Superluminal rejse er en af grundlæggelserne i rumvidenskabsfiktion. Imidlertid ved nok alle - også folk langt fra fysik - at den maksimale mulige hastighed for bevægelse af materielle genstande eller udbredelse af signaler er lysets hastighed i et vakuum. Det er betegnet med bogstavet c og er næsten 300 tusind kilometer i sekundet; den nøjagtige værdi er c = 299 792 458 m / s.
Lysets hastighed i et vakuum er en af de grundlæggende fysiske konstanter. Umuligheden ved at opnå hastigheder, der overstiger c, følger af Einsteins specielle relativitetsteori (SRT). Hvis det var muligt at bevise, at signaler kan transmitteres ved superluminal hastighed, ville relativitetsteorien falde. Indtil videre har dette ikke sket på trods af adskillige forsøg på at tilbagevise forbuddet mod eksistensen af hastigheder større end ca. I nylige eksperimentelle undersøgelser er der dog blevet opdaget nogle meget interessante fænomener, der indikerer, at under specielt oprettede forhold kan superluminal hastighed overholdes, og principperne i relativitetsteorien ikke krænkes.
Til at begynde med, lad os huske de vigtigste aspekter i forbindelse med problemet med lysets hastighed.
Først og fremmest: hvorfor er det umuligt (under normale forhold) at overskride lysgrænsen? For da overtrædes vores grundlæggende lov i vores verden - kausalitetsloven, hvorefter virkningen ikke kan overskride årsagen. Ingen har nogensinde set, for eksempel først faldt en bjørn død, og derefter fyrede en jæger. Ved hastigheder, der overstiger s, vendes begivenhedssekvensen, båndet af tid spoles tilbage. Dette er let at verificere ud fra følgende enkle begrundelse.
Lad os antage, at vi er på et slags rum mirakelskib, der bevæger os hurtigere end lys. Derefter ville vi gradvis indhente det lys, som kilden udsender på tidligere og tidligere tidspunkter. Først ville vi indhente de fotoner, der blev udsendt, siger i går, så de, der blev udsendt dagen før i går, så en uge, en måned, et år siden, og så videre. Hvis lyskilden var et spejl, der afspejler livet, så ville vi først se begivenhederne i går, derefter i går før, og så videre. Vi kunne se, sige, en gammel mand, der gradvist forvandles til en middelaldrende mand, derefter til en ung mand, til en ungdom, til et barn … Det vil sige, tiden ville vende tilbage, vi ville flytte fra nutiden til fortiden. Årsager og virkninger ville blive vendt.
Selvom denne ræsonnement fuldstændigt ignorerer de tekniske detaljer i processen med at observere lys fra et grundlæggende synspunkt, viser det tydeligt, at bevægelse med superluminal hastighed fører til en umulig situation i vores verden. Naturen har dog indstillet endnu strengere betingelser: det er uopnåeligt at bevæge sig ikke kun med superluminal hastighed, men også med en hastighed svarende til lysets hastighed - du kan kun nærme dig den. Fra relativitetsteorien følger det, at med en stigning i bevægelseshastigheden opstår tre omstændigheder: massen af et bevægeligt objekt øges, dets størrelse falder i bevægelsesretningen, og tidsstrømmen på dette objekt bremser (set fra en ekstern "hvilende" observatørs synspunkt). Ved almindelige hastigheder er disse ændringer ubetydelige, men når de nærmer sig lysets hastighed, bliver de mere synlige,og i grænsen - med en hastighed lig med c - bliver massen uendeligt stor, objektet mister fuldstændigt sin størrelse i bevægelsesretningen, og tiden stopper på den. Derfor kan intet materielt legeme nå lysets hastighed. Kun lyset i sig selv har sådan hastighed! (Og også den "gennemtrængende" partikel - neutrino, der som en foton ikke kan bevæge sig med en hastighed mindre end s.)
Nu om signaloverførselshastigheden. Her er det passende at bruge gengivelsen af lys i form af elektromagnetiske bølger. Hvad er et signal? Dette er en slags information, der skal overføres. En ideel elektromagnetisk bølge er en uendelig sinus med strengt en frekvens, og den kan ikke bære nogen information, fordi hver periode i en sådan sinusoid nøjagtigt gentager den forrige. Bevægelseshastigheden for en sinusformet bølgefase - den såkaldte fasehastighed - kan i et medium under visse betingelser overstige lysets hastighed i et vakuum. Der er ingen begrænsninger her, da fasehastigheden ikke er signalhastigheden - den er ikke der endnu. For at oprette et signal skal du lave en slags "markering" på bølgen. Et sådant mærke kan for eksempel være en ændring i en hvilken som helst af bølgeparametrene - amplitude, frekvens eller startfase. Men når mærket er lavet,bølgen mister sinusoidalitet. Det bliver moduleret og består af et sæt enkle sinusbølger med forskellige amplituder, frekvenser og startfaser - en gruppe bølger. Den hastighed, hvormed mærket bevæger sig i den modulerede bølge, er signalhastigheden. Når man formerer sig i et medium, falder denne hastighed normalt sammen med gruppehastigheden, der kendetegner forplantningen af den ovennævnte bølgegruppe som helhed (se Science and Life No. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheden og dermed signalhastigheden mindre end lysets hastighed i vakuum. Det er ikke tilfældigt, at udtrykket "under normale forhold" bruges, for i nogle tilfælde kan gruppehastigheden også overstige c eller endda miste sin betydning, men så gælder det ikke for signaludbredelse. SRT konstaterer, at det er umuligt at transmittere et signal med en hastighed, der er større end sDet bliver moduleret og består af et sæt enkle sinusbølger med forskellige amplituder, frekvenser og startfaser - en gruppe bølger. Den hastighed, hvormed mærket bevæger sig i den modulerede bølge, er signalets hastighed. Når man formerer sig i et medium, falder denne hastighed normalt sammen med gruppens hastighed, der kendetegner udbredelsen af den ovennævnte bølgegruppe som helhed (se Science and Life No. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheden og dermed signalhastigheden mindre end lysets hastighed i vakuum. Det er ikke tilfældigt, at udtrykket "under normale forhold" bruges, for i nogle tilfælde kan gruppehastigheden også overstige c eller endda miste sin betydning, men så gælder det ikke for signaludbredelse. I SRT er det konstateret, at det er umuligt at transmittere et signal med en hastighed, der er større end s. Det bliver moduleret og består af et sæt enkle sinusbølger med forskellige amplituder, frekvenser og startfaser - en gruppe bølger. Den hastighed, hvormed mærket bevæger sig i den modulerede bølge, er signalets hastighed. Når man formerer sig i et medium, falder denne hastighed normalt sammen med gruppehastigheden, der kendetegner forplantningen af den ovennævnte bølgegruppe som helhed (se Science and Life No. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheden og dermed signalhastigheden mindre end lysets hastighed i vakuum. Det er ikke tilfældigt, at udtrykket "under normale forhold" bruges, for i nogle tilfælde kan gruppehastigheden også overstige c eller endda miste sin betydning, men så gælder det ikke for signaludbredelse. I SRT er det konstateret, at det er umuligt at transmittere et signal med en hastighed, der er større end s.bestående af et sæt enkle sinusformede bølger med forskellige amplituder, frekvenser og startfaser - en gruppe bølger. Den hastighed, hvormed mærket bevæger sig i den modulerede bølge, er signalets hastighed. Når man formerer sig i et medium, falder denne hastighed normalt sammen med gruppehastigheden, der kendetegner forplantningen af den ovennævnte bølgegruppe som helhed (se Science and Life, nr. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheden og dermed signalhastigheden mindre end lysets hastighed i vakuum. Det er ikke tilfældigt, at udtrykket "under normale forhold" bruges, for i nogle tilfælde kan gruppehastigheden også overstige c eller endda miste sin betydning, men så gælder det ikke for signaludbredelse. I SRT er det konstateret, at det er umuligt at transmittere et signal med en hastighed, der er større end s.bestående af et sæt enkle sinusformede bølger med forskellige amplituder, frekvenser og startfaser - en gruppe bølger. Den hastighed, hvormed mærket bevæger sig i den modulerede bølge, er signalets hastighed. Når man formerer sig i et medium, falder denne hastighed normalt sammen med gruppehastigheden, der kendetegner forplantningen af den ovennævnte bølgegruppe som helhed (se Science and Life, nr. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheden og dermed signalhastigheden mindre end lysets hastighed i vakuum. Det er ikke tilfældigt, at udtrykket "under normale forhold" bruges, for i nogle tilfælde kan gruppehastigheden også overstige c eller endda miste sin betydning, men så gælder det ikke for signaludbredelse. I SRT er det konstateret, at det er umuligt at transmittere et signal med en hastighed, der er større end s.frekvenser og startfaser - grupper af bølger. Den hastighed, hvormed mærket bevæger sig i den modulerede bølge, er signalets hastighed. Når man formerer sig i et medium, falder denne hastighed normalt sammen med gruppehastigheden, der kendetegner forplantningen af den ovennævnte bølgegruppe som helhed (se Science and Life No. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheden og dermed signalhastigheden mindre end lysets hastighed i vakuum. Det er ikke tilfældigt, at udtrykket "under normale forhold" bruges, for i nogle tilfælde kan gruppehastigheden også overstige c eller endda miste sin betydning, men så gælder det ikke for signaludbredelse. I SRT er det konstateret, at det er umuligt at transmittere et signal med en hastighed, der er større end s.frekvenser og startfaser - grupper af bølger. Den hastighed, hvormed mærket bevæger sig i den modulerede bølge, er signalets hastighed. Når man formerer sig i et medium, falder denne hastighed normalt sammen med gruppehastigheden, der kendetegner forplantningen af den ovennævnte bølgegruppe som helhed (se Science and Life No. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheden og dermed signalhastigheden mindre end lysets hastighed i vakuum. Det er ikke tilfældigt, at udtrykket "under normale forhold" bruges, for i nogle tilfælde kan gruppehastigheden også overstige c eller endda miste sin betydning, men så gælder det ikke for signaludbredelse. I SRT er det konstateret, at det er umuligt at transmittere et signal med en hastighed, der er større end s. Når man formerer sig i et medium, falder denne hastighed normalt sammen med gruppehastigheden, der kendetegner forplantningen af den ovennævnte bølgegruppe som helhed (se Science and Life No. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheden og dermed signalhastigheden mindre end lysets hastighed i vakuum. Det er ikke tilfældigt, at udtrykket "under normale forhold" bruges, for i nogle tilfælde kan gruppehastigheden overstige c eller endda miste sin betydning, men så gælder det ikke for signaludbredelse. I SRT er det konstateret, at det er umuligt at transmittere et signal med en hastighed, der er større end s. Når man formerer sig i et medium, falder denne hastighed normalt sammen med gruppehastigheden, der kendetegner forplantningen af den ovennævnte bølgegruppe som helhed (se Science and Life No. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheden og dermed signalhastigheden mindre end lysets hastighed i vakuum. Det er ikke tilfældigt, at udtrykket "under normale forhold" bruges, for i nogle tilfælde kan gruppehastigheden overstige c eller endda miