25 de marzo de 2017

Los viajes FTL son uno de los fundamentos de la ciencia ficción espacial. Sin embargo, probablemente todo el mundo, incluso aquellos que están lejos de la física, sabe que la velocidad máxima posible de movimiento de objetos materiales o de propagación de cualquier señal es la velocidad de la luz en el vacío. Se designa con la letra c y es de casi 300 mil kilómetros por segundo; valor exacto c = 299.792.458 m/s.

La velocidad de la luz en el vacío es uno de los factores fundamentales. constantes fisicas. La imposibilidad de alcanzar velocidades superiores a c se deriva de teoría especial relatividad (TER) de Einstein. Si se pudiera demostrar que es posible transmitir señales a velocidades superluminales, la teoría de la relatividad caería. Hasta el momento esto no ha sucedido, a pesar de numerosos intentos de refutar la prohibición de la existencia de velocidades superiores a c. Sin embargo, estudios experimentales recientes han revelado algunos fenómenos muy interesantes, que indican que en condiciones especialmente creadas se pueden observar velocidades superluminales sin violar los principios de la teoría de la relatividad.

Para empezar, recordemos los principales aspectos relacionados con el problema de la velocidad de la luz.

En primer lugar: ¿por qué es imposible (en condiciones normales) superar el límite de luz? Porque entonces se viola la ley fundamental de nuestro mundo: la ley de causalidad, según la cual el efecto no puede preceder a la causa. Nadie ha observado nunca que, por ejemplo, primero un oso cayera muerto y luego el cazador disparara. A velocidades superiores a c, la secuencia de eventos se invierte y la cinta del tiempo se rebobina. Esto es fácil de verificar a partir del siguiente razonamiento simple.

Supongamos que estamos en una especie de nave espacial milagrosa, moviéndose Más rapido que la luz. Luego, gradualmente alcanzaríamos la luz emitida por la fuente en momentos cada vez más tempranos. Primero, nos pondríamos al día con los fotones emitidos, digamos, ayer, luego con los emitidos anteayer, luego hace una semana, un mes, un año, y así sucesivamente. Si la fuente de luz fuera un espejo que reflejara la vida, entonces veríamos primero los acontecimientos de ayer, luego anteayer, y así sucesivamente. Podríamos ver, digamos, a un anciano que poco a poco se convierte en un hombre de mediana edad, luego en un joven, en un joven, en un niño... Es decir, el tiempo retrocedería, pasaríamos del presente al el pasado. Las causas y los efectos cambiarían entonces de lugar.

Aunque esta discusión ignora por completo los detalles técnicos del proceso de observación de la luz, desde un punto de vista fundamental demuestra claramente que el movimiento a velocidades superluminales conduce a una situación que es imposible en nuestro mundo. Sin embargo, la naturaleza ha establecido condiciones aún más estrictas: el movimiento no solo a una velocidad superluminal es inalcanzable, sino también a una velocidad igual a la velocidad de la luz; solo es posible acercarse a ella. De la teoría de la relatividad se deduce que cuando aumenta la velocidad del movimiento, surgen tres circunstancias: la masa de un objeto en movimiento aumenta, su tamaño en la dirección del movimiento disminuye y el paso del tiempo sobre este objeto se ralentiza (desde el punto punto de vista de un observador externo “en reposo”). A velocidades normales, estos cambios son insignificantes, pero a medida que se acercan a la velocidad de la luz se vuelven cada vez más notorios, y en el límite, a una velocidad igual a c, la masa se vuelve infinitamente grande, el objeto pierde completamente tamaño en la dirección. del movimiento y el tiempo se detiene en él. Por tanto, ningún cuerpo material puede alcanzar la velocidad de la luz. ¡Sólo la luz misma tiene tal velocidad! (Y también una partícula "omnipenetrante": un neutrino que, como un fotón, no puede moverse a una velocidad inferior a c).

Ahora sobre la velocidad de transmisión de la señal. En este caso resulta apropiado utilizar la representación de la luz en forma de ondas electromagnéticas. ¿Qué es una señal? Ésta es cierta información que debe transmitirse. Una onda electromagnética ideal es una sinusoide infinita de estrictamente una frecuencia y no puede transportar ninguna información, porque cada período de dicha sinusoide repite exactamente el anterior. La velocidad de movimiento de la fase de una onda sinusoidal, la llamada velocidad de fase, puede, bajo ciertas condiciones, exceder la velocidad de la luz en el vacío en un medio. Aquí no hay restricciones, ya que la velocidad de fase no es la velocidad de la señal; todavía no existe. Para crear una señal, es necesario hacer algún tipo de "marca" en la onda. Tal marca puede ser, por ejemplo, un cambio en cualquiera de los parámetros de la onda: amplitud, frecuencia o fase inicial. Pero tan pronto como se hace la marca, la onda pierde su sinusoidalidad. Se vuelve modulado y consta de un conjunto de ondas sinusoidales simples con diferentes amplitudes, frecuencias y fases iniciales: un grupo de ondas. La velocidad a la que se mueve la marca en la onda modulada es la velocidad de la señal. Cuando se propaga en un medio, esta velocidad suele coincidir con la velocidad del grupo, que caracteriza la propagación del grupo de ondas antes mencionado en su conjunto (ver "Ciencia y Vida" No. 2, 2000). En condiciones normales, la velocidad del grupo y, por tanto, la velocidad de la señal, es menor que la velocidad de la luz en el vacío. No es casualidad que aquí se utilice la expresión “en condiciones normales”, porque en algunos casos la velocidad del grupo puede exceder c o incluso perder su significado, pero entonces no se refiere a la propagación de la señal. La estación de servicio establece que es imposible transmitir una señal a una velocidad superior a c.

¿Por qué esto es tan? Porque el obstáculo para la transmisión de cualquier señal a una velocidad mayor que c es la misma ley de causalidad. Imaginemos una situación así. En algún punto A, un destello de luz (evento 1) enciende un dispositivo que envía una determinada señal de radio, y en un punto remoto B, bajo la influencia de esta señal de radio, se produce una explosión (evento 2). Está claro que el evento 1 (llamarada) es la causa y el evento 2 (explosión) es la consecuencia que se produce. razones posteriores. Pero si la señal de radio se propagara a una velocidad superluminal, un observador cerca del punto B vería primero una explosión, y solo entonces la causa de la explosión, que le llegó a la velocidad de un destello de luz. En otras palabras, para este observador, el evento 2 habría ocurrido antes que el evento 1, es decir, el efecto habría precedido a la causa.

Conviene subrayar que la “prohibición superluminal” de la teoría de la relatividad se impone únicamente al movimiento de los cuerpos materiales y a la transmisión de señales. En muchas situaciones, el movimiento a cualquier velocidad es posible, pero no será el movimiento de objetos materiales o señales. Por ejemplo, imagine dos reglas bastante largas que se encuentran en el mismo plano, una de las cuales está ubicada horizontalmente y la otra la cruza en un ángulo pequeño. Si la primera regla se mueve hacia abajo (en la dirección indicada por la flecha) con alta velocidad, se puede hacer que el punto de intersección de las líneas corra tan rápido como quieras, pero este punto no es un cuerpo material. Otro ejemplo: si tomas una linterna (o, digamos, un láser que produce un haz estrecho) y describe rápidamente un arco en el aire, entonces velocidad lineal El haz de luz aumentará con la distancia y, a una distancia suficientemente grande, superará c. El punto de luz se moverá entre los puntos A y B a una velocidad superluminal, pero esto no será una transmisión de señal de A a B, ya que dicho punto de luz no lleva ninguna información sobre el punto A.

Parecería que la cuestión de las velocidades superlumínicas está resuelta. Pero en los años 60 del siglo XX, los físicos teóricos plantearon la hipótesis de la existencia de partículas superluminales llamadas taquiones. Se trata de partículas muy extrañas: teóricamente son posibles, pero para evitar contradicciones con la teoría de la relatividad, fue necesario asignarles una masa en reposo imaginaria. Físicamente, la masa imaginaria no existe; es una abstracción puramente matemática. Sin embargo, esto no causó mucha alarma, ya que los taquiones no pueden estar en reposo: existen (¡si existen!) sólo a velocidades que exceden la velocidad de la luz en el vacío, y en este caso la masa del taquión resulta ser real. Aquí hay cierta analogía con los fotones: un fotón tiene masa en reposo cero, pero esto simplemente significa que el fotón no puede estar en reposo: la luz no se puede detener.

Lo más difícil resultó ser, como era de esperar, conciliar la hipótesis del taquión con la ley de causalidad. Los intentos realizados en esta dirección, aunque bastante ingeniosos, no condujeron a un éxito evidente. Tampoco nadie ha podido registrar taquiones experimentalmente. Como resultado, el interés por los taquiones como partículas elementales superluminales se fue desvaneciendo gradualmente.

