Apa yang lebih cepat dari kecepatan cahaya? Bagaimana ilmuwan NASA akan melampaui kecepatan cahaya di luar angkasa

Dalam fisika modern diyakini bahwa suatu benda (memiliki massa), pengaruh atau informasi tidak dapat ditransfer/dipindahkan kecepatan lebih cepat cahaya. Banyak upaya yang dilakukan untuk membuktikan bahwa kecepatan cahaya dapat dilampaui, namun sejauh ini tidak berhasil. Tidak mungkin untuk menyangkal pernyataan ini secara eksperimental, tetapi secara eksperimental, bahkan para ahli teori belum membuat banyak kemajuan dalam penelitian mereka, menghasilkan tachyon hipotetis (partikel yang selalu bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya) dan berhenti di sana, menyerahkan gagasan tersebut kepada penulis fiksi ilmiah untuk implementasi.

Namun ada beberapa fenomena yang terjadi, Sepertinya, yang melanggar batasan di atas, dan menunjukkan kecepatan superluminal.

Misalnya, terkadang Anda mendengar argumen dari orang-orang bahwa sinar matahari dapat “bergerak” sepanjang dinding lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Entah kenapa, contoh sinar matahari seringkali membingungkan orang "sinar matahari bergerak" tidak lebih baik "pindah tempat basah" untuk air dari bawah selang. "Kelinci cerah" tidak bergerak seperti benda, tetapi tembus kelinci cerah tidak mungkin mentransfer informasi dari satu titik ke titik lain, yang berarti tidak ada yang melebihi kecepatan cahaya.

Atau yang disebut “kuanta terjerat”, yang, jika dipisahkan pada jarak berapa pun, “mengetahui” dengan tepat di keadaan berlawanan mana kuantum kedua berada. Segera setelah kita menentukan keadaan satu kuantum, keadaan kuantum kedua akan menjadi kebalikannya pada saat yang sama. Namun, keterikatan kuantum juga mencegah transfer informasi apa pun.

Namun, artikel tersebut tidak membahas hal ini. Sayangnya saya lupa sumber aslinya, namun masih ada sesuatu di dunia ini yang menyebar lebih cepat dari kecepatan cahaya:

“Menurut filsuf Lai Tin Widl, hanya satu hal yang diketahui yang bergerak lebih cepat dari cahaya biasa. Ini adalah monarki. Alur pemikiran Widl kira-kira seperti ini: dalam setiap saat ini Anda tidak dapat memiliki lebih dari satu raja. Bersamaan dengan itu, tradisi mengharuskan tidak ada kesenjangan antar raja. Oleh karena itu, ketika seorang raja meninggal, tahta harus langsung berpindah ke ahli warisnya. Agaknya, sang filsuf berpendapat, pasti ada beberapa partikel elementer – kingion atau, mungkin, korolevion, yang menjamin kesinambungan.”

Melanjutkan logika ini, kita dapat menemukan banyak contoh serupa "segala sesuatunya bergerak lebih cepat dari cahaya biasa" dikaitkan dengan perubahan status seseorang dan ini tentu saja hanya lelucon. Meskipun...semakin mendalami permasalahan fisika, semakin banyak pula pertanyaan-pertanyaan baru yang muncul dan terkadang jawaban para ilmuwan sepertinya belum terlalu jauh dari pemikiran filosofis Lai Tin Weed.

Itu fisika. Oleh karena itu, matematika akan tetap menjadi ratunya segala ilmu pengetahuan. Lelucon hari Jumat dengan topik:

Teori relativitas mempesona dengan paradoksnya. Kita semua tahu tentang anak kembar, tentang kemampuan memasukkan pesawat panjang ke dalam kotak pendek. Saat ini, setiap lulusan sekolah mengetahui jawaban atas teka-teki klasik ini, dan siswa fisika terlebih lagi percaya bahwa rahasianya ada di dalamnya teori khusus tidak ada relativitas yang tersisa bagi mereka.

Semuanya akan baik-baik saja jika bukan karena keadaan yang menyedihkan - ketidakmungkinan kecepatan superluminal. Apakah benar-benar tidak ada cara untuk melaju lebih cepat?! - Saya pikir sebagai seorang anak. Mungkin itu mungkin?! Oleh karena itu, saya mengundang Anda ke sesi, entahlah, ilmu hitam atau putih yang dinamai Albert Einstein dengan wahyu di akhir. Namun bagi yang merasa belum cukup, saya juga sudah menyiapkan puzzle.

UPD: Sehari kemudian saya publikasikan keputusannya. Banyak rumus dan grafik di bagian akhir.

Menuju Alpha Centauri

Sekarang kita sudah berakselerasi dengan baik, meski hingga setengah kecepatan cahaya. Mari kita ajukan pertanyaan yang tampaknya sederhana: pada kecepatan berapa kita akan mendekati Alpha Centauri dalam kerangka acuan (kapal) kita sendiri. Tampaknya semuanya sederhana, jika kita terbang dengan kecepatan dalam kerangka acuan stasioner Bumi dan Alpha Centauri, maka dari sudut pandang kita, kita mendekati target dengan kecepatan.

Siapapun yang sudah merasakan tangkapannya memang benar. Jawabannya salah! Di sini kita perlu membuat klarifikasi: yang saya maksud dengan kecepatan mendekati Alpha Centauri adalah perubahan jarak yang tersisa ke sana, dibagi dengan periode waktu selama perubahan tersebut terjadi. Semuanya, tentu saja, diukur dalam kerangka acuan kita yang terkait dengan pesawat luar angkasa.

Di sini kita harus ingat tentang kontraksi panjang Lorentz. Lagi pula, setelah berakselerasi hingga setengah kecepatan cahaya, kita akan menemukan bahwa skala sepanjang arah pergerakan kita telah menyusut. Izinkan saya mengingatkan Anda rumusnya:

Dan sekarang, jika dengan kecepatan setengah kecepatan cahaya kita mengukur jarak dari Bumi ke Alpha Centauri, kita tidak mendapatkan 4 sv. tahun, tetapi hanya 3,46 tahun suci.

Ternyata hanya karena kita mempercepatnya, kita telah mengurangi jarak ke titik akhir perjalanan hampir 0,54 tahun cahaya. Bagaimana kalau kita tidak ikut saja kecepatan tinggi, tetapi juga dipercepat, maka faktor skalanya akan mempunyai turunan terhadap waktu, yang intinya juga merupakan kecepatan pendekatan dan ditambahkan ke .

Jadi, selain kecepatan yang biasa kita katakan, menurut saya klasik, istilah lain ditambahkan - pengurangan dinamis dalam panjang lintasan yang tersisa, yang terjadi jika dan hanya jika ada percepatan bukan nol. Baiklah, mari kita ambil pensil dan berhitung.

Dan saya bertemu dengan mereka yang terlalu malas untuk mengikuti perhitungan di sisi lain spoiler

Jarak saat ini ke bintang menurut penggaris nakhoda kapal, - waktu pada jam di ruang bangsal, - kecepatan.

Di sini kita sudah melihat bahwa turunan parsial pertama adalah kecepatan, hanya kecepatan dengan tanda minus, segera setelah kita mendekati Alpha Centauri. Namun istilah kedua adalah hal yang paling menarik, saya kira, tidak semua orang memikirkannya.

Untuk mencari turunan kecepatan terhadap waktu pada suku kedua, Anda perlu berhati-hati, karena kita berada dalam kerangka acuan yang bergerak. Cara termudah untuk menghitungnya dengan jari Anda adalah dengan menggunakan rumus penjumlahan kecepatan relativistik. Misalkan pada suatu waktu kita bergerak dengan kecepatan, dan setelah jangka waktu tertentu kita meningkatkan kecepatan kita sebesar . Kecepatan yang dihasilkan menurut rumus teori relativitas adalah

Sekarang mari kita gabungkan (2) dan (3), dan turunan dari (3) harus diambil di , karena kami melihat peningkatan kecil.

Dia luar biasa! Jika suku pertama - kecepatan - dibatasi oleh kecepatan cahaya, maka suku kedua tidak dibatasi oleh apapun! Ambil lebih banyak dan... suku kedua dapat dengan mudah dilampaui.

Opo opo! - beberapa tidak akan mempercayainya.
“Ya, ya, persis seperti itu,” jawabku. - Bisa lebih besar dari kecepatan cahaya, lebih dari dua kecepatan cahaya, lebih dari 10 kecepatan cahaya. Mengutip Archimedes, saya dapat mengatakan: "berikan saya yang tepat, dan saya akan memberi Anda kecepatan sebanyak yang Anda suka."

Baiklah, gantikan saja angkanya, angka selalu lebih menarik. Seperti yang kita ingat, kapten mengatur akselerasi, dan kecepatan sudah mencapai. Kemudian kita akan menemukan bahwa pada satu tahun cahaya, kecepatan pendekatan kita akan sama dengan kecepatan cahaya. Jika kita mengganti tahun cahaya, maka

Dengan kata lain: “tiga koma tiga, tiga persepuluh kecepatan cahaya.”

Kami terus terkejut

Jadi saya masuk ke mobil dan menekan gas. Saya memiliki kecepatan dan akselerasi. Dan saat ini saya dapat menjamin bahwa di suatu tempat sekitar seratus atau dua juta tahun cahaya di depan saya terdapat objek yang kini mendekati saya lebih cepat daripada kecepatan cahaya. Untuk mempermudah, saya belum memperhitungkan kecepatan orbit Bumi mengelilingi Matahari, dan Matahari mengelilingi pusat Galaksi. Dengan mempertimbangkan hal tersebut, objek dengan kecepatan pendekatan superluminal sudah akan berada sangat dekat - bukan pada skala kosmologis, tetapi di suatu tempat di pinggiran Galaksi kita.

Ternyata tanpa sadar, meski dengan akselerasi minimal, misalnya bangun dari kursi, kita ikut serta dalam gerakan superluminal.

Kami masih terkejut

Efek mengejutkan lainnya mudah dimengerti. Lagi pula, begitu arah percepatan diubah, suku kedua pada (5) langsung berubah tanda. Itu. kecepatan pendekatan dapat dengan mudah menjadi nol, atau bahkan negatif. Walaupun kecepatan normal kita akan tetap mengarah ke Alpha Centauri.

Paparan

Dalam kerangka acuan non-inersia, Einstein tidak menjamin apa pun bagi kita. Hal-hal seperti itu!

