25 mars 2017

Les voyages FTL sont l’un des fondements de la science-fiction spatiale. Cependant, probablement tout le monde - même les gens éloignés de la physique - sait que la vitesse maximale possible de déplacement d'objets matériels ou de propagation de tout signal est la vitesse de la lumière dans le vide. Il est désigné par la lettre c et atteint près de 300 000 kilomètres par seconde ; valeur exacte c = 299 792 458 m/s.

La vitesse de la lumière dans le vide est l'une des valeurs fondamentales constantes physiques. L'impossibilité d'atteindre des vitesses supérieures à c découle de théorie spéciale relativité (SRT) d'Einstein. S’il était possible de prouver que la transmission de signaux à des vitesses supraluminiques est possible, la théorie de la relativité échouerait. Jusqu'à présent, cela ne s'est pas produit, malgré de nombreuses tentatives pour réfuter l'interdiction de l'existence de vitesses supérieures à c. Cependant, des études expérimentales récentes ont révélé des phénomènes très intéressants, indiquant que dans des conditions spécialement créées, des vitesses supraluminiques peuvent être observées sans violer les principes de la théorie de la relativité.

Pour commencer, rappelons les principaux aspects liés au problème de la vitesse de la lumière.

Tout d’abord : pourquoi est-il impossible (dans des conditions normales) de dépasser la limite de luminosité ? Car alors la loi fondamentale de notre monde est violée - la loi de causalité, selon laquelle l'effet ne peut précéder la cause. Personne n'a jamais observé que, par exemple, un ours tombait d'abord mort, puis que le chasseur tirait. À des vitesses supérieures à c, la séquence des événements s'inverse, la bande temporelle est rembobinée. Ceci est facile à vérifier à partir du raisonnement simple suivant.

Supposons que nous soyons à bord d'une sorte de vaisseau spatial miracle, en mouvement plus rapide que la lumière. Ensuite, nous rattraperions progressivement la lumière émise par la source à des moments de plus en plus précoces. Premièrement, nous rattraperions les photons émis, disons, hier, puis ceux émis avant-hier, puis une semaine, un mois, un an, et ainsi de suite. Si la source de lumière était un miroir reflétant la vie, alors nous verrions d’abord les événements d’hier, puis d’avant-hier, et ainsi de suite. Nous pourrions voir, disons, un vieil homme qui se transforme peu à peu en un homme d'âge moyen, puis en un jeune homme, en un adolescent, en un enfant... Autrement dit, le temps reviendrait en arrière, nous passerions du présent au le passé. Les causes et les effets changeraient alors de place.

Bien que cette discussion ignore complètement les détails techniques du processus d'observation de la lumière, d'un point de vue fondamental, elle démontre clairement que le mouvement à des vitesses supraluminiques conduit à une situation impossible dans notre monde. Cependant, la nature a posé des conditions encore plus strictes : le mouvement non seulement à une vitesse supraluminique est inaccessible, mais aussi à une vitesse égale à la vitesse de la lumière - on ne peut que s'en approcher. De la théorie de la relativité, il résulte que lorsque la vitesse de déplacement augmente, trois circonstances surviennent : la masse d'un objet en mouvement augmente, sa taille dans la direction du mouvement diminue et l'écoulement du temps sur cet objet ralentit (à partir du point de vue d’un observateur externe « au repos »). Aux vitesses ordinaires, ces changements sont négligeables, mais à mesure que l'on s'approche de la vitesse de la lumière, ils deviennent de plus en plus perceptibles, et à la limite - à une vitesse égale à c - la masse devient infiniment grande, l'objet perd complètement de la taille dans la direction du mouvement et le temps s'y arrête. Aucun corps matériel ne peut donc atteindre la vitesse de la lumière. Seule la lumière elle-même a une telle vitesse ! (Et aussi une particule « pénétrante » - un neutrino qui, comme un photon, ne peut pas se déplacer à une vitesse inférieure à c.)

Parlons maintenant de la vitesse de transmission du signal. Il convient ici d'utiliser la représentation de la lumière sous forme d'ondes électromagnétiques. Qu'est-ce qu'un signal ? Ce sont des informations qui doivent être transmises. Une onde électromagnétique idéale est une sinusoïde infinie d'une seule fréquence et elle ne peut véhiculer aucune information, car chaque période d'une telle sinusoïde répète exactement la précédente. La vitesse de déplacement de la phase d'une onde sinusoïdale - dite vitesse de phase - peut, dans certaines conditions, dépasser la vitesse de la lumière dans le vide dans un milieu. Il n'y a aucune restriction ici, puisque la vitesse de phase n'est pas la vitesse du signal - elle n'existe pas encore. Pour créer un signal, vous devez faire une sorte de « marque » sur l'onde. Une telle marque peut être, par exemple, un changement dans l'un des paramètres de l'onde - amplitude, fréquence ou phase initiale. Mais dès que la marque est faite, l'onde perd sa sinusoïdalité. Il devient modulé, constitué d'un ensemble d'ondes sinusoïdales simples avec différentes amplitudes, fréquences et phases initiales - un groupe d'ondes. La vitesse à laquelle la marque se déplace dans l'onde modulée est la vitesse du signal. Lors de la propagation dans un milieu, cette vitesse coïncide généralement avec la vitesse de groupe, qui caractérise la propagation du groupe d'ondes susmentionné dans son ensemble (voir « Science et Vie » n° 2, 2000). Dans des conditions normales, la vitesse de groupe, et donc la vitesse du signal, est inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Ce n'est pas un hasard si l'expression « dans des conditions normales » est utilisée ici, car dans certains cas, la vitesse de groupe peut dépasser c ou même perdre son sens, mais elle ne fait alors pas référence à la propagation du signal. La station service établit qu'il est impossible de transmettre un signal à une vitesse supérieure à c.

Pourquoi est-ce ainsi ? Car l’obstacle à la transmission de tout signal à une vitesse supérieure à c est la même loi de causalité. Imaginons une telle situation. À un moment donné A, un flash lumineux (événement 1) allume un appareil envoyant un certain signal radio, et à un point distant B, sous l'influence de ce signal radio, une explosion se produit (événement 2). Il est clair que l'événement 1 (éruption) en est la cause et que l'événement 2 (explosion) est la conséquence qui se produit. raisons ultérieures. Mais si le signal radio se propageait à une vitesse supraluminique, un observateur proche du point B verrait d'abord une explosion, et ensuite seulement la cause de l'explosion qui l'atteindrait à la vitesse d'un éclair lumineux. Autrement dit, pour cet observateur, l’événement 2 se serait produit plus tôt que l’événement 1, c’est-à-dire que l’effet aurait précédé la cause.

Il convient de souligner que « l’interdiction supraluminique » de la théorie de la relativité ne s’applique qu’au mouvement des corps matériels et à la transmission des signaux. Dans de nombreuses situations, un mouvement à n'importe quelle vitesse est possible, mais il ne s'agira pas du mouvement d'objets matériels ou de signaux. Par exemple, imaginez deux règles assez longues situées dans le même plan, dont l'une est située horizontalement et l'autre le coupe sous un petit angle. Si la première règle est déplacée vers le bas (dans le sens indiqué par la flèche) avec grande vitesse, le point d'intersection des lignes peut être amené à courir aussi vite que vous le souhaitez, mais ce point n'est pas un corps matériel. Autre exemple : si vous prenez une lampe de poche (ou, disons, un laser qui produit un faisceau étroit) et décrivez rapidement un arc dans l'air, alors vitesse linéaire Le faisceau lumineux augmentera avec la distance et, à une distance suffisamment grande, dépassera c. La tache lumineuse se déplacera entre les points A et B à une vitesse supraluminique, mais il ne s'agira pas d'une transmission de signal de A à B, car une telle tache lumineuse ne transporte aucune information sur le point A.

Il semblerait que la question des vitesses supraluminiques soit résolue. Mais dans les années 60 du XXe siècle, des physiciens théoriciens ont avancé l'hypothèse de l'existence de particules supraluminales appelées tachyons. Ce sont des particules très étranges : théoriquement, elles sont possibles, mais pour éviter des contradictions avec la théorie de la relativité, il a fallu leur attribuer une masse au repos imaginaire. Physiquement, la masse imaginaire n’existe pas ; c’est une abstraction purement mathématique. Cependant, cela n'a pas suscité beaucoup d'inquiétude, car les tachyons ne peuvent pas être au repos - ils n'existent (s'ils existent !) qu'à des vitesses supérieures à la vitesse de la lumière dans le vide, et dans ce cas, la masse des tachyons s'avère réelle. Il y a ici une certaine analogie avec les photons : un photon a une masse au repos nulle, mais cela signifie simplement que le photon ne peut pas être au repos - la lumière ne peut pas être arrêtée.

Le plus difficile, comme on pouvait s’y attendre, s’est avéré être de concilier l’hypothèse des tachyons avec la loi de causalité. Les tentatives faites dans ce sens, bien qu’assez ingénieuses, n’ont pas abouti à un succès évident. Personne n’a non plus pu enregistrer expérimentalement des tachyons. En conséquence, l’intérêt porté aux tachyons en tant que particules élémentaires supraluminales s’est progressivement estompé.