Sin embargo, en los años 60 se descubrió experimentalmente un fenómeno que inicialmente confundió a los físicos. Esto se describe en detalle en el artículo de A. N. Oraevsky “Super ondas de luz en medios amplificadores" (UFN N° 12, 1998). Aquí resumiremos brevemente la esencia del asunto, remitiendo al lector interesado en los detalles al artículo especificado.

Poco después del descubrimiento de los láseres, a principios de los años 60, surgió el problema de obtener pulsos de luz cortos (de aproximadamente 1 ns = 10-9 s) de alta potencia. Para ello, se pasó un breve pulso láser a través de un amplificador cuántico óptico. El pulso se dividió en dos partes mediante un espejo divisor de haz. Uno de ellos, más potente, se enviaba al amplificador, y el otro se propagaba en el aire y servía como pulso de referencia con el que se podía comparar el pulso que pasaba por el amplificador. Ambos pulsos se alimentaron a fotodetectores y sus señales de salida se pudieron observar visualmente en la pantalla del osciloscopio. Se esperaba que el pulso de luz que pasa a través del amplificador experimentara algún retraso en comparación con el pulso de referencia, es decir, la velocidad de propagación de la luz en el amplificador sería menor que en el aire. ¡Imagínese el asombro de los investigadores cuando descubrieron que el pulso se propagaba a través del amplificador a una velocidad no solo mayor que en el aire, sino también varias veces mayor que la velocidad de la luz en el vacío!

Una vez recuperados del primer shock, los físicos comenzaron a buscar el motivo de tan inesperado resultado. Nadie tenía la más mínima duda sobre los principios de la teoría especial de la relatividad, y esto fue lo que ayudó a encontrar la explicación correcta: si se conservan los principios de la TER, entonces la respuesta debe buscarse en las propiedades del medio amplificador.

Sin entrar en detalles aquí, sólo señalaremos que análisis detallado el mecanismo de acción del medio potenciador aclaró completamente la situación. Se trataba de un cambio en la concentración de fotones durante la propagación del pulso, un cambio causado por un cambio en la ganancia del medio hasta un valor negativo durante el paso de la parte trasera del pulso, cuando el medio ya absorbe energía, porque su propia reserva ya se ha agotado debido a su transferencia al pulso de luz. La absorción no provoca un aumento, sino un debilitamiento del impulso, y así el impulso se fortalece en la parte delantera y se debilita en la parte trasera. Imaginemos que estamos observando un pulso usando un dispositivo que se mueve a la velocidad de la luz en el medio amplificador. Si el medio fuera transparente, veríamos un impulso congelado en la inmovilidad. En el entorno en el que se produce el proceso mencionado anteriormente, el fortalecimiento del borde de ataque y el debilitamiento del borde de salida del pulso aparecerán ante el observador de tal manera que el medio parece haber hecho avanzar el pulso. Pero dado que el dispositivo (observador) se mueve a la velocidad de la luz y el impulso lo alcanza, ¡la velocidad del impulso excede la velocidad de la luz! Es este efecto el que registraron los experimentadores. Y aquí realmente no hay contradicción con la teoría de la relatividad: el proceso de amplificación es simplemente tal que la concentración de fotones que salieron antes resulta ser mayor que los que salieron después. No son los fotones los que se mueven a velocidades superluminales, sino la envolvente del pulso, en particular su máximo, que se observa en un osciloscopio.

Así, mientras que en los medios ordinarios siempre hay un debilitamiento de la luz y una disminución de su velocidad, determinada por el índice de refracción, en los medios láser activos no sólo se produce una amplificación de la luz, sino también la propagación del pulso a una velocidad superluminal.

Algunos físicos intentaron probar experimentalmente la presencia de movimiento superlumínico durante el efecto túnel, uno de los más fenómenos asombrosos en mecánica cuántica. Este efecto consiste en que una micropartícula (más precisamente, un microobjeto, en diferentes condiciones que exhibe propiedades tanto de partículas como de ondas) es capaz de atravesar la llamada barrera de potencial, un fenómeno completamente imposible en mecanica clasica(en la que la analogía sería la siguiente situación: una pelota lanzada contra una pared terminaría en el otro lado de la pared, o el movimiento ondulatorio impartido a una cuerda atada a la pared se transferiría a una cuerda atada a la pared del otro lado). Esencia efecto túnel en mecánica cuántica es el siguiente. Si un microobjeto con cierta energía encuentra en su camino un área con una energía potencial que excede la energía del microobjeto, esta área es para él una barrera, cuya altura está determinada por la diferencia de energía. ¡Pero el microobjeto “se escapa” a través de la barrera! Esta posibilidad se la proporciona la conocida relación de incertidumbre de Heisenberg, escrita para la energía y el tiempo de interacción. Si la interacción de un microobjeto con una barrera ocurre durante un tiempo bastante determinado, entonces la energía del microobjeto, por el contrario, se caracterizará por la incertidumbre, y si esta incertidumbre es del orden de la altura de la barrera, entonces la Este último deja de ser un obstáculo insuperable para el microobjeto. Es la velocidad de penetración a través de la barrera de potencial la que se ha convertido en objeto de investigación por parte de varios físicos, que creen que puede superar c.

En junio de 1998 se celebró en Colonia un simposio internacional sobre los problemas del movimiento superluminal, donde se discutieron los resultados obtenidos en cuatro laboratorios: en Berkeley, Viena, Colonia y Florencia.

Y finalmente, en 2000, aparecieron informes sobre dos nuevos experimentos en los que aparecieron los efectos de la propagación superluminal. Uno de ellos fue realizado por Lijun Wong y sus colegas del Instituto de Investigación de Princeton (EE.UU.). El resultado es que un pulso de luz que entra en una cámara llena de vapor de cesio aumenta su velocidad 300 veces. Resultó que la mayor parte del pulso salía por la pared más alejada de la cámara incluso antes de que el pulso entrara a la cámara a través de la pared frontal. Esta situación contradice no sólo sentido común, sino, en esencia, la teoría de la relatividad.

El mensaje de L. Wong provocó una intensa discusión entre los físicos, la mayoría de los cuales no estaban dispuestos a ver una violación de los principios de la relatividad en los resultados obtenidos. Creen que el desafío es explicar correctamente este experimento.

En el experimento de L. Wong, el pulso de luz que entraba en la cámara con vapor de cesio tenía una duración de aproximadamente 3 μs. Los átomos de cesio pueden existir en dieciséis estados posibles de la mecánica cuántica, llamados "subniveles magnéticos hiperfinos del estado fundamental". Utilizando el bombeo láser óptico, casi todos los átomos fueron llevados a solo uno de estos dieciséis estados, correspondientes a una temperatura casi cero absoluta en la escala Kelvin (-273,15 ° C). La longitud de la cámara de cesio era de 6 centímetros. En el vacío, la luz viaja 6 centímetros en 0,2 ns. Como mostraron las mediciones, el pulso de luz atravesó la cámara con cesio en un tiempo 62 ns menor que en el vacío. En otras palabras, el tiempo que tarda un pulso en pasar a través de un medio de cesio tiene un signo menos. De hecho, si restamos 62 ns de 0,2 ns, obtenemos un tiempo "negativo". Este "retraso negativo" en el medio -un salto de tiempo incomprensible- es igual al tiempo durante el cual el pulso haría 310 pasos a través de la cámara en el vacío. La consecuencia de esta "inversión temporal" fue que el pulso que salía de la cámara logró alejarse 19 metros de ella antes de que el pulso entrante alcanzara la pared cercana de la cámara. ¿Cómo se puede explicar tal situación increíble(a menos, por supuesto, que dudes de la pureza del experimento)?

A juzgar por el debate en curso, aún no se ha encontrado una explicación exacta, pero no hay duda de que aquí influyen las inusuales propiedades de dispersión del medio: el vapor de cesio, compuesto por átomos excitados por la luz láser, es un medio con una dispersión anómala. . Recordemos brevemente de qué se trata.

La dispersión de una sustancia es la dependencia del índice de refracción de la fase (ordinaria) n de la longitud de onda de la luz l. En una dispersión normal, el índice de refracción aumenta al disminuir la longitud de onda, y este es el caso del vidrio, el agua, el aire y todas las demás sustancias transparentes a la luz. En sustancias que absorben fuertemente la luz, el curso del índice de refracción con un cambio en la longitud de onda se invierte y se vuelve mucho más pronunciado: al disminuir l (aumentar la frecuencia w), el índice de refracción disminuye drásticamente y en una determinada región de longitud de onda se vuelve menor que la unidad ( velocidad de fase Vf > s ). Se trata de una dispersión anómala, en la que el patrón de propagación de la luz en una sustancia cambia radicalmente. La velocidad de grupo Vgr se vuelve mayor que la velocidad de fase de las ondas y puede exceder la velocidad de la luz en el vacío (y también volverse negativa). L. Wong señala esta circunstancia como la razón que subyace a la posibilidad de explicar los resultados de su experimento. Sin embargo, cabe señalar que la condición Vgr > c es puramente formal, ya que el concepto de velocidad de grupo se introdujo para el caso de dispersión pequeña (normal), para medios transparentes, cuando un grupo de ondas casi no cambia su forma. durante la propagación. En regiones de dispersión anómala, el pulso de luz se deforma rápidamente y el concepto de velocidad de grupo pierde su significado; en este caso se introducen los conceptos de velocidad de la señal y velocidad de propagación de la energía, que en medios transparentes coinciden con la velocidad de grupo, y en medios con absorción son menores que la velocidad de la luz en el vacío. Pero esto es lo interesante del experimento de Wong: un pulso de luz que pasa a través de un medio con una dispersión anómala no se deforma: ¡conserva exactamente su forma! Y esto corresponde al supuesto de que el impulso se propaga con velocidad de grupo. Pero si es así, entonces resulta que no hay absorción en el medio, ¡aunque la dispersión anómala del medio se debe precisamente a la absorción! El propio Wong, aunque reconoce que aún hay muchas cosas que no están claras, cree que lo que está sucediendo en su configuración experimental puede explicarse claramente, en una primera aproximación, de la siguiente manera.