Hal yang sama, sedikit lebih detail dan sedikit lebih kompleks

Rumus (5) memuat jarak . Ketika sama dengan nol, mis. ketika kita mencoba menentukan kecepatan lokal relatif terhadap benda-benda di dekatnya, hanya suku pertama yang tersisa, yang tentu saja tidak melebihi kecepatan ringan. Tidak masalah. Dan hanya pada jarak jauh, mis. tidak secara lokal, kita bisa mendapatkan kecepatan superluminal.

Harus dikatakan bahwa, secara umum, kecepatan relatif benda-benda yang berjauhan adalah konsep yang kurang didefinisikan. Ruang-waktu datar kita dalam kerangka acuan yang dipercepat tampak melengkung. Ini adalah padanan "lift Einstein" yang terkenal medan gravitasi. Dan bandingkan keduanya besaran vektor dalam ruang lengkung benar hanya jika keduanya berada pada titik yang sama (dalam ruang singgung yang sama dari kumpulan vektor yang bersesuaian).

Omong-omong, paradoks kecepatan superluminal kita dapat didiskusikan secara berbeda, menurut saya secara integral. Lagi pula, perjalanan relativistik ke Alpha Centauri akan memakan waktu kurang dari 4 tahun menurut jam astronot itu sendiri, jadi membagi jarak awal dengan waktu yang telah berlalu, kita mendapatkan kecepatan efektif yang lebih besar daripada kecepatan cahaya. Intinya, ini adalah paradoks yang sama tentang anak kembar. Mereka yang merasa nyaman dapat memahami perjalanan superluminal dengan cara ini.

Itulah triknya. Kapten Anda Jelas.

Masalah

Berapa jarak antara kapal-kapal dalam kerangka acuan kapal penduduk bumi pada saat peluncuran, ketika mereka masing-masing berada di dekat Bumi dan Alpha Centauri? Tulis jawaban Anda di komentar.

UPD: Solusi

Mari kita sepakati bahwa jam di Alpha, Bumi, roket, dan piring terbang disinkronkan (ini telah dilakukan sebelumnya), dan peluncuran keempat jam dilakukan pada pukul 12:00.

Mari kita pertimbangkan ruang-waktu secara grafis dalam koordinat stasioner. Bumi berada pada titik nol, Alfa berada pada jarak sepanjang sumbunya. Garis dunia Alpha Centauri rupanya langsung saja naik. Garis dunia lempeng condong ke kiri, karena itu terbang dari suatu titik ke arah Bumi.

Sekarang pada grafik ini kita akan menggambar sumbu koordinat sistem referensi roket yang diluncurkan dari Bumi. Sebagaimana diketahui, transformasi sistem koordinat (CS) seperti itu disebut boost. Dalam hal ini, sumbu dimiringkan secara simetris terhadap garis diagonal yang menunjukkan berkas cahaya.

Saya pikir saat ini semuanya sudah menjadi jelas bagi Anda. Lihat, sumbunya memotong garis dunia Alpha dan piring terbang di dalamnya poin yang berbeda. Apa yang telah terjadi?

Hal yang luar biasa. Sebelum peluncuran, dari sudut pandang roket, baik piring maupun Alpha berada pada titik yang sama, dan setelah bertambah kecepatan ternyata pada pesawat ruang angkasa yang bergerak peluncuran roket dan piring tersebut tidak dilakukan secara bersamaan. Piring itu, tiba-tiba ternyata, dimulai lebih awal dan berhasil mendekati kami. Oleh karena itu, sekarang pada pukul 12:00:01 menurut jam, roket sudah lebih dekat ke piring daripada ke Alpha.

Dan jika roket berakselerasi lebih jauh, ia akan “melompat” ke SC berikutnya, yang jarak lempengnya lebih dekat lagi. Terlebih lagi, pendekatan lempeng seperti itu hanya terjadi karena percepatan dan kompresi dinamis dari skala longitudinal (yang merupakan inti dari keseluruhan postingan saya), dan bukan karena kemajuan roket di luar angkasa, karena Roket tersebut sebenarnya belum sempat terbang menembus apa pun. Perkiraan pelat ini tepatnya merupakan suku kedua dalam rumus (5).

Antara lain, kita harus memperhitungkan pengurangan jarak Lorentz yang biasa. Saya akan segera memberi tahu Anda jawabannya: dengan kecepatan roket dan piring, pada setiap jarak

• antara roket dan Alpha: 3,46 sv. tahun (kontraksi Lorentz biasa)
• antara roket dan pelat: 2,76 St. tahun

Bagi yang berminat, mari mainkan keajaiban dengan rumus dalam ruang empat dimensi

Masalah seperti ini dapat diselesaikan dengan mudah menggunakan vektor empat dimensi. Tidak perlu takut pada mereka, semuanya dilakukan dengan menggunakan tindakan paling biasa aljabar linier. Selain itu, kita hanya bergerak sepanjang satu sumbu, sehingga dari empat koordinat hanya tersisa dua: dan .

Selanjutnya kita akan menyepakati notasi sederhana. Kami menghitung kecepatan cahaya sama dengan satu. Kami fisikawan selalu melakukan ini. :) Kita juga biasanya menganggap konstanta Planck dan konstanta gravitasi sebagai satuan. Ini tidak mengubah esensinya, tapi membuat penulisannya jauh lebih mudah.

Jadi, demi kekompakan catatan, kami menyatakan “akar relativistik” yang ada di mana-mana dengan faktor gamma, yang merupakan kecepatan roket bumi:

Sekarang mari kita tuliskan vektor pada komponennya:

Komponen atas adalah waktu, komponen bawah adalah koordinat spasial. Kapal-kapal tersebut berangkat secara bersamaan dalam sistem stasioner, sehingga komponen atas vektornya adalah nol.

Sekarang mari kita cari koordinat titik dalam sistem koordinat bergerak, yaitu. . Untuk melakukan ini, kami menggunakan transformasi ke kerangka acuan bergerak. Ini disebut dorongan dan sangat mudah dilakukan. Vektor apa pun harus dikalikan dengan matriks penguat

Berkembang biak:

Seperti yang bisa kita lihat, komponen waktu dari vektor ini negatif. Artinya, titik dari sudut pandang roket yang bergerak terletak di bawah sumbu, yaitu. di masa lalu (seperti terlihat pada gambar di atas).

Mari kita cari vektor dalam sistem stasioner. Komponen waktu adalah periode waktu yang tidak diketahui, komponen spasial adalah jarak yang didekati lempeng dalam waktu, bergerak dengan kecepatan:

Sekarang vektor yang sama dalam sistem

Mari kita cari jumlah vektor biasa

Mengapa saya menyamakan jumlah di sebelah kanan ini dengan vektor seperti itu? Menurut definisinya, titik tersebut berada pada sumbu, sehingga komponen waktu harus sama dengan nol, dan komponen spasial harus sama dengan jarak yang diperlukan dari roket ke pelat. Dari sini kita memperoleh sistem dua persamaan sederhana - kita menyamakan komponen temporal secara terpisah, dan komponen spasial secara terpisah.

Dari persamaan pertama kita tentukan parameter yang tidak diketahui, substitusikan ke persamaan kedua dan dapatkan . Mari kita lewati perhitungan sederhana dan segera menuliskannya

Mengganti , , kita dapatkan

Kami diajari di sekolah bahwa tidak mungkin melebihi kecepatan cahaya, dan karena itu menggerakkan seseorang luar angkasa adalah masalah besar yang tidak dapat dipecahkan (bagaimana menuju ke tata surya terdekat jika cahaya hanya dapat menempuh jarak ini dalam beberapa ribu tahun?). Mungkin para ilmuwan Amerika telah menemukan cara untuk terbang dengan kecepatan super, tidak hanya tanpa curang, tetapi juga mengikuti hukum dasar Albert Einstein. Bagaimanapun, inilah yang diklaim oleh penulis proyek mesin deformasi ruang angkasa, Harold White.

Kami di kantor editorial menganggap berita itu benar-benar fantastis, jadi hari ini, menjelang Hari Kosmonautika, kami menerbitkan laporan Konstantin Kakaes untuk majalah Popular Science tentang proyek NASA yang fenomenal, jika berhasil, seseorang akan dapat melakukan perjalanan lebih jauh lagi. tata surya.

Pada bulan September 2012, beberapa ratus ilmuwan, insinyur, dan penggemar ruang angkasa berkumpul untuk pertemuan publik kedua kelompok tersebut, yang disebut 100 Tahun Starship. Kelompok ini dipimpin oleh mantan astronot Mai Jemison dan didirikan oleh DARPA. Tujuan konferensi ini adalah untuk “membuat kemungkinan perjalanan manusia di luar tata surya ke bintang lain dalam seratus tahun ke depan." Sebagian besar peserta konferensi mengakui bahwa kemajuan dalam eksplorasi ruang angkasa berawak masih terlalu kecil. Meskipun miliaran dolar telah dihabiskan dalam beberapa kuartal terakhir, badan antariksa mereka dapat melakukan sebanyak yang mereka bisa lakukan pada tahun 1960an. Sebenarnya 100 Year Starship diadakan untuk memperbaiki semua ini.

Tapi mari kita langsung ke intinya. Setelah beberapa hari konferensi, para peserta mencapai topik yang paling fantastis: regenerasi organ, masalah organisasi agama di atas kapal, dan sebagainya. Salah satu presentasi yang lebih menarik pada pertemuan 100 Tahun Starship berjudul "Strain Field Mechanics 102" dan disampaikan oleh Harold "Sonny" White dari NASA. Seorang veteran agensi, White memimpin program pulsa lanjutan di Johnson Space Center (JSC). Bersama lima rekannya ia menciptakan " Peta jalan sistem propulsi luar angkasa”, yang menyuarakan tujuan NASA dalam waktu dekat perjalanan luar angkasa. Rencana tersebut mencantumkan semua jenis proyek propulsi, mulai dari roket kimia canggih hingga pengembangan jangka panjang seperti antimateri atau mesin nuklir. Namun bidang penelitian White adalah yang paling futuristik: menyangkut mesin space warp.

Jelas bahwa semua ini terdengar sangat fantastis: perkembangan seperti itu memang terjadi revolusi nyata, yang akan melepaskan ikatan tangan semua astrofisikawan di dunia. Daripada menghabiskan 75.000 tahun bepergian ke Alpha Centauri, sistem bintang terdekat kita, para astronot di kapal dengan sistem propulsi seperti itu bisa melakukan perjalanan dalam beberapa minggu.

