоятельство как на причину, лежащую в основе возможности объяснения результатов его эксперимента. Следует, однако, заметить, что условие Vгр > с является чисто формальным, так как понятие групповой скорости введено для случая малой (нормальной) дисперсии, для прозрачных сред, когда группа волн при распространении почти не меняет своей формы. В областях же аномальной дисперсии световой импульс быстро деформируется и понятие групповой скорости теряет смысл; в этом случае вводятся понятия скорости сигнала и скорости распространения энергии, которые в прозрачных средах совпадают с групповой скоростью, а в средах с поглощением остаются меньше скорости света в вакууме. Но вот что интересно в эксперименте Вонга: световой импульс, пройдя через среду с аномальной дисперсией, не деформируется - он в точности сохраняет свою форму! А это соответствует допущению о распространении импульса с групповой скоростью. Но если так, то получается, что в среде отсутствует поглощение, хотя аномальная дисперсия среды обусловлена именно поглощением! Сам Вонг, признавая, что многое еще остается неясным, полагает, что происходящее в его экспериментальной установке можно в первом приближении наглядно объяснить следующим образом.

Световой импульс состоит из множества составляющих с различными длинами волн (частотами). На рисунке показаны три из этих составляющих (волны 1-3). В некоторой точке все три волны находятся в фазе (их максимумы совпадают); здесь они, складываясь, усиливают друг друга и образуют импульс. По мере дальнейшего распространения в пространстве волны расфазируются и тем самым "гасят" друг друга.

В области аномальной дисперсии (внутри цезиевой ячейки) волна, которая была короче (волна 1), становится длиннее. И наоборот, волна, бывшая самой длинной из трех (волна 3), становится самой короткой.

Следовательно, соответственно меняются и фазы волн. Когда волны прошли через цезиевую ячейку, их волновые фронты восстанавливаются. Претерпев необычную фазовую модуляцию в веществе с аномальной дисперсией, три рассматриваемые волны вновь оказываются в фазе в некоторой точке. Здесь они снова складываются и образуют импульс точно такой же формы, как и входящий в цезиевую среду.

Обычно в воздухе и фактически в любой прозрачной среде с нормальной дисперсией световой импульс не может точно сохранять свою форму при распространении на удаленное расстояние, то есть все его составляющие не могут быть сфазированы в какой-либо удаленной точке вдоль пути распространения. И в обычных условиях световой импульс в такой удаленной точке появляется спустя некоторое время. Однако вследствие аномальных свойств использованной в эксперименте среды импульс в удаленной точке оказался сфазирован так же, как и при входе в эту среду. Таким образом, световой импульс ведет себя так, как если бы он имел отрицательную временную задержку на пути до удаленной точки, то есть пришел бы в нее не позже, а раньше, чем прошел среду!

Большая часть физиков склонна связывать этот результат с возникновением низкоинтенсивного предвестника в диспергирующей среде камеры. Дело в том, что при спектральном разложении импульса в спектре присутствуют составляющие сколь угодно высоких частот с ничтожно малой амплитудой, так называемый предвестник, идущий впереди "главной части" импульса. Характер установления и форма предвестника зависят от закона дисперсии в среде. Имея это в виду, последовательность событий в эксперименте Вонга предлагается интерпретировать следующим образом. Приходящая волна, "простирая" предвестник впереди себя, приближается к камере. Прежде чем пик приходящей волны попадет на ближнюю стенку камеры, предвестник инициирует возникновение импульса в камере, который доходит до дальней стенки и отражается от нее, образуя "обратную волну". Эта волна, распространяясь в 300 раз быстрее с, достигает ближней стенки и встречается с приходящей волной. Пики одной волны встречаются со впадинами другой, так что они уничтожают друг друга и в результате ничего не остается. Получается, что приходящая волна "возвращает долг" атомам цезия, которые "одалживали" ей энергию на другом конце камеры. Тот, кто наблюдал бы только начало и конец эксперимента, увидел бы лишь импульс света, который "прыгнул" вперед во времени, двигаясь быстрее с.

Л. Вонг считает, что его эксперимент не согласуется с теорией относительности. Утверждение о недостижимости сверхсветовой скорости, полагает он, применимо только к объектам, обладающим массой покоя. Свет может быть представлен либо в виде волн, к которым вообще неприменимо понятие массы, либо в виде фотонов с массой покоя, как известно, равной нулю. Поэтому скорость света в вакууме, считает Вонг, не предел. Тем не менее Вонг признает, что обнаруженный им эффект не дает возможности передавать информацию со скоростью больше с.