Cependant, dans les années 60, un phénomène a été découvert expérimentalement, ce qui a d'abord dérouté les physiciens. Ceci est décrit en détail dans l'article de A. N. Oraevsky « Super ondes lumineuses dans les médias amplificateurs" (UFN n° 12, 1998). Nous résumerons ici brièvement l'essence du sujet, en renvoyant le lecteur intéressé par les détails à l'article indiqué.

Peu de temps après la découverte des lasers - au début des années 60 - le problème s'est posé d'obtenir des impulsions lumineuses courtes (d'une durée d'environ 1 ns = 10-9 s) de haute puissance. Pour ce faire, une courte impulsion laser a été transmise à travers un amplificateur quantique optique. L'impulsion a été divisée en deux parties par un miroir diviseur de faisceau. L'un d'eux, plus puissant, était envoyé à l'amplificateur, et l'autre se propageait dans l'air et servait d'impulsion de référence avec laquelle on pouvait comparer l'impulsion traversant l'amplificateur. Les deux impulsions étaient transmises à des photodétecteurs et leurs signaux de sortie pouvaient être observés visuellement sur l'écran de l'oscilloscope. On s'attendait à ce que l'impulsion lumineuse traversant l'amplificateur connaisse un certain retard par rapport à l'impulsion de référence, c'est-à-dire que la vitesse de propagation de la lumière dans l'amplificateur serait inférieure à celle dans l'air. Imaginez l'étonnement des chercheurs lorsqu'ils ont découvert que l'impulsion se propageait à travers l'amplificateur à une vitesse non seulement supérieure à celle de l'air, mais également plusieurs fois supérieure à la vitesse de la lumière dans le vide !

Après s'être remis du premier choc, les physiciens ont commencé à chercher la raison d'un résultat aussi inattendu. Personne n'avait le moindre doute sur les principes de la théorie de la relativité restreinte, et c'est ce qui a permis de trouver l'explication correcte : si les principes de la SRT sont préservés, alors la réponse doit être recherchée dans les propriétés du milieu amplificateur.

Sans entrer ici dans les détails, nous signalerons seulement que analyse détaillée le mécanisme d'action du milieu stimulant a complètement clarifié la situation. Il s'agissait d'un changement dans la concentration de photons lors de la propagation de l'impulsion - un changement provoqué par un changement du gain du milieu jusqu'à une valeur négative lors du passage de la partie arrière de l'impulsion, lorsque le milieu absorbe déjà énergie, car sa propre réserve a déjà été épuisée en raison de son transfert vers l'impulsion lumineuse. L'absorption provoque non pas une augmentation, mais un affaiblissement de l'impulsion, et ainsi l'impulsion est renforcée dans la partie avant et affaiblie dans la partie arrière. Imaginons que nous observions une impulsion à l'aide d'un appareil se déplaçant à la vitesse de la lumière dans le milieu amplificateur. Si le médium était transparent, on verrait l’impulsion figée dans l’immobilité. Dans l'environnement dans lequel se produit le processus mentionné ci-dessus, le renforcement du front d'attaque et l'affaiblissement du front de fuite de l'impulsion apparaîtront à l'observateur de telle manière que le milieu semble avoir fait avancer l'impulsion. Mais puisque l'appareil (l'observateur) se déplace à la vitesse de la lumière et que l'impulsion le dépasse, alors la vitesse de l'impulsion dépasse la vitesse de la lumière ! C'est cet effet qui a été enregistré par les expérimentateurs. Et ici, il n'y a vraiment aucune contradiction avec la théorie de la relativité : le processus d'amplification est simplement tel que la concentration de photons sortis plus tôt s'avère supérieure à ceux sortis plus tard. Ce ne sont pas les photons qui se déplacent à des vitesses supraluminiques, mais l'enveloppe de l'impulsion, notamment son maximum, qui est observée sur un oscilloscope.

Ainsi, alors que dans les milieux ordinaires il y a toujours un affaiblissement de la lumière et une diminution de sa vitesse, déterminée par l'indice de réfraction, dans les milieux laser actifs il y a non seulement une amplification de la lumière, mais aussi la propagation d'une impulsion à une vitesse supraluminique.

Certains physiciens ont tenté de prouver expérimentalement la présence d'un mouvement supraluminique lors de l'effet tunnel - l'un des phénomènes les plus fréquents. phénomènes étonnants en mécanique quantique. Cet effet consiste dans le fait qu'une microparticule (plus précisément un microobjet, en conditions différentes présentant à la fois des propriétés de particules et d'ondes) est capable de pénétrer ce que l'on appelle la barrière de potentiel - un phénomène totalement impossible dans mécanique classique(dans laquelle l'analogie serait la situation suivante : une balle lancée contre un mur finirait de l'autre côté du mur, ou le mouvement ondulatoire imparti à une corde attachée au mur serait transféré à une corde attachée à le mur de l'autre côté). Essence effet tunnel en mécanique quantique est la suivante. Si un micro-objet doté d'une certaine énergie rencontre sur son chemin une zone dont l'énergie potentielle dépasse l'énergie du micro-objet, cette zone constitue pour lui une barrière dont la hauteur est déterminée par la différence d'énergie. Mais le micro-objet « fuit » à travers la barrière ! Cette possibilité lui est offerte par la célèbre relation d'incertitude de Heisenberg, écrite pour l'énergie et le temps d'interaction. Si l'interaction d'un microobjet avec une barrière se produit sur un temps assez certain, alors l'énergie du microobjet sera au contraire caractérisée par une incertitude, et si cette incertitude est de l'ordre de la hauteur de la barrière, alors la cette dernière cesse d'être un obstacle insurmontable pour le microobjet. C'est la vitesse de pénétration à travers la barrière de potentiel qui a fait l'objet de recherches de la part de nombreux physiciens, qui estiment qu'elle peut dépasser c.

En juin 1998, un colloque international sur les problèmes du mouvement supraluminique s'est tenu à Cologne, au cours duquel les résultats obtenus dans quatre laboratoires - à Berkeley, Vienne, Cologne et Florence - ont été discutés.

Et enfin, en 2000, des rapports sont apparus sur deux nouvelles expériences dans lesquelles sont apparus les effets de la propagation supraluminique. L'une d'elles a été réalisée par Lijun Wong et ses collègues du Princeton Research Institute (États-Unis). Son résultat est qu'une impulsion lumineuse entrant dans une chambre remplie de vapeur de césium augmente sa vitesse de 300 fois. Il s'est avéré que la majeure partie de l'impulsion sortait de la paroi arrière de la chambre encore plus tôt que l'impulsion n'entrait dans la chambre par la paroi avant. Cette situation contredit non seulement bon sens, mais, en substance, la théorie de la relativité.

Le message de L. Wong a suscité d'intenses discussions parmi les physiciens, dont la plupart n'étaient pas enclins à voir dans les résultats obtenus une violation des principes de la relativité. Le défi, estiment-ils, est d’expliquer correctement cette expérience.

Dans l'expérience de L. Wong, l'impulsion lumineuse entrant dans la chambre avec de la vapeur de césium avait une durée d'environ 3 μs. Les atomes de césium peuvent exister dans seize états mécaniques quantiques possibles, appelés « sous-niveaux magnétiques hyperfins de l’état fondamental ». Grâce au pompage optique laser, presque tous les atomes ont été amenés dans un seul de ces seize états, correspondant au zéro quasi absolu de température sur l’échelle Kelvin (-273,15°C). La longueur de la chambre à césium était de 6 centimètres. Dans le vide, la lumière parcourt 6 centimètres en 0,2 ns. Comme l'ont montré les mesures, l'impulsion lumineuse a traversé la chambre contenant du césium en un temps inférieur de 62 ns à celui du vide. Autrement dit, le temps nécessaire à une impulsion pour traverser un milieu césium a un signe moins ! En effet, si l’on soustrait 62 ns à 0,2 ns, on obtient un temps « négatif ». Ce "retard négatif" dans le milieu - un saut temporel incompréhensible - est égal au temps pendant lequel l'impulsion ferait 310 passages dans l'enceinte sous vide. La conséquence de ce « renversement temporel » était que l’impulsion sortant de la chambre parvenait à s’éloigner de 19 mètres avant que l’impulsion entrante n’atteigne la paroi proche de la chambre. Comment expliquer un tel situation incroyable(à moins bien sûr que vous doutiez de la pureté de l’expérience) ?

À en juger par la discussion en cours, une explication exacte n'a pas encore été trouvée, mais il ne fait aucun doute que les propriétés de dispersion inhabituelles du milieu jouent ici un rôle : la vapeur de césium, constituée d'atomes excités par la lumière laser, est un milieu avec une dispersion anormale . Rappelons brièvement de quoi il s'agit.

La dispersion d'une substance est la dépendance de l'indice de réfraction de phase (ordinaire) n sur la longueur d'onde de la lumière l. Avec une dispersion normale, l'indice de réfraction augmente avec la diminution de la longueur d'onde, et c'est le cas du verre, de l'eau, de l'air et de toutes les autres substances transparentes à la lumière. Dans les substances qui absorbent fortement la lumière, l'évolution de l'indice de réfraction avec un changement de longueur d'onde est inversée et devient beaucoup plus raide : avec une diminution de l (fréquence w croissante), l'indice de réfraction diminue fortement et dans une certaine région de longueur d'onde devient inférieur à l'unité ( vitesse de phase Vf > s ). Il s’agit d’une dispersion anormale dans laquelle le modèle de propagation de la lumière dans une substance change radicalement. La vitesse de groupe Vgr devient supérieure à la vitesse de phase des ondes et peut dépasser la vitesse de la lumière dans le vide (et devenir également négative). L. Wong souligne cette circonstance comme la raison qui sous-tend la possibilité d'expliquer les résultats de son expérience. Il faut cependant noter que la condition Vgr > c est purement formelle, puisque la notion de vitesse de groupe a été introduite pour le cas de faible dispersion (normale), pour des milieux transparents, lorsqu'un groupe d'ondes ne change quasiment pas de forme. lors de la propagation. Dans les régions de dispersion anormale, l'impulsion lumineuse se déforme rapidement et la notion de vitesse de groupe perd son sens ; dans ce cas, les notions de vitesse du signal et de vitesse de propagation de l'énergie sont introduites, qui dans les milieux transparents coïncident avec la vitesse de groupe, et dans les milieux à absorption restent inférieures à la vitesse de la lumière dans le vide. Mais voici ce qui est intéressant dans l'expérience de Wong : une impulsion lumineuse, traversant un milieu à dispersion anormale, n'est pas déformée - elle conserve exactement sa forme ! Et cela correspond à l’hypothèse selon laquelle l’impulsion se propage avec une vitesse de groupe. Mais si tel est le cas, alors il s'avère qu'il n'y a pas d'absorption dans le milieu, alors que la dispersion anormale du milieu est précisément due à l'absorption ! Wong lui-même, tout en reconnaissant que beaucoup de choses restent floues, estime que ce qui se passe dans son configuration expérimentale peut être, en première approximation, clairement expliqué comme suit.

Une impulsion lumineuse se compose de nombreux composants de différentes longueurs d'onde (fréquences). La figure montre trois de ces composantes (vagues 1 à 3). À un moment donné, les trois ondes sont en phase (leurs maxima coïncident) ; ici, ils s'additionnent, se renforcent mutuellement et forment une impulsion. Au fur et à mesure que les ondes continuent de se propager dans l’espace, elles se déphasent et ainsi « s’annulent ».

Dans la région de dispersion anormale (à l’intérieur de la cellule à césium), l’onde qui était plus courte (vague 1) devient plus longue. A l’inverse, la vague qui était la plus longue des trois (vague 3) devient la plus courte.

Par conséquent, les phases des vagues changent en conséquence. Une fois les ondes traversées par la cellule à césium, leurs fronts d'ondes sont restaurés. Ayant subi une modulation de phase inhabituelle dans une substance à dispersion anormale, les trois ondes en question se retrouvent à nouveau en phase à un moment donné. Ici, ils s'additionnent à nouveau et forment une impulsion exactement de la même forme que celle entrant dans le milieu césium.

Généralement dans les airs et en fait dans tout environnement transparent avec dispersion normale une impulsion lumineuse ne peut pas conserver avec précision sa forme lorsqu'elle se propage sur une distance éloignée, c'est-à-dire que tous ses composants ne peuvent pas être mis en phase en un point éloigné le long du chemin de propagation. Et dans des conditions normales, une impulsion lumineuse apparaît à un point aussi éloigné après un certain temps. Cependant, en raison des propriétés anormales du milieu utilisé dans l'expérience, l'impulsion à un point éloigné s'est avérée être phasée de la même manière que lors de son entrée dans ce milieu. Ainsi, l’impulsion lumineuse se comporte comme si elle avait un retard négatif sur son chemin vers un point éloigné, c’est-à-dire qu’elle y arriverait non pas plus tard, mais plus tôt qu’elle n’aurait traversé le milieu !

La plupart des physiciens sont enclins à associer ce résultat à l'apparition d'un précurseur de faible intensité dans le milieu dispersif de l'enceinte. Le fait est que lorsque décomposition spectrale impulsion dans le spectre, il y a des composantes de fréquences arbitrairement élevées avec une amplitude négligeable, ce qu'on appelle le précurseur, qui précèdent la « partie principale » de l'impulsion. La nature de l'implantation et la forme du précurseur dépendent de la loi de dispersion dans le milieu. En gardant cela à l’esprit, il est proposé d’interpréter la séquence d’événements de l’expérience de Wong comme suit. La vague entrante, « étirant » le signe avant-coureur devant elle, s'approche de la caméra. Avant que le pic de l’onde entrante n’atteigne la paroi proche de la chambre, le précurseur déclenche l’apparition d’une impulsion dans la chambre, qui atteint la paroi éloignée et y est réfléchie, formant une « onde inverse ». Cette onde, se propageant 300 fois plus vite que c, atteint la paroi proche et rencontre l'onde entrante. Les sommets d’une vague rencontrent les creux d’une autre, de sorte qu’ils se détruisent mutuellement et qu’il ne reste donc plus rien. Il s'avère que l'onde entrante « rembourse la dette » envers les atomes de césium, qui lui « prêtent » de l'énergie à l'autre bout de la chambre. Quiconque aurait observé uniquement le début et la fin de l'expérience ne verrait qu'une impulsion de lumière qui "sautait" dans le temps, se déplaçant plus vite que c.

L. Wong estime que son expérience n'est pas cohérente avec la théorie de la relativité. Selon lui, l'affirmation selon laquelle la vitesse supraluminique est inaccessible s'applique uniquement aux objets ayant une masse au repos. La lumière peut être représentée soit sous forme d'ondes, auxquelles la notion de masse est généralement inapplicable, soit sous forme de photons avec une masse au repos, comme on le sait, égale à zéro. Par conséquent, selon Wong, la vitesse de la lumière dans le vide n’est pas la limite. Cependant, Wong admet que l'effet qu'il a découvert ne permet pas de transmettre des informations à des vitesses supérieures à c.

"L'information ici est déjà contenue dans le front d'attaque de l'impulsion", explique P. Milonni, physicien au Laboratoire national de Los Alamos aux États-Unis. "Et cela peut donner l'impression d'envoyer des informations plus rapidement que la lumière, même si vous le faites. ne l’envoie pas.

La plupart des physiciens pensent que les nouveaux travaux ne provoquent pas coup écrasant selon des principes fondamentaux. Mais tous les physiciens ne croient pas que le problème soit résolu. Professeur A. Ranfagni de l'Italie groupe de recherche, qui a réalisé une autre expérience intéressante en 2000, estime que la question reste encore ouverte. Cette expérience, réalisée par Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni et Rocco Ruggeri, a découvert que les ondes radio centimétriques dans l'air normal se déplacent à des vitesses 25 % plus rapides que c.

Pour résumer, nous pouvons dire ce qui suit.

Les travaux de ces dernières années montrent que, dans certaines conditions, une vitesse supraluminique peut réellement se produire. Mais qu’est-ce qui se déplace exactement à des vitesses supraluminiques ? La théorie de la relativité, comme nous l'avons déjà mentionné, interdit une telle vitesse pour les corps matériels et pour les signaux porteurs d'informations. Néanmoins, certains chercheurs tentent avec beaucoup de persistance de démontrer le dépassement de la barrière lumineuse spécifiquement pour les signaux. La raison en est que la théorie de la relativité restreinte n’a pas de justification mathématique stricte (basée, par exemple, sur les équations de Maxwell pour champ électromagnétique) impossibilité de transmettre des signaux à des vitesses supérieures à c. Une telle impossibilité dans STR est établie, pourrait-on dire, purement arithmétique, sur la base de la formule d'Einstein pour additionner les vitesses, mais cela est fondamentalement confirmé par le principe de causalité. Einstein lui-même, considérant la question de la transmission du signal supraluminique, a écrit que dans ce cas «... nous sommes obligés de considérer la possibilité d'un mécanisme de transmission du signal, dans lequel l'action réalisée précède la cause. Mais, bien que cela résulte d'un point purement logique. Cette perspective ne se contient pas, à mon avis, il n'y a pas de contradictions ; elle contredit néanmoins tellement la nature de toute notre expérience que l'impossibilité de l'hypothèse V > c semble être suffisamment prouvée. Le principe de causalité est la pierre angulaire qui sous-tend l’impossibilité de transmission du signal supraluminique. Et, apparemment, toutes les recherches de signaux supraluminiques sans exception buteront sur cette pierre, peu importe à quel point les expérimentateurs voudraient détecter de tels signaux, car telle est la nature de notre monde.

Mais imaginons quand même que les mathématiques de la relativité fonctionnent toujours à des vitesses supraluminiques. Cela signifie qu’en théorie, nous pouvons encore découvrir ce qui se passerait si un corps dépassait la vitesse de la lumière.

Imaginons deux vaisseaux spatiaux se dirigeant de la Terre vers une étoile située à 100 années-lumière de notre planète. Le premier vaisseau quitte la Terre à 50 % de la vitesse de la lumière, il faudra donc 200 ans pour terminer le voyage. Le deuxième vaisseau, équipé d'un hypothétique moteur de distorsion, voyagera à 200 % de la vitesse de la lumière, mais 100 ans après le premier. Que va-t-il se passer ?

Selon la théorie de la relativité, la bonne réponse dépend en grande partie du point de vue de l’observateur. Depuis la Terre, il apparaîtra que le premier vaisseau a déjà parcouru une distance considérable avant d'être rattrapé par le deuxième vaisseau, qui se déplace quatre fois plus vite. Mais du point de vue des personnes à bord du premier navire, tout est un peu différent.