Mengingat berakhirnya program pesawat ulang-alik dan meningkatnya peran penerbangan pribadi ke orbit rendah Bumi, NASA mengatakan pihaknya memfokuskan kembali pada rencana yang lebih luas dan lebih berani yang lebih dari sekadar perjalanan ke bulan. Tujuan-tujuan ini hanya dapat dicapai melalui pengembangan sistem motorik baru - semakin cepat semakin baik. Beberapa hari setelah konferensi, kepala NASA Charles Bolden mengulangi kata-kata White: "Kami ingin melakukan perjalanan lebih cepat dari kecepatan cahaya dan tanpa berhenti di Mars."

BAGAIMANA KITA TAHU TENTANG MESIN INI

Penggunaan populer pertama dari ungkapan "space warp engine" dimulai pada tahun 1966, ketika Jen Roddenberry merilis Star Trek. Selama 30 tahun berikutnya, mesin ini hanya ada sebagai bagian dari seri fiksi ilmiah. Seorang fisikawan bernama Miguel Alcubierre menonton salah satu episode serial ini saat dia sedang mengerjakan gelar doktornya di bidang tersebut. teori umum relativitas dan bertanya-tanya apakah mungkin untuk menciptakan mesin space warp dalam kenyataan. Pada tahun 1994 ia menerbitkan sebuah dokumen yang menguraikan posisi ini.

Alcubierre membayangkan sebuah gelembung di luar angkasa. Di bagian depan gelembung, ruang-waktu berkontraksi, dan di bagian belakang ia mengembang (seperti yang terjadi selama Big Bang, menurut fisikawan). Deformasi tersebut akan menyebabkan kapal meluncur mulus di angkasa, seolah-olah sedang berselancar di ombak kebisingan sekitar. Pada prinsipnya, gelembung yang mengalami deformasi dapat bergerak secepat yang diinginkan; batasan kecepatan cahaya, menurut teori Einstein, hanya berlaku dalam konteks ruang-waktu, tetapi tidak dalam distorsi ruang-waktu seperti itu. Di dalam gelembung, seperti asumsi Alcubierre, ruangwaktu tidak akan berubah, dan tidak ada kerugian yang akan menimpa para penjelajah ruang angkasa.

Persamaan Einstein dalam relativitas umum sulit diselesaikan dalam satu arah dengan mencari tahu bagaimana materi membengkokkan ruang, namun hal ini bisa dilakukan. Dengan menggunakannya, Alcubierre menentukan bahwa distribusi materi merupakan kondisi yang diperlukan untuk terciptanya gelembung yang cacat. Satu-satunya masalah adalah keputusan yang diambil bentuk tidak terbatas materi yang disebut energi negatif.

Berbicara dalam bahasa yang sederhana, gravitasi adalah gaya tarik menarik antara dua benda. Setiap benda, berapapun ukurannya, mempunyai gaya tarik menarik pada benda disekitarnya. Menurut Einstein, gaya tersebut adalah kelengkungan ruang-waktu. Namun, energi negatif bersifat negatif secara gravitasi, yaitu bersifat tolak-menolak. Alih-alih menghubungkan ruang dan waktu, energi negatif malah mendorong dan memisahkannya. Secara kasar, agar model seperti itu dapat berfungsi, Alcubierre memerlukan energi negatif untuk memperluas ruang-waktu di belakang kapal.

Terlepas dari kenyataan bahwa tidak ada seorang pun yang pernah benar-benar mengukur energi negatif, menurut mekanika kuantum, energi itu ada, dan para ilmuwan telah belajar untuk menciptakannya di kondisi laboratorium. Salah satu cara untuk menciptakannya kembali adalah melalui efek Casimir: dua pelat penghantar paralel yang terletak berdekatan satu sama lain menciptakan sejumlah energi negatif. Titik lemah Model Alcubierre adalah penerapannya memerlukan energi negatif dalam jumlah besar, beberapa kali lipat lebih tinggi dari perkiraan ilmuwan yang dapat dihasilkan.

White mengatakan dia telah menemukan cara mengatasi keterbatasan ini. Dalam simulasi komputer, White memodifikasi geometri bidang deformasi sehingga secara teori ia dapat menghasilkan gelembung terdeformasi dengan menggunakan energi negatif jutaan kali lebih sedikit daripada yang diperkirakan Alcubierre, dan mungkin cukup sedikit sehingga pesawat ruang angkasa dapat membawa sarana untuk memproduksinya. “Penemuan ini,” kata White, “mengubah metode Alcubierre dari tidak praktis menjadi masuk akal.”

LAPORAN DARI LAB WHITE

Johnson Space Center terletak di dekat laguna Houston, menghadap Teluk Galveston. Pusat ini mirip dengan kampus perguruan tinggi di pinggiran kota, hanya ditujukan untuk melatih para astronot. Pada hari kunjungan saya, White menemui saya di Gedung 15, sebuah labirin bertingkat yang terdiri dari koridor, kantor, dan laboratorium tempat pengujian mesin dilakukan. White mengenakan kemeja polo Eagleworks (begitu dia menyebut eksperimen mesinnya), disulam dengan gambar elang yang terbang di atas pesawat ruang angkasa futuristik.

White memulai karirnya sebagai seorang insinyur, melakukan penelitian sebagai bagian dari kelompok robot. Dia akhirnya mengambil alih komando seluruh sayap robotika di ISS sambil menyelesaikan gelar PhD di bidang fisika plasma. Baru pada tahun 2009 dia mengubah minatnya pada studi tentang gerak, dan topik ini sangat memikatnya sehingga menjadi alasan utama dia bekerja di NASA.

“Dia cukup orang yang tidak biasa, kata bosnya John Applewhite, yang mengepalai divisi sistem propulsi. - Dia jelas seorang pemimpi hebat, tetapi pada saat yang sama seorang insinyur berbakat. Dia tahu bagaimana mengubah fantasinya menjadi produk rekayasa nyata.” Sekitar waktu yang sama dia bergabung dengan NASA, White meminta izin untuk membuka laboratoriumnya sendiri yang didedikasikan untuk sistem propulsi canggih. Dia sendiri yang mencetuskan nama Eagleworks dan bahkan meminta NASA untuk membuat logo untuk spesialisasinya. Kemudian pekerjaan ini dimulai.

White membawaku ke kantornya, yang dia tinggali bersama rekannya yang mencari air di bulan, dan kemudian ke Eagleworks. Saat dia berjalan, dia menceritakan kepada saya tentang permintaannya untuk membuka laboratorium dan menyebutnya sebagai “proses panjang dan sulit dalam menemukan gerakan maju untuk membantu manusia menjelajahi ruang angkasa.”

White menunjukkan padaku objeknya dan menunjukkannya fungsi sentral- sesuatu yang dia sebut sebagai "propulsi plasma vakum kuantum" (QVPT). Perangkat ini terlihat seperti donat beludru merah besar dengan kabel yang melilit intinya. Ini adalah salah satu dari dua inisiatif Eagleworks (yang lainnya adalah warp drive). Ini juga merupakan perkembangan rahasia. Ketika saya bertanya apa itu, White mengatakan yang bisa dia katakan hanyalah bahwa teknologinya bahkan lebih keren daripada warp drive.) Menurut laporan NASA tahun 2011 yang ditulis oleh White, pesawat tersebut menggunakan fluktuasi kuantum di ruang kosong sebagai sumber bahan bakarnya, yang berarti pesawat ruang angkasa bertenaga QVPT tidak memerlukan bahan bakar.

Mesinnya menggunakan fluktuasi kuantum di ruang kosong sebagai sumber bahan bakar,
yang artinya pesawat luar angkasa,
digerakkan oleh QVPT, tidak memerlukan bahan bakar.

Saat perangkat berfungsi, sistem White terlihat sempurna secara sinematik: warna lasernya merah, dan kedua sinarnya bersilangan seperti pedang. Di dalam cincin terdapat empat kapasitor keramik yang terbuat dari barium titanat, yang diisi oleh White pada 23.000 volt. White telah menghabiskan dua setengah tahun terakhir untuk mengembangkan eksperimen tersebut, dan dia mengatakan kapasitor menunjukkan energi potensial yang sangat besar. Namun, ketika saya bertanya bagaimana cara menciptakan energi negatif yang diperlukan untuk ruangwaktu yang melengkung, dia menghindari menjawab. Dia menjelaskan bahwa dia menandatangani perjanjian kerahasiaan dan oleh karena itu tidak dapat mengungkapkan rinciannya. Saya bertanya dengan siapa dia membuat perjanjian ini. Dia berkata: “Dengan orang-orang. Mereka datang dan ingin berbicara. Saya tidak bisa memberi Anda rincian lebih lanjut.”

PELUANG IDE MESIN

Sejauh ini, teori perjalanan yang menyimpang cukup intuitif—membengkokkan waktu dan ruang untuk menciptakan gelembung yang bergerak—dan teori ini memiliki beberapa kelemahan yang signifikan. Bahkan jika White secara signifikan mengurangi jumlah energi negatif yang dibutuhkan oleh Alcubierre, hal ini masih membutuhkan lebih dari yang dapat dihasilkan oleh para ilmuwan, kata Lawrence Ford, fisikawan teoretis di Universitas Tufts yang telah menulis banyak makalah tentang topik energi negatif selama 30 tahun terakhir. . Ford dan fisikawan lain mengatakan ada keterbatasan fisik yang mendasar, bukan karena ketidaksempurnaan teknik, melainkan karena fakta bahwa jumlah energi negatif ini tidak dapat bertahan lama di satu tempat.

Tantangan lainnya: Untuk membuat bola warp yang bergerak lebih cepat dari cahaya, para ilmuwan perlu menghasilkan energi negatif di sekitar dan di atas pesawat ruang angkasa. White tidak menganggap ini sebagai masalah; dia menjawab dengan sangat samar bahwa mesin tersebut kemungkinan besar akan bekerja berkat beberapa “peralatan yang menciptakan kondisi yang diperlukan" Namun, menciptakan kondisi ini di depan kapal berarti menyediakan pasokan energi negatif secara konstan yang bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya, yang sekali lagi bertentangan dengan relativitas umum.

Terakhir, mesin space warp menimbulkan pertanyaan konseptual. Dalam relativitas umum, perjalanan dengan kecepatan superluminal setara dengan perjalanan melintasi waktu. Jika mesin seperti itu nyata, White menciptakan mesin waktu.