Un pulso de luz consta de muchos componentes con diferentes longitudes de onda (frecuencias). La figura muestra tres de estos componentes (ondas 1-3). En algún momento, las tres ondas están en fase (sus máximos coinciden); aquí ellos, sumados, se refuerzan y forman un impulso. A medida que se propagan en el espacio, las ondas se desfasan y, por lo tanto, se "cancelan" entre sí.

En la región de dispersión anómala (dentro de la celda de cesio), la onda que era más corta (onda 1) se vuelve más larga. Por el contrario, la onda que era la más larga de las tres (onda 3) se convierte en la más corta.

En consecuencia, las fases de las ondas cambian en consecuencia. Una vez que las ondas han pasado a través de la celda de cesio, se restablecen sus frentes de onda. Después de haber sufrido una modulación de fase inusual en una sustancia con dispersión anómala, las tres ondas en cuestión se encuentran nuevamente en fase en algún momento. Aquí se vuelven a sumar y forman un pulso de exactamente la misma forma que el que entra en el medio de cesio.

Generalmente en el aire y de hecho en cualquier ambiente transparente con dispersión normal un pulso de luz no puede mantener con precisión su forma cuando se propaga a una distancia remota, es decir, todos sus componentes no pueden estar en fase en ningún punto distante a lo largo de la trayectoria de propagación. Y en condiciones normales, después de un tiempo aparece un pulso de luz en un punto tan distante. Sin embargo, debido a las propiedades anómalas del medio utilizado en el experimento, el pulso en un punto remoto resultó estar escalonado de la misma manera que cuando ingresa a este medio. Así, el pulso de luz se comporta como si tuviera un retraso negativo en su camino hacia un punto distante, es decir, no llegaría a él más tarde, sino antes de haber pasado por el medio.

La mayoría de los físicos se inclinan a asociar este resultado con la aparición de un precursor de baja intensidad en el medio dispersivo de la cámara. El punto es que cuando descomposición espectral En el pulso, en el espectro hay componentes de frecuencias arbitrariamente altas con una amplitud insignificante, el llamado precursor, que va por delante de la "parte principal" del pulso. La naturaleza del establecimiento y la forma del precursor dependen de la ley de dispersión en el medio. Teniendo esto en cuenta, se propone interpretar la secuencia de acontecimientos del experimento de Wong de la siguiente manera. La ola entrante, "estirando" el presagio delante de sí misma, se acerca a la cámara. Antes de que el pico de la onda entrante alcance la pared cercana de la cámara, el precursor inicia la aparición de un pulso en la cámara, que llega a la pared lejana y se refleja en ella, formando una "onda inversa". Esta onda, que se propaga 300 veces más rápido que c, llega a la pared cercana y se encuentra con la onda entrante. Los picos de una onda se encuentran con los valles de otra, de modo que se destruyen entre sí y como resultado no queda nada. Resulta que la onda entrante "paga la deuda" con los átomos de cesio, que le "prestaron" energía en el otro extremo de la cámara. Cualquiera que observara sólo el principio y el final del experimento vería sólo un pulso de luz que "saltó" hacia adelante en el tiempo, moviéndose más rápido que c.

L. Wong cree que su experimento no es coherente con la teoría de la relatividad. Él cree que la afirmación sobre la inalcanzabilidad de la velocidad superlumínica se aplica sólo a objetos con masa en reposo. La luz se puede representar en forma de ondas, a las que el concepto de masa generalmente no se aplica, o en forma de fotones con una masa en reposo, como se sabe, igual a cero. Por tanto, la velocidad de la luz en el vacío, según Wong, no es el límite. Sin embargo, Wong admite que el efecto que descubrió no permite transmitir información a velocidades superiores a c.

“La información aquí ya está contenida en el borde anterior del pulso”, dice P. Milonni, físico del Laboratorio Nacional de Los Álamos en Estados Unidos. “Y puede dar la impresión de enviar información más rápido que la luz, incluso cuando se envía información. no lo estamos enviando”.

La mayoría de los físicos creen que los nuevos trabajos no causan golpe aplastante según principios fundamentales. Pero no todos los físicos creen que el problema esté resuelto. Profesor A. Ranfagni del italiano grupo de investigacion, que realizó otro interesante experimento en el año 2000, cree que la cuestión sigue abierta. Este experimento, llevado a cabo por Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni y Rocco Ruggeri, descubrió que las ondas de radio de ondas centimétricas en el aire normal viajan a velocidades un 25% más rápidas que c.

Resumiendo, podemos decir lo siguiente.

Los trabajos de los últimos años muestran que, bajo determinadas condiciones, la velocidad superlumínica puede producirse. Pero ¿qué es exactamente moverse a velocidades superluminales? La teoría de la relatividad, como ya se mencionó, prohíbe tal velocidad para los cuerpos materiales y para las señales que transportan información. Sin embargo, algunos investigadores intentan con mucha obstinación demostrar la superación de la barrera luminosa específicamente para las señales. La razón de esto radica en el hecho de que la teoría especial de la relatividad no tiene una justificación matemática estricta (basada, por ejemplo, en las ecuaciones de Maxwell para campo electromagnetico) imposibilidad de transmitir señales a velocidades superiores a c. Tal imposibilidad en STR se establece, se podría decir, puramente aritméticamente, basándose en la fórmula de Einstein para sumar velocidades, pero esto se confirma fundamentalmente por el principio de causalidad. El propio Einstein, considerando la cuestión de la transmisión de señales superlumínicas, escribió que en este caso “... nos vemos obligados a considerar posible un mecanismo de transmisión de señales, en el que la acción lograda precede a la causa, pero, aunque esto sea un resultado puramente lógico. de vista no se contiene, en mi opinión, no hay contradicciones; sin embargo, contradice tanto la naturaleza de toda nuestra experiencia que la imposibilidad de la suposición V > c parece estar suficientemente probada." El principio de causalidad es la piedra angular que subyace a la imposibilidad de transmisión de señales superluminales. Y, aparentemente, todos los buscadores de señales superluminales, sin excepción, tropezarán con esta piedra, por mucho que a los experimentadores les guste detectar tales señales, porque así es la naturaleza de nuestro mundo.

Pero aún así, imaginemos que las matemáticas de la relatividad seguirán funcionando a velocidades superluminales. Esto significa que, en teoría, todavía podemos descubrir qué pasaría si un cuerpo superara la velocidad de la luz.

Imaginemos dos naves espaciales que se dirigen desde la Tierra hacia una estrella que se encuentra a 100 años luz de nuestro planeta. La primera nave sale de la Tierra al 50% de la velocidad de la luz, por lo que tardará 200 años en completar el viaje. La segunda nave, equipada con un hipotético motor warp, viajará al 200% de la velocidad de la luz, pero 100 años después que la primera. ¿Lo que sucederá?

Según la teoría de la relatividad, la respuesta correcta depende en gran medida de la perspectiva del observador. Desde la Tierra parecerá que el primer barco ya ha recorrido una distancia considerable antes de ser alcanzado por el segundo barco, que se mueve cuatro veces más rápido. Pero desde el punto de vista de la gente del primer barco, todo es un poco diferente.

El barco número 2 se mueve más rápido que la luz, lo que significa que puede incluso superar la luz que él mismo emite. Esto conduce a una especie de “onda de luz” (análoga a una onda de sonido, solo que en lugar de vibraciones del aire, aquí vibran ondas de luz), que genera varios efectos interesantes. Recuerde que la luz del barco número 2 se mueve más lento que el barco mismo. El resultado será una duplicación visual. En otras palabras, primero la tripulación del barco número 1 verá que el segundo barco ha aparecido junto a ellos como de la nada. Entonces, la luz del segundo barco llegará al primero con un ligero retraso, y el resultado será una copia visible que se moverá en la misma dirección con un ligero retraso.

Algo parecido se puede ver en juegos de computadora cuando, como resultado de una falla del sistema, el motor carga el modelo y sus algoritmos en el punto final del movimiento más rápido de lo que termina la animación del movimiento, de modo que ocurren múltiples tomas. Probablemente esta sea la razón por la que nuestra conciencia no percibe ese aspecto hipotético del Universo en el que los cuerpos se mueven a velocidades superluminales; tal vez esto sea lo mejor.

PD ... pero en el último ejemplo no entendí algo, ¿por qué la posición real del barco está asociada con la “luz que emite”? Bueno, incluso si lo ven en el lugar equivocado, ¡en realidad alcanzará al primer barco!

fuentes

Las sombras pueden viajar más rápido que la luz, pero no pueden transportar materia ni información.

¿Es posible el vuelo superluminal?

Las secciones de este artículo están subtituladas y se puede hacer referencia a cada sección por separado.

Ejemplos sencillos de viajes superlumínicos.

1. Efecto Cherenkov

Cuando hablamos de movernos a velocidades superluminales, nos referimos a la velocidad de la luz en el vacío. C(299.792.458 m/s). Por tanto, el efecto Cherenkov no puede considerarse como un ejemplo de movimiento a velocidad superluminal.

2. Tercer observador

si el cohete A se aleja de mí a gran velocidad 0.6c al oeste, y el cohete B se aleja de mí a gran velocidad 0.6c hacia el este, entonces veo que la distancia entre A Y B aumenta con la velocidad 1.2c. Observando el vuelo de los cohetes. A Y B Desde el exterior, el tercer observador ve que la velocidad total de eliminación del misil es mayor que la C .

Sin embargo velocidad relativa no es igual a la suma de las velocidades. velocidad del cohete A relativo al cohete B es la velocidad a la que aumenta la distancia al cohete A, que es visto por un observador volando en un cohete B. La velocidad relativa debe calcularse utilizando la fórmula relativista para sumar velocidades. (Consulte ¿Cómo se suman velocidades en la relatividad especial?) En este ejemplo, la velocidad relativa es aproximadamente igual a 0.88c. Entonces, en este ejemplo no obtuvimos la velocidad superluminal.

3. Luz y sombra

Piensa en lo rápido que puede moverse una sombra. Si la lámpara está cerca, entonces la sombra de su dedo en la pared del fondo se mueve mucho más rápido que su dedo. Cuando mueves tu dedo paralelo a la pared, la velocidad de la sombra es D/D veces más rápido que la velocidad de tu dedo. Aquí d- distancia de la lámpara al dedo, y D- de la lámpara a la pared. La velocidad será aún mayor si la pared está ubicada en ángulo. Si la pared está muy lejos, entonces el movimiento de la sombra se retrasará con respecto al movimiento del dedo, ya que la luz tarda en llegar a la pared, pero la velocidad de la sombra que se mueve a lo largo de la pared aumentará aún más. La velocidad de una sombra no está limitada por la velocidad de la luz.

Otro objeto que puede viajar más rápido que la luz es el punto de luz de un láser apuntado a la Luna. La distancia a la Luna es de 385.000 km. Usted mismo puede calcular la velocidad a la que se mueve el punto de luz sobre la superficie de la Luna con ligeras vibraciones del puntero láser en su mano. También te puede gustar el ejemplo de una ola que golpea una línea recta de playa con un ligero ángulo. ¿A qué velocidad puede moverse el punto de intersección de la ola y la orilla a lo largo de la playa?

Todas estas cosas pueden suceder en la naturaleza. Por ejemplo, un rayo de luz de un púlsar puede viajar a lo largo de una nube de polvo. Una poderosa explosión puede crear ondas esféricas de luz o radiación. Cuando estas ondas se cruzan con cualquier superficie, aparecen círculos de luz en esa superficie y se expanden más rápido que la luz. Este fenómeno se observa, por ejemplo, cuando pulso electromagnetico procedente de un relámpago atraviesa la atmósfera superior.

4. Sólido

Si tienes una varilla larga y rígida y golpeas un extremo de la varilla, ¿no se moverá inmediatamente el otro extremo? ¿No es esta una forma de transmisión de información superluminal?

Seria verdad si Había cuerpos perfectamente rígidos. En la práctica, el impacto se transmite a lo largo de la varilla a la velocidad del sonido, que depende de la elasticidad y densidad del material de la varilla. Además, la teoría de la relatividad limita las posibles velocidades del sonido en un material por el valor C .

El mismo principio se aplica si sostienes una cuerda o una varilla verticalmente, la sueltas y comienza a caer bajo la influencia de la gravedad. El extremo superior que sueltas comienza a caer inmediatamente, pero el extremo inferior sólo comenzará a moverse después de un tiempo, ya que la desaparición de la fuerza de sujeción se transmite a lo largo de la varilla a la velocidad del sonido en el material.

La formulación de la teoría relativista de la elasticidad es bastante compleja, pero Idea general se puede ilustrar utilizando la mecánica newtoniana. La ecuación para el movimiento longitudinal de un cuerpo idealmente elástico se puede derivar de la ley de Hooke. Denotemos la densidad lineal de la varilla. ρ , Módulo de elasticidad de Young Y. Desplazamiento longitudinal X satisface la ecuación de onda

ρ d 2 X/dt 2 - Y d 2 X/dx 2 = 0

La solución de onda plana se mueve a la velocidad del sonido. s, que se determina a partir de la fórmula s 2 = Y/ρ. La ecuación de onda no permite que las perturbaciones en el medio se muevan más rápido que la velocidad. s. Además, la teoría de la relatividad da un límite a la magnitud de la elasticidad: Y< ρc 2 . En la práctica, ningún material conocido se acerca a este límite. Tenga en cuenta también que incluso si la velocidad del sonido es cercana a C, entonces la materia en sí no necesariamente se mueve a una velocidad relativista.

Aunque en la naturaleza no existen cuerpos sólidos, sí movimiento de cuerpos rígidos, que se puede utilizar para superar la velocidad de la luz. Este tema se relaciona con la sección ya descrita de sombras y luces. (Ver Las tijeras superluminales, El disco giratorio rígido en relatividad).

5. Velocidad de fase

Ecuación de onda
d 2 u/dt 2 - c 2 d 2 u/dx 2 + w 2 u = 0

tiene una solución en la forma
u = A cos(ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 = 0

Estas son ondas sinusoidales que se propagan a una velocidad v.
v = b/a = raíz cuadrada (c 2 + w 2 /a 2)

Pero es más que c. ¿Quizás esta sea la ecuación de los taquiones? (ver sección adicional). No, ésta es una ecuación relativista ordinaria para una partícula con masa.

Para eliminar la paradoja, es necesario distinguir entre "velocidad de fase" v ph y "velocidad de grupo" v grandioso
v ph·v gr = c 2

La solución de ondas puede tener dispersión de frecuencia. En este caso, el paquete de ondas se mueve con una velocidad de grupo, que es menor que C. Usando un paquete de ondas, la información solo se puede transmitir a velocidad de grupo. Las ondas en un paquete de ondas se mueven con velocidad de fase. Velocidad de fase- otro ejemplo de movimiento superlumínico, que no se puede utilizar para transmitir mensajes.

6. Galaxias superluminales

7. Cohete relativista

Dejemos que un observador en la Tierra vea una nave espacial alejándose a una velocidad 0.8c Según la teoría de la relatividad, verá que el reloj de la nave espacial funciona 5/3 veces más lento. Si dividimos la distancia al barco por el tiempo de vuelo según el reloj de a bordo, obtenemos la velocidad. 4/3c. El observador concluye que, utilizando su reloj de a bordo, el piloto de la nave también determinará que está volando a una velocidad superluminal. Desde el punto de vista del piloto, su reloj funciona normalmente, pero el espacio interestelar se ha reducido 5/3 veces. Por eso pasa volando distancias conocidas entre las estrellas más rápido, con velocidad 4/3c .

Pero esto todavía no es un vuelo superlumínico. No se puede calcular la velocidad utilizando la distancia y el tiempo definidos en diferentes sistemas de referencia.

8. Velocidad de la gravedad

Algunos insisten en que la velocidad de la gravedad es mucho mayor. C o incluso infinito. Consulte ¿La gravedad viaja a la velocidad de la luz? y ¿Qué es la radiación gravitacional? perturbaciones gravitacionales y ondas gravitacionales extenderse a velocidad C .

9. Paradoja del EPR

10. Fotones virtuales

11. Efecto túnel cuántico

En mecánica cuántica, el efecto túnel permite que una partícula supere una barrera, incluso si no tiene suficiente energía para hacerlo. Es posible calcular el tiempo de excavación del túnel a través de dicha barrera. Y puede resultar menos de lo que se necesita para que la luz cubra la misma distancia a velocidad. C. ¿Podría usarse esto para transmitir mensajes más rápido que la luz?

