Kaj je hitrejše od svetlobne hitrosti? Kako bodo Nasini znanstveniki presegli svetlobno hitrost v vesolju

V sodobni fiziki velja, da telesa (ki ima maso), vpliva ali informacije ni mogoče prenesti/premakniti hitrejša hitrost Sveta. Veliko poskusov je dokazati, da je svetlobno hitrost mogoče preseči, vendar zaenkrat neuspešno. Te trditve je nemogoče eksperimentalno ovreči, eksperimentalno pa tudi teoretiki niso veliko napredovali v svojih raziskavah, saj so prišli do hipotetičnih tahionov (delci, ki se vedno gibljejo hitreje od svetlobne hitrosti) in se tam ustavili in posredovali idejo piscem znanstvene fantastike za izvedbo.

Vendar pa obstajajo številni pojavi, ki Zdi se, ki kršijo zgornjo omejitev in kažejo nadsvetlobne hitrosti.

Na primer, včasih lahko od ljudi slišite trditev, da se sončni žarek lahko "premika" po steni hitreje od svetlobne hitrosti. Primer sončnega žarka iz nekega razloga pogosto bega ljudi, čeprav "gibajoči se sončni žarek" nič bolje "premikljiva mokra točka" za vodo izpod cevi. "Sončni zajček" se ne premika kot predmet in skozi sončni zajček nemogoče je prenašati informacije iz ene točke v drugo, kar pomeni, da ni prekoračitve svetlobne hitrosti.

Ali tako imenovani "zapleteni kvanti", ki, ko so ločeni na poljubno razdaljo, "natančno vedo", v katerem nasprotnem stanju se nahaja drugi kvant. Takoj ko določimo stanje enega kvanta, se bo v istem trenutku izkazalo, da je stanje drugega ravno nasprotno. Vendar pa kvantna prepletenost onemogoča tudi prenos kakršne koli informacije.

Vendar članek ne govori o tem. Na žalost sem pozabil izvorni vir, a še vedno obstaja nekaj na svetu, kar se širi hitreje od svetlobne hitrosti:

"Po besedah ​​filozofa Lai Tina Widla je znana samo ena stvar, ki se giblje hitreje od navadne svetlobe. To je monarhija. Widlovo razmišljanje je nekako takole: v vsakem v tem trenutku ne moreš imeti več kot enega kralja. Poleg tega tradicija zahteva, da med kralji ni vrzeli. Zato mora prestol, ko kralj umre, takoj preiti na naslednika. Verjetno, trdi filozof, morajo obstajati nekateri osnovni delci - kralji ali morda korolevioni, ki zagotavljajo kontinuiteto."

Če nadaljujemo s to logiko, lahko najdemo veliko podobnih primerov "stvari se premikajo hitreje od navadne svetlobe" povezana s spremembo statusa osebe in to je seveda šala. Čeprav ... globlje kot se poglabljaš v problematiko fizike, več novih vprašanj se poraja in včasih se zdi, da odgovori znanstvenikov niso šli preveč daleč od filozofskih misli Lai Tin Weeda.

To je fizika. Prav zaradi tega bo matematika ostala kraljica vseh znanosti. petkov vic na temo:

Teorija relativnosti fascinira s svojimi paradoksi. Vsi vemo o dvojčkih, o sposobnosti, da dolgo letalo spravimo v kratko škatlo. Danes vsak maturant pozna odgovore na te klasične uganke, še bolj pa študenti fizike verjamejo, da so skrivnosti v posebna teorija zanje ne ostane nobena relativnost.

Vse bi bilo v redu, če ne bi bilo depresivne okoliščine - nezmožnosti nadsvetlobnih hitrosti. Ali res ne gre hitreje?! - sem mislil kot otrok. Mogoče je mogoče?! Zato vas vabim na seanso, ne vem, črne ali bele magije poimenovane po Albertu Einsteinu z razkritjem na koncu. Za tiste, ki pa se jim to zdi premalo, sem pripravila tudi uganko.

UPD: Dan kasneje objavim odločitev. Veliko formul in grafov na koncu.

Proti Alfa Kentavra

Zdaj smo že pošteno pospešili, čeprav do polovice svetlobne hitrosti. Zastavimo si na videz preprosto vprašanje: s kakšno hitrostjo se bomo v lastnem (ladijskem) referenčnem okviru približevali Alfi Kentavra. Zdi se, da je vse preprosto, če letimo s hitrostjo v stacionarnem referenčnem okviru Zemlje in Alpha Centauri, potem se z našega vidika približujemo cilju s hitrostjo.

Kdor je že začutil ulov, ima popolnoma prav. Odgovor je napačen! Tukaj moramo pojasniti: s hitrostjo približevanja Alpha Centauri mislim na spremembo preostale razdalje do nje, deljeno s časovnim obdobjem, v katerem je prišlo do takšne spremembe. Vse se seveda meri v našem referenčnem okviru, povezanem z vesoljskim plovilom.

Tukaj se moramo spomniti na Lorentzovo kontrakcijo dolžine. Konec koncev, ko bomo pospešili na polovico svetlobne hitrosti, bomo ugotovili, da se je lestvica v smeri našega gibanja skrčila. Naj vas spomnim na formulo:

In zdaj, če s polovično hitrostjo svetlobe izmerimo razdaljo od Zemlje do Alfa Kentavra, nismo dobili 4 svetlobe. let, ampak samo 3,46 svetih let.

Izkazalo se je, da smo samo zaradi dejstva, da smo pospešili do, že zmanjšali razdaljo do končne točke potovanja za skoraj 0,54 svetlobnega leta. Kaj pa, če se ne premikamo samo z visoka hitrost, temveč tudi pospešiti, potem bo imel faktor lestvice odvod glede na čas, kar je v bistvu tudi hitrost približevanja in se prišteje .

Tako je poleg naše običajne, rekel bi klasične hitrosti, dodan še en izraz - dinamično zmanjševanje dolžine preostale poti, do katerega pride, če in samo, če obstaja neničelni pospešek. No, vzemimo svinčnik in preštejmo.

In tiste, ki so preleni, da bi sledili izračunom, srečam na drugi strani spojlerja

Trenutna razdalja do zvezde glede na ravnilo kapitana ladje, - čas na uri v garderobi, - hitrost.

Že tu vidimo, da je prvi delni odvod hitrost, samo hitrost z minusom, takoj ko se približamo Alfi Kentavra. Toda drugi izraz je tisti ulov, na katerega, mislim, niso vsi pomislili.

Da bi našli odvod hitrosti glede na čas v drugem členu, morate biti previdni, ker smo v gibljivem referenčnem okviru. Na prste jo najlažje izračunamo iz formule za seštevanje relativističnih hitrosti. Recimo, da se v določenem trenutku gibljemo s hitrostjo in po določenem času svojo hitrost povečamo za . Nastala hitrost po formuli relativnostne teorije bo

Sedaj sestavimo (2) in (3) in odvod (3) mora biti vzet pri , ker gledamo majhne prirastke.

Čudovita je! Če je prvi člen - hitrost - omejen s svetlobno hitrostjo, potem drugi člen ni omejen z ničemer! Vzemite več in ... drugi mandat zlahka preseže .

Kaj-kaj! - nekateri ne bodo verjeli.
"Ja, da, točno to," bom odgovoril. - Lahko je večja od svetlobne hitrosti, več kot dve svetlobni hitrosti, več kot 10 svetlobnih hitrosti. Če parafraziram Arhimeda, lahko rečem: "daj mi pravega in zagotovil ti bom hitrost, kolikor želiš."

No, zamenjajmo številke, številke so vedno bolj zanimive. Kot se spomnimo, je kapitan nastavil pospešek in hitrost je že dosegla . Potem bomo ugotovili, da bo pri svetlobnem letu naša hitrost približevanja enaka svetlobni hitrosti. Če zamenjamo svetlobna leta, torej

Z besedami: "tri točke tri, tri desetinke svetlobne hitrosti."

Še naprej smo presenečeni

Pa sem sedel v avto in pritisnil na plin. Imam hitrost in pospešek. In prav v tem trenutku lahko zagotovim, da so nekje okoli sto ali dva milijona svetlobnih let pred mano objekti, ki se mi zdaj približujejo hitreje od svetlobe. Zaradi poenostavitve še nisem upošteval hitrosti gibanja Zemlje v orbiti okoli Sonca in Sonca okoli središča Galaksije. Če jih upoštevamo, bodo objekti s superluminalno hitrostjo približevanja že zelo blizu - ne v kozmološkem merilu, ampak nekje na obrobju naše Galaksije.

Izkazalo se je, da nehote, tudi z minimalnimi pospeški, na primer vstajanje s stola, sodelujemo v nadsvetlobnem gibanju.

Še vedno smo presenečeni

Še en presenetljiv učinek je lahko razumeti. Konec koncev, takoj ko spremenite smer pospeška, drugi člen v (5) takoj spremeni predznak. Tisti. hitrost približevanja lahko zlahka postane nič ali celo negativna. Čeprav bo naša običajna hitrost še vedno usmerjena proti Alfi Kentavra.

Izpostavljenost

V neinercialnem referenčnem sistemu nam Einstein ne zagotavlja ničesar. Take stvari!