Le vaisseau n°2 se déplace plus vite que la lumière, ce qui signifie qu’il peut même dépasser la lumière qu’il émet lui-même. Cela conduit à une sorte d'« onde lumineuse » (analogue à une onde sonore, sauf qu'au lieu des vibrations de l'air, des ondes lumineuses vibrent ici), qui génère plusieurs effets intéressants. Rappelez-vous que la lumière du vaisseau n°2 se déplace plus lentement que le vaisseau lui-même. Le résultat sera un doublement visuel. En d’autres termes, l’équipage du navire n°1 verra d’abord que le deuxième navire est apparu à côté d’eux comme sorti de nulle part. Ensuite, la lumière du deuxième vaisseau atteindra le premier avec un léger retard, et le résultat sera une copie visible qui se déplacera dans la même direction avec un léger décalage.

Quelque chose de similaire peut être vu dans jeux informatiques lorsque, à la suite d'une panne du système, le moteur charge le modèle et ses algorithmes à la fin du mouvement plus rapidement que l'animation du mouvement elle-même ne se termine, de sorte que plusieurs prises se produisent. C'est probablement pourquoi notre conscience ne perçoit pas cet aspect hypothétique de l'Univers dans lequel les corps se déplacent à des vitesses supraluminiques - c'est peut-être pour le mieux.

P.S. ... mais dans le dernier exemple je n'ai pas compris quelque chose, pourquoi la position réelle du navire est associée à la « lumière qu'il émet » ? Eh bien, même s'ils le voient au mauvais endroit, en réalité il dépassera le premier navire !

sources

Les ombres peuvent voyager plus vite que la lumière, mais ne peuvent pas transporter de matière ou d'informations.

Le vol supraluminique est-il possible ?

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Exemples simples de voyages supraluminiques

1. Effet Tchérenkov

Lorsque nous parlons de se déplacer à des vitesses supraluminiques, nous entendons la vitesse de la lumière dans le vide. c(299 792 458 m/s). Par conséquent, l’effet Cherenkov ne peut pas être considéré comme un exemple de mouvement à vitesse supraluminique.

2. Troisième observateur

Si la fusée UN s'envole de moi à grande vitesse 0,6cà l'ouest, et la fusée B s'envole de moi à grande vitesse 0,6cà l'est, alors je vois que la distance entre UN Et B augmente avec la vitesse 1.2c. Regarder le vol des fusées UN Et B de l'extérieur, le troisième observateur voit que la vitesse totale de retrait du missile est supérieure à c .

Cependant vitesse relative n'est pas égal à la somme des vitesses. UN Vitesse de la fusée B par rapport à la fusée UN est la vitesse à laquelle la distance à la fusée augmente B, qui est vu par un observateur volant sur une fusée . La vitesse relative doit être calculée à l'aide de la formule relativiste d'addition des vitesses. (Voir Comment ajouter des vitesses en relativité restreinte ?) Dans cet exemple, la vitesse relative est approximativement égale à 0,88c

. Donc, dans cet exemple, nous n’avons pas obtenu de vitesse supraluminique.

3. Lumière et ombre Pensez à la vitesse à laquelle une ombre peut se déplacer. Si la lampe est proche, l'ombre de votre doigt sur le mur du fond se déplace beaucoup plus rapidement que votre doigt. Lorsque vous déplacez votre doigt parallèlement au mur, la vitesse de l'ombre est J/j fois plus rapide que la vitesse de votre doigt. Ici d- distance de la lampe au doigt, et

D

- de la lampe au mur. La vitesse sera encore plus grande si le mur est situé en biais. Si le mur est très éloigné, le mouvement de l'ombre sera en retard sur le mouvement du doigt, car la lumière met du temps à atteindre le mur, mais la vitesse de l'ombre se déplaçant le long du mur augmentera encore plus. La vitesse d’une ombre n’est pas limitée par la vitesse de la lumière. Un autre objet qui peut voyager plus vite que la lumière est le point lumineux d’un laser dirigé vers la Lune. La distance à la Lune est de 385 000 km. Vous pouvez calculer vous-même la vitesse à laquelle le point lumineux se déplace sur la surface de la Lune avec de légères vibrations du pointeur laser dans votre main. Vous aimerez peut-être aussi l’exemple d’une vague frappant une ligne droite de plage avec un léger angle. A quelle vitesse le point d'intersection de la vague et du rivage peut-il se déplacer le long de la plage ? Toutes ces choses peuvent arriver dans la nature. Par exemple, le faisceau lumineux d’un pulsar peut voyager le long d’un nuage de poussière. Une puissante explosion peut créer des ondes sphériques de lumière ou de rayonnement. Lorsque ces ondes croisent une surface, des cercles lumineux apparaissent sur cette surface et se dilatent plus rapidement que la lumière. Ce phénomène s'observe par exemple lorsque

impulsion électromagnétique

d'un éclair traverse la haute atmosphère.

4. Solide Si vous avez une longue tige rigide et que vous frappez une extrémité de la tige, l'autre extrémité ne bougera-t-elle pas immédiatement ? N'est-ce pas un moyen de transmission supraluminique d'informations ? Ce serait vrai c .

Le même principe s'applique si vous tenez une corde ou une tige verticalement, la relâchez et elle commence à tomber sous l'influence de la gravité. L'extrémité supérieure que vous lâchez commence immédiatement à tomber, mais l'extrémité inférieure ne commencera à bouger qu'après un certain temps, car la disparition de la force de maintien est transmise le long de la tige à la vitesse du son dans le matériau.

La formulation de la théorie relativiste de l’élasticité est assez complexe, mais idée générale peut être illustré en utilisant la mécanique newtonienne. L'équation du mouvement longitudinal d'un corps idéalement élastique peut être dérivée de la loi de Hooke. Notons la densité linéaire de la tige ρ , module d'élasticité de Young Oui. Déplacement longitudinal X satisfait l'équation d'onde

ρ ré 2 X/dt 2 - Oui ré 2 X/dx 2 = 0

La solution à onde plane se déplace à la vitesse du son s, qui est déterminé à partir de la formule s 2 = Y/ρ. L'équation des vagues ne permet pas aux perturbations du milieu de se déplacer plus rapidement que la vitesse s. De plus, la théorie de la relativité donne une limite à la grandeur de l'élasticité : Oui< ρc 2 . En pratique, aucun matériau connu ne s'approche de cette limite. Veuillez également noter que même si la vitesse du son est proche de c, alors la question elle-même n’évolue pas nécessairement à une vitesse relativiste.

Bien qu’il n’existe pas de corps solides dans la nature, il existe mouvement des corps rigides, qui peut être utilisé pour vaincre la vitesse de la lumière. Ce sujet concerne la section déjà décrite des ombres et des reflets. (Voir Les ciseaux superluminaux, Le disque rotatif rigide en relativité).

5. Vitesse des phases

Équation d'onde
d 2 u/dt 2 - c 2 d 2 u/dx 2 + w 2 u = 0

a une solution sous la forme
u = UNE cos(ax - bt), c 2 une 2 - b 2 + w 2 = 0

Ce sont des ondes sinusoïdales se propageant à la vitesse v
v = b/a = carré(c 2 + w 2 /a 2)

Mais c'est plus que c. Peut-être que cette équation concerne les tachyons ? (voir la section suivante). Non, il s’agit d’une équation relativiste ordinaire pour une particule ayant une masse.

Pour éliminer le paradoxe, il faut distinguer la « vitesse de phase » v ph et "vitesse de groupe" v gr, et
v ph ·v gr = c 2

La solution ondulatoire peut présenter une dispersion de fréquence. Dans ce cas, le paquet d’ondes se déplace avec une vitesse de groupe inférieure à c. À l’aide d’un paquet d’ondes, les informations ne peuvent être transmises qu’à la vitesse du groupe. Les ondes d'un paquet d'ondes se déplacent avec la vitesse de phase. Vitesse de phase- un autre exemple de mouvement supraluminique, qui ne peut pas être utilisé pour transmettre des messages.

6. Galaxies superluminales

7. Fusée relativiste

Laissez un observateur sur Terre voir un vaisseau spatial s'éloigner à une vitesse 0,8c Selon la théorie de la relativité, il verra que l'horloge du vaisseau spatial tourne 5/3 fois plus lentement. Si nous divisons la distance jusqu'au navire par le temps de vol selon l'horloge de bord, nous obtenons la vitesse 4/3c. L'observateur conclut qu'en utilisant son horloge de bord, le pilote du navire déterminera également qu'il vole à une vitesse supraluminique. Du point de vue du pilote, sa montre fonctionne normalement, mais l'espace interstellaire a été réduit de 5/3 fois. C'est pourquoi il passe par là distances connues entre les étoiles plus vite, avec rapidité 4/3c .

Mais ce n’est toujours pas un vol supraluminique. Vous ne pouvez pas calculer la vitesse en utilisant la distance et le temps définis dans différents systèmes de référence.

8. Vitesse de gravité

Certains insistent sur le fait que la vitesse de la gravité est bien plus grande c voire infini. Découvrez La gravité voyage-t-elle à la vitesse de la lumière ? et Qu'est-ce que le rayonnement gravitationnel ? Les perturbations gravitationnelles et ondes gravitationnelles se propager à grande vitesse c .