Electrodinámica cuántica dice "¡No!" Sin embargo, se realizó un experimento que demostró la transferencia de información superluminal mediante el efecto túnel. A través de una barrera de 11,4 cm de ancho a una velocidad de 4,7 C Se transfirió la cuadragésima sinfonía de Mozart. La explicación de este experimento es muy controvertida. La mayoría de los físicos creen que el efecto túnel no se puede utilizar para transmitir información Más rapido que la luz. Si esto fuera posible, entonces ¿por qué no transmitir la señal al pasado colocando el equipo en un marco de referencia que se mueve rápidamente?

17. Teoría cuántica de campos

A excepción de la gravedad, todos los fenómenos físicos observados corresponden al Modelo Estándar. El Modelo Estándar es una teoría relativista de campos cuánticos que explica las interacciones electromagnéticas y nucleares, así como todas las partículas conocidas. En esta teoría, cualquier par de operadores correspondientes a observables físicos separados por un intervalo espacial de eventos "conmuta" (es decir, el orden de estos operadores se puede cambiar). En principio, esto implica que en el modelo estándar un impacto no puede viajar más rápido que la luz, y esto puede considerarse el campo cuántico equivalente al argumento de la energía infinita.

Sin embargo, en Teoría cuántica sin campo de modelo estándar impecable evidencia rigurosa. Nadie ha demostrado todavía que esta teoría sea internamente consistente. Lo más probable es que este no sea el caso. En cualquier caso, no hay garantía de que aún no existan partículas o fuerzas por descubrir que no obedezcan la prohibición de los viajes superluminales. Tampoco existe una generalización de esta teoría que incluya la gravedad y la relatividad general. Muchos físicos que trabajan en el campo de la gravedad cuántica dudan de que representaciones simples Se resumirán los aspectos relacionados con la causalidad y la localidad. No hay garantía de que en el futuro haya más teoria completa la velocidad de la luz conservará el significado de velocidad máxima.

18. La paradoja del abuelo

En la relatividad especial, una partícula que viaja más rápido que la luz en un marco de referencia viaja hacia atrás en el tiempo en otro marco de referencia. Los viajes FTL o la transferencia de información permitirían viajar o enviar un mensaje al pasado. Si ese viaje en el tiempo fuera posible, podrías retroceder en el tiempo y cambiar el curso de la historia matando a tu abuelo.

Este es un argumento muy serio contra la posibilidad de viajes superluminales. Es cierto que sigue existiendo una posibilidad casi inverosímil de que sea posible algún viaje superluminal limitado, que impida un regreso al pasado. O tal vez viajar en el tiempo sea posible, pero la causalidad se viole de alguna manera consistente. Todo esto es muy descabellado, pero si hablamos de viajes superluminales, es mejor estar preparado para nuevas ideas.

Lo opuesto también es cierto. Si pudiéramos viajar en el tiempo, podríamos superar la velocidad de la luz. Puedes retroceder en el tiempo, volar a algún lugar a baja velocidad y llegar allí antes de que llegue la luz enviada de la forma habitual. Consulte Viaje en el tiempo para obtener detalles sobre este tema.

Preguntas abiertas sobre viajes más rápidos que la luz

En esta sección final, describiré algunas ideas serias sobre posibles viajes más rápidos que la luz. Estos temas no suelen incluirse en las preguntas frecuentes porque parecen menos respuestas y más muchas preguntas nuevas. Se incluyen aquí para mostrar que se están realizando investigaciones serias en esta dirección. Sólo se da una breve introducción al tema. Puede encontrar detalles en Internet. Como ocurre con todo en Internet, sea crítico con ellos.

19. Taquiones

Los taquiones son partículas hipotéticas que viajan localmente más rápido que la luz. Para ello, deben tener una masa imaginaria. Además, la energía y el impulso del taquión son cantidades reales. No hay razón para creer que las partículas superluminales no puedan detectarse. Las sombras y las luces pueden viajar más rápido que la luz y pueden detectarse.

Hasta el momento no se han encontrado taquiones y los físicos dudan de su existencia. Se ha afirmado que en experimentos para medir la masa de neutrinos producidos por la desintegración beta del tritio, los neutrinos eran taquiones. Esto es dudoso, pero aún no ha sido refutado definitivamente.

Hay problemas con la teoría de los taquiones. Además de posiblemente alterar la causalidad, los taquiones también hacen que el vacío sea inestable. Quizás sea posible sortear estas dificultades, pero ni siquiera así podremos utilizar taquiones para la transmisión de mensajes superluminales.

La mayoría de los físicos creen que la aparición de taquiones en la teoría es un signo de algunos problemas en esta teoría. La idea de los taquiones es tan popular entre el público simplemente porque a menudo se mencionan en la literatura de ciencia ficción. Ver taquiones.

20. Agujeros de gusano

El método más famoso de viaje superluminal global es el uso de agujeros de gusano. Un agujero de gusano es un corte en el espacio-tiempo de un punto del universo a otro, lo que permite ir de un extremo del agujero al otro más rápido que la forma habitual. Los agujeros de gusano se describen mediante la teoría general de la relatividad. Para crearlos, es necesario cambiar la topología del espacio-tiempo. Quizás esto sea posible en el marco de la teoría cuántica de la gravedad.

Sostener agujero de gusano abierto, necesitamos áreas del espacio con energías negativas. C.W.Misner y K.S.Thorne propusieron utilizar el efecto Casimir a gran escala para crear energía negativa. Visser propuso utilizar cuerdas cósmicas para ello. Estas son ideas muy especulativas y pueden no ser posibles. Quizás no exista la forma necesaria de materia exótica con energía negativa.

La teoría de la relatividad fascina con sus paradojas. Todos sabemos sobre los gemelos, sobre la capacidad de meter un avión largo en una caja corta. Hoy en día, todos los graduados de la escuela conocen las respuestas a estos acertijos clásicos, y los estudiantes de física creen aún más que no les quedan secretos en la teoría especial de la relatividad.

Todo estaría bien si no fuera por la deprimente circunstancia: la imposibilidad de velocidades superlumínicas. ¿Realmente no hay manera de ir más rápido? - Pensé cuando era niño. ¡¿Quizás sea posible?! Por eso, te invito a una sesión de, no sé, magia blanca o negra que lleva el nombre de Albert Einstein y con una revelación al final. Sin embargo, para aquellos que no les parezca suficiente, también he preparado un rompecabezas.

UPD: Un día después publico la decisión. Muchas fórmulas y gráficos al final.

Hacia Alfa Centauri

Ahora ya hemos acelerado decentemente, aunque hasta la mitad de la velocidad de la luz. Hagamos una pregunta aparentemente simple: ¿a qué velocidad nos acercaremos a Alfa Centauri en nuestro propio marco de referencia (el del barco)? Parecería que todo es simple, si volamos a una velocidad en el marco de referencia estacionario de la Tierra y Alpha Centauri, entonces desde nuestro punto de vista nos acercamos al objetivo con una velocidad.

Cualquiera que ya haya percibido una trampa tiene toda la razón. ¡La respuesta es incorrecta! Aquí es necesario hacer una aclaración: por velocidad de aproximación a Alpha Centauri me refiero al cambio en la distancia restante hasta él, dividido por el período de tiempo durante el cual ocurrió dicho cambio. Todo, por supuesto, se mide en nuestro marco de referencia asociado con la nave espacial.

Aquí debemos recordar la contracción de longitud de Lorentz. Después de todo, habiendo acelerado a la mitad de la velocidad de la luz, descubriremos que la escala en la dirección de nuestro movimiento se ha reducido. Déjame recordarte la fórmula:

Y ahora, si a la mitad de la velocidad de la luz medimos la distancia de la Tierra a Alfa Centauri, no obtenemos 4 luces. años, pero sólo 3,46 años santos.

Resulta que sólo por el hecho de que aceleramos ya hemos reducido la distancia hasta el punto final del viaje en casi 0,54 años luz. Y si no solo nos movemos a gran velocidad, sino que también aceleramos, entonces el factor de escala tendrá una derivada con respecto al tiempo, que en esencia es también la velocidad de aproximación y se suma a .

Por lo tanto, además de nuestra velocidad habitual, yo diría clásica, se agrega otro término: una reducción dinámica en la longitud del camino restante, que ocurre si y solo si hay una aceleración distinta de cero. Bueno, tomemos un lápiz y contemos.

Y aquellos que son demasiado vagos para seguir los cálculos los encuentro al otro lado del spoiler.

La distancia actual a la estrella según el gobernante del capitán del barco, - la hora en el reloj de la sala de oficiales, - la velocidad.

Ya aquí vemos que la primera derivada parcial es la velocidad, solo la velocidad con signo menos, tan pronto como nos acercamos a Alfa Centauri. Pero el segundo término es precisamente el truco en el que, sospecho, no todos pensaron.