Ista stvar, malo bolj podrobna in malo bolj zapletena

Formula (5) vsebuje razdaljo . Ko je enak nič, tj. ko poskušamo lokalno določiti hitrost glede na bližnje objekte, bo ostal samo prvi člen, ki seveda ne presega svetlobna hitrost. Brez težav. In samo na dolge razdalje, tj. ne lokalno, lahko dosežemo superluminalne hitrosti.

Povedati je treba, da je na splošno relativna hitrost predmetov, ki so oddaljeni drug od drugega, slabo definiran koncept. Naš ravni prostor-čas v pospešenem referenčnem okviru je videti ukrivljen. To je ekvivalent slavnega "Einsteinovega dvigala". gravitacijsko polje. In primerjaj to dvoje vektorske količine v ukrivljenem prostoru pravilna le, če sta na isti točki (v istem tangentnem prostoru iz ustreznega vektorskega snopa).

Mimogrede, o našem paradoksu superluminalne hitrosti je mogoče razpravljati drugače, rekel bi celostno. Navsezadnje bo relativistično potovanje do Alfe Kentavra glede na astronavtovo lastno uro trajalo veliko manj kot 4 leta, tako da če začetno razdaljo delimo s pretečenim časom, dobimo efektivno hitrost, večjo od svetlobne hitrosti. V bistvu gre za isti paradoks dvojčkov. Tisti, ki se počutijo udobno, lahko supersvetlobno potovanje razumejo na ta način.

To je trik. Vaš kapitan Očitno.

Težava

Kolikšna je razdalja med ladjama v referenčnem sistemu zemeljske ladje v trenutku izstrelitve, ko sta bili blizu Zemlje oziroma Alfa Kentavra? Zapiši svoj odgovor v komentar.

UPD: Rešitev

Dogovorimo se, da so ure na Alfi, Zemlji, raketi in krožniku sinhronizirane (to je bilo narejeno vnaprej), izstrelitev na vseh štirih urah pa je bila ob 12:00.

Oglejmo si prostor čas grafično v stacionarnih koordinatah. Zemlja je na ničli, Alfa je na razdalji vzdolž osi. Svetovna linija Alpha Centauri gre očitno naravnost navzgor. Svetovna črta plošče je nagnjena v levo, ker odletel je iz točke v smeri Zemlje.

Sedaj bomo na ta graf narisali koordinatne osi referenčnega sistema rakete, izstreljene z Zemlje. Kot je znano, se takšna transformacija koordinatnega sistema (CS) imenuje boost. V tem primeru sta osi nagnjeni simetrično glede na diagonalno črto, ki prikazuje svetlobni žarek.

Mislim, da vam je v tem trenutku že vse postalo jasno. Glej, os seka svetovne črte Alfe in letečega krožnika različne točke. Kaj se je zgodilo?

Neverjetna stvar. Pred izstrelitvijo sta bila z vidika rakete tako krožnik kot alfa na isti točki, po pridobivanju hitrosti pa se izkaže, da pri gibajočem se vesoljskem plovilu izstrelitev rakete in krožnika nista bila istočasna. Plošča, se je nenadoma izkazalo, je začela prej in se nam je uspela malo približati. Zato so zdaj ob 12:00:01 po uri rakete že bližje krožniku kot Alfi.

In če raketa še pospeši, bo "skočila" na naslednji SC, kjer je plošča še bližje. Še več, do takega približevanja plošče pride le zaradi pospeševanja in dinamičnega stiskanja vzdolžnega merila (o čemer govori celoten moj post), ne pa zaradi napredovanja rakete v vesolju, ker Raketa dejansko še ni imela časa preleteti ničesar. Ta približek plošče je natanko drugi člen v formuli (5).

No, med drugim moramo upoštevati običajno Lorentzovo redukcijo razdalje. Takoj vam povem odgovor: s hitrostjo rakete in krožnika, vsaka razdalja

• med raketo in Alfo: 3,46 sv. leto (običajna Lorentzova kontrakcija)
• med raketo in ploščo: 2,76 St. leto

Za tiste, ki jih zanima, se poigrajmo s formulami v štiridimenzionalnem prostoru

Tovrsten problem je mogoče priročno rešiti z uporabo štiridimenzionalnih vektorjev. Ni se jih treba bati, vse se naredi z najbolj običajnimi dejanji linearna algebra. Poleg tega se premikamo le po eni osi, tako da od štirih koordinat ostaneta samo dve: in .

Nato se bomo dogovorili za preprost zapis. Izračunamo hitrost svetlobe enako ena. Fiziki to vedno počnemo. :) Kot enoti navadno upoštevamo tudi Planckovo konstanto in gravitacijsko konstanto. To ne spremeni bistva, vendar zelo olajša pisanje.

Torej, zaradi kompaktnosti zapisa, vseprisotni "relativistični koren" označimo s faktorjem gama, kjer je hitrost zemeljske rakete:

Zdaj zapišimo vektor v komponentah:

Zgornja komponenta je čas, spodnja pa prostorska koordinata. V stacionarnem sistemu se ladji zaženeta istočasno, zato je zgornja komponenta vektorja enaka nič.

Zdaj pa poiščimo koordinate točke v gibljivem koordinatnem sistemu, tj. . Za to uporabimo transformacijo v premikajoči se referenčni okvir. Imenuje se pospeševanje in je zelo preprosto narediti. Vsak vektor je treba pomnožiti s pospeševalno matriko

Pomnoži:

Kot vidimo, je časovna komponenta tega vektorja negativna. To pomeni, da se točka z vidika premikajoče se rakete nahaja pod osjo, tj. v preteklosti (kot je razvidno iz zgornje slike).

Poiščimo vektor v stacionarnem sistemu. Časovna komponenta je neko neznano časovno obdobje, prostorska komponenta je razdalja, ki se ji plošča približa v času in se giblje s hitrostjo:

Sedaj isti vektor v sistemu

Poiščimo običajno vektorsko vsoto

Zakaj sem to vsoto na desni enačil s takim vektorjem? Po definiciji je točka na osi, zato mora biti časovna komponenta enaka nič, prostorska komponenta pa bo enaka zahtevani razdalji od rakete do plošče. Od tu dobimo sistem dveh enostavnih enačb - ločeno enačimo časovne komponente, posebej pa prostorske.

Iz prve enačbe določimo neznan parameter, ga nadomestimo v drugo enačbo in dobimo . Preskočimo preproste izračune in takoj zapišimo

Zamenjamo , , dobimo

Že v šoli so nas učili, da je nemogoče preseči svetlobno hitrost in s tem premakniti človeka vesolje je velik nerešljiv problem (kako priti do najbližjega sončnega sistema, če lahko svetloba to razdaljo premaga le v nekaj tisoč letih?). Morda so ameriški znanstveniki našli način za letenje s super hitrostmi, ne le brez goljufanja, ampak tudi po temeljnih zakonih Alberta Einsteina. Vsekakor tako trdi avtor projekta motorja vesoljske deformacije Harold White.

V uredništvu smo novico ocenili kot naravnost fantastično, zato danes, na predvečer dneva kozmonavtike, objavljamo reportažo Konstantina Kakaesa za revijo Popular Science o fenomenalnem Nasinem projektu, če bo uspešen, bo človek lahko potoval dlje. sončni sistem.

Septembra 2012 se je več sto znanstvenikov, inženirjev in vesoljskih navdušencev zbralo na drugem javnem srečanju skupine, imenovanem 100 Year Starship. Skupino vodi nekdanji astronavt Mai Jemison, ustanovila pa jo je DARPA. Namen konference je »narediti možno potovanje ljudje izven sončnega sistema do drugih zvezd v naslednjih sto letih." Večina udeležencev konference priznava, da je napredek pri raziskovanju vesolja s posadko premajhen. Kljub milijardam dolarjev, porabljenih v zadnjih nekaj četrtletjih, vesoljske agencije lahko naredijo skoraj toliko, kot so lahko v šestdesetih letih. Pravzaprav je bil sklican 100-letni Starship, da bi vse to popravili.

Ampak pojdimo k bistvu. Po nekaj dneh konference so njeni udeleženci dosegli najbolj fantastične teme: regeneracijo organov, problem organizirane vere na krovu ladje itd. Ena izmed bolj zanimivih predstavitev na srečanju 100 Year Starship se je imenovala "Strain Field Mechanics 102" in jo je imel Harold "Sonny" White iz Nase. Veteran agencije, White vodi napredni pulzni program v vesoljskem centru Johnson (JSC). Skupaj s petimi sodelavci je ustvaril " Cestni zemljevid vesoljski pogonski sistemi«, ki izraža NASA-ine cilje v bližnji prihodnosti vesoljsko potovanje. Načrt navaja vse vrste pogonskih projektov, od naprednih kemičnih raket do daljnosežnih razvojev, kot sta antimaterija ali jedrski stroji. Toda Whiteovo področje raziskav je najbolj futuristično od vseh: zadeva vesoljski warp motor.

Jasno je, da se vse to sliši naravnost fantastično: takšen razvoj dogodkov je prava revolucija, ki bo razvezala roke vsem astrofizikom na svetu. Namesto da bi 75.000 let potovali do Alfe Kentavra, našega najbližjega zvezdnega sistema, bi lahko astronavti na ladji s takšnim pogonskim sistemom pot opravili v nekaj tednih.