9. Paradoxe de la REP

10. Photons virtuels

11. Effet tunnel quantique

En mécanique quantique, l’effet tunnel permet à une particule de franchir une barrière, même si elle ne dispose pas de suffisamment d’énergie pour le faire. Il est possible de calculer le temps de tunneling à travers une telle barrière. Et cela peut s'avérer inférieur à ce qui est nécessaire pour que la lumière parcoure la même distance à grande vitesse. c. Cela pourrait-il être utilisé pour transmettre des messages plus rapidement que la lumière ?

Électrodynamique quantique dit "Non!" Cependant, une expérience a été réalisée qui a démontré la transmission supraluminique d’informations utilisant l’effet tunnel. À travers une barrière de 11,4 cm de large à une vitesse de 4,7 c La Quarantième Symphonie de Mozart a été transférée. L'explication de cette expérience est très controversée. La plupart des physiciens pensent que l'effet tunnel ne peut pas transmettre information

plus rapide que la lumière. Si cela était possible, pourquoi ne pas transmettre le signal dans le passé en plaçant l'équipement dans un référentiel en mouvement rapide.

A l'exception de la gravité, tous les phénomènes physiques observés correspondent au Modèle Standard. Le modèle standard est une théorie relativiste des champs quantiques qui explique les interactions électromagnétiques et nucléaires, ainsi que toutes les particules connues. Dans cette théorie, toute paire d’opérateurs correspondant à des observables physiques séparés par un intervalle d’événements semblable à un espace « fait la navette » (c’est-à-dire que l’ordre de ces opérateurs peut être modifié). En principe, cela implique que dans le modèle standard, un impact ne peut pas se déplacer plus vite que la lumière, ce qui peut être considéré comme l’équivalent en champ quantique de l’argument de l’énergie infinie.

Cependant, dans théorie des quanta pas de modèle standard sur le terrain impeccable des preuves rigoureuses. Personne n’a encore prouvé que cette théorie était cohérente en interne. Ce n’est probablement pas le cas. Quoi qu’il en soit, rien ne garantit qu’il n’existe pas encore de particules ou de forces non découvertes qui n’obéissent pas à l’interdiction des voyages supraluminiques. Il n’existe pas non plus de généralisation de cette théorie incluant la gravité et la relativité générale. De nombreux physiciens travaillant dans le domaine de la gravité quantique doutent que représentations simples sur la causalité et la localité seront résumés. Rien ne garantit qu'il y en aura davantage à l'avenir théorie complète la vitesse de la lumière conservera le sens de vitesse ultime.

18. Le paradoxe du grand-père

En relativité restreinte, une particule se déplaçant plus vite que la lumière dans un référentiel se déplace dans le temps dans un autre référentiel. Les voyages FTL ou transfert d’informations permettraient de voyager ou d’envoyer un message dans le passé.

Si un tel voyage dans le temps était possible, vous pourriez remonter le temps et changer le cours de l’histoire en tuant votre grand-père.

L’inverse est également vrai. Si nous pouvions voyager dans le temps, nous pourrions vaincre la vitesse de la lumière. Vous pouvez remonter le temps, voler quelque part à basse vitesse et y arriver avant que la lumière envoyée de la manière habituelle n'arrive. Voir Voyage dans le temps pour plus de détails sur ce sujet.

Questions ouvertes sur les voyages plus rapides que la lumière

Dans cette dernière section, je décrirai quelques idées sérieuses sur d’éventuels voyages plus rapides que la lumière. Ces sujets ne sont pas souvent inclus dans les FAQ car ils ne semblent pas être des réponses, mais plutôt un tas de nouvelles questions. Ils sont inclus ici pour montrer que des recherches sérieuses sont menées dans cette direction. Seule une brève introduction au sujet est donnée. Vous pouvez trouver des détails sur Internet. Comme pour tout ce qui se passe sur Internet, soyez critique à leur égard.

19. Tachyons

Les tachyons sont des particules hypothétiques qui se déplacent localement plus vite que la lumière. Pour ce faire, ils doivent disposer d’une masse imaginaire.

De plus, l’énergie et l’élan du tachyon sont des quantités réelles. Il n’y a aucune raison de croire que les particules supraluminiques ne puissent pas être détectées. Les ombres et les hautes lumières peuvent se déplacer plus rapidement que la lumière et peuvent être détectées.

Jusqu'à présent, aucun tachyon n'a été trouvé et les physiciens doutent de leur existence.

Certains ont affirmé que dans les expériences visant à mesurer la masse des neutrinos produits par la désintégration bêta du tritium, les neutrinos étaient des tachyons.

C'est douteux, mais n'a pas encore été définitivement réfuté.

La théorie des tachyons pose des problèmes. En plus de perturber éventuellement la causalité, les tachyons rendent également le vide instable. Il est peut-être possible de contourner ces difficultés, mais même dans ce cas, nous ne pourrons pas utiliser les tachyons pour la transmission de messages supraluminiques. La plupart des physiciens pensent que l’apparition de tachyons dans la théorie est le signe de certains problèmes de cette théorie. L'idée des tachyons est si populaire auprès du public simplement parce qu'ils sont souvent mentionnés dans la littérature de science-fiction. Voir Tachyons. 20. Trous de ver

La méthode la plus célèbre de voyage supraluminique mondial est l’utilisation de trous de ver. Un trou de ver est une coupure dans l'espace-temps d'un point de l'univers à un autre, qui permet de passer d'un bout à l'autre du trou plus rapidement que la manière habituelle ouvert, nous avons besoin de zones d’espace avec des énergies négatives.

C.W.Misner et K.S.Thorne ont proposé d'utiliser l'effet Casimir à grande échelle pour créer de l'énergie négative.

Visser a proposé d'utiliser des cordes cosmiques pour cela. Ce sont des idées très spéculatives et pourraient ne pas être possibles. Peut-être que la forme requise de matière exotique à énergie négative n’existe pas.

La théorie de la relativité fascine par ses paradoxes. Nous connaissons tous les jumeaux, la capacité de faire tenir un long avion dans une petite boîte. Aujourd'hui, tous les diplômés de l'école connaissent les réponses à ces énigmes classiques, et les étudiants en physique croient encore plus qu'il n'y a plus de secrets pour eux dans la théorie de la relativité restreinte.

Tout irait bien sans une circonstance déprimante - l'impossibilité des vitesses supraluminiques. N'y a-t-il vraiment aucun moyen d'aller plus vite ?! - Je pensais quand j'étais enfant. C'est peut-être possible ?! Je vous invite donc à une séance de, je ne sais plus, magie noire ou blanche du nom d’Albert Einstein avec une révélation à la fin. Cependant, pour ceux qui trouvent que cela ne suffit pas, j'ai également préparé un puzzle.

Vers Alpha Centauri

Je vous invite à prendre place à bord de notre vaisseau interstellaire, qui se dirige vers Alpha Centauri. Nous sommes à 4 années lumières du point final du parcours. Attention, nous démarrons les moteurs. Allons-y! Pour la commodité des passagers, notre capitaine a réglé la poussée de manière à ce que nous accélérions avec vitesse et ressentions la force de gravité qui nous est familière sur Terre.

Maintenant, nous avons déjà accéléré décemment, bien que jusqu'à la moitié de la vitesse de la lumière. Posons-nous une question apparemment simple : à quelle vitesse allons-nous approcher Alpha Centauri dans notre propre cadre de référence (celui du navire). Il semblerait que tout soit simple, si nous volons à une vitesse dans le référentiel stationnaire de la Terre et d'Alpha Centauri, alors de notre point de vue nous nous approchons de la cible avec une vitesse.

Et maintenant, si à une vitesse moitié inférieure à la vitesse de la lumière nous mesurons la distance entre la Terre et Alpha Centauri, nous n'obtiendrons pas 4 lumières. années, mais seulement 3,46 années saintes.

Il s'avère que ce n'est que grâce au fait que nous avons accéléré que nous avons déjà réduit la distance jusqu'au point final du voyage de près de 0,54 années-lumière. Et si nous nous déplaçons non seulement à grande vitesse, mais aussi accélérons, alors le facteur d'échelle aura une dérivée par rapport au temps, qui est essentiellement la vitesse d'approche et s'ajoute à .

Ainsi, en plus de notre vitesse habituelle, je dirais classique, un autre terme est ajouté - une réduction dynamique de la longueur du chemin restant, qui se produit si et seulement s'il y a une accélération non nulle. Eh bien, prenons un crayon et comptons.

Et ceux qui ont la flemme de suivre les calculs je les croise de l'autre côté du spoiler

La distance actuelle jusqu'à l'étoile selon le dirigeant du capitaine du navire, - l'heure indiquée sur l'horloge du carré des officiers, - la vitesse.

Déjà ici on voit que la dérivée partielle première est la vitesse, juste la vitesse avec un signe moins, dès qu'on s'approche d'Alpha Centauri. Mais le deuxième mandat est le piège auquel, je suppose, tout le monde n’a pas pensé.

Pour trouver la dérivée de la vitesse par rapport au temps au deuxième terme, il faut être prudent, car nous sommes dans un référentiel mouvant. La façon la plus simple de le calculer sur vos doigts est d'utiliser la formule d'addition vitesses relativistes. Supposons qu’à un moment donné nous nous déplacions à une vitesse élevée et qu’après un certain temps, nous augmentions notre vitesse de . La vitesse résultante selon la formule de la théorie de la relativité sera

Maintenant, mettons (2) et (3) ensemble, et la dérivée de (3) doit être prise à , car nous envisageons de petits incréments.