Para encontrar la derivada de la velocidad con respecto al tiempo en el segundo término, debes tener cuidado, porque Estamos en un marco de referencia en movimiento. La forma más sencilla de calcularlo con los dedos es a partir de la fórmula de la suma. velocidades relativistas. Supongamos que en un momento nos estamos moviendo con una velocidad y después de un período de tiempo aumentamos nuestra velocidad en . La velocidad resultante según la fórmula de la teoría de la relatividad será

Ahora juntemos (2) y (3), y la derivada de (3) debe tomarse en , porque estamos viendo pequeños incrementos.

¡Ella es alucinante! Si el primer término, la velocidad, está limitado por la velocidad de la luz, ¡entonces el segundo término no está limitado por nada! Tome más y... el segundo término puede exceder fácilmente.

¡Disculpa que! - algunos no lo creerán.
“Sí, sí, exactamente eso”, responderé. - Puede ser mayor que la velocidad de la luz, más de dos velocidades de la luz, más de 10 velocidades de la luz. Parafraseando a Arquímedes, puedo decir: “dame el correcto y te daré tanta velocidad como quieras”.

Bueno, sustituyamos los números, los números siempre son más interesantes. Como recordamos, el capitán puso la aceleración y la velocidad ya había alcanzado. Entonces descubriremos que en un año luz nuestra velocidad de aproximación será igual a la velocidad de la luz. Si sustituimos años luz, entonces

En palabras: “tres coma tres, tres décimas de la velocidad de la luz”.

Nos seguimos sorprendiendo

Entonces me subí al auto y apreté el acelerador. Tengo velocidad y aceleración. Y en este mismo momento puedo garantizar que a unos cien o dos millones de años luz de mí hay objetos que ahora se acercan a mí más rápido que la luz. Para simplificar, todavía no he tenido en cuenta la velocidad de movimiento de la Tierra en su órbita alrededor del Sol y del Sol alrededor del centro de la Galaxia. Teniendo esto en cuenta, los objetos con una velocidad de aproximación superluminal ya estarán muy cerca, no a escala cosmológica, sino en algún lugar de la periferia de nuestra galaxia.

Resulta que involuntariamente, incluso con aceleraciones mínimas, por ejemplo, levantarnos de una silla, participamos en movimientos superlumínicos.

todavía estamos sorprendidos

Otro efecto sorprendente es fácil de entender. Después de todo, tan pronto como cambias la dirección de la aceleración, el segundo término en (5) cambia inmediatamente de signo. Aquellos. la velocidad de aproximación puede fácilmente volverse cero o incluso negativa. Aunque nuestra velocidad normal seguirá dirigida hacia Alfa Centauri.

Exposición

En un sistema de referencia no inercial, Einstein no nos garantiza nada. ¡Así que va!

Lo mismo, un poco más detallado y un poco más complejo.

La fórmula (5) contiene la distancia. Cuando es igual a cero, es decir cuando intentamos determinar la velocidad localmente en relación con los objetos cercanos, solo quedará el primer término, que, por supuesto, no excede velocidad de la luz. Ningún problema. Y solo en largas distancias, es decir. no localmente, podemos obtener velocidades superluminales.

Hay que decir que, en general, la velocidad relativa de objetos distantes entre sí es un concepto poco definido. Nuestro espacio-tiempo plano en un marco de referencia acelerado parece curvo. Este es el equivalente del famoso "ascensor Einstein" campo gravitacional. Y comparar los dos cantidades vectoriales en un espacio curvo es correcto sólo cuando están en el mismo punto (en el mismo espacio tangente del conjunto de vectores correspondiente).

Por cierto, nuestra paradoja de la velocidad superluminal se puede discutir de otra manera, yo diría de manera integral. Al fin y al cabo, un viaje relativista a Alfa Centauri tardaría mucho menos de 4 años según el propio reloj del astronauta, por lo que dividiendo la distancia inicial por el tiempo transcurrido, obtenemos una velocidad efectiva mayor que la velocidad de la luz. En esencia, esta es la misma paradoja de los gemelos. Aquellos que se sientan cómodos pueden entender los viajes superlumínicos de esta manera.

Ese es el truco. Su Capitán Obvio.

Problema

¿Cuál es la distancia entre las naves en el sistema de referencia de la nave terrestre en el momento del lanzamiento, cuando estaban cerca de la Tierra y Alfa Centauri, respectivamente? Escribe tu respuesta en los comentarios.

UPD: Solución

Acordemos que los relojes en Alfa, la Tierra, el cohete y el platillo están sincronizados (esto se hizo con anticipación), y el lanzamiento en los cuatro relojes tuvo lugar a las 12:00.

Consideremos gráficamente el espacio-tiempo en coordenadas estacionarias. La Tierra está en cero, Alfa está a una distancia a lo largo del eje. linea mundial Alpha Centauri aparentemente simplemente va hacia arriba. La línea mundial de la placa está inclinada hacia la izquierda, porque salió volando desde un punto en dirección a la Tierra.

Ahora en este gráfico dibujaremos los ejes de coordenadas del sistema de referencia del cohete lanzado desde la Tierra. Como es sabido, esta transformación del sistema de coordenadas (CS) se denomina impulso. En este caso, los ejes están inclinados simétricamente con respecto a la línea diagonal que muestra el haz de luz.

Creo que en este momento ya te ha quedado todo claro. Mira, el eje cruza las líneas mundiales de Alpha y el platillo volante en diferentes puntos. ¿Qué pasó?

Cosa asombrosa. Antes del lanzamiento, desde el punto de vista del cohete, tanto el platillo como Alpha estaban en el mismo punto, y después de ganar velocidad resulta que en una nave espacial en movimiento el lanzamiento del cohete y el platillo no fue simultáneo. El plato, de repente resulta, empezó antes y logró acercarse un poco más a nosotros. Por lo tanto, ahora a las 12:00:01 según el reloj, los cohetes ya están más cerca del platillo que de Alpha.

Y si el cohete acelera más, "saltará" al siguiente SC, donde la placa está aún más cerca. Además, tal acercamiento de la placa se produce solo debido a la aceleración y compresión dinámica de la escala longitudinal (que es de lo que trata toda mi publicación), y no debido al avance del cohete en el espacio, porque En realidad, el cohete aún no ha tenido tiempo de atravesar nada. Esta aproximación de la placa es precisamente el segundo término de la fórmula (5).

Pues bien, entre otras cosas, hay que tener en cuenta la habitual reducción de distancia de Lorentz. Te diré la respuesta de inmediato: a las velocidades del cohete y del platillo, cada distancia

• entre el cohete y Alpha: 3,46 sv. año (contracción habitual de Lorentz)
• entre cohete y plato: 2,76 St. del año

Para aquellos interesados, juguemos algo de magia con fórmulas en un espacio de cuatro dimensiones.

Este tipo de problema se puede resolver cómodamente utilizando vectores de cuatro dimensiones. No hay que tenerles miedo, todo se hace mediante las operaciones más habituales del álgebra lineal. Además, nos movemos solo a lo largo de un eje, por lo que de cuatro coordenadas solo quedan dos: y .

A continuación acordaremos la notación simple. Calculamos la velocidad de la luz. igual a uno. Los físicos siempre hacemos esto. :) También solemos considerar la constante de Planck y la constante gravitacional como unidades. Esto no cambia la esencia, pero hace que escribir sea muchísimo más fácil.

Entonces, en aras de la compacidad de los registros, denotamos la omnipresente "raíz relativista" por el factor gamma, donde está la velocidad del cohete terrestre:

Ahora escribamos el vector en los componentes:

El componente superior es el tiempo, el inferior es la coordenada espacial. Los barcos parten simultáneamente en un sistema estacionario, por lo que la componente superior del vector es cero.

Ahora encontremos las coordenadas del punto en el sistema de coordenadas en movimiento, es decir . Para hacer esto, utilizamos una transformación a un sistema de referencia en movimiento. Se llama impulso y es muy sencillo de hacer. Cualquier vector debe multiplicarse por la matriz de impulso.

Multiplicar:

Como vemos, la componente tiempo de este vector es negativa. Esto significa que el punto desde el punto de vista de un cohete en movimiento está ubicado debajo del eje, es decir. en el pasado (como se puede ver en la figura anterior).

Encontremos el vector en el sistema estacionario. La componente temporal es un período de tiempo desconocido, la componente espacial es la distancia a la que se acerca la placa en el tiempo, moviéndose a velocidad:

Ahora el mismo vector en el sistema.

Encontremos la suma vectorial habitual.

¿Por qué equiparé esta suma de la derecha con tal vector? Por definición, el punto está en el eje, por lo que la componente de tiempo debe ser igual a cero y la componente espacial será la misma distancia requerida desde el cohete hasta la placa. De aquí obtenemos un sistema de dos ecuaciones simples- equiparamos los componentes temporales por separado y los espaciales por separado.