Glede na konec programa raketoplanov in vse večjo vlogo zasebnih poletov v nizko zemeljsko orbito NASA pravi, da se preusmerja na daljnosežne, veliko drznejše načrte, ki presegajo potovanja na Luno. Te cilje lahko dosežemo le z razvojem novih motoričnih sistemov – čim hitreje, tem bolje. Nekaj ​​dni po konferenci je vodja Nase Charles Bolden ponovil Whiteove besede: "Želimo potovati hitreje od svetlobne hitrosti in brez ustavljanja na Marsu."

KAKO VEMO ZA TE MOTORJE

Prva priljubljena uporaba izraza "space warp engine" sega v leto 1966, ko je Jen Roddenberry izdala Star Trek. Naslednjih 30 let je ta motor obstajal le kot del te znanstvenofantastične serije. Fizik po imenu Miguel Alcubierre si je ogledal epizodo te serije, ravno ko je delal doktorat na tem področju. splošna teorija relativnost in se spraševal, ali je v resnici mogoče ustvariti vesoljski warp motor. Leta 1994 je objavil dokument, ki opisuje to stališče.

Alcubierre si je zamislil mehurček v vesolju. V sprednjem delu mehurčka se čas-prostor krči, v zadnjem delu pa širi (kot se je po mnenju fizikov zgodilo med velikim pokom). Zaradi deformacije bo ladja gladko drsela skozi vesolje, kot bi deskala na valovih, kljub hrup okolice. Načeloma se lahko deformiran mehurček premika poljubno hitro; omejitve svetlobne hitrosti po Einsteinovi teoriji veljajo le v kontekstu prostora-časa, ne pa tudi v tovrstnih izkrivljanjih prostora-časa. Znotraj mehurčka, kot je domneval Alcubierre, se prostor-čas ne bi spremenil in vesoljski popotniki ne bi imeli nobene škode.

Einsteinove enačbe v splošni teoriji relativnosti je težko rešiti v eno smer z ugotavljanjem, kako snov upogiba prostor, vendar je izvedljivo. Z njihovo uporabo je Alcubierre ugotovil, da je porazdelitev snovi nujen pogoj za nastanek deformiranega mehurčka. Edina težava je, da odločitve pripeljale do nedoločna oblika snov, imenovana negativna energija.

Govorjenje v preprostem jeziku, gravitacija je sila privlačnosti med dvema predmetoma. Vsak predmet, ne glede na svojo velikost, izvaja določeno silo privlačnosti na okolico. Po Einsteinu je ta sila ukrivljenost prostora-časa. Negativna energija pa je gravitacijsko negativna, torej odbojna. Namesto da bi povezovala čas in prostor, ju negativna energija odriva in ločuje. Grobo rečeno, da bi tak model deloval, Alcubierre potrebuje negativno energijo za razširitev prostor-časa za ladjo.

Kljub temu, da negativne energije še nihče ni zares izmeril, ta glede na kvantno mehaniko obstaja in znanstveniki so se jo naučili ustvariti v laboratorijske razmere. Eden od načinov za ponovno ustvarjanje je s Casimirjevim učinkom: dve vzporedni prevodni plošči, ki se nahajata blizu druga drugi, ustvarjata določeno količino negativne energije. Šibka točka Alcubierrejev model pravi, da njegova izvedba zahteva ogromno negativne energije, ki je za nekaj velikosti večja, kot znanstveniki ocenjujejo, da jo je mogoče proizvesti.

White pravi, da je našel način, kako zaobiti to omejitev. V računalniški simulaciji je White spremenil geometrijo deformacijskega polja, tako da je teoretično lahko proizvedel deformiran mehurček z uporabo milijonkrat manj negativne energije, kot je ocenil Alcubierre, in morda dovolj malo, da bi vesoljsko plovilo lahko nosilo sredstva za njegovo proizvodnjo. "Odkritja," pravi White, "spremenijo Alcubierrovo metodo iz nepraktične v povsem verjetno."

POROČILO IZ WHITE'S LAB

Vesoljski center Johnson se nahaja v bližini Houstonskih lagun, s pogledom na zaliv Galveston. Center je nekoliko podoben predmestnemu univerzitetnemu kampusu, namenjen le usposabljanju astronavtov. Na dan mojega obiska me White sreča v stavbi 15, večnadstropnem labirintu hodnikov, pisarn in laboratorijev, kjer se izvaja testiranje motorjev. White nosi polo majico Eagleworks (kot imenuje svoje eksperimente z motorji), na kateri je izvezen orel, ki lebdi nad futuristično vesoljsko ladjo.

White je svojo kariero začel kot inženir in raziskoval kot del robotske skupine. Sčasoma je prevzel poveljstvo celotnega robotskega krila na ISS, medtem ko je doktoriral iz fizike plazme. Šele leta 2009 je svoja zanimanja zamenjal za študij gibanja in ta tema ga je tako prevzela, da je postala glavni razlog, da je šel delat za Naso.

"Je čisto nenavadna oseba, pravi njegov šef John Applewhite, ki vodi oddelek za pogonske sisteme. - Vsekakor je velik sanjač, ​​a hkrati nadarjen inženir. Svoje fantazije zna spremeniti v pravi inženirski izdelek.« Približno v istem času, ko se je pridružil Nasi, je White prosil za dovoljenje, da odpre lasten laboratorij, namenjen naprednim pogonskim sistemom. Sam se je domislil imena Eagleworks in celo prosil Naso, naj ustvari logotip za njegovo specializacijo. Potem se je to delo začelo.

White me pripelje do svoje pisarne, ki si jo deli s kolegom, ki išče vodo na Luni, nato pa do Eagleworksa. Med hojo mi pripoveduje o svoji zahtevi po odprtju laboratorija in to imenuje "dolg naporen proces iskanja naprednega gibanja, ki bi človeku pomagalo pri raziskovanju vesolja."

Beli mi pokaže predmet in ga pokaže centralna funkcija- nekaj, kar imenuje "kvantni vakuumski plazemski pogon" (QVPT). Ta naprava je videti kot ogromen rdeč žameten krof z žicami, tesno ovitimi okoli jedra. To je ena od dveh pobud Eagleworks (druga je warp pogon). Tudi to je skrivni razvoj. Ko vprašam, kaj je to, White reče, da je vse, kar lahko reče, da je tehnologija še hladnejša od warp pogona.) Po poročilu NASA iz leta 2011, ki ga je napisal White, plovilo kot vir goriva uporablja kvantne fluktuacije v praznem prostoru, kar pomeni, da vesoljsko plovilo s pogonom QVPT ne potrebuje goriva.

Motor kot vir goriva uporablja kvantne fluktuacije v praznem prostoru,
kar pomeni vesoljska ladja,
poganja QVPT, ne potrebuje goriva.

Ko naprava deluje, je Whiteov sistem videti kinematografsko popoln: barva laserja je rdeča, žarka pa sta prekrižana kot sablji. Znotraj obroča so štirje keramični kondenzatorji iz barijevega titanata, ki jih White polni pri 23.000 voltih. White je zadnji dve leti in pol razvijal eksperiment in pravi, da imajo kondenzatorji ogromno potencialno energijo. Ko pa vprašam, kako ustvariti negativno energijo, potrebno za izkrivljen prostor-čas, se izogne ​​odgovoru. Pojasnjuje, da je podpisal pogodbo o nerazkrivanju podatkov, zato podrobnosti ne more razkriti. Vprašam, s kom je sklenil te dogovore. Pravi: »Z ljudmi. Pridejo in se želijo pogovarjati. Ne morem vam dati več podrobnosti."

NASPROTNIKI MOTORNE IDEJE

Zaenkrat je teorija izkrivljenega potovanja dokaj intuitivna – ukrivljata čas in prostor za ustvarjanje premikajočega se mehurčka – in ima nekaj pomembnih pomanjkljivosti. Tudi če bi White občutno zmanjšal količino negativne energije, ki jo zahteva Alcubierre, bi še vedno zahtevalo več, kot lahko proizvedejo znanstveniki, pravi Lawrence Ford, teoretični fizik na univerzi Tufts, ki je v zadnjih 30 letih napisal številne članke na temo negativne energije. . Ford in drugi fiziki pravijo, da obstajajo temeljne fizikalne omejitve, ne toliko zaradi inženirskih nepopolnosti kot dejstva, da ta količina negativne energije ne more dolgo obstajati na enem mestu.

Še en izziv: da bi ustvarili warp kroglo, ki potuje hitreje od svetlobe, bodo morali znanstveniki ustvariti negativno energijo okoli in nad vesoljskim plovilom. White meni, da to ni problem; zelo nejasno odgovori, da bo motor najverjetneje deloval zahvaljujoč neki obstoječi »aparati, ki ustvarja potrebne pogoje" Vendar bi ustvarjanje teh pogojev pred ladjo pomenilo zagotavljanje stalne zaloge negativne energije, ki potuje hitreje od svetlobne hitrosti, kar je spet v nasprotju s splošno relativnostjo.

Nazadnje, vesoljski warp motor postavlja konceptualno vprašanje. V splošni teoriji relativnosti je potovanje s superluminalnimi hitrostmi enakovredno potovanju skozi čas. Če je tak motor resničen, White ustvari časovni stroj.

Te ovire vzbujajo resne dvome. "Mislim, da nam fizika, ki jo poznamo, in fizikalni zakoni ne omogočajo verjeti, da bo s svojimi poskusi kaj dosegel," pravi Ken Olum, fizik z univerze Tufts, ki je sodeloval tudi v razpravi o eksotičnem pogonu na Starship 100th. Jubilejno srečanje. Noah Graham, fizik na Middlebury Collegeu, ki je na mojo zahtevo prebral dva Whiteova dokumenta, mi je poslal e-pošto: "Ne vidim nobenih dragocenih znanstvenih dokazov razen sklicevanj na njegova prejšnja dela."

Alcubierre, zdaj fizik na Nacionalni avtonomni univerzi v Mehiki, ima svoje dvome. »Tudi če bi stal na vesoljski ladji in bi imel na voljo negativno energijo, je nikakor ne bi mogel postaviti tja, kjer bi morala biti,« mi pove po telefonu iz svojega doma v Mexico Cityju. - Ne, ideja je čarobna, všeč mi je, napisal sem jo sam. Toda v njem je nekaj resnih pomanjkljivosti, ki sem jih že videl v preteklih letih, in ne poznam niti enega načina, kako bi jih popravil.«

PRIHODNOST SUPER HITROSTI

Levo od glavnih vrat Johnsonovega znanstvenega centra leži na boku raketa Saturn V z ločenimi stopnjami, ki prikazujejo njeno notranjo vsebino. Je ogromen - velikosti enega od mnogih motorjev enako velikosti majhen avto, sama raketa pa je nekaj metrov daljša od nogometnega igrišča. To je seveda precej zgovoren dokaz o posebnostih vesoljske navigacije. Poleg tega je stara 40 let in čas, ki ga predstavlja - ko je bila NASA del velikega nacionalnega načrta za pošiljanje človeka na Luno - je že zdavnaj mimo. Danes je JSC preprosto mesto, ki je bilo nekoč odlično, a je od takrat zapustilo vesoljsko avangardo.

Preboj bi lahko pomenil novo dobo za JSC in NASA in do neke mere se del te dobe začenja zdaj. Sonda Dawn, izstreljena leta 2007, proučuje asteroidni obroč z uporabo ionskih motorjev. Leta 2010 so Japonci naročili Icarus, prvo medplanetarno zvezdno ladjo s pogonom sončno jadro, druga vrsta eksperimentalnega gibanja. In leta 2016 znanstveniki načrtujejo testiranje VASMIR, sistema na plazemski pogon, izdelanega posebej za velik pogonski potisk v ISS. Toda ko bodo ti sistemi lahko prenesli astronavte na Mars, jih še vedno ne bodo mogli popeljati izven sončnega sistema. Da bi to dosegli, je dejal White, bo NASA morala prevzeti bolj tvegane projekte.

Warp pogon je morda najbolj nenavadno Nasovo prizadevanje za ustvarjanje gibalnih projektov. Znanstvena skupnost pravi, da ga White ne more ustvariti. Strokovnjaki pravijo, da deluje v nasprotju z zakoni narave in fizike. Kljub temu za projektom stoji NASA. »Subvencionirano je na napačni ravni državni ravni, kar bi morali imeti,« pravi Applewhite. - Mislim, da ima vodstvo nek poseben interes, da nadaljuje svoje delo; To je eden tistih teoretičnih konceptov, ki, če so uspešni, popolnoma spremeni igro.«

Januarja je White sestavil svoj deformacijski interferometer in se pomaknil proti naslednji cilj. Eagleworks je prerasel svoj dom. Novi laboratorij je večji in, navdušeno izjavlja, "seizmično izoliran", kar pomeni, da je zaščiten pred tresljaji. Morda pa je najboljša stvar pri novem laboratoriju (in najbolj impresivna) ta, da je NASA Whiteu omogočila enake pogoje, kot sta jih imela Neil Armstrong in Buzz Aldrin na Luni. No, pa poglejmo.

Zgornjo mejo hitrosti poznajo celo šolarji: ko je maso in energijo povezal s slavno formulo E = mc 2, je v začetku dvajsetega stoletja opozoril na temeljno nemogoče, da bi se kar koli, kar bi se v prostoru premikalo hitreje od hitrosti svetloba v vakuumu. Vendar ta formulacija že vsebuje vrzeli, ki jih nekateri fizični pojavi in ​​delci lahko zaobidejo. Vsaj do pojavov, ki obstajajo v teoriji.

Prva vrzel se nanaša na besedo "masa": Einsteinove omejitve ne veljajo za brezmasne delce. Prav tako ne veljajo za nekatere dokaj goste medije, v katerih je lahko hitrost svetlobe bistveno manjša kot v vakuumu. Nazadnje, z uporabo zadostne količine energije se lahko sam prostor lokalno deformira, kar omogoča gibanje na tak način, da se zunanjemu opazovalcu zunaj te deformacije zdi, da je gibanje hitrejše od svetlobne hitrosti.

Nekatere od teh »hitrih« pojavov in delcev fizike redno snemajo in reproducirajo v laboratorijih ter celo uporabljajo v praksi, v visokotehnoloških instrumentih in napravah. Znanstveniki še vedno poskušajo odkriti druge teoretično napovedane v resnici, za tretje pa imajo velike načrte: morda nam bodo nekoč ti pojavi omogočili prosto gibanje po vesolju, niti omejeno s svetlobno hitrostjo.

Kvantna teleportacija

Status: aktivno se razvija

Živo bitje - dober primer tehnologija, ki je teoretično dopustna, praktično pa očitno nikoli izvedljiva. Če pa govorimo o teleportaciji, to je takojšnje gibanje iz enega kraja v drugega majhne predmete, še bolj pa delci, je čisto možno. Da poenostavimo nalogo, začnimo z nečim preprostim – delci.

Kaže, da bomo potrebovali naprave, ki bodo (1) popolnoma opazovale stanje delca, (2) prenašale to stanje hitreje od svetlobne hitrosti, (3) obnavljale prvotno.

Vendar v takšni shemi niti prvega koraka ni mogoče v celoti izvesti. Heisenbergovo načelo negotovosti nalaga nepremostljive omejitve glede natančnosti, s katero je mogoče izmeriti "seznanjene" parametre delca. Na primer, bolje ko poznamo njegov moment, slabše poznamo njegove koordinate in obratno. Vendar pomembna lastnost kvantna teleportacija je, da dejansko ni treba meriti delcev, tako kot ni treba ničesar obnavljati - dovolj je, da dobimo par zapletenih delcev.

Na primer, za pripravo takšnih zapletenih fotonov bomo morali osvetliti nelinearni kristal z laserskim sevanjem določene valovne dolžine. Nato bo nekaj prihajajočih fotonov razpadlo na dva zapletena fotona - nerazložljivo povezana, tako da vsaka sprememba stanja enega takoj vpliva na stanje drugega. Ta povezava je resnično nerazložljiva: mehanizmi kvantne prepletenosti ostajajo neznani, čeprav se je sam pojav nenehno dokazoval. A to je pojav, v katerega se je res lahko zmotiti – dovolj je dodati, da pred merjenjem nobeden od teh delcev nima zahtevane lastnosti, in ne glede na to, kakšen rezultat dobimo z merjenjem prvega, bo stanje drugega nenavadno koreliralo z našim rezultatom.

Mehanizem kvantne teleportacije, ki sta ga leta 1993 predlagala Charles Bennett in Gilles Brassard, zahteva dodajanje samo enega dodatnega udeleženca paru zapletenih delcev – pravzaprav tistega, ki ga bomo teleportirali. Pošiljatelja in prejemnika običajno imenujemo Alice in Bob, sledili bomo tej tradiciji in vsakemu od njiju dali enega od zapletenih fotonov. Takoj ko ju loči spodobna razdalja in se Alice odloči začeti s teleportacijo, vzame želeni foton in izmeri njegovo stanje skupaj s stanjem prvega izmed zapletenih fotonov. Negotovo valovna funkcija tega fotona kolapsira in se v trenutku odmeva v Bobovem drugem zapletenem fotonu.

Na žalost Bob ne ve točno, kako se njegov foton odzove na obnašanje Alicinega fotona: da bi to razumel, mora počakati, da pošlje rezultate svojih meritev po navadni pošti, ne hitreje od svetlobne hitrosti. Zato po takem kanalu ne bo mogoče prenašati nobenih informacij, a dejstvo ostaja dejstvo. Teleportirali smo stanje enega fotona. Če gremo naprej k ljudem, je vse, kar nam preostane, to, da tehnologijo razširimo tako, da pokrije vsak delec od samo 7000 bilijonov bilijonov atomov našega telesa – zdi se, da nas do tega preboja ne loči večnost.

Vendar kvantna teleportacija in zmeda ostaja ena najbolj vročih tem moderna fizika. Najprej zato, ker uporaba takšnih komunikacijskih kanalov obljublja zaščito poslanih podatkov, ki jih ni mogoče vdreti: napadalci se bodo morali za dostop do njih polastiti ne le pisma Alice Bobu, temveč tudi dostop do Bobovega zapletenega delca. , in tudi če jim uspe priti do njega in meritev, bo to za vedno spremenilo stanje fotona in se takoj razkrilo.