Hambatan-hambatan ini menimbulkan keraguan yang serius. “Saya rasa ilmu fisika yang kita ketahui dan hukum fisika tidak memungkinkan kita untuk percaya bahwa ia akan mencapai apa pun dengan eksperimennya,” kata Ken Olum, fisikawan di Universitas Tufts yang juga berpartisipasi dalam debat propulsi eksotik di Starship 100th. Pertemuan hari jadi. Noah Graham, fisikawan di Middlebury College yang membaca dua makalah White atas permintaan saya, mengirimi saya email: "Saya tidak melihat bukti ilmiah yang berharga selain referensi ke karya-karyanya sebelumnya."

Alcubierre, kini fisikawan di National Autonomous University of Mexico, punya keraguan tersendiri. “Bahkan jika saya berdiri di pesawat ruang angkasa dan saya memiliki energi negatif, tidak mungkin saya dapat menempatkannya di tempat yang seharusnya,” katanya kepada saya melalui telepon dari rumahnya di Mexico City. - Tidak, idenya ajaib, saya menyukainya, saya menulisnya sendiri. Namun ada beberapa kekurangan serius yang telah saya lihat selama bertahun-tahun, dan saya tidak tahu satu cara pun untuk memperbaikinya.”

MASA DEPAN KECEPATAN SUPER

Di sebelah kiri gerbang utama Johnson Science Center, sebuah roket Saturn V terletak miring, tahapannya dipisahkan untuk memperlihatkan isi internalnya. Ini sangat besar – seukuran salah satu dari banyak mesin sama dengan ukuran mobil kecil, dan roketnya sendiri beberapa kaki lebih panjang dari lapangan sepak bola. Ini, tentu saja, merupakan bukti yang cukup jelas tentang kekhasan navigasi luar angkasa. Selain itu, dia berusia 40 tahun, dan masa yang dia wakili - ketika NASA menjadi bagian dari rencana nasional besar untuk mengirim manusia ke bulan - sudah lama berlalu. Saat ini, JSC hanyalah sebuah tempat yang dulunya hebat, namun kini telah meninggalkan garda depan ruang angkasa.

Terobosan ini bisa berarti era baru bagi JSC dan NASA, dan sampai batas tertentu, sebagian dari era tersebut telah dimulai sekarang. Wahana Dawn, diluncurkan pada tahun 2007, mempelajari cincin asteroid menggunakan mesin ion. Pada tahun 2010, Jepang menugaskan Icarus, kapal luar angkasa antarplanet pertama yang ditenagai oleh layar surya, jenis gerakan eksperimental lainnya. Dan pada tahun 2016, para ilmuwan berencana menguji VASMIR, sistem bertenaga plasma yang dibuat khusus untuk daya dorong tinggi di ISS. Namun ketika sistem ini dapat membawa astronot ke Mars, mereka tetap tidak dapat membawa mereka keluar tata surya. Untuk mencapai hal ini, kata White, NASA perlu mengambil proyek yang lebih berisiko.

Warp drive mungkin merupakan upaya Nas yang paling tidak masuk akal dalam menciptakan proyek gerakan. Komunitas ilmiah mengatakan White tidak dapat menciptakannya. Para ahli mengatakan hal itu bertentangan dengan hukum alam dan fisika. Meskipun demikian, NASA berada di belakang proyek ini. “Itu disubsidi pada tingkat yang salah tingkat negara bagian, yang seharusnya mereka miliki,” kata Applewhite. - Saya pikir manajemen mempunyai minat khusus terhadap dia untuk melanjutkan pekerjaannya; Ini adalah salah satu konsep teoretis yang, jika berhasil, akan mengubah keadaan sepenuhnya.”

Pada bulan Januari, White merakit interferometer deformasinya dan bergerak menuju tujuan berikutnya. Eagleworks telah melampaui rumahnya sendiri. Laboratorium baru ini lebih besar dan, dengan antusias ia menyatakan, “terisolasi secara seismik,” yang berarti ia terlindung dari getaran. Namun mungkin hal terbaik tentang laboratorium baru ini (dan yang paling mengesankan) adalah bahwa NASA memberi White kondisi yang sama seperti yang dialami Neil Armstrong dan Buzz Aldrin di Bulan. Baiklah, mari kita lihat.

Batas atas kecepatan diketahui bahkan oleh anak-anak sekolah: setelah menghubungkan massa dan energi dengan rumus terkenal E = mc 2, pada awal abad ke-20 ia menunjukkan ketidakmungkinan mendasar segala sesuatu yang bermassa bergerak di ruang angkasa lebih cepat dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Namun, formulasi ini sudah mengandung celah yang dapat dilewati oleh beberapa fenomena fisik dan partikel. Setidaknya untuk fenomena yang ada secara teori.

Celah pertama berkaitan dengan kata “massa”: pembatasan Einstein tidak berlaku untuk partikel tak bermassa. Hal ini juga tidak berlaku untuk beberapa media yang cukup padat, di mana kecepatan cahaya bisa jauh lebih kecil dibandingkan di ruang hampa. Akhirnya, dengan penerapan energi yang cukup, ruang itu sendiri dapat mengalami deformasi lokal, sehingga memungkinkan pergerakan sedemikian rupa sehingga bagi pengamat luar, di luar deformasi ini, pergerakan tersebut tampak lebih cepat daripada kecepatan cahaya.

Beberapa fenomena dan partikel fisika “berkecepatan tinggi” ini dicatat dan direproduksi secara rutin di laboratorium, dan bahkan digunakan dalam praktik, pada instrumen dan perangkat berteknologi tinggi. Para ilmuwan masih berusaha menemukan fenomena lain yang diprediksi secara teoritis dalam kenyataan, dan bagi yang lain mereka punya rencana besar: mungkin suatu hari nanti fenomena ini akan memungkinkan kita bergerak bebas di seluruh Alam Semesta, bahkan tidak dibatasi oleh kecepatan cahaya.

Teleportasi kuantum

Status: aktif berkembang

Makhluk hidup - contoh yang baik teknologi yang secara teoritis diperbolehkan, namun secara praktis, tampaknya tidak pernah memungkinkan. Tetapi jika kita berbicara tentang teleportasi, itu benar gerakan instan dari satu tempat ke tempat lain barang-barang kecil, dan terlebih lagi partikel, hal ini sangat mungkin terjadi. Untuk menyederhanakan tugas, mari kita mulai dengan sesuatu yang sederhana – partikel.

Tampaknya kita memerlukan perangkat yang (1) dapat mengamati keadaan partikel secara menyeluruh, (2) mentransmisikan keadaan ini lebih cepat dari kecepatan cahaya, (3) mengembalikan keadaan aslinya.

Namun, dalam skema seperti itu, langkah pertama pun tidak dapat dilaksanakan sepenuhnya. Prinsip ketidakpastian Heisenberg menerapkan batasan yang tidak dapat diatasi pada keakuratan pengukuran parameter “berpasangan” suatu partikel. Misalnya, semakin baik kita mengetahui momentumnya, semakin buruk kita mengetahui koordinatnya, dan sebaliknya. Namun fitur penting teleportasi kuantum adalah, pada kenyataannya, tidak perlu mengukur partikel, sama seperti tidak perlu memulihkan apa pun - cukup untuk mendapatkan sepasang partikel yang terjerat.

Misalnya, untuk menyiapkan foton yang terjerat, kita perlu menerangi kristal nonlinier dengan radiasi laser dengan panjang gelombang tertentu. Kemudian beberapa foton yang masuk akan meluruh menjadi dua foton yang terjerat – terhubung secara tidak dapat dijelaskan, sehingga setiap perubahan keadaan yang satu akan langsung mempengaruhi keadaan yang lain. Hubungan ini benar-benar tidak dapat dijelaskan: mekanisme keterikatan kuantum masih belum diketahui, meskipun fenomena itu sendiri telah dan sedang dibuktikan secara terus-menerus. Tapi ini adalah fenomena yang sangat mudah membuat kita bingung - cukup ditambahkan bahwa sebelum pengukuran, tidak satu pun dari partikel ini yang memiliki karakteristik yang dibutuhkan, dan apa pun hasil yang kita peroleh dengan mengukur pengukuran pertama, keadaan pengukuran kedua akan berkorelasi aneh dengan hasil kita.

Mekanisme teleportasi kuantum, yang diusulkan pada tahun 1993 oleh Charles Bennett dan Gilles Brassard, hanya memerlukan penambahan satu peserta tambahan ke sepasang partikel yang terjerat - sebenarnya, partikel yang akan kita teleportasi. Pengirim dan penerima biasanya disebut Alice dan Bob, dan kita akan mengikuti tradisi ini dengan memberikan masing-masing foton yang terjerat. Segera setelah mereka dipisahkan oleh jarak yang cukup dan Alice memutuskan untuk mulai berteleportasi, dia mengambil foton yang diinginkan dan mengukur statusnya bersama dengan status foton terjerat pertama. Tidak pasti fungsi gelombang foton ini runtuh dan langsung bergema di foton terjerat kedua Bob.

Sayangnya, Bob tidak tahu persis bagaimana fotonnya bereaksi terhadap perilaku foton Alice: untuk memahami hal ini, dia harus menunggu sampai dia mengirimkan hasil pengukurannya melalui pos biasa, tidak lebih cepat dari kecepatan cahaya. Oleh karena itu, tidak mungkin mengirimkan informasi apa pun melalui saluran seperti itu, tetapi faktanya tetap ada. Kami menteleportasi keadaan satu foton. Untuk beralih ke manusia, yang tersisa hanyalah meningkatkan teknologi untuk mencakup setiap partikel yang berjumlah 7000 triliun triliun atom di tubuh kita - nampaknya kita hanya tinggal selamanya dari terobosan ini.

Namun teleportasi kuantum dan kebingungan tetap menjadi salah satu topik terhangat fisika modern. Pertama-tama, karena penggunaan saluran komunikasi semacam itu menjanjikan perlindungan data yang dikirimkan yang tidak dapat diretas: untuk mendapatkan akses ke data tersebut, penyerang tidak hanya perlu memiliki surat dari Alice untuk Bob, tetapi juga akses ke partikel terjerat Bob. , dan bahkan jika mereka berhasil mencapainya dan melakukan pengukuran, ini akan mengubah keadaan foton selamanya dan akan segera terungkap.