De la primera ecuación determinamos parámetro desconocido, sustitúyelo en la segunda ecuación y obtén . déjame bajar cálculos simples e inmediatamente escríbelo

Sustituyendo , obtenemos

En la escuela nos enseñaron que es imposible exceder la velocidad de la luz y, por lo tanto, el movimiento humano en el espacio exterior es grande. un problema insoluble(¿Cómo llegar al sistema solar más cercano si la luz sólo puede recorrer esta distancia en unos pocos miles de años?). Quizás los científicos estadounidenses hayan encontrado una manera de volar a súper velocidades, no solo sin hacer trampa, sino también siguiendo las leyes fundamentales de Albert Einstein. En cualquier caso, esto es lo que afirma el autor del proyecto del motor de deformación espacial, Harold White.

En la redacción consideramos que la noticia era absolutamente fantástica, por eso hoy, en vísperas del Día de la Cosmonáutica, publicamos un informe de Konstantin Kakaes para la revista Popular Science sobre un proyecto fenomenal de la NASA, si tiene éxito, una persona podrá ir más allá. sistema solar.

En septiembre de 2012, varios cientos de científicos, ingenieros y entusiastas del espacio se reunieron para la segunda reunión pública del grupo, llamada 100 Year Starship. El grupo está dirigido por ex astronauta May Jemison y fundó DARPA. El propósito de la conferencia es “hacer posible viaje humanos más allá del sistema solar a otras estrellas dentro de los próximos cien años". La mayoría de los participantes en la conferencia admiten que los avances en la exploración espacial tripulada son demasiado pequeños. A pesar de los miles de millones de dólares gastados en los últimos trimestres, las agencias espaciales pueden hacer casi tanto como lo hicieron en los años 1960. En realidad, se convocó a 100 Year Starship para solucionar todo esto.

Pero vayamos al grano. Después de unos días de conferencia, sus participantes abordaron los temas más fantásticos: la regeneración de órganos, el problema de la religión organizada a bordo de un barco, etc. Una de las presentaciones más interesantes en la reunión de los 100 años de Starship se llamó "Strain Field Mechanics 102" y fue realizada por Harold "Sonny" White de la NASA. White, un veterano de la agencia, dirige el programa de impulso avanzado de la empresa. Centro espacial Johnson (JSC). Junto con cinco colegas creó " Mapa vial sistemas de propulsión espacial”, que expresa los objetivos de la NASA en el futuro próximo viaje espacial. El plan enumera todo tipo de proyectos de propulsión, desde cohetes químicos avanzados hasta desarrollos de gran alcance como la antimateria o maquinas nucleares. Pero el área de investigación de White es la más futurista de todas: se trata del motor de deformación espacial.

Está claro que todo esto suena absolutamente fantástico: estos acontecimientos son verdadera revolución, que desatará las manos de todos los astrofísicos del mundo. En lugar de pasar 75 mil años viajando a Alfa Centauri, el planeta más cercano al nuestro sistema estrella, los astronautas a bordo de una nave con dicho motor podrán completar este viaje en un par de semanas.

A la luz del fin del programa de transbordadores y del creciente papel de los vuelos privados a la órbita terrestre baja, la NASA dice que se está volviendo a centrar en planes de mayor alcance y mucho más audaces que van mucho más allá de los viajes a la luna. Estos objetivos sólo pueden lograrse mediante el desarrollo de nuevos sistemas motores: cuanto más rápido, mejor. Unos días después de la conferencia, el director de la NASA, Charles Bolden, repitió las palabras de White: "Queremos viajar más rápido que la velocidad de la luz y sin detenernos en Marte".

¿CÓMO SABEMOS DE ESTE MOTOR?

El primer uso popular de la expresión "motor de deformación espacial" se remonta a 1966, cuando Jen Roddenberry lanzó " Star Trek" Durante los siguientes 30 años, este motor existió sólo como parte de esta serie de ciencia ficción. Un físico llamado Miguel Alcubierre vio un episodio de esta serie justo cuando estaba trabajando en su doctorado en la materia. teoria general relatividad y se preguntó si en realidad era posible crear un motor de deformación espacial. En 1994 publicó un documento en el que perfilaba esta posición.

Alcubierre imaginó una burbuja en el espacio. En la parte delantera de la burbuja, el espacio-tiempo se contrae y en la parte trasera se expande (como fue el caso de Big Bang, según los físicos). La deformación hará que la nave se deslice suavemente por el espacio, como si estuviera surfeando una ola, a pesar de ruido ambiental. En principio, una burbuja deformada puede moverse tan rápido como se desee; Las limitaciones en la velocidad de la luz, según la teoría de Einstein, se aplican sólo en el contexto del espacio-tiempo, pero no en tales distorsiones del espacio-tiempo. Dentro de la burbuja, como supuso Alcubierre, el espacio-tiempo no cambiaría y los viajeros espaciales no sufrirían ningún daño.

Las ecuaciones de Einstein en relatividad general son difíciles de resolver en una dirección descubriendo cómo la materia curva el espacio, pero es factible. Utilizándolos, Alcubierre determinó que la distribución de la materia es una condición necesaria para la creación de una burbuja deformada. El único problema es que las soluciones condujeron a una forma indeterminada de materia llamada energía negativa.

En términos simples, la gravedad es la fuerza de atracción entre dos objetos. Cada objeto, independientemente de su tamaño, ejerce alguna fuerza de atracción sobre la materia que lo rodea. Según Einstein, esta fuerza es la curvatura del espacio-tiempo. La energía negativa, sin embargo, es gravitacionalmente negativa, es decir, repulsiva. En lugar de conectar el tiempo y el espacio, la energía negativa los aleja y los separa. En términos generales, para que un modelo de este tipo funcione, Alcubierre necesita energía negativa para expandir el espacio-tiempo detrás de la nave.

A pesar de que nadie ha medido realmente la energía negativa, según la mecánica cuántica existe y los científicos han aprendido a crearla en condiciones de laboratorio. Una forma de recrearlo es mediante el efecto Casimir: dos placas conductoras paralelas colocadas una cerca de la otra crean una cierta cantidad de energía negativa. El punto débil del modelo de Alcubierre es que requiere una enorme cantidad de energía negativa, varios órdenes de magnitud superior a la que los científicos estiman que se puede producir.

White dice que ha encontrado una manera de sortear esta limitación. En una simulación por computadora, White modificó la geometría del campo de deformación para que, en teoría, pudiera producir una burbuja deformada usando millones de veces menos energía negativa de la que Alcubierre estimó necesaria, y quizás lo suficiente como para que una nave espacial pudiera transportar los medios para producirla. "Los descubrimientos", dice White, "cambian el método de Alcubierre de poco práctico a completamente plausible".

INFORME DEL LABORATORIO DE WHITE

El Centro Espacial Johnson está ubicado cerca de las lagunas de Houston, con vista a la Bahía de Galveston. El centro es un poco como un campus universitario suburbano, cuyo único objetivo es entrenar astronautas. El día de mi visita, White se reúne conmigo en el Edificio 15, un laberinto de pasillos, oficinas y laboratorios de varios pisos donde se llevan a cabo pruebas de motores. White lleva un polo Eagleworks (como él llama a sus experimentos con motores), bordado con un águila volando sobre una nave espacial futurista.

White comenzó su carrera como ingeniero, realizando investigaciones como parte de un grupo de robótica. Finalmente tomó el mando de toda el ala robótica de la ISS mientras terminaba su doctorado en física del plasma. No fue hasta 2009 que cambió su interés por el estudio del movimiento, y este tema lo cautivó tanto que se convirtió en la razón principal por la que fue a trabajar para la NASA.

"Él es bastante persona inusual, afirma su jefe John Applewhite, que dirige la división de sistemas de propulsión. - Definitivamente es un gran soñador, pero al mismo tiempo un ingeniero talentoso. Sabe cómo convertir sus fantasías en un verdadero producto de ingeniería”. Casi al mismo tiempo que se unió a la NASA, White pidió permiso para abrir su propio laboratorio dedicado a sistemas de propulsión avanzados. A él mismo se le ocurrió el nombre Eagleworks e incluso pidió a la NASA que creara un logotipo para su especialización. Entonces comenzó este trabajo.

White me lleva a su oficina, que comparte con un colega que busca agua en la luna, y luego a Eagleworks. Mientras camina, me cuenta sobre su petición de abrir un laboratorio y lo llama “el largo y arduo proceso de encontrar un movimiento avanzado que ayude al hombre a explorar el espacio”.

White me muestra el objeto y lo muestra. función central- algo que él llama "propulsión cuántica de plasma al vacío" (QVPT). Este dispositivo parece un enorme donut de terciopelo rojo con cables firmemente enrollados alrededor del núcleo. Esta es una de las dos iniciativas de Eagleworks (la otra es el warp drive). Este también es un desarrollo secreto. Cuando le pregunto qué es, White dice que todo lo que puede decir es que la tecnología es incluso más genial que el motor warp). Según un informe de la NASA de 2011 escrito por White, la nave utiliza fluctuaciones cuánticas en el espacio vacío como fuente de combustible, lo que significa que una nave espacial propulsada por QVPT no necesitaría combustible.