Elle est incroyable ! Si le premier terme - la vitesse - est limité par la vitesse de la lumière, alors le deuxième terme n'est limité par rien ! Prenez plus et... le deuxième terme peut facilement dépasser .

Quoi-quoi ! - certains n'y croiront pas.
"Oui, oui, exactement ça", je répondrai. - Elle peut être supérieure à la vitesse de la lumière, supérieure à deux vitesses de la lumière, supérieure à 10 vitesses de la lumière. Pour paraphraser Archimède, je peux dire : « donnez-moi le bon, et je vous fournirai autant de vitesse que vous le souhaitez ».

Eh bien, remplaçons les chiffres, les chiffres sont toujours plus intéressants. Comme on s'en souvient, le capitaine a réglé l'accélération et la vitesse avait déjà atteint . Nous constaterons alors qu’à une année-lumière, notre vitesse d’approche sera égale à la vitesse de la lumière. Si nous substituons les années-lumière, alors

En mots : « trois virgule trois, trois dixièmes de la vitesse de la lumière ».

Nous continuons à être surpris

Alors je suis monté dans la voiture et j'ai appuyé sur l'accélérateur. J'ai de la vitesse et de l'accélération. Et à ce moment précis, je peux garantir qu'à environ cent ou deux millions d'années-lumière devant moi se trouvent des objets qui s'approchent désormais de moi plus vite que la lumière. Par souci de simplicité, je n'ai pas encore pris en compte la vitesse de déplacement de la Terre sur son orbite autour du Soleil, et du Soleil autour du centre de la Galaxie. En les prenant en compte, les objets ayant une vitesse d'approche supraluminique seront déjà très proches - non pas à l'échelle cosmologique, mais quelque part à la périphérie de notre Galaxie.

Il s'avère que involontairement, même avec des accélérations minimes, par exemple en nous levant d'une chaise, nous participons à un mouvement supraluminique.

Nous sommes toujours surpris

Un autre effet surprenant est facile à comprendre. Après tout, dès que l’on change la direction de l’accélération, le deuxième terme de (5) change immédiatement de signe. Ceux. la vitesse d'approche peut facilement devenir nulle, voire négative. Bien que notre vitesse normale soit toujours dirigée vers Alpha Centauri.

Exposition

Dans un référentiel non inertiel, Einstein ne nous garantit rien. De telles choses !

La même chose, un peu plus détaillée et un peu plus complexe

La formule (5) contient la distance . Lorsqu'il est égal à zéro, c'est-à-dire lorsque l'on essaie de déterminer localement la vitesse par rapport aux objets proches, il ne restera que le premier terme, qui, bien entendu, ne dépasse pas vitesse de la lumière. Aucun problème. Et seulement sur longues distances, c'est-à-dire pas localement, nous pouvons obtenir des vitesses supraluminiques.

Il faut dire que, d’une manière générale, la vitesse relative d’objets éloignés les uns des autres est une notion mal définie. Notre espace-temps plat dans un cadre de référence accéléré semble courbé. C'est le fameux équivalent de "l'ascenseur Einstein" champ gravitationnel. Et compare les deux quantités vectorielles dans un espace courbe n'est correct que lorsqu'ils sont au même point (dans le même espace tangent au fibré vectoriel correspondant).

D'ailleurs, notre paradoxe de la vitesse supraluminique peut être discuté différemment, je dirais intégralement. Après tout, un voyage relativiste vers Alpha Centauri prendra bien moins de 4 ans selon l’horloge de l’astronaute, donc en divisant la distance initiale par le temps écoulé, nous obtenons une vitesse effective supérieure à la vitesse de la lumière. En substance, c'est le même paradoxe des jumeaux. Ceux qui sont à l’aise peuvent comprendre le voyage supraluminique de cette façon.

C'est le truc. Votre capitaine évident.

Problème

Quelle est la distance entre les vaisseaux dans le référentiel du vaisseau terrien au moment du lancement, lorsqu'ils étaient respectivement près de la Terre et d'Alpha Centauri ? Écrivez votre réponse dans les commentaires.

Mise à jour : solution

Admettons que les horloges d'Alpha, de la Terre, de la fusée et de la soucoupe sont synchronisées (cela a été fait à l'avance), et le lancement sur les quatre horloges a eu lieu à 12h00.

Considérons graphiquement l'espace-temps en coordonnées stationnaires. La Terre est à zéro, Alpha est à distance le long de l'axe. Ligne mondiale Apparemment, Alpha Centauri monte tout droit. La ligne du monde de la plaque est inclinée vers la gauche, car il s'est envolé d'un point en direction de la Terre.

Nous allons maintenant dessiner sur ce graphique les axes de coordonnées du système de référence de la fusée lancée depuis la Terre. Comme vous le savez, une telle transformation de système de coordonnées (CS) est appelée boost. Dans ce cas, les axes sont inclinés symétriquement par rapport à la ligne diagonale qui montre le faisceau lumineux.

Je pense qu'à ce moment-là, tout est déjà devenu clair pour vous. Regardez, l'axe coupe les lignes du monde d'Alpha et de la soucoupe volante en différents points. Ce qui s'est passé?

Chose étonnante. Avant le lancement, du point de vue de la fusée, la soucoupe et Alpha étaient au même point, et après avoir pris de la vitesse, il s'avère que dans le vaisseau spatial en mouvement, le lancement de la fusée et de la soucoupe n'était pas simultané. Il s'avère que l'assiette a commencé plus tôt et a réussi à se rapprocher un peu de nous. Par conséquent, maintenant à 12:00:01 selon l'horloge, les fusées sont déjà plus proches de la soucoupe que d'Alpha.

Et si la fusée accélère encore, elle « sautera » vers le prochain SC, où la plaque est encore plus proche. De plus, une telle approche de la plaque se produit uniquement en raison de l'accélération et de la compression dynamique de l'échelle longitudinale (c'est le sujet de tout mon article), et non en raison de l'avancement de la fusée dans l'espace, car La fusée n’a pas encore eu le temps de survoler quoi que ce soit. Cette approximation de la plaque est précisément le deuxième terme de la formule (5).

Eh bien, entre autres choses, il faut tenir compte de la réduction habituelle de la distance de Lorentz. Je vais vous donner la réponse tout de suite : aux vitesses de la fusée et de la soucoupe, chaque distance

• entre la fusée et Alpha : 3,46 sv. année (contraction habituelle de Lorentz)
• entre fusée et plaque : 2,76 St. année

Pour ceux que cela intéresse, jouons un peu de magie avec des formules dans un espace à quatre dimensions

Ce type de problème peut être facilement résolu en utilisant vecteurs à quatre dimensions. Il n'y a pas lieu d'en avoir peur, tout se fait en utilisant les opérations les plus courantes de l'algèbre linéaire. De plus, nous ne nous déplaçons que le long d'un seul axe, il n'en reste donc que deux sur quatre coordonnées : et .

Nous nous mettrons ensuite d’accord sur une notation simple. Nous calculons la vitesse de la lumière égal à un. Nous, physiciens, faisons toujours cela. :) Nous considérons aussi généralement la constante de Planck et la constante gravitationnelle comme des unités. Cela ne change pas l’essentiel, mais cela rend l’écriture beaucoup plus facile.

Ainsi, par souci de compacité des enregistrements, nous désignons la « racine relativiste » omniprésente par le facteur gamma, où est la vitesse de la fusée terrestre :

Écrivons maintenant le vecteur dans les composantes :

La composante supérieure est le temps, la composante inférieure est la coordonnée spatiale. Les navires démarrent simultanément dans un système stationnaire, donc la composante supérieure du vecteur est nulle.

Trouvons maintenant les coordonnées du point dans le système de coordonnées mobile, c'est-à-dire . Pour ce faire, nous utilisons une transformation vers un référentiel mobile. C'est ce qu'on appelle un boost et c'est très simple à faire. Tout vecteur doit être multiplié par la matrice boost

Multiplier:

Comme nous le voyons, la composante temporelle de ce vecteur est négative. Cela signifie que le point du point de vue d'une fusée en mouvement est situé sous l'axe, c'est-à-dire dans le passé (comme le montre la figure ci-dessus).

Trouvons le vecteur dans le système stationnaire. La composante temporelle est une période de temps inconnue, la composante spatiale est la distance à laquelle la plaque s'approche dans le temps, se déplaçant à grande vitesse :

Maintenant le même vecteur dans le système

Trouvons la somme vectorielle habituelle

Pourquoi ai-je assimilé cette somme à droite à un tel vecteur ? Par définition, le point est sur l'axe, donc la composante temporelle doit être égale à zéro, et la composante spatiale sera la même distance requise de la fusée à la plaque. De là, nous obtenons un système de deux équations simples- nous assimilons les composantes temporelles séparément, les composantes spatiales séparément.

A partir de la première équation on détermine paramètre inconnu, remplacez-le dans la deuxième équation et obtenez . Laisse-moi baisser calculs simples et écris-le immédiatement

En remplaçant , , on obtient

Dès l'école, on nous a appris qu'il est impossible de dépasser la vitesse de la lumière et que le mouvement d'une personne dans l'espace est donc important. un problème insoluble(comment atteindre le système solaire le plus proche si la lumière ne peut parcourir cette distance qu'en quelques milliers d'années ?). Peut-être que des scientifiques américains ont trouvé un moyen de voler à grande vitesse, non seulement sans tricher, mais en suivant également les lois fondamentales d'Albert Einstein. C’est en tout cas ce qu’affirme l’auteur du projet de moteur de déformation spatiale, Harold White.

À la rédaction, nous avons considéré la nouvelle comme absolument fantastique, c'est pourquoi aujourd'hui, à la veille de la Journée de l'astronautique, nous publions un rapport de Konstantin Kakaes pour le magazine Popular Science sur un projet phénoménal de la NASA, en cas de succès, une personne pourra aller au-delà système solaire.

En septembre 2012, plusieurs centaines de scientifiques, d'ingénieurs et de passionnés de l'espace se sont réunis pour la deuxième réunion publique du groupe, intitulée 100 Year Starship. Le groupe est dirigé par ancien astronaute May Jemison, et elle a fondé la DARPA. Le but de la conférence est de « faire voyage possible les humains au-delà du système solaire vers d’autres étoiles dans les cent prochaines années. » La plupart des participants à la conférence admettent que les progrès dans l'exploration spatiale habitée sont trop faibles. Malgré les milliards de dollars dépensés au cours des derniers trimestres, les agences spatiales peuvent faire presque autant qu’elles le pouvaient dans les années 1960. En fait, 100 Year Starship a été convoqué pour résoudre tout cela.

Mais venons-en au fait. Après quelques jours de conférence, ses participants ont abordé les sujets les plus fantastiques : la régénération des organes, le problème de la religion organisée à bord d'un navire, etc. L'une des présentations les plus intéressantes de la réunion 100 Year Starship s'intitulait "Strain Field Mechanics 102" et a été donnée par Harold "Sonny" White de la NASA. Vétéran de l'agence, White dirige le programme d'impulsion avancé de l'entreprise. centre spatial Johnson (JSC). Avec cinq collègues, il a créé " Carte routière systèmes de propulsion spatiale », qui exprime les objectifs de la NASA dans un avenir proche voyage dans l'espace. Le plan répertorie toutes sortes de projets de propulsion, depuis les fusées chimiques avancées jusqu'aux développements de grande envergure comme l'antimatière ou machines nucléaires. Mais le domaine de recherche de White est le plus futuriste de tous : il concerne le moteur de distorsion spatiale.

Il est clair que tout cela semble absolument fantastique : de tels développements sont vraie révolution, qui déliera les mains de tous les astrophysiciens du monde. Au lieu de passer 75 mille ans à voyager vers Alpha Centauri, la planète la plus proche de la nôtre système stellaire, les astronautes à bord d'un navire équipé d'un tel moteur pourront effectuer ce voyage en quelques semaines.

À la lumière de la fin du programme de navettes et du rôle croissant des vols privés vers l’orbite terrestre basse, la NASA affirme se recentrer sur des projets de grande envergure, beaucoup plus audacieux, qui vont bien au-delà des voyages sur la Lune. Ces objectifs ne peuvent être atteints que grâce au développement de nouveaux systèmes moteurs – le plus rapide sera le mieux. Quelques jours après la conférence, le directeur de la NASA, Charles Bolden, a répété les mots de White : « Nous voulons voyager plus vite que la vitesse de la lumière et sans nous arrêter sur Mars.

COMMENT CONNAISSONS-NOUS CE MOTEUR

La première utilisation populaire de l'expression « moteur de distorsion spatiale » remonte à 1966, lorsque Jen Roddenberry a publié « Star Trek" Pendant les 30 années suivantes, ce moteur n'a existé que dans le cadre de cette série de science-fiction. Un physicien nommé Miguel Alcubierre a regardé un épisode de cette série alors qu'il préparait son doctorat dans ce domaine. théorie générale relativité et se demandait s'il était possible de créer un moteur de distorsion spatiale dans la réalité. En 1994, il a publié un document exposant cette position.

Alcubierre a imaginé une bulle dans l'espace. Dans la partie avant de la bulle, l'espace-temps se contracte et à l'arrière il se dilate (comme ce fut le cas avec Big Bang, selon les physiciens). La déformation fera glisser le vaisseau en douceur dans l'espace, comme s'il surfait sur une vague, malgré bruit ambiant. En principe, une bulle déformée peut se déplacer aussi rapidement qu’on le souhaite ; Les limitations de la vitesse de la lumière, selon la théorie d'Einstein, ne s'appliquent que dans le contexte de l'espace-temps, mais pas dans de telles distorsions de l'espace-temps. À l’intérieur de la bulle, comme le supposait Alcubierre, l’espace-temps ne changerait pas et aucun mal ne serait causé aux voyageurs spatiaux.

Les équations d'Einstein en relativité générale sont difficiles à résoudre dans une seule direction en déterminant comment la matière courbe l'espace, mais c'est faisable. Grâce à eux, Alcubierre a déterminé que la répartition de la matière est une condition nécessaire à la création d'une bulle déformée. Le seul problème est que les solutions ont conduit à une forme indéterminée de matière appelée énergie négative.

En termes simples, la gravité est la force d’attraction entre deux objets. Chaque objet, quelle que soit sa taille, exerce une certaine force d’attraction sur la matière environnante. Selon Einstein, cette force est la courbure de l’espace-temps. Cependant, l’énergie négative est gravitationnellement négative, c’est-à-dire répulsive. Au lieu de relier le temps et l’espace, l’énergie négative les repousse et les sépare. En gros, pour qu’un tel modèle fonctionne, Alcubierre a besoin d’énergie négative pour étendre l’espace-temps derrière le vaisseau.

Bien que personne n'ait jamais vraiment mesuré l'énergie négative, selon la mécanique quantique, elle existe et les scientifiques ont appris à la créer conditions de laboratoire. Une façon de le recréer consiste à utiliser l'effet Casimir : deux plaques conductrices parallèles placées à proximité l'une de l'autre créent une certaine quantité d'énergie négative. Le point faible du modèle d’Alcubierre est qu’il nécessite une énorme quantité d’énergie négative, plusieurs ordres de grandeur supérieurs à ce que les scientifiques estiment pouvoir produire.

White dit qu'il a trouvé un moyen de contourner cette limitation. Dans une simulation informatique, White a modifié la géométrie du champ de déformation afin qu'en théorie, il puisse produire une bulle déformée en utilisant des millions de fois moins d'énergie négative que celle estimée par Alcubierre, et peut-être suffisamment peu pour qu'un vaisseau spatial puisse transporter les moyens de la produire. "Les découvertes", dit White, "changent la méthode d'Alcubierre d'impraticable à entièrement plausible."

RAPPORT DU LABORATOIRE DE WHITE

Le Johnson Space Center est situé près des lagons de Houston, surplombant la baie de Galveston. Le centre ressemble un peu à un campus universitaire de banlieue, uniquement destiné à former des astronautes. Le jour de ma visite, White me retrouve dans le bâtiment 15, un labyrinthe à plusieurs étages de couloirs, de bureaux et de laboratoires où sont effectués les essais des moteurs. White porte un polo Eagleworks (comme il appelle ses expériences sur les moteurs), brodé d'un aigle planant au-dessus d'un vaisseau spatial futuriste.

White a commencé sa carrière en tant qu'ingénieur, menant des recherches au sein d'un groupe de robotique. Il a finalement pris le commandement de toute l’aile robotique de l’ISS tout en terminant son doctorat en physique des plasmas. Ce n’est qu’en 2009 qu’il s’est tourné vers l’étude du mouvement, et ce sujet l’a tellement captivé qu’il est devenu la principale raison pour laquelle il est allé travailler pour la NASA.

"Il est plutôt personne inhabituelle, précise son patron John Applewhite, qui dirige la division systèmes de propulsion. - C'est certes un grand rêveur, mais en même temps un ingénieur talentueux. Il sait transformer ses fantasmes en un véritable produit d’ingénierie. À peu près au même moment où il rejoignait la NASA, White demanda l’autorisation d’ouvrir son propre laboratoire dédié aux systèmes de propulsion avancés. Il a lui-même trouvé le nom d'Eagleworks et a même demandé à la NASA de créer un logo pour sa spécialisation. Puis ce travail a commencé.

White me conduit à son bureau, qu'il partage avec un collègue cherchant de l'eau sur la lune, puis à Eagleworks. Tout en marchant, il me parle de sa demande d’ouvrir un laboratoire et appelle cela « le long et ardu processus de recherche d’un mouvement avancé pour aider l’homme à explorer l’espace ».

Blanc me montre l'objet et le montre fonction centrale- quelque chose qu'il appelle une « propulsion plasma sous vide quantique » (QVPT). Cet appareil ressemble à un énorme beignet de velours rouge avec des fils étroitement enroulés autour du noyau. Il s'agit de l'une des deux initiatives d'Eagleworks (l'autre étant le moteur de distorsion). C'est aussi un développement secret. Quand je demande de quoi il s'agit, White répond que tout ce qu'il peut dire, c'est que la technologie est encore plus cool que le moteur Warp.) Selon un rapport de la NASA rédigé en 2011 par White, l'engin utilise les fluctuations quantiques dans l'espace vide comme source de carburant, ce qui signifie qu'un vaisseau spatial propulsé par QVPT ne nécessiterait aucun carburant.

Le moteur utilise les fluctuations quantiques dans l'espace vide comme source de carburant,
ce qui veut dire un vaisseau spatial,
entraîné par QVPT, ne nécessite aucun carburant.

Lorsque l'appareil fonctionne, le système de White semble cinématographiquement parfait : la couleur du laser est rouge et les deux faisceaux se croisent comme des sabres. À l’intérieur de l’anneau se trouvent quatre condensateurs en céramique à base de titanate de baryum, que White charge jusqu’à 23 000 volts. White a passé les deux dernières années et demie à développer l'expérience, et il dit que les condensateurs montrent d'énormes résultats. énergie potentielle. Cependant, lorsque je lui demande comment créer l’énergie négative nécessaire à un espace-temps déformé, il évite de répondre. Il explique qu'il a signé un accord de non-divulgation et ne peut donc pas révéler de détails. Je demande avec qui il a conclu ces accords. Il dit : « Avec les gens. Ils viennent et veulent parler. Je ne peux pas vous donner plus de détails.

LES OPPOSANTS À L'IDÉE DU MOTEUR

Jusqu’à présent, la théorie du voyage déformé est assez intuitive – déformer le temps et l’espace pour créer une bulle en mouvement – ​​et présente quelques défauts importants. Même si White réduisait considérablement la quantité d'énergie négative requise par Alcubierre, cela nécessiterait toujours plus que ce que les scientifiques peuvent produire, explique Lawrence Ford, physicien théoricien à l'Université Tufts qui a écrit de nombreux articles sur le thème de l'énergie négative au cours des 30 dernières années. . Ford et d’autres physiciens affirment qu’il existe des limitations physiques fondamentales, non pas tant dues à des imperfections techniques qu’au fait qu’une telle quantité d’énergie négative ne peut pas exister longtemps au même endroit.

Autre défi : pour créer une boule de distorsion qui se déplace plus vite que la lumière, les scientifiques devront générer de l'énergie négative autour et au-dessus du vaisseau spatial. White ne pense pas que ce soit un problème ; il répond très vaguement que le moteur fonctionnera très probablement grâce à un « appareil existant qui crée conditions nécessaires" Cependant, créer ces conditions à l’avant du vaisseau signifierait fournir un apport constant d’énergie négative se déplaçant plus vite que la vitesse de la lumière, ce qui contredit encore une fois la relativité générale.

Enfin, le moteur de distorsion spatiale pose une question conceptuelle. En relativité générale, voyager à des vitesses supraluminiques équivaut à voyager dans le temps. Si un tel moteur est réel, White crée une machine à voyager dans le temps.

Ces obstacles suscitent de sérieux doutes. "Je ne pense pas que la physique que nous connaissons et les lois de la physique nous permettent de croire qu'il réalisera quoi que ce soit avec ses expériences", déclare Ken Olum, physicien à l'Université Tufts qui a également participé au débat sur la propulsion exotique lors du 100e anniversaire du Starship. Réunion d'anniversaire. Noah Graham, un physicien du Middlebury College qui a lu deux articles de White à ma demande, m'a envoyé un e-mail : « Je ne vois aucune preuve scientifique valable autre que des références à ses travaux antérieurs. »

Alcubierre, aujourd'hui physicien à l'Université nationale autonome du Mexique, a ses propres doutes. «Même si j'étais sur un vaisseau spatial et que j'avais de l'énergie négative à disposition, je ne pourrais pas la mettre là où elle doit être», me dit-il au téléphone depuis son domicile à Mexico. - Non, l'idée est magique, j'aime ça, je l'ai écrite moi-même. Mais il y a quelques lacunes sérieuses que je peux constater aujourd’hui, au fil des années, et je ne connais pas un seul moyen de les corriger.

L'AVENIR DE LA SUPER VITESSE

À gauche de la porte principale du Johnson Science Center, une fusée Saturn V repose sur le côté, ses étages séparés pour montrer son contenu interne. C'est gigantesque - la taille d'un moteur parmi tant d'autres égale à la taille petite voiture, et la fusée elle-même mesure quelques pieds de plus qu'un terrain de football. Ceci, bien entendu, est une preuve assez éloquente des particularités de la navigation spatiale. En outre, elle a 40 ans et l’époque qu’elle représente – lorsque la NASA faisait partie d’un vaste plan national visant à envoyer l’homme sur la Lune – est révolue depuis longtemps. Aujourd'hui, JSC est simplement un endroit qui était autrefois génial, mais qui a depuis quitté l'avant-garde spatiale.

Une avancée majeure pourrait signifier une nouvelle ère pour JSC et la NASA, et dans une certaine mesure, une partie de cette ère commence maintenant. La sonde Dawn, lancée en 2007, étudie l'anneau d'astéroïde à l'aide de moteurs ioniques. En 2010, les Japonais ont commandé Icarus, le premier vaisseau spatial interplanétaire. vaisseau spatial, propulsé par une voile solaire, un autre type de propulsion expérimentale. Et en 2016, les scientifiques prévoient de tester VASMIR, un système alimenté au plasma spécialement conçu pour la propulsion élevée de l'ISS. Mais même si ces systèmes peuvent transporter des astronautes sur Mars, ils ne pourront toujours pas les emmener au-delà du système solaire. Pour y parvenir, a déclaré White, la NASA devra entreprendre des projets plus risqués.

La pulsion de distorsion est peut-être l'effort le plus farfelu de Nas pour créer des projets de mouvement. La communauté scientifique affirme que White ne peut pas le créer. Les experts affirment que cela va à l’encontre des lois de la nature et de la physique. Malgré cela, la NASA est derrière le projet. «Il est subventionné au mauvais niveau niveau de l'État, ce qu'ils devraient avoir », déclare Applewhite. - Je pense que la direction a un intérêt particulier à ce qu'il poursuive son travail ; c'est un de ceux-là notions théoriques, en cas de succès, le jeu change complètement.

En janvier, White a assemblé son interféromètre de contrainte et est passé à sa prochaine cible. Eagleworks est devenu trop grand propre maison. Le nouveau laboratoire est plus grand et, déclare-t-il avec enthousiasme, « isolé sismiquement », ce qui signifie qu’il est protégé des vibrations. Mais peut-être la meilleure chose à propos du nouveau laboratoire (et la plus impressionnante) est que la NASA a donné à White les mêmes conditions que Neil Armstrong et Buzz Aldrin sur la Lune. Eh bien, voyons.

La vitesse est supérieure à la vitesse de la lumière dans le vide - c'est une réalité. La théorie de la relativité d'Einstein interdit uniquement la transmission supraluminique d'informations. Par conséquent, il existe de nombreux cas où des objets peuvent se déplacer plus rapidement que la lumière sans rien casser. Commençons par les ombres et les rayons du soleil.

Si vous créez une ombre sur un mur éloigné à partir d'un doigt sur lequel vous braquez une lampe de poche, puis déplacez votre doigt, l'ombre se déplace beaucoup plus rapidement que votre doigt. Si le mur est situé très loin, le mouvement de l'ombre sera en retard sur le mouvement du doigt, car la lumière devra toujours passer du doigt au mur, mais la vitesse de l'ombre sera toujours la même. nombre de fois plus grand. Autrement dit, la vitesse de l’ombre n’est pas limitée par la vitesse de la lumière.

En plus des ombres, les rayons du soleil peuvent également se déplacer plus rapidement que la lumière. Par exemple, un point provenant d’un faisceau laser dirigé vers la Lune. La distance à la Lune est de 385 000 km. Si vous déplacez légèrement le laser, en le déplaçant d'à peine 1 cm, il aura alors le temps de traverser la Lune à une vitesse environ un tiers plus rapide que la lumière.

Des choses similaires peuvent se produire dans la nature. Par exemple, le faisceau lumineux d'un pulsar, étoile à neutrons, peut passer au peigne fin un nuage de poussière. Un flash lumineux crée une coquille de lumière ou d’autres rayonnements en expansion. Lorsqu’il traverse la surface du nuage, il crée un anneau de lumière qui grandit plus vite que la vitesse de la lumière.

Ce sont tous des exemples de choses qui se déplacent plus vite que la lumière, mais qui n'ont pas été détectées. corps physiques. Utiliser une ombre ou un lapin ne peut pas transmettre de message supraluminique, donc une communication plus rapide que la lumière ne fonctionne pas.

Et voici un exemple associé aux corps physiques. Pour l’avenir, nous dirons que, encore une fois, les messages supraluminiques ne fonctionneront pas.

Dans un cadre de référence associé à un corps en rotation, les objets distants peuvent se déplacer à des vitesses supraluminiques. Par exemple, Alpha Centauri, dans le cadre de référence de la Terre, se déplace à plus de 9 600 fois la vitesse de la lumière, « parcourant » une distance d'environ 26 années-lumière par jour. Et exactement le même exemple avec la Lune. Placez-vous face à lui et tournez autour de votre axe en quelques secondes. Pendant ce temps, il a tourné autour de vous sur environ 2,4 millions de kilomètres, soit 4 fois plus vite que la vitesse de la lumière. Ha-ha, dites-vous, ce n'était pas elle qui tournait, mais moi... Et rappelez-vous que dans la théorie de la relativité tous les systèmes de référence sont indépendants, y compris ceux qui tournent. Alors, de quel côté faut-il regarder...

Alors que devons-nous faire ? Eh bien, en fait, il n’y a pas de contradictions ici, car encore une fois, ce phénomène ne peut pas être utilisé pour la transmission supraluminique de messages. A noter également que dans son voisinage la Lune ne dépasse pas la vitesse de la lumière. En effet, toutes les interdictions imposées par la théorie de la relativité générale concernant le dépassement de la vitesse locale de la lumière.