"Информация здесь уже заключена в переднем крае импульса, - говорит П. Милонни, физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории США. - И может создаться впечатление о сверхсветовой посылке информации, даже когда вы ее не посылаете".

Большинство физиков считают, что новая работа не наносит сокрушительного удара по фундаментальным принципам. Но не все физики полагают, что проблема улажена. Профессор А. Ранфагни из итальянской исследовательской группы, осуществившей еще один интересный эксперимент 2000 года, считает, что вопрос еще остается открытым. Этот эксперимент, проведенный Даниэлом Мугнаи, Анедио Ранфагни и Рокко Руггери, обнаружил, что радиоволны сантиметрового диапазона в обычном воздухе распространяются со скоростью, превышающей с на 25%.

Резюмируя, можно сказать следующее.

Работы последних лет показывают, что при определенных условиях сверхсветовая скорость действительно может иметь место. Но что именно движется со сверхсветовой скоростью? Теория относительности, как уже упоминалось, запрещает такую скорость для материальных тел и для сигналов, несущих информацию. Тем не менее некоторые исследователи весьма настойчиво пытаются продемонстри ровать преодоление светового барьера именно для сигналов. Причина этого кроется в том, что в специальной теории относительности нет строгого математического обоснования (базирующегося, скажем, на уравнениях Максвелла для электромагнитного поля) невозможности передачи сигналов со скоростью больше с. Такая невозможность в СТО устанавливается, можно сказать, чисто арифметически, исходя из эйнштейновской формулы сложения скоростей, но фундаментальным образом это подтверждается принципом причинности. Сам Эйнштейн, рассматривая вопрос о сверхсветовой передаче сигналов, писал, что в этом случае "...мы вынуждены считать возможным механизм передачи сигнала, при использовании которого достигаемое действие предшествует причине. Но, хотя этот результат с чисто логической точки зрения и не содержит в себе, по-моему, никаких противоречий, он все же настолько противоречит характеру всего нашего опыта, что невозможность предположения V > с представляется в достаточной степени доказанной". Принцип причинности - вот тот краеугольный камень, который лежит в основе невозможности сверхсветовой передачи сигналов. И об этот камень, по-видимому, будут спотыкаться все без исключения поиски сверхсветовых сигналов, как бы экспериментаторам не хотелось такие сигналы обнаружить, ибо такова природа нашего мира.

Но все же давайте представим, что математика относительности будет по-прежнему работать на сверхсветовых скоростях. Это означает, что теоретически мы все-таки можем узнать, что произошло бы, случись телу превысить скорость света.

Представим себе два космических корабля, направляющихся от Земли в сторону звезды, которая отстоит от нашей планеты на расстоянии в 100 световых лет. Первый корабль покидает Землю со скоростью в 50% от скорости света, так что на весь путь у него уйдет 200 лет. Второй корабль, оснащенный гипотетическим варп-двигателем, отправится со скоростью в 200% от скорости света, но спустя 100 лет после первого. Что же произойдет?

Согласно теории относительности, правильный ответ во многом зависит от перспективы наблюдателя. С Земли будет казаться, что первый корабль уже прошел значительное расстояние, прежде чем его обогнал второй корабль, который движется вчетверо быстрее. А вот с точки зрения людей, находящихся на первом корабле, все немного не так.

Корабль №2 движется быстрее света, а значит может обогнать даже свет, который сам же и испускает. Это приводит к своего рода «световой волне» (аналог звуковой, только вместо вибраций воздуха здесь вибрируют световые волны), которая порождает несколько интересных эффектов. Напомним, что свет от корабля №2 движется медленнее, чем сам корабль. В результате произойдет визуальное удвоение. Иными словами, сначала экипаж корабля №1 увидит, что второй корабль возник рядом с ним словно из ниоткуда. Затем, свет от второго корабля с небольшим опозданием достигнет первого, и в результате получится видимая копия, которая будет двигаться в том же направлении с небольшим отставанием.

Нечто подобное можно увидеть в компьютерных играх, когда в результате системного сбоя движок прогружает модель и ее алгоритмы в конечной точке движения быстрее, чем заканчивается сама анимация движения, так что возникают множественные дубли. Вероятно, именно поэтому наше сознание и не воспринимает тот гипотетический аспект Вселенной, в котором тела движутся на сверхсветовой скорости — быть может, это и к лучшему.

П.С. ... а вот в последнем примере я что то не понял, почему реальное положение корабля связывается с "испускаемым им светом"? Ну и пусть что видеть его будут как то не там, но реально то он обгонит первый корабль!

источники