Efek Vavilov – Cherenkov

Status: sudah lama digunakan

Aspek perjalanan yang lebih cepat dari kecepatan cahaya ini merupakan alasan yang menyenangkan untuk mengingat pencapaian para ilmuwan Rusia. Fenomena tersebut ditemukan pada tahun 1934 oleh Pavel Cherenkov, bekerja di bawah kepemimpinan Sergei Vavilov, tiga tahun kemudian mendapat pembenaran teoritis dalam karya Igor Tamm dan Ilya Frank, dan pada tahun 1958 semua partisipan dalam karya tersebut, kecuali Vavilov yang sekarang sudah meninggal. , dianugerahi Hadiah Nobel dalam bidang fisika.

Faktanya, ini hanya berbicara tentang kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Pada media transparan lainnya, cahaya melambat secara nyata, akibatnya pembiasan dapat diamati pada perbatasannya dengan udara. Indeks bias kaca adalah 1,49, yang berarti kecepatan fase cahaya di dalamnya 1,49 kali lebih kecil, dan, misalnya, berlian memiliki indeks bias 2,42, dan kecepatan cahaya di dalamnya berkurang lebih dari setengahnya. Tidak ada yang menghalangi partikel lain untuk terbang lebih cepat daripada foton cahaya.

Hal inilah yang sebenarnya terjadi pada elektron, yang dalam percobaan Cherenkov tersingkir dari tempatnya dalam molekul cairan bercahaya oleh radiasi gamma berenergi tinggi. Mekanisme ini sering diibaratkan dengan terbentuknya suatu guncangan gelombang suara saat terbang di atmosfer kecepatan supersonik. Tapi Anda juga bisa membayangkannya seperti berlari di tengah kerumunan: bergerak lebih cepat dari cahaya, elektron bergegas melewati partikel lain, seolah-olah menyapu mereka dengan bahu - dan untuk setiap sentimeter jalurnya, menyebabkan mereka memancarkan beberapa hingga beberapa ratus foton dengan marah. .

Segera perilaku yang sama ditemukan di semua cairan lain yang cukup bersih dan transparan, dan selanjutnya radiasi Cherenkov tercatat bahkan jauh di dalam lautan. Tentu saja foton cahaya dari permukaan tidak sampai ke sini. Tapi partikel ultra-cepat yang terbang keluar dari sejumlah kecil peluruhan partikel radioaktif, dari waktu ke waktu mereka menciptakan cahaya, setidaknya memungkinkan penduduk setempat untuk melihatnya.

Radiasi Cherenkov – Vavilov telah diterapkan dalam sains, energi nuklir dan bidang terkait. Reaktor pembangkit listrik tenaga nuklir bersinar terang, penuh dengan partikel cepat. Dengan mengukur secara akurat karakteristik radiasi ini dan mengetahui kecepatan fasa kita lingkungan kerja, kita dapat memahami jenis partikel apa yang menyebabkannya. Para astronom juga menggunakan detektor Cherenkov untuk mendeteksi cahaya dan energi partikel kosmik: yang berat sangat sulit untuk dipercepat ke kecepatan yang diinginkan, dan tidak menimbulkan radiasi.

Gelembung dan lubang

Ini seekor semut yang merayap di selembar kertas. Kecepatannya rendah, dan orang malang itu membutuhkan waktu 10 detik untuk berpindah dari tepi kiri pesawat ke kanan. Tapi begitu kita kasihan padanya dan membengkokkan kertas, menghubungkan ujung-ujungnya, dia langsung “berteleportasi” ke titik yang diinginkan. Hal serupa dapat dilakukan dengan ruang-waktu asli kita, dengan satu-satunya perbedaan bahwa pembengkokan memerlukan partisipasi dimensi lain yang tidak kita rasakan, membentuk terowongan ruang-waktu - lubang cacing atau lubang cacing yang terkenal.

Omong-omong, menurut teori baru, lubang cacing semacam itu adalah sejenis ruang-waktu yang setara dengan fenomena keterjeratan kuantum yang sudah dikenal. Secara umum keberadaannya tidak bertentangan dengan konsep penting fisika modern, termasuk. Namun untuk mempertahankan terowongan seperti itu di jalinan Alam Semesta, sesuatu yang sedikit mirip dengan ilmu pengetahuan yang sebenarnya, adalah “materi eksotik” hipotetis yang memiliki kepadatan energi negatif. Dengan kata lain, itu pasti jenis materi yang menyebabkan gaya tolak-menolak gravitasi. Sulit membayangkan spesies eksotik ini akan ditemukan, apalagi dijinakkan.

Alternatif unik untuk lubang cacing dapat berupa deformasi ruang-waktu yang lebih eksotis - pergerakan di dalam gelembung struktur melengkung kontinum ini. Ide tersebut diungkapkan pada tahun 1993 oleh fisikawan Miguel Alcubierre, meskipun ide tersebut telah disuarakan dalam karya penulis fiksi ilmiah jauh lebih awal. Ibarat sebuah pesawat luar angkasa yang bergerak, menekan dan menghancurkan ruang-waktu di depan hidungnya dan menghaluskannya lagi di belakang. Kapal itu sendiri dan awaknya tetap berada di wilayah lokal di mana ruang-waktu mempertahankan geometri normal, dan tidak mengalami ketidaknyamanan apa pun. Hal ini terlihat jelas dalam serial Star Trek, yang populer di kalangan pemimpi, di mana “mesin warp” memungkinkan Anda melakukan perjalanan, tanpa harus bersikap rendah hati, ke seluruh Alam Semesta.

Status: dari fantastis hingga teoretis

Foton adalah partikel tak bermassa, seperti partikel lainnya: massanya saat diam adalah nol, dan agar tidak hilang sepenuhnya, mereka dipaksa untuk selalu bergerak, dan selalu dengan kecepatan cahaya. Namun, beberapa teori menyatakan adanya partikel yang jauh lebih eksotis - tachyon. Massanya, yang muncul dalam rumus favorit kita E = mc 2, tidak diberikan oleh bilangan prima, tetapi oleh bilangan imajiner, termasuk komponen matematika khusus, yang kuadratnya memberikan angka negatif. Ini sangat properti yang berguna, dan penulis serial TV kesayangan kita “Star Trek” menjelaskan pengoperasian mesin fantastis mereka dengan “memanfaatkan energi tachyon.”

Faktanya, massa imajiner menghasilkan hal yang luar biasa: tachyon harus kehilangan energi saat berakselerasi, jadi bagi mereka segala sesuatu dalam hidup benar-benar berbeda dari apa yang biasa kita pikirkan. Ketika mereka bertabrakan dengan atom, mereka kehilangan energi dan mempercepat, sehingga tumbukan berikutnya akan menjadi lebih kuat, yang akan menghabiskan lebih banyak energi dan mempercepat takyon lagi hingga tak terbatas. Jelas bahwa keterlibatan diri seperti itu melanggar hubungan sebab-akibat yang mendasar. Mungkin inilah sebabnya sejauh ini hanya ahli teori yang mempelajari tachyon: belum ada yang melihat satu pun contoh pembusukan hubungan sebab-akibat di alam, dan jika Anda melihatnya, carilah tachyon, dan Hadiah Nobel disediakan untuk Anda.

Namun, para ahli teori masih menunjukkan bahwa tachyon mungkin tidak ada, tetapi di masa lalu mereka mungkin saja ada, dan, menurut beberapa gagasan, kemungkinan tak terbatas itulah yang berperan dalam peran penting dalam Dentuman Besar. Kehadiran takyon menjelaskan keadaan vakum palsu yang sangat tidak stabil yang mungkin terjadi di alam semesta sebelum kelahirannya. Dalam gambaran dunia seperti itu, tachyon yang bergerak lebih cepat dari cahaya adalah dasar sebenarnya dari keberadaan kita, dan kemunculan Alam Semesta digambarkan sebagai transisi bidang tachyon dari kekosongan palsu ke dalam bidang inflasi yang sebenarnya. Patut ditambahkan bahwa semua teori ini cukup terhormat, terlepas dari kenyataan bahwa pelanggar utama hukum Einstein dan bahkan hubungan sebab-akibat ternyata adalah pendiri semua sebab dan akibat di dalamnya.

Kecepatan kegelapan

Status: filosofis

Secara filosofis, kegelapan hanyalah ketiadaan cahaya, dan kecepatannya harus sama. Tapi pikirkan lebih hati-hati: kegelapan bisa mengambil bentuk yang bergerak lebih cepat. Nama bentuk ini adalah bayangan. Bayangkan Anda menggunakan jari Anda untuk menunjukkan siluet seekor anjing di dinding seberangnya. Sinar senter menyimpang, dan bayangan tangan Anda menjadi jauh lebih besar daripada tangan itu sendiri. Gerakan jari sekecil apa pun sudah cukup untuk membuat bayangannya di dinding berpindah dalam jarak yang nyata. Bagaimana jika kita membuat bayangan di Bulan? Atau ke layar imajiner lebih jauh lagi?..

Gelombang yang nyaris tak terlihat - dan dia akan berlari dengan kecepatan berapa pun, yang hanya ditentukan oleh geometri, jadi tidak ada Einstein yang bisa memberitahunya. Namun, sebaiknya jangan main mata dengan bayangan, karena bayangan itu mudah menipu kita. Ada baiknya kita kembali ke awal dan mengingat bahwa kegelapan hanyalah ketiadaan cahaya, jadi tidak objek fisik dengan gerakan seperti itu tidak menular. Tidak ada partikel, tidak ada informasi, tidak ada deformasi ruang-waktu, yang ada hanyalah ilusi kita bahwa ini adalah fenomena yang terpisah. Di dunia nyata, tidak ada kegelapan yang bisa menandingi kecepatan cahaya.

25 Maret 2017

Perjalanan dengan kecepatan superluminal adalah salah satu dasar eksplorasi ruang angkasa. fiksi ilmiah. Namun, mungkin semua orang - bahkan orang yang jauh dari fisika - mengetahui bahwa kecepatan maksimum pergerakan benda material atau perambatan sinyal apa pun adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Dilambangkan dengan huruf c dan kecepatannya hampir 300 ribu kilometer per detik; nilai eksak c = 299.792.458 m/s.