Vavilov-Čerenkov učinek

Status: dolgo rabljen

Ta vidik potovanja, hitrejšega od svetlobne hitrosti, je prijeten razlog, da se spomnimo dosežkov ruskih znanstvenikov. Pojav je leta 1934 odkril Pavel Čerenkov pod vodstvom Sergeja Vavilova, tri leta pozneje je dobil teoretično utemeljitev v delih Igorja Tamma in Ilje Franka, leta 1958 pa so vsi udeleženci teh del, razen zdaj že pokojnega Vavilova, , so prejeli Nobelovo nagrado za fiziko.

Pravzaprav govori le o hitrosti svetlobe v vakuumu. V drugih prozornih medijih se svetloba precej upočasni, zaradi česar lahko opazimo lom na njihovi meji z zrakom. Lomni količnik stekla je 1,49, kar pomeni, da je fazna hitrost svetlobe v njem 1,49-krat manjša, na primer diamant pa ima lomni količnik 2,42 in se svetlobna hitrost v njem zmanjša za več kot polovico. Nič ne preprečuje drugim delcem, da bi leteli hitreje od svetlobnih fotonov.

Prav to se je zgodilo z elektroni, ki jih je v Čerenkovih poskusih z visokoenergijskim gama sevanjem izrinilo iz njihovih mest v molekulah luminescentne tekočine. Ta mehanizem se pogosto primerja z nastankom šoka zvočni val pri letenju v atmosferi nadzvočno hitrostjo. Lahko pa si predstavljate tudi kot tek v množici: elektroni, ki se gibljejo hitreje od svetlobe, hitijo mimo drugih delcev, kot da bi jih udarili z ramo – in za vsak centimeter svoje poti povzročijo, da jezno oddajajo od nekaj do nekaj sto fotonov .

Kmalu so enako obnašanje odkrili v vseh drugih dokaj čistih in prozornih tekočinah, nato pa so sevanje Čerenkova zabeležili celo globoko v oceanih. Seveda fotoni svetlobe s površine res ne sežejo sem. Toda ultra hitri delci, ki letijo iz majhnih količin, razpadajo radioaktivnih delcev, občasno ustvarijo sij, lokalnim prebivalcem morda vsaj omogočiti ogled.

Čerenkov-Vavilov sevanje je našlo uporabo v znanosti, jedrska energija in sorodna področja. Reaktorji jedrske elektrarne močno žarijo, polni hitrih delcev. Z natančnim merjenjem značilnosti tega sevanja in poznavanjem fazne hitrosti v našem delovno okolje, lahko razumemo, kakšni delci so to povzročili. Astronomi uporabljajo tudi čerenkovske detektorje za zaznavanje svetlobe in energije kozmični delci: težke je neverjetno težko pospešiti do želene hitrosti in ne ustvarjajo sevanja.

Mehurčki in luknje

Tukaj je mravlja, ki se plazi po listu papirja. Njegova hitrost je nizka in revež potrebuje 10 sekund, da pride od levega roba letala do desnega. Toda takoj, ko se mu usmilimo in upognemo papir ter povežemo njegove robove, se takoj "teleportira" na. želeno točko. Nekaj ​​podobnega je mogoče storiti z našim domačim prostorom-časom, le s to razliko, da upogibanje zahteva sodelovanje drugih dimenzij, ki jih ne zaznavamo, in tvorijo tunele prostora-časa - znane črvine ali črvine luknje.

Mimogrede, po novih teorijah so takšne črvine nekakšen prostorsko-časovni ekvivalent že znanega kvantnega pojava prepletenosti. Na splošno njihov obstoj ni v nasprotju z nobenimi pomembnimi koncepti sodobne fizike, vključno z. Toda ohraniti tak predor v tkivu vesolja, nekaj malega podobnega prava znanost, je hipotetična "eksotična snov", ki ima negativno energijsko gostoto. Z drugimi besedami, to mora biti vrsta materije, ki povzroča gravitacijsko... odbojnost. Težko si je predstavljati, da bodo to eksotično vrsto kdaj našli, še manj ukrotili.

Edinstvena alternativa črvinam je lahko še bolj eksotična deformacija prostora-časa - gibanje znotraj mehurčka ukrivljene strukture tega kontinuuma. Idejo je leta 1993 izrazil fizik Miguel Alcubierre, čeprav je bila v delih piscev znanstvene fantastike slišana veliko prej. Je kot vesoljska ladja, ki se premika, stiska in drobi prostor-čas pred svojim nosom in ga spet gladi zadaj. Sama ladja in njena posadka ostanejo v lokalnem območju, kjer prostor-čas ohranja normalno geometrijo, in ne doživljajo nobenih nevšečnosti. To je jasno vidno v seriji Zvezdne steze, priljubljeni med sanjači, kjer vam takšen "warp motor" omogoča potovanje, ne da bi bili skromni, po vesolju.

Status: od fantastičnega do teoretičnega

Fotoni so tako kot nekateri drugi brezmasni delci: njihova masa v mirovanju je enaka nič, in da ne bi popolnoma izginili, so se prisiljeni vedno gibati in vedno s svetlobno hitrostjo. Vendar pa nekatere teorije kažejo na obstoj veliko bolj eksotičnih delcev – tahionov. Njihova masa, ki se pojavi v naši najljubši formuli E = mc 2, ni podana s praštevilom, ampak z namišljenim številom, vključno s posebno matematično komponento, katere kvadrat daje negativno število. To je zelo uporabna lastnina, in pisci naše priljubljene televizijske serije "Zvezdne steze" so razložili delovanje svojega fantastičnega motorja natančno z "izkoriščanjem energije tahionov."

Pravzaprav namišljena masa naredi neverjetno: tahioni morajo s pospeševanjem izgubljati energijo, zato je zanje v življenju vse popolnoma drugače, kot smo mislili. Pri trčenju z atomi izgubljajo energijo in pospešujejo, tako da bo naslednji trk še močnejši, kar bo vzelo še več energije in tahione spet pospešilo v neskončnost. Jasno je, da takšno samovpletanje preprosto krši osnovna vzročno-posledična razmerja. Morda zato tahione doslej preučujejo le teoretiki: nihče še ni videl niti enega primera razpada vzročno-posledičnih zvez v naravi, in če ga vidite, poiščite tahion in Nobelova nagrada za vas.

Vendar so teoretiki še vedno pokazali, da tahioni morda ne obstajajo, vendar pa so v daljni preteklosti prav lahko obstajali, in po nekaterih idejah so prav njihove neskončne možnosti igrale vlogo pri pomembno vlogo v velikem poku. Prisotnost tahionov pojasnjuje izjemno nestabilno stanje lažnega vakuuma, v katerem bi lahko bilo vesolje pred svojim rojstvom. V takšni sliki sveta so tahioni, ki se gibljejo hitreje od svetlobe, realna osnova našega obstoja, nastanek vesolja pa opisujejo kot prehod tahionskega polja lažnega vakuuma v inflacijsko polje pravega. Velja dodati, da so vse to precej spoštovanja vredne teorije, kljub temu, da se glavni kršitelji Einsteinovih zakonov in celo vzročno-posledične zveze izkažejo za utemeljitelje vseh vzrokov in posledic v njej.

Hitrost teme

Status: filozofski

Filozofsko gledano je tema preprosto odsotnost svetlobe in njuni hitrosti bi morali biti enaki. Toda razmislite bolj natančno: tema lahko prevzame obliko, ki se premika veliko hitreje. Ime te oblike je senca. Predstavljajte si, da s prsti pokažete silhueto psa na nasprotni steni. Žarek svetilke se razhaja in senca vaše roke postane veliko večja od roke same. Že najmanjši premik prsta je dovolj, da se njegova senca na steni premakne na opazno razdaljo. Kaj če vržemo senco na Luno? Ali na namišljen zaslon še dlje?..

Komaj opazen val - in tekla bo s katero koli hitrostjo, ki jo določa le geometrija, zato ji noben Einstein ne more povedati. Vendar je bolje, da se ne spogledujemo s sencami, saj nas zlahka zavedejo. Vredno se je vrniti na začetek in se spomniti, da je tema preprosto odsotnost svetlobe, torej ne fizični predmet s takim gibanjem se ne prenaša. Ni delcev, ni informacij, ni deformacij prostora-časa, obstaja samo naša iluzija, da gre za ločen pojav. V resničnem svetu se nobena tema ne more kosati s hitrostjo svetlobe.

25. marec 2017

Potovanje z nadsvetlobno hitrostjo je eden od temeljev raziskovanja vesolja. znanstvena fantastika. Vendar verjetno vsi - tudi ljudje, ki so daleč od fizike - vedo, da je največja možna hitrost gibanja materialnih predmetov ali širjenja kakršnih koli signalov hitrost svetlobe v vakuumu. Označena je s črko c in je skoraj 300 tisoč kilometrov na sekundo; natančna vrednost c = 299.792.458 m/s.

Hitrost svetlobe v vakuumu je ena temeljnih fizikalne konstante. Nezmožnost doseganja hitrosti, ki presega c, izhaja iz Einsteinove posebne teorije relativnosti (STR). Če bi se dokazalo, da je prenos signalov s supersvetlobnimi hitrostmi mogoč, bi teorija relativnosti padla. Doslej se to ni zgodilo, kljub številnim poskusom, da bi ovrgli prepoved obstoja hitrosti nad c. Vendar pa v eksperimentalne študije V zadnjem času so odkrili nekaj zelo zanimivih pojavov, ki kažejo, da je v posebej ustvarjenih pogojih mogoče opazovati nadsvetlobne hitrosti, hkrati pa niso kršena načela relativnostne teorije.