El motor utiliza fluctuaciones cuánticas en el espacio vacío como fuente de combustible,
lo que significa una nave espacial,
Impulsado por QVPT, no requiere combustible.

Cuando el dispositivo está funcionando, el sistema de White parece cinematográficamente perfecto: el color del láser es rojo y los dos rayos están cruzados como sables. Dentro del anillo hay cuatro condensadores cerámicos hechos de titanato de bario, que White carga a 23.000 voltios. White ha pasado los últimos dos años y medio desarrollando el experimento y dice que los condensadores muestran enormes energía potencial. Sin embargo, cuando le pregunto cómo crear la energía negativa necesaria para el espacio-tiempo deformado, evita responder. Explica que firmó un acuerdo de confidencialidad y por lo tanto no puede revelar detalles. Le pregunto con quién hizo estos acuerdos. Él dice: “Con la gente. Vienen y quieren hablar. No puedo darte más detalles”.

OPONENTES A LA IDEA DEL MOTOR

Hasta ahora, la teoría del viaje deformado es bastante intuitiva (deformar el tiempo y el espacio para crear una burbuja en movimiento) y tiene algunos defectos importantes. Incluso si White redujera significativamente la cantidad de energía negativa requerida por Alcubierre, aún requeriría más de la que los científicos pueden producir, dice Lawrence Ford, físico teórico de la Universidad de Tufts que ha escrito numerosos artículos sobre el tema de la energía negativa durante los últimos 30 años. . Ford y otros físicos dicen que existen limitaciones físicas fundamentales, no tanto debido a imperfecciones de ingeniería como al hecho de que esta cantidad de energía negativa no puede existir en un lugar por mucho tiempo.

Otro desafío: para crear una bola warp que viaje más rápido que la luz, los científicos necesitarán generar energía negativa alrededor y por encima de la nave espacial. White no cree que esto sea un problema; él responde muy vagamente que lo más probable es que el motor funcione gracias a algún “aparato existente que crea las condiciones necesarias" Sin embargo, crear estas condiciones delante de la nave significaría proporcionar un suministro constante de energía negativa que viajaría más rápido que la velocidad de la luz, lo que nuevamente contradice la relatividad general.

Finalmente, el motor de deformación espacial plantea una cuestión conceptual. En la relatividad general, viajar a velocidades superluminales equivale a viajar en el tiempo. Si tal motor es real, White creará una máquina del tiempo.

Estos obstáculos suscitan serias dudas. "No creo que la física que conocemos y las leyes de la física nos permitan creer que logrará algo con sus experimentos", dice Ken Olum, físico de la Universidad de Tufts, que también participó en el exótico debate sobre propulsión en el Starship 100th. Reunión de aniversario ". Noah Graham, un físico del Middlebury College que leyó dos artículos de White a petición mía, me envió un correo electrónico: "No veo ninguna evidencia científica valiosa aparte de las referencias a sus trabajos anteriores".

Alcubierre, ahora físico de la Universidad Nacional Autónoma de México, tiene sus propias dudas. “Incluso si estuviera parado en una nave espacial y tuviera energía negativa disponible, no había manera de ponerla donde necesitaba estar”, me dice por teléfono desde su casa en la Ciudad de México. - No, la idea es mágica, me gusta, la escribí yo mismo. Pero hay un par de deficiencias graves que puedo ver ahora, a lo largo de los años, y no conozco una sola manera de solucionarlas”.

EL FUTURO DE LA SUPERVELOCIDAD

A la izquierda de la puerta principal del Centro de Ciencias Johnson, un cohete Saturn V yace de lado, con sus etapas separadas para mostrar su contenido interno. Es gigantesco: del tamaño de uno de muchos motores. igual al tamaño auto pequeño, y el cohete en sí es un par de pies más largo que un campo de fútbol. Esto, por supuesto, es una prueba bastante elocuente de las peculiaridades de la navegación espacial. Además, tiene 40 años y la época que representa, cuando la NASA formaba parte de un enorme plan nacional para enviar al hombre a la Luna, ya pasó. Hoy en día, JSC es simplemente un lugar que alguna vez fue grandioso, pero que desde entonces ha abandonado la vanguardia espacial.

Un gran avance en movimiento podría significar una nueva era para JSC y la NASA y, hasta cierto punto, parte de esa era está comenzando ahora. La sonda Dawn, lanzada en 2007, estudia el anillo de asteroides utilizando motores de iones. En 2010, los japoneses encargaron Ícaro, el primer interplanetario. nave estelar, propulsado por una vela solar, otro tipo de propulsión experimental. Y en 2016, los científicos planean probar VASMIR, un sistema propulsado por plasma creado específicamente para un alto empuje de propulsión en la ISS. Pero aunque estos sistemas puedan transportar astronautas a Marte, todavía no podrán llevarlos más allá del sistema solar. Para lograr esto, dijo White, la NASA necesitará asumir proyectos más riesgosos.

El impulso warp es quizás el más descabellado de los esfuerzos de Nas para crear proyectos de movimiento. La comunidad científica dice que White no puede crearlo. Los expertos dicen que va en contra de las leyes de la naturaleza y la física. A pesar de ello, la NASA está detrás del proyecto. “Está subsidiado al nivel equivocado nivel estatal, que deberían tener”, dice Applewhite. - Creo que la dirección tiene especial interés en que continúe con su trabajo; Este es uno de esos conceptos teóricos, si tiene éxito, el juego cambia por completo”.

En enero, White montó su interferómetro de tensión y pasó a su siguiente objetivo. Eagleworks se ha quedado pequeño propia casa. El nuevo laboratorio es más grande y, según declara con entusiasmo, está “aislado sísmicamente”, lo que significa que está protegido de las vibraciones. Pero quizás lo mejor del nuevo laboratorio (y lo más impresionante) es que la NASA le dio a White las mismas condiciones que Neil Armstrong y Buzz Aldrin tuvieron en la Luna. Bien, veamos.

La velocidad es mayor que la velocidad de la luz en el vacío: esto es una realidad. La teoría de la relatividad de Einstein sólo prohíbe la transmisión de información superluminal. Por tanto, hay bastantes casos en los que los objetos pueden moverse más rápido que la luz y no romper nada. Empecemos por las sombras y los rayos de sol.

Si creas una sombra en una pared distante con un dedo sobre el que iluminas una linterna y luego mueves el dedo, la sombra se mueve mucho más rápido que tu dedo. Si la pared está muy lejos, entonces el movimiento de la sombra irá por detrás del movimiento del dedo, ya que la luz aún tendrá que llegar desde el dedo hasta la pared, pero aún así la velocidad de la sombra será la misma. número de veces mayor. Es decir, la velocidad de la sombra no está limitada por la velocidad de la luz.

Además de las sombras, los rayos del sol también pueden moverse más rápido que la luz. Por ejemplo, una mota de un rayo láser dirigido a la Luna. La distancia a la Luna es de 385.000 km. Si mueve el láser ligeramente, moviéndolo apenas 1 cm, tendrá tiempo de cruzar la Luna a una velocidad aproximadamente un tercio más rápida que la de la luz.

Cosas similares pueden suceder en la naturaleza. Por ejemplo, un rayo de luz de un púlsar, estrella neutrón, puede atravesar una nube de polvo. Un destello brillante crea una capa de luz u otra radiación en expansión. Cuando cruza la superficie de la nube, crea un anillo de luz que crece más rápido que la velocidad de la luz.

Todos estos son ejemplos de cosas que se mueven más rápido que la luz, pero que no eran cuerpos fisicos. Es imposible transmitir un mensaje superlumínico utilizando una sombra o un conejito, por lo que la comunicación más rápida que la luz no funciona.

Y aquí hay un ejemplo asociado con los cuerpos físicos. De cara al futuro, digamos que, nuevamente, los mensajes superluminales no funcionarán.

En un marco de referencia asociado con un cuerpo en rotación, los objetos distantes pueden moverse a velocidades superluminales. Por ejemplo, Alfa Centauri, en el marco de referencia de la Tierra, se mueve a más de 9.600 veces la velocidad de la luz, "recorriendo" una distancia de unos 26 años luz por día. Y exactamente el mismo ejemplo con la Luna. Párate frente a él y gira alrededor de tu eje en un par de segundos. Durante este tiempo, giró a tu alrededor unos 2,4 millones de kilómetros, es decir, 4 veces más rápido que la velocidad de la luz. Ja, ja, dices, no era ella la que giraba, sino yo... Y recuerda que en la teoría de la relatividad todos los sistemas de referencia son independientes, incluidos los giratorios. Entonces, ¿de qué lado deberías mirar...?

¿Entonces, qué debemos hacer? Bueno, de hecho, aquí no hay contradicciones, porque nuevamente, este fenómeno no se puede utilizar para la transmisión de mensajes superluminales. Además, cabe destacar que en sus proximidades la Luna no supera la velocidad de la luz. Es decir, todas las prohibiciones de exceder la velocidad local de la luz están impuestas en la teoría general de la relatividad.