Kecepatan cahaya dalam ruang hampa adalah salah satu yang mendasar konstanta fisik. Ketidakmungkinan mencapai kecepatan melebihi c mengikuti teori relativitas khusus (STR) Einstein. Jika transmisi sinyal pada kecepatan superluminal dapat dibuktikan, maka teori relativitas akan gagal. Sejauh ini hal ini belum terjadi, meskipun banyak upaya untuk menyangkal larangan adanya kecepatan lebih besar dari c. Namun, di studi eksperimental Baru-baru ini, beberapa fenomena yang sangat menarik telah ditemukan, menunjukkan bahwa dalam kondisi yang diciptakan secara khusus, kecepatan superluminal dapat diamati dan pada saat yang sama prinsip-prinsip teori relativitas tidak dilanggar.

Untuk memulainya, mari kita mengingat kembali aspek-aspek utama yang berkaitan dengan masalah kecepatan cahaya.

Pertama-tama: mengapa tidak mungkin (dalam kondisi normal) melebihi batas cahaya? Karena dengan demikian hukum dasar dunia kita dilanggar - hukum kausalitas, yang menyatakan bahwa akibat tidak dapat mendahului sebab. Tidak ada yang pernah mengamati bahwa, misalnya, seekor beruang pertama-tama mati dan kemudian pemburunya tertembak. Pada kecepatan melebihi c, urutan kejadian menjadi terbalik, pita waktu dimundurkan kembali. Ini mudah untuk diverifikasi dari alasan sederhana berikut.

Mari kita asumsikan bahwa kita berada di semacam kapal ajaib luar angkasa, bergerak lebih cepat dari kecepatan cahaya. Kemudian kita secara bertahap akan mengejar cahaya yang dipancarkan oleh sumbernya pada waktu yang lebih awal dan lebih awal. Pertama, kita akan mengejar foton yang dipancarkan, katakanlah kemarin, lalu foton yang dipancarkan sehari sebelum kemarin, lalu seminggu, sebulan, setahun lalu, dan seterusnya. Jika sumber cahaya adalah cermin yang memantulkan kehidupan, maka pertama-tama kita akan melihat kejadian kemarin, lalu lusa, dan seterusnya. Kita bisa melihat, katakanlah, seorang lelaki tua yang berangsur-angsur berubah menjadi lelaki paruh baya, lalu menjadi lelaki muda, menjadi remaja, menjadi anak-anak... Artinya, waktu akan berputar kembali, kita akan berpindah dari masa kini ke masa sekarang. masa lalu. Sebab dan akibat kemudian akan berpindah tempat.

Meskipun diskusi ini sepenuhnya mengabaikan rincian teknis dari proses pengamatan cahaya, dari sudut pandang fundamental, diskusi ini dengan jelas menunjukkan bahwa pergerakan dengan kecepatan superluminal mengarah pada situasi yang tidak mungkin terjadi di dunia kita. Namun, alam telah menetapkan kondisi yang lebih ketat: pergerakan tidak hanya dengan kecepatan superluminal tidak dapat dicapai, tetapi juga dengan kecepatan kecepatan yang sama ringan - Anda hanya bisa mendekatinya. Dari teori relativitas dapat disimpulkan bahwa dengan bertambahnya kecepatan gerak, timbul tiga keadaan: massa suatu benda yang bergerak bertambah, ukurannya searah geraknya mengecil, dan aliran waktu pada benda tersebut melambat (dari titik pandangan pengamat “beristirahat” eksternal). Pada kecepatan biasa, perubahan ini dapat diabaikan, tetapi ketika mendekati kecepatan cahaya, perubahan tersebut menjadi semakin terlihat, dan dalam batas - pada kecepatan yang sama dengan c - massa menjadi sangat besar, benda kehilangan ukuran sepenuhnya ke arahnya. gerakan dan waktu berhenti di atasnya. Oleh karena itu, tidak ada benda material yang dapat mencapai kecepatan cahaya. Hanya cahaya yang memiliki kecepatan seperti itu! (Dan juga partikel yang “menembus segala” - neutrino, yang, seperti foton, tidak dapat bergerak dengan kecepatan kurang dari c.)

Sekarang tentang kecepatan transmisi sinyal. Di sini tepat untuk menggunakan representasi cahaya dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Apa itu sinyal? Ini adalah beberapa informasi yang perlu disampaikan. Gelombang elektromagnetik ideal adalah sinusoida tak terhingga yang hanya memiliki satu frekuensi, dan tidak dapat membawa informasi apa pun, karena setiap periode sinusoida tersebut mengulangi periode sebelumnya. Kecepatan pergerakan fase gelombang sinus - yang disebut kecepatan fase - dalam kondisi tertentu dapat melebihi kecepatan cahaya dalam ruang hampa dalam suatu medium. Tidak ada batasan di sini, karena kecepatan fase bukanlah kecepatan sinyal - belum ada. Untuk membuat sinyal, Anda perlu membuat semacam “tanda” pada gelombang. Tanda seperti itu dapat berupa, misalnya, perubahan parameter gelombang apa pun - amplitudo, frekuensi, atau fase awal. Tapi begitu tanda dibuat, gelombang kehilangan sinusoidalitasnya. Itu menjadi termodulasi, terdiri dari sekumpulan gelombang sinus sederhana dengan amplitudo, frekuensi dan yang berbeda fase awal- kelompok gelombang. Kecepatan pergerakan tanda dalam gelombang termodulasi adalah kecepatan sinyal. Ketika merambat dalam suatu medium, kecepatan ini biasanya bertepatan dengan kecepatan kelompok, yang menjadi ciri perambatan kelompok gelombang tersebut di atas secara keseluruhan (lihat “Ilmu Pengetahuan dan Kehidupan” No. 2, 2000). Dalam kondisi normal, kecepatan grup, dan juga kecepatan sinyal, lebih kecil dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Bukan kebetulan bahwa ungkapan “dalam kondisi normal” digunakan di sini, karena dalam beberapa kasus kecepatan grup mungkin melebihi c atau bahkan kehilangan maknanya, tetapi ini tidak mengacu pada perambatan sinyal. Stasiun layanan menetapkan bahwa tidak mungkin mengirimkan sinyal dengan kecepatan lebih besar dari c.

Mengapa demikian? Karena hambatan transmisi sinyal apa pun pada kecepatan lebih besar dari c adalah hukum kausalitas yang sama. Mari kita bayangkan situasi seperti ini. Di beberapa titik A, kilatan cahaya (peristiwa 1) menyalakan perangkat pengirim sinyal radio tertentu, dan di titik jauh B, di bawah pengaruh sinyal radio ini, terjadi ledakan (peristiwa 2). Jelas bahwa peristiwa 1 (flare) adalah penyebabnya, dan peristiwa 2 (ledakan) adalah akibat yang terjadi. alasan di kemudian hari. Tetapi jika sinyal radio merambat dengan kecepatan superluminal, pengamat di dekat titik B pertama-tama akan melihat ledakan, dan baru kemudian penyebab ledakan yang sampai padanya dengan kecepatan kilatan cahaya. Dengan kata lain, bagi pengamat ini, peristiwa 2 akan terjadi lebih awal dari peristiwa 1, artinya akibat mendahului sebab.

Patut ditekankan bahwa “larangan superluminal” teori relativitas hanya dikenakan pada pergerakan benda material dan transmisi sinyal. Dalam banyak situasi, pergerakan dengan kecepatan berapa pun dimungkinkan, tetapi ini bukanlah pergerakan benda atau sinyal material. Misalnya, bayangkan dua penggaris yang cukup panjang terletak pada bidang yang sama, salah satunya terletak secara horizontal, dan yang lainnya berpotongan dengan sudut kecil. Jika penggaris pertama digerakkan ke bawah (sesuai arah tanda panah) dengan kecepatan tinggi, maka titik potong penggaris tersebut dapat dibuat berjalan secepat yang diinginkan, namun titik tersebut bukanlah benda material. Contoh lain: jika Anda mengambil senter (atau, katakanlah, laser yang menghasilkan sinar sempit) dan dengan cepat menggambarkan busur di udara, maka kecepatan linier Sinar cahaya akan bertambah seiring jarak dan pada jarak yang cukup jauh akan melebihi c. Titik cahaya akan berpindah antara titik A dan B dengan kecepatan superluminal, tetapi ini bukan transmisi sinyal dari A ke B, karena titik cahaya tersebut tidak membawa informasi apa pun tentang titik A.

Tampaknya masalah kecepatan superluminal telah teratasi. Namun pada tahun 60-an abad kedua puluh, fisikawan teoretis mengajukan hipotesis tentang keberadaan partikel superluminal yang disebut tachyon. Ini adalah partikel yang sangat aneh: secara teoritis mungkin terjadi, tetapi untuk menghindari kontradiksi dengan teori relativitas, partikel tersebut harus diberi massa diam imajiner. Secara fisik, massa imajiner tidak ada, ia murni abstraksi matematika. Namun, hal ini tidak menimbulkan banyak kekhawatiran, karena tachyon tidak dapat diam - mereka ada (jika ada!) hanya dengan kecepatan melebihi kecepatan cahaya dalam ruang hampa, dan dalam hal ini massa tachyon ternyata nyata. Ada beberapa analogi di sini dengan foton: foton tidak mempunyai massa diam, tetapi ini berarti bahwa foton tidak dapat diam - cahaya tidak dapat dihentikan.

Hal yang paling sulit ternyata, seperti yang diharapkan, adalah menyelaraskan hipotesis tachyon dengan hukum kausalitas. Upaya yang dilakukan ke arah ini, meskipun cukup cerdik, tidak membuahkan hasil yang nyata. Belum ada yang bisa mendaftarkan tachyon secara eksperimental. Akibatnya, minat terhadap tachyon sebagai partikel elementer superluminal berangsur-angsur memudar.

Namun, pada tahun 60an, sebuah fenomena ditemukan secara eksperimental yang awalnya membingungkan para fisikawan. Hal ini dijelaskan secara rinci dalam artikel oleh A. N. Oraevsky “Super gelombang cahaya dalam media penguat" (UFN No. 12, 1998). Di sini kami akan merangkum secara singkat inti permasalahan, merujuk pembaca yang tertarik secara detail ke artikel yang disebutkan.