Za začetek se spomnimo glavnih vidikov, povezanih s problemom svetlobne hitrosti.

Najprej: zakaj je (v normalnih pogojih) nemogoče preseči mejo svetlobe? Ker je takrat kršen temeljni zakon našega sveta – zakon vzročnosti, po katerem posledica ne more biti pred vzrokom. Nihče še ni opazil, da bi na primer medved najprej padel mrtev, nato pa lovec ustrelil. Pri hitrostih, ki presegajo c, se zaporedje dogodkov obrne, časovni trak se previje nazaj. To je enostavno preveriti iz naslednjega preprostega razmišljanja.

Predpostavimo, da smo na nekakšni vesoljski čudežni ladji, ki se premika hitreje od svetlobe. Potem bi postopoma dohitevali svetlobo, ki jo oddaja vir vedno prej. Najprej bi dohiteli fotone, oddane recimo včeraj, nato tiste, oddane predvčerajšnjim, nato teden, mesec, leto nazaj itd. Če bi bil vir svetlobe ogledalo, ki odseva življenje, potem bi najprej videli dogodke včeraj, nato predvčerajšnjim in tako naprej. Lahko bi videli, recimo, starca, ki se postopoma spreminja v moškega srednjih let, nato v mladeniča, v mladostnika, v otroka ... Se pravi, čas bi zavrtel nazaj, iz sedanjosti bi se premaknili v preteklost. Vzroki in posledice bi potem zamenjali mesta.

Čeprav ta razprava popolnoma ignorira tehnične podrobnosti procesa opazovanja svetlobe, s temeljnega vidika jasno dokazuje, da gibanje pri nadsvetlobnih hitrostih vodi v situacijo, ki je v našem svetu nemogoča. Vendar je narava postavila še strožje pogoje: nedosegljivo je gibanje ne le s supersvetlobno hitrostjo, temveč tudi s hitrostjo enaka hitrost svetloba - lahko se ji le približate. Iz relativnostne teorije izhaja, da pri povečanju hitrosti gibanja nastanejo tri okoliščine: masa premikajočega se predmeta se poveča, njegova velikost v smeri gibanja se zmanjša in tok časa na tem predmetu se upočasni (od točke pogleda zunanjega »mirujočega« opazovalca). Pri običajnih hitrostih so te spremembe zanemarljive, ko pa se približujemo svetlobni hitrosti, postajajo vedno bolj opazne in v meji - pri hitrosti, ki je enaka c - masa postane neskončno velika, predmet popolnoma izgubi velikost v smeri gibanja in čas se na njem ustavi. Zato nobeno materialno telo ne more doseči svetlobne hitrosti. Takšno hitrost ima le svetloba sama! (In tudi "vseprodirajoči" delec - nevtrino, ki se tako kot foton ne more gibati s hitrostjo, manjšo od c.)

Zdaj o hitrosti prenosa signala. Tukaj je primerno uporabiti predstavitev svetlobe v obliki elektromagnetnega valovanja. Kaj je signal? To je nekaj informacij, ki jih je treba posredovati. Idealno elektromagnetno valovanje je neskončna sinusoida strogo ene frekvence in ne more prenašati nobene informacije, ker vsako obdobje takšne sinusoide natančno ponavlja prejšnje. Hitrost gibanja faze sinusnega vala - tako imenovana fazna hitrost - lahko pod določenimi pogoji presega hitrost svetlobe v vakuumu v mediju. Tu ni nobenih omejitev, saj fazna hitrost ni hitrost signala – še ne obstaja. Če želite ustvariti signal, morate na valu narediti nekakšno "oznako". Takšna oznaka je lahko na primer sprememba katerega koli parametra valovanja - amplitude, frekvence ali začetne faze. Toda takoj, ko je znak narejen, val izgubi svojo sinusoidalnost. Postane moduliran, sestavljen iz niza preprostih sinusnih valov z različnimi amplitudami, frekvencami in začetnih fazah- skupine valov. Hitrost, s katero se oznaka premika v moduliranem valu, je hitrost signala. Pri širjenju v mediju ta hitrost običajno sovpada s skupinsko hitrostjo, ki označuje širjenje zgoraj omenjene skupine valov kot celote (glej "Znanost in življenje" št. 2, 2000). V normalnih pogojih je skupinska hitrost in s tem hitrost signala manjša od hitrosti svetlobe v vakuumu. Izraz »v normalnih pogojih« ni naključno uporabljen tukaj, saj lahko v nekaterih primerih skupinska hitrost preseže c ali celo izgubi pomen, vendar se takrat ne nanaša na širjenje signala. Servis ugotovi, da je nemogoče prenašati signal s hitrostjo večjo od c.

Zakaj je temu tako? Ker je ovira za prenos kateregakoli signala s hitrostjo večjo od c isti zakon vzročnosti. Predstavljajmo si takšno situacijo. V neki točki A svetlobni blisk (dogodek 1) vklopi napravo, ki pošilja določen radijski signal, v oddaljeni točki B pa pod vplivom tega radijskega signala pride do eksplozije (dogodek 2). Jasno je, da je dogodek 1 (izbruh) vzrok, dogodek 2 (eksplozija) pa posledica, ki se zgodi poznejši razlogi. A če bi se radijski signal širil z nadsvetlobno hitrostjo, bi opazovalec v bližini točke B najprej videl eksplozijo in šele nato vzrok eksplozije, ki ga je dosegel s hitrostjo svetlobnega bliska. Z drugimi besedami, za tega opazovalca bi se dogodek 2 zgodil prej kot dogodek 1, kar pomeni, da bi bila posledica pred vzrokom.

Umestno je poudariti, da je »superluminalna prepoved« relativnostne teorije naložena samo gibanju materialnih teles in prenosu signalov. V mnogih situacijah je možno gibanje s katero koli hitrostjo, vendar to ne bo gibanje materialnih predmetov ali signalov. Na primer, predstavljajte si dva dokaj dolga ravnila, ki ležita v isti ravnini, od katerih je eden vodoraven, drugi pa ga seka pod majhnim kotom. Če prvo ravnilo premaknemo navzdol (v smeri, ki jo kaže puščica) z veliko hitrostjo, lahko dosežemo, da presečišče ravnil teče poljubno hitro, vendar ta točka ni materialno telo. Drug primer: če vzamete svetilko (ali recimo laser, ki proizvaja ozek žarek) in na hitro opišete lok v zraku, potem linearna hitrost Svetlobni žarek se bo z razdaljo povečeval in na dovolj veliki razdalji presegel c. Svetlobna pega se bo gibala med točkama A in B s superluminalno hitrostjo, vendar to ne bo prenos signala od A do B, saj taka svetlobna pega ne nosi nobene informacije o točki A.

Zdi se, da je vprašanje nadsvetlobnih hitrosti rešeno. Toda v 60. letih dvajsetega stoletja so teoretični fiziki postavili hipotezo o obstoju superluminalnih delcev, imenovanih tahioni. To so zelo nenavadni delci: teoretično so možni, a da bi se izognili protislovjem s teorijo relativnosti, jim je bilo treba pripisati namišljeno maso mirovanja. Fizično namišljena masa ne obstaja, je čisto matematična abstrakcija. Vendar to ni povzročilo velikega preplaha, saj tahioni ne morejo mirovati - obstajajo (če obstajajo!) le pri hitrostih, ki presegajo svetlobno hitrost v vakuumu, in v tem primeru se masa tahionov izkaže za resnično. Tukaj je nekaj analogije s fotoni: foton ima ničelno maso mirovanja, vendar to preprosto pomeni, da foton ne more mirovati - svetlobe ni mogoče ustaviti.

Najtežje se je, kot bi pričakovali, izkazalo uskladiti tahionsko hipotezo z zakonom vzročnosti. Poskusi v tej smeri, čeprav precej genialni, niso privedli do očitnega uspeha. Tudi tahionov ni uspelo nikomur eksperimentalno registrirati. Posledično je zanimanje za tahione kot superluminalne osnovne delce postopoma zbledelo.

Vendar pa so v 60. letih eksperimentalno odkrili pojav, ki je sprva zmedel fizike. To je podrobno opisano v članku A. N. Oraevskega »Super svetlobni valovi v ojačevalnih medijih" (UFN št. 12, 1998). Tukaj bomo na kratko povzeli bistvo zadeve in bralca, ki ga zanimajo podrobnosti, napotili na navedeni članek.

Kmalu po odkritju laserjev - v zgodnjih 60-ih - se je pojavil problem pridobivanja kratkih (trajajočih približno 1 ns = 10-9 s) svetlobnih impulzov velike moči. Da bi to naredili, je bil kratek laserski impulz prenesen skozi optični kvantni ojačevalnik. Impulz je bil razdeljen na dva dela z zrcalom, ki deli žarek. Eden od njih, močnejši, je bil poslan v ojačevalnik, drugi pa se je širil po zraku in služil kot referenčni impulz, s katerim je bilo mogoče primerjati impulz, ki gre skozi ojačevalnik. Oba impulza sta bila dovedena v fotodetektorje, njune izhodne signale pa je bilo mogoče vizualno opazovati na zaslonu osciloskopa. Pričakovano je bilo, da bo svetlobni impulz, ki gre skozi ojačevalnik, imel nekaj zamude v primerjavi z referenčnim impulzom, kar pomeni, da bo hitrost širjenja svetlobe v ojačevalniku manjša kot v zraku. Predstavljajte si začudenje raziskovalcev, ko so odkrili, da se impulz širi skozi ojačevalnik s hitrostjo ne le večjo kot v zraku, ampak tudi nekajkrat večjo od hitrosti svetlobe v vakuumu!

Ko so si opomogli od prvega šoka, so fiziki začeli iskati razlog za tako nepričakovan rezultat. Nihče ni imel niti najmanjšega dvoma o načelih posebne teorije relativnosti in prav to je pripomoglo k pravilni razlagi: če so načela SRT ohranjena, potem je treba odgovor iskati v lastnostih ojačevalnega medija.

Ne da bi se spuščali v podrobnosti, bomo le to izpostavili podrobna analiza mehanizem delovanja ojačevalnega medija je povsem razjasnil situacijo. Bistvo je bila sprememba koncentracije fotonov med širjenjem impulza - sprememba, ki jo povzroči sprememba ojačanja medija do negativna vrednost med prehodom zadnjega dela impulza, ko medij že absorbira energijo, ker je lastna rezerva že porabljena zaradi njenega prenosa v svetlobni impulz. Absorpcija ne povzroči povečanja, temveč oslabitev impulza, s čimer se impulz okrepi v sprednjem delu in oslabi v zadnjem delu. Predstavljajmo si, da opazujemo impulz z napravo, ki se giblje s svetlobno hitrostjo v mediju ojačevalnika. Če bi bil medij prozoren, bi videli impulz zamrznjen v negibnosti. V okolju, v katerem poteka zgoraj omenjeni proces, bosta opazovalcu videti okrepitev prednjega roba in oslabitev zadnjega roba impulza tako, da se zdi, da je medij premaknil impulz naprej. Ker pa se naprava (opazovalec) giblje s svetlobno hitrostjo, impulz pa jo prehiti, potem je hitrost impulza večja od svetlobne! Ta učinek so zabeležili eksperimentatorji. In tu res ni nobenega protislovja s teorijo relativnosti: proces ojačanja je preprosto tak, da se koncentracija fotonov, ki so izšli prej, izkaže za večjo od tistih, ki so izšli pozneje. S supersvetlobno hitrostjo se ne gibljejo fotoni, temveč ovojnico impulza, zlasti njegov maksimum, ki ga opazujemo na osciloskopu.

Tako, medtem ko v običajnih medijih vedno prihaja do oslabitve svetlobe in zmanjšanja njene hitrosti, ki jo določa lomni količnik, v aktivnih laserskih medijih ne pride le do ojačanja svetlobe, temveč tudi do širjenja impulza s superluminalno hitrostjo.

Nekateri fiziki so poskušali eksperimentalno dokazati prisotnost nadsvetlobnega gibanja med učinkom tunela - enega najbolj neverjetni pojavi v kvantni mehaniki. Ta učinek je v tem, da lahko mikrodelec (natančneje, mikroobjekt, ki v različnih pogojih kaže tako lastnosti delca kot lastnosti valovanja) prodre skozi tako imenovano potencialno pregrado - pojav, ki je popolnoma nemogoče v klasični mehaniki (v kateri bi bila taka situacija analogna: žogica, vržena ob steno, bi končala na drugi strani stene ali pa bi se valovito gibanje, posredovano vrvi, privezani na steno, preneslo na vrv, privezana na steno na drugi strani). Bistvo tunelskega učinka v kvantni mehaniki je naslednje. Če mikroobjekt z določeno energijo naleti na območje s potencialna energija, ki presega energijo mikroobjekta, je ta regija zanj ovira, katere višina je določena z energijsko razliko. Toda mikroobjekt "pušča" skozi pregrado! To možnost mu daje znana Heisenbergova relacija negotovosti, zapisana za energijo in čas interakcije. Če se interakcija mikroobjekta s pregrado pojavi v dokaj določenem času, bo energija mikroobjekta, nasprotno, označena z negotovostjo, in če je ta negotovost reda višine pregrade, potem je slednja za mikroobjekt preneha biti nepremostljiva ovira. Prav hitrost preboja skozi potencialno pregrado je postala predmet raziskav številnih fizikov, ki menijo, da lahko preseže c.

Junija 1998 je v Kölnu potekal mednarodni simpozij o problemih superluminalnega gibanja, kjer so obravnavali rezultate, pridobljene v štirih laboratorijih - na Berkeleyju, na Dunaju, v Kölnu in v Firencah.

In končno, leta 2000 so se pojavila poročila o dveh novih poskusih, v katerih so se pojavili učinki nadsvetlobnega širjenja. Eno od njih je izvedel Lijun Wong s sodelavci na raziskovalnem inštitutu Princeton (ZDA). Njegov rezultat je, da svetlobni impulz, ki vstopi v komoro, napolnjeno s cezijevimi hlapi, poveča svojo hitrost za 300-krat. Izkazalo se je, da glavni del Impulz zapusti oddaljeno steno komore, še preden vstopi impulz skozi sprednjo steno komore. Ta situacija je v nasprotju ne samo zdrav razum, temveč v bistvu teorija relativnosti.

Sporočilo L. Wonga je povzročilo burno razpravo med fiziki, ki večinoma niso bili naklonjeni temu, da bi v dobljenih rezultatih videli kršitev načel relativnosti. Izziv, verjamejo, je pravilno razložiti ta poskus.

V poskusu L. Wonga je svetlobni impulz, ki je vstopil v komoro s cezijevimi hlapi, trajal približno 3 μs. Atomi cezija lahko obstajajo v šestnajstih možnih kvantnomehanskih stanjih, imenovanih "hiperfini magnetni podnivoji osnovnega stanja". Z uporabo optičnega laserskega črpanja so bili skoraj vsi atomi spravljeni le v eno od teh šestnajstih stanj, ki ustreza skoraj absolutni ničelni temperaturi na Kelvinovi lestvici (-273,15 °C). Dolžina cezijeve komore je bila 6 centimetrov. V vakuumu potuje svetloba 6 centimetrov v 0,2 ns. Kot so pokazale meritve, je svetlobni impulz prešel skozi komoro s cezijem v času, ki je bil za 62 ns krajši kot v vakuumu. Z drugimi besedami, čas, ki je potreben, da impulz preide skozi cezijev medij, ima predznak minus! Dejansko, če odštejemo 62 ns od 0,2 ns, dobimo "negativen" čas. Ta "negativna zamuda" v mediju - nerazumljiv časovni skok - je enaka času, v katerem bi impulz naredil 310 prehodov skozi komoro v vakuumu. Posledica tega "časovnega preobrata" je bila, da se je impulz, ki je zapustil komoro, uspel premakniti 19 metrov stran od nje, preden je vhodni impulz dosegel bližnjo steno komore. Kako si lahko razloži kaj takega neverjetna situacija(če seveda ne dvomite v čistost eksperimenta)?

Sodeč po razpravi, ki poteka, natančne razlage še ni bilo, vendar ni dvoma, da tu igrajo vlogo nenavadne disperzijske lastnosti medija: cezijeva para, sestavljena iz atomov, ki jih vzbuja laserska svetloba, je medij z nenormalno disperzijo . Naj se na kratko spomnimo, kaj je.

Disperzija snovi je odvisnost faznega (navadnega) lomnega količnika n od valovne dolžine svetlobe l. Pri normalni disperziji se lomni količnik povečuje z zmanjševanjem valovne dolžine, in to velja za steklo, vodo, zrak in vse druge snovi, ki so prosojne za svetlobo. V snoveh, ki močno absorbirajo svetlobo, se potek lomnega količnika s spremembo valovne dolžine obrne in postane precej bolj strm: z zmanjšanjem l (povečanje frekvence w) se lomni količnik močno zmanjša in v določenem območju valovne dolžine postane manjši od enote ( fazna hitrost Vf > s ). To je nenormalna disperzija, pri kateri se vzorec širjenja svetlobe v snovi radikalno spremeni. Skupinska hitrost Vgr postane večja od fazne hitrosti valov in lahko preseže svetlobno hitrost v vakuumu (in postane tudi negativna). L. Wong opozarja na to okoliščino kot razlog, ki je podlaga za možnost razlage rezultatov njegovega eksperimenta. Opozoriti pa je treba, da je pogoj Vgr > c čisto formalen, saj je bil koncept skupinske hitrosti uveden za primer majhne (normalne) disperzije, za prozorne medije, ko skupina valov skoraj ne spremeni svoje oblike med razmnoževanjem. V območjih nenormalne disperzije se svetlobni impulz hitro deformira in koncept skupinske hitrosti izgubi pomen; v tem primeru sta uvedena koncepta hitrosti signala in hitrosti širjenja energije, ki v prozornih medijih sovpadata s skupinsko hitrostjo, v medijih z absorpcijo pa ostaneta manjša od hitrosti svetlobe v vakuumu. Toda tukaj je zanimivo pri Wongovem eksperimentu: svetlobni impulz, ki gre skozi medij z nenormalno disperzijo, se ne deformira - natančno ohrani svojo obliko! In to ustreza predpostavki, da se impulz širi s skupinsko hitrostjo. Če pa je tako, potem se izkaže, da absorpcije v mediju ni, čeprav je anomalna disperzija medija posledica ravno absorpcije! Wong sam, čeprav priznava, da ostaja veliko nejasnega, verjame, da je to, kar se dogaja v njegovi eksperimentalni postavitvi, mogoče v prvem približku jasno razložiti na naslednji način.