Segera setelah penemuan laser - di awal tahun 60an - muncul masalah dalam memperoleh pulsa cahaya berkekuatan tinggi yang pendek (berlangsung sekitar 1 ns = 10-9 detik). Untuk melakukan ini, pulsa laser pendek dilewatkan melalui penguat kuantum optik. Denyut nadi dipecah menjadi dua bagian oleh cermin pemecah sinar. Salah satunya, yang lebih kuat, dikirim ke amplifier, dan yang lainnya disebarkan di udara dan berfungsi sebagai pulsa referensi yang dapat digunakan untuk membandingkan pulsa yang melewati amplifier. Kedua pulsa diumpankan ke fotodetektor, dan sinyal keluarannya dapat diamati secara visual pada layar osiloskop. Diharapkan pulsa cahaya yang melewati amplifier akan mengalami beberapa penundaan dibandingkan dengan pulsa referensi, yaitu kecepatan rambat cahaya di amplifier akan lebih kecil dibandingkan di udara. Bayangkan keheranan para peneliti ketika mereka menemukan bahwa pulsa merambat melalui amplifier dengan kecepatan tidak hanya lebih besar dari kecepatan di udara, tetapi juga beberapa kali lebih tinggi dari kecepatan cahaya di ruang hampa!

Setelah pulih dari guncangan pertama, fisikawan mulai mencari penyebab hasil yang tidak terduga tersebut. Tidak ada seorang pun yang memiliki keraguan sedikit pun tentang prinsip-prinsip teori relativitas khusus, dan inilah yang membantu menemukan penjelasan yang benar: jika prinsip-prinsip SRT dipertahankan, maka jawabannya harus dicari pada sifat-sifat media penguat.

Tanpa menjelaskan secara detail di sini, kami hanya akan menunjukkan hal itu analisis terperinci mekanisme kerja media peningkat sepenuhnya memperjelas situasi. Intinya adalah perubahan konsentrasi foton selama perambatan pulsa - perubahan yang disebabkan oleh perubahan penguatan medium hingga nilai negatif ketika bagian belakang pulsa lewat, ketika medium sudah menyerap energi, karena cadangannya sendiri telah habis karena transfernya ke pulsa cahaya. Penyerapan tidak menyebabkan peningkatan, melainkan melemahnya impuls, sehingga impuls diperkuat di bagian depan dan melemah di bagian belakang. Bayangkan kita mengamati denyut nadi menggunakan alat yang bergerak dengan kecepatan cahaya dalam media penguat. Jika mediumnya transparan, kita akan melihat impuls itu membeku dalam keadaan tidak bergerak. Dalam lingkungan di mana proses yang disebutkan di atas terjadi, penguatan tepi depan dan melemahnya tepi belakang pulsa akan terlihat oleh pengamat sedemikian rupa sehingga medium seolah-olah menggerakkan pulsa ke depan. Tetapi karena perangkat (pengamat) bergerak dengan kecepatan cahaya, dan impuls mendahuluinya, maka kecepatan impuls melebihi kecepatan cahaya! Efek inilah yang dicatat oleh para peneliti. Dan di sini sebenarnya tidak ada kontradiksi dengan teori relativitas: proses amplifikasi sedemikian rupa sehingga konsentrasi foton yang keluar lebih awal ternyata lebih besar daripada yang keluar belakangan. Bukan foton yang bergerak dengan kecepatan superluminal, tetapi selubung pulsa, khususnya maksimumnya, yang diamati pada osiloskop.

Jadi, meskipun pada media biasa selalu terjadi pelemahan cahaya dan penurunan kecepatannya, yang ditentukan oleh indeks bias, pada media laser aktif tidak hanya terjadi amplifikasi cahaya, tetapi juga perambatan pulsa pada kecepatan superluminal.

Beberapa fisikawan mencoba membuktikan secara eksperimental adanya gerakan superluminal selama efek terowongan - salah satu yang paling banyak fenomena yang menakjubkan dalam mekanika kuantum. Efek ini terdiri dari fakta bahwa mikropartikel (lebih tepatnya, objek mikro yang dalam kondisi berbeda menunjukkan sifat partikel dan sifat gelombang) mampu menembus apa yang disebut penghalang potensial - sebuah fenomena yang sepenuhnya mustahil dalam mekanika klasik (yang analoginya adalah situasi seperti ini: bola yang dilempar ke dinding akan berakhir di sisi lain dinding, atau gerakan seperti gelombang yang diberikan pada tali yang diikat ke dinding akan ditransfer ke seutas tali diikatkan ke dinding di sisi yang lain). Inti dari efek terowongan dalam mekanika kuantum adalah sebagai berikut. Jika suatu objek mikro dengan energi tertentu bertemu dengan suatu area dengan energi potensial, melebihi energi suatu objek mikro, wilayah ini merupakan penghalang baginya, yang ketinggiannya ditentukan oleh perbedaan energi. Tapi objek mikro “bocor” menembus penghalang! Kemungkinan ini diberikan kepadanya oleh hubungan ketidakpastian Heisenberg yang terkenal, yang ditulis untuk energi dan waktu interaksi. Jika interaksi suatu benda mikro dengan suatu penghalang terjadi dalam waktu yang cukup tertentu, maka energi benda mikro tersebut sebaliknya akan bercirikan ketidakpastian, dan jika ketidakpastian tersebut adalah orde tinggi penghalang tersebut, maka yang terakhir tidak lagi menjadi hambatan yang tidak dapat diatasi bagi objek mikro. Kecepatan penetrasi melalui penghalang potensial inilah yang menjadi subjek penelitian sejumlah fisikawan, yang percaya bahwa kecepatan tersebut dapat melebihi c.

Pada bulan Juni 1998, sebuah simposium internasional tentang masalah gerak superluminal diadakan di Cologne, di mana hasil yang diperoleh di empat laboratorium - di Berkeley, Wina, Cologne dan Florence - dibahas.

Dan akhirnya, pada tahun 2000, muncul laporan tentang dua eksperimen baru yang memunculkan efek propagasi superluminal. Salah satunya dilakukan oleh Lijun Wong dan rekannya di Princeton Research Institute (AS). Hasilnya adalah pulsa cahaya yang memasuki ruangan berisi uap cesium meningkatkan kecepatannya sebanyak 300 kali lipat. Ternyata itu bagian utama Denyut nadi meninggalkan dinding jauh ruangan bahkan sebelum pulsa memasuki ruangan melalui dinding depan. Situasi ini tidak hanya bertentangan kewajaran, tapi, pada intinya, teori relativitas.

Pesan L. Wong menimbulkan diskusi yang intens di kalangan fisikawan, yang sebagian besar tidak cenderung melihat adanya pelanggaran prinsip relativitas dalam hasil yang diperoleh. Tantangannya, mereka yakin, adalah menjelaskan eksperimen ini dengan benar.

Dalam percobaan L. Wong, pulsa cahaya yang memasuki ruangan dengan uap cesium memiliki durasi sekitar 3 s. Atom cesium dapat berada dalam enam belas kemungkinan keadaan mekanika kuantum, yang disebut "sublevel magnetik hiperhalus dari keadaan dasar". Dengan menggunakan pemompaan laser optik, hampir semua atom dibawa ke salah satu dari enam belas keadaan ini, sesuai dengan suhu hampir nol mutlak pada skala Kelvin (-273,15°C). Panjang ruang cesium adalah 6 sentimeter. Dalam ruang hampa, cahaya merambat sejauh 6 cm dalam waktu 0,2 ns. Pengukuran menunjukkan bahwa pulsa cahaya melewati ruangan dengan cesium dalam waktu 62 ns lebih sedikit dibandingkan dalam ruang hampa. Dengan kata lain, waktu yang diperlukan pulsa untuk melewati medium cesium mempunyai tanda minus! Memang benar, jika kita mengurangi 62 ns dari 0,2 ns, kita mendapatkan waktu “negatif”. "Penundaan negatif" dalam medium ini - lompatan waktu yang tidak dapat dipahami - sama dengan waktu yang dibutuhkan pulsa untuk mencapai 310 melewati ruangan dalam ruang hampa. Konsekuensi dari “pembalikan sementara” ini adalah pulsa yang keluar dari ruangan berhasil berpindah sejauh 19 meter sebelum pulsa yang masuk mencapai dekat dinding ruangan. Bagaimana seseorang bisa menjelaskan hal itu situasi yang luar biasa(kecuali, tentu saja, Anda meragukan kemurnian eksperimen tersebut)?

Dilihat dari diskusi yang sedang berlangsung, penjelasan pastinya belum ditemukan, namun tidak ada keraguan bahwa sifat dispersi medium yang tidak biasa berperan di sini: uap cesium, yang terdiri dari atom-atom yang tereksitasi oleh sinar laser, adalah medium dengan dispersi anomali . Mari kita ingat secara singkat apa itu.

Dispersi suatu zat adalah ketergantungan indeks bias fasa (biasa) n pada panjang gelombang cahaya l. Dengan dispersi normal, indeks bias meningkat seiring dengan menurunnya panjang gelombang, dan hal ini terjadi pada kaca, air, udara, dan semua zat lain yang transparan terhadap cahaya. Pada zat yang menyerap cahaya dengan kuat, arah indeks bias berubah seiring dengan perubahan panjang gelombang dan menjadi lebih curam: dengan menurunnya l (frekuensi w meningkat), indeks bias menurun tajam dan pada daerah panjang gelombang tertentu menjadi kurang dari satu ( kecepatan fase Vf > s ). Ini adalah dispersi anomali, di mana pola perambatan cahaya dalam suatu zat berubah secara radikal. Kecepatan kelompok Vgr menjadi lebih besar dari kecepatan fase gelombang dan dapat melebihi kecepatan cahaya dalam ruang hampa (dan juga menjadi negatif). L. Wong menunjuk pada keadaan ini sebagai alasan yang mendasari kemungkinan menjelaskan hasil eksperimennya. Namun perlu diperhatikan bahwa kondisi Vgr > c murni formal, karena konsep kecepatan kelompok diperkenalkan untuk kasus dispersi kecil (normal), untuk media transparan, ketika sekelompok gelombang hampir tidak berubah bentuk. selama propagasi. Di daerah dengan dispersi anomali, pulsa cahaya dengan cepat berubah bentuk dan konsep kecepatan kelompok kehilangan maknanya; dalam hal ini diperkenalkan konsep kecepatan sinyal dan kecepatan rambat energi, yang pada media transparan bertepatan dengan kecepatan kelompok, dan pada media dengan serapan tetap lebih kecil dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Namun inilah yang menarik dari eksperimen Wong: pulsa cahaya, yang melewati medium dengan dispersi anomali, tidak berubah bentuk - ia tetap mempertahankan bentuknya! Dan ini sesuai dengan asumsi bahwa impuls merambat dengan kecepatan kelompok. Namun jika demikian, ternyata tidak ada serapan pada medium tersebut, padahal anomali dispersi medium tersebut justru disebabkan oleh serapan! Wong sendiri, meskipun mengakui bahwa masih banyak yang belum jelas, percaya bahwa apa yang terjadi dalam eksperimennya, pada perkiraan pertama, dapat dijelaskan dengan jelas sebagai berikut.

Pulsa cahaya terdiri dari banyak komponen dengan panjang gelombang (frekuensi) yang berbeda. Gambar tersebut menunjukkan tiga komponen ini (gelombang 1-3). Pada titik tertentu, ketiga gelombang berada dalam fase (maksimumnya bertepatan); di sini mereka, jika digabungkan, saling memperkuat dan membentuk suatu dorongan. Ketika gelombang terus merambat di ruang angkasa, gelombang-gelombang tersebut menjadi tidak berfase dan dengan demikian “membatalkan” satu sama lain.

Pada daerah anomali dispersi (di dalam sel cesium), gelombang yang tadinya lebih pendek (gelombang 1) menjadi lebih panjang. Sebaliknya gelombang yang tadinya paling panjang dari ketiganya (gelombang 3) menjadi yang terpendek.

Akibatnya, fase gelombang berubah. Ketika gelombang melewati sel cesium, mereka muka gelombang sedang dipulihkan. Setelah mengalami modulasi fase yang tidak biasa dalam suatu zat dengan dispersi anomali, ketiga gelombang tersebut kembali menemukan dirinya dalam fase di beberapa titik. Di sini mereka bertambah lagi dan membentuk pulsa dengan bentuk yang persis sama dengan yang memasuki media cesium.

Biasanya di udara dan bahkan di lingkungan transparan mana pun dispersi normal pulsa cahaya tidak dapat mempertahankan bentuknya secara akurat ketika merambat dalam jarak yang jauh, artinya, semua komponennya tidak dapat difase pada titik jauh mana pun di sepanjang jalur propagasi. Dan dalam kondisi normal, denyut cahaya muncul pada titik yang jauh setelah beberapa waktu. Namun, karena sifat anomali dari media yang digunakan dalam percobaan, pulsa pada titik jauh ternyata bertahap dengan cara yang sama seperti ketika memasuki media tersebut. Dengan demikian, pulsa cahaya berperilaku seolah-olah ia mempunyai penundaan waktu negatif dalam perjalanannya ke suatu titik yang jauh, yaitu ia akan tiba di sana tidak lebih lambat, tetapi lebih awal daripada ia melewati medium!

Kebanyakan fisikawan cenderung mengasosiasikan hasil ini dengan munculnya prekursor berintensitas rendah dalam media dispersi ruangan. Intinya adalah kapan dekomposisi spektral pulsa dalam spektrum terdapat komponen frekuensi tinggi yang sewenang-wenang dengan amplitudo yang sangat kecil, yang disebut prekursor, mendahului "bagian utama" pulsa. Sifat pembentukan dan bentuk prekursor bergantung pada hukum penyebaran di lingkungan. Mengingat hal ini, urutan kejadian dalam eksperimen Wong diusulkan untuk ditafsirkan sebagai berikut. Gelombang yang datang, “meregangkan” pertanda di depannya, mendekati kamera. Sebelum puncak gelombang masuk mencapai dinding dekat ruangan, prekursor memulai munculnya pulsa di dalam ruangan, yang mencapai dinding jauh dan dipantulkan darinya, membentuk “gelombang balik”. Gelombang ini, merambat 300 kali lebih cepat dari c, mencapai dinding dekat dan bertemu dengan gelombang datang. Puncak gelombang yang satu bertemu dengan lembah gelombang lainnya, sehingga saling menghancurkan dan akibatnya tidak ada lagi yang tersisa. Ternyata gelombang yang datang “membayar hutang” kepada atom cesium, yang “meminjamkan” energi padanya di ujung lain ruangan. Siapa pun yang hanya mengamati awal dan akhir percobaan hanya akan melihat denyut cahaya yang "melompat" ke depan dalam waktu, bergerak lebih cepat dari c.

L. Wong berpendapat bahwa eksperimennya tidak sesuai dengan teori relativitas. Pernyataan tentang tidak terjangkaunya kecepatan superluminal, menurutnya, hanya berlaku untuk benda bermassa diam. Cahaya dapat direpresentasikan baik dalam bentuk gelombang, yang konsep massanya umumnya tidak dapat diterapkan, atau dalam bentuk foton dengan massa diam, seperti diketahui, sama dengan nol. Oleh karena itu, kecepatan cahaya dalam ruang hampa, menurut Wong, bukanlah batasnya. Namun, Wong mengakui bahwa efek yang ditemukannya tidak memungkinkan penyampaian informasi dengan kecepatan lebih besar dari c.

“Informasi di sini sudah terkandung dalam denyut nadi terdepan,” kata P. Milonni, fisikawan di Los Alamos National Laboratory di Amerika Serikat tidak mengirimkannya.”

Kebanyakan fisikawan percaya akan hal itu pekerjaan baru tidak berlaku pukulan telak sesuai dengan prinsip-prinsip dasar. Namun tidak semua fisikawan percaya bahwa masalahnya telah selesai. Profesor A. Ranfagni dari Italia kelompok penelitian, yang melakukan yang lain eksperimen yang menarik 2000, percaya bahwa pertanyaannya masih terbuka. Eksperimen yang dilakukan oleh Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni dan Rocco Ruggeri ini menemukan bahwa gelombang radio gelombang sentimeter di udara normal merambat dengan kecepatan 25% lebih cepat dari c.

Untuk meringkasnya, kita dapat mengatakan yang berikut ini.

Penelitian yang dilakukan dalam beberapa tahun terakhir menunjukkan bahwa, dalam kondisi tertentu, kecepatan superluminal sebenarnya dapat terjadi. Tapi apa sebenarnya yang bergerak dengan kecepatan superluminal? Teori relativitas, sebagaimana telah disebutkan, melarang kecepatan seperti itu untuk benda material dan sinyal yang membawa informasi. Namun demikian, beberapa peneliti terus-menerus mencoba untuk menunjukkan cara mengatasi penghalang cahaya khususnya untuk sinyal. Alasannya terletak pada kenyataan bahwa teori relativitas khusus tidak mempunyai pembenaran matematis yang ketat (misalnya berdasarkan persamaan Maxwell untuk medan elektromagnetik) ketidakmungkinan mentransmisikan sinyal dengan kecepatan lebih besar dari c. Ketidakmungkinan dalam STR ini dapat dikatakan murni secara aritmatika, berdasarkan rumus Einstein untuk menjumlahkan kecepatan, tetapi hal ini secara fundamental dikonfirmasi oleh prinsip kausalitas. Einstein sendiri, ketika mempertimbangkan masalah transmisi sinyal superluminal, menulis bahwa dalam kasus ini “... kita dipaksa untuk mempertimbangkan kemungkinan mekanisme transmisi sinyal, di mana tindakan yang dicapai mendahului penyebabnya pandangan itu tidak mengandung dirinya sendiri, menurut pendapat saya, tidak ada kontradiksi; namun hal itu sangat bertentangan dengan sifat seluruh pengalaman kita sehingga ketidakmungkinan asumsi V > c tampaknya cukup terbukti." Prinsip kausalitas merupakan landasan yang mendasari ketidakmungkinan transmisi sinyal superluminal. Dan, rupanya, semua pencarian sinyal superluminal tanpa kecuali akan tersandung pada batu ini, tidak peduli seberapa besar keinginan para peneliti untuk mendeteksi sinyal tersebut, karena begitulah sifat dunia kita.

Tapi tetap saja, bayangkan matematika relativitas masih bekerja pada kecepatan superluminal. Artinya secara teoritis kita masih bisa mengetahui apa yang akan terjadi jika suatu benda melebihi kecepatan cahaya.

Bayangkan dua pesawat luar angkasa berangkat dari Bumi menuju sebuah bintang yang berjarak 100 tahun cahaya dari planet kita. Kapal pertama meninggalkan Bumi dengan kecepatan 50% cahaya, sehingga membutuhkan waktu 200 tahun untuk menyelesaikan perjalanannya. Kapal kedua, yang dilengkapi dengan penggerak warp hipotetis, akan melaju dengan kecepatan 200% kecepatan cahaya, tetapi 100 tahun setelah kapal pertama. Apa yang akan terjadi?

Menurut teori relativitas, jawaban yang benar sangat bergantung pada sudut pandang pengamat. Dari Bumi, terlihat kapal pertama sudah menempuh jarak yang cukup jauh sebelum disusul oleh kapal kedua yang melaju empat kali lebih cepat. Namun dari sudut pandang orang-orang di kapal pertama, segalanya sedikit berbeda.

Kapal No. 2 bergerak lebih cepat dari cahaya, yang berarti ia bahkan dapat melampaui cahaya yang dipancarkannya. Hal ini mengarah pada semacam "gelombang cahaya" (analog dengan gelombang suara, hanya saja alih-alih getaran udara, gelombang cahaya bergetar di sini), yang menghasilkan beberapa efek yang menarik. Ingatlah bahwa cahaya dari kapal #2 bergerak lebih lambat dari pada kapal itu sendiri. Hasilnya akan menjadi dua kali lipat secara visual. Dengan kata lain, pertama-tama awak kapal No. 1 akan melihat bahwa kapal kedua muncul di sebelah mereka seolah-olah entah dari mana. Kemudian, cahaya dari kapal kedua akan mencapai kapal pertama dengan sedikit penundaan, dan hasilnya akan berupa salinan terlihat yang akan bergerak ke arah yang sama dengan sedikit jeda.

Hal serupa dapat dilihat dalam permainan komputer, ketika, sebagai akibat dari kegagalan sistem, mesin memuat model dan algoritmanya pada titik akhir gerakan lebih cepat daripada akhir animasi gerakan itu sendiri, sehingga terjadi banyak pengambilan. Mungkin inilah sebabnya kesadaran kita tidak memahami aspek hipotetis Alam Semesta di mana benda-benda bergerak dengan kecepatan superluminal - mungkin ini yang terbaik.

P.S. ... tapi masuk contoh terakhir Saya ada yang kurang paham, mengapa posisi kapal sebenarnya dikaitkan dengan “cahaya yang dipancarkannya”? Yah, meski mereka melihatnya di tempat yang salah, kenyataannya dia akan menyusul kapal pertama!

sumber