Svetlobni impulz je sestavljen iz številnih komponent z različnimi valovnimi dolžinami (frekvencami). Slika prikazuje tri od teh komponent (valovi 1-3). V nekem trenutku so vsi trije valovi v fazi (njihovi maksimumi sovpadajo); tukaj se seštejeta, krepita drug drugega in tvorita impulz. Ko se valovi še naprej širijo v vesolju, postanejo defazni in se tako "izničijo".

V območju anomalne disperzije (znotraj cezijeve celice) postane val, ki je bil krajši (val 1), daljši. Nasprotno, val, ki je bil najdaljši od treh (val 3), postane najkrajši.

Posledično se faze valov ustrezno spreminjajo. Ko valovi prehajali skozi cezijevo celico, jih valovne fronte se obnavljajo. Po neobičajni fazni modulaciji v snovi z nenormalno disperzijo se zadevni trije valovi na neki točki znova znajdejo v fazi. Tu se ponovno seštejejo in tvorijo impulz popolnoma enake oblike kot tisti, ki vstopa v cezijev medij.

Običajno v zraku in pravzaprav v vsakem preglednem okolju z normalna disperzija svetlobni impulz ne more natančno ohraniti svoje oblike pri širjenju na oddaljeno razdaljo, kar pomeni, da vseh njegovih komponent ni mogoče razvrstiti v nobeno oddaljeno točko vzdolž poti širjenja. In v normalnih pogojih se čez nekaj časa na tako oddaljeni točki pojavi svetlobni utrip. Vendar pa se je zaradi nenavadnih lastnosti medija, uporabljenega v poskusu, izkazalo, da je impulz na oddaljeni točki fazni na enak način kot pri vstopu v ta medij. Svetlobni impulz se torej obnaša, kot da bi imel na poti do oddaljene točke negativni časovni zamik, to pomeni, da bi do nje prišel ne pozneje, temveč prej, kot je šel skozi medij!

Večina fizikov je nagnjena k temu, da ta rezultat povezuje s pojavom prekurzorja nizke intenzivnosti v disperzivnem mediju komore. Bistvo je, da ko spektralna razgradnja V spektru impulza so komponente poljubno visokih frekvenc z zanemarljivo majhno amplitudo, tako imenovani predhodnik, ki gre pred "glavnim delom" impulza. Narava vzpostavitve in oblika prekurzorja sta odvisni od zakona disperzije v okolju. Glede na to je predlagano, da se zaporedje dogodkov v Wongovem poskusu razlaga na naslednji način. Prihajajoči val, ki "razteguje" znanilca pred seboj, se približuje kameri. Preden vrh vhodnega vala zadene bližnjo steno komore, predhodnik sproži pojav impulza v komori, ki doseže oddaljeno steno in se od nje odbije ter tvori "obratni val". Ta val, ki se širi 300-krat hitreje od c, doseže bližnjo steno in se sreča z prihajajočim valom. Vrhovi enega vala se srečajo s koriti drugega, tako da se uničijo in posledično ne ostane nič. Izkazalo se je, da prihajajoči val "poplača dolg" atomom cezija, ki so mu "posodili" energijo na drugem koncu komore. Kdorkoli bi opazoval samo začetek in konec eksperimenta, bi videl le utrip svetlobe, ki je "skočil" naprej v času in se gibal hitreje od c.

L. Wong meni, da njegov eksperiment ni v skladu s teorijo relativnosti. Trditev o nedosegljivosti nadsvetlobne hitrosti po njegovem mnenju velja le za objekte z maso mirovanja. Svetlobo lahko predstavimo bodisi v obliki valov, za katere koncept mase na splošno ni uporaben, bodisi v obliki fotonov z maso mirovanja, kot je znano, enako nič. Zato hitrost svetlobe v vakuumu po Wongu ni meja. Vendar Wong priznava, da učinek, ki ga je odkril, ne omogoča prenosa informacij s hitrostjo, večjo od c.

»Informacije so že vsebovane v sprednjem robu impulza,« pravi P. Milonni, fizik iz Nacionalnega laboratorija Los Alamos v Združenih državah Amerike ne pošiljajo."

Večina fizikov verjame v to nova služba ne velja uničujoč udarec v skladu s temeljnimi načeli. Vendar vsi fiziki ne verjamejo, da je problem rešen. Profesor A. Ranfagni iz ital raziskovalna skupina, ki je izvedla še en zanimiv poskus 2000, meni, da vprašanje še vedno ostaja odprto. Ta poskus, ki so ga izvedli Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni in Rocco Ruggeri, je odkril, da radijski valovi centimetrskega valovanja v normalnem zračnem prometu potujejo s hitrostjo, ki je 25 % hitrejša od c.

Če povzamemo, lahko rečemo naslednje.

Delo v zadnjih letih kaže, da lahko pod določenimi pogoji dejansko pride do nadsvetlobne hitrosti. Toda kaj točno se giblje pri nadsvetlobnih hitrostih? Teorija relativnosti, kot že rečeno, prepoveduje takšno hitrost za materialna telesa in za signale, ki prenašajo informacije. Kljub temu nekateri raziskovalci zelo vztrajno poskušajo dokazati premagovanje svetlobne pregrade posebej za signale. Razlog za to je v dejstvu, da posebna teorija relativnosti nima stroge matematične utemeljitve (ki temelji recimo na Maxwellovih enačbah za elektromagnetno polje) nezmožnost oddajanja signalov pri hitrostih večjih od c. Takšna nezmožnost v STR je ugotovljena, lahko bi rekli, čisto aritmetično, na podlagi Einsteinove formule za seštevanje hitrosti, vendar je to temeljno potrjeno z načelom vzročnosti. Einstein je sam, ko je obravnaval vprašanje superluminalnega prenosa signala, zapisal, da smo v tem primeru »... prisiljeni razmišljati o možnem mehanizmu prenosa signala, v katerem doseženo dejanje predhodi vzroku Toda, čeprav je to rezultat s čisto logične točke pogled sam po sebi ne vsebuje, po mojem mnenju ni nobenih protislovij; kljub temu je tako v nasprotju z naravo naše celotne izkušnje, da se zdi nezmožnost predpostavke V > c dovolj dokazana." Načelo vzročnosti je temelj nezmožnosti superluminalnega prenosa signala. In očitno se bodo vsa iskanja nadsvetlobnih signalov brez izjeme spotaknila ob ta kamen, ne glede na to, kako zelo bi si eksperimentatorji želeli zaznati takšne signale, kajti taka je narava našega sveta.

A vseeno si predstavljajmo, da bo matematika relativnosti še vedno delovala pri nadsvetlobnih hitrostih. To pomeni, da teoretično še lahko ugotovimo, kaj bi se zgodilo, če bi telo preseglo svetlobno hitrost.

Predstavljajmo si dve vesoljski ladji, ki letita z Zemlje proti zvezdi, ki je od našega planeta oddaljena 100 svetlobnih let. Prva ladja zapusti Zemljo pri 50-odstotni svetlobni hitrosti, tako da bo trajalo 200 let, da konča pot. Druga ladja, opremljena s hipotetičnim warp pogonom, bo potovala s hitrostjo 200% svetlobne, vendar 100 let za prvo. Kaj se bo zgodilo?

Po teoriji relativnosti je pravilen odgovor v veliki meri odvisen od perspektive opazovalca. Z Zemlje bo videti, da je prva ladja že prepotovala precejšnjo razdaljo, preden jo je prehitela druga ladja, ki se premika štirikrat hitreje. Toda z vidika ljudi na prvi ladji je vse malo drugače.

Ladja št. 2 se premika hitreje od svetlobe, kar pomeni, da lahko celo prehiti svetlobo, ki jo sama oddaja. To vodi do nekakšnega "svetlobnega vala" (podobno zvočnemu valu, le da namesto zračnih tresljajev vibrirajo svetlobni valovi), ki generira več zanimivi učinki. Spomnimo se, da se svetloba z ladje #2 premika počasneje kot ladja sama. Rezultat bo vizualno podvojitev. Z drugimi besedami, najprej bo posadka ladje št. 1 videla, da se je druga ladja poleg njih pojavila kot od nikoder. Potem bo svetloba z druge ladje dosegla prvo z majhno zamudo, rezultat pa bo vidna kopija, ki se bo premikala v isto smer z rahlim zamikom.

Nekaj ​​podobnega lahko opazimo v računalniških igrah, ko zaradi sistemske napake motor naloži model in njegove algoritme na končni točki gibanja hitreje, kot se konča sama animacija gibanja, tako da pride do večkratnih posnetkov. Verjetno zato naša zavest ne dojema tistega hipotetičnega vidika vesolja, v katerem se telesa gibljejo z nadsvetlobnimi hitrostmi – morda je tako najbolje.

P.S. ... ampak v zadnji primer Nekaj ​​mi ni jasno, zakaj je resnični položaj ladje povezan s "svetlobo, ki jo oddaja"? No, tudi če ga vidijo na napačnem mestu, bo v resnici prehitel prvo ladjo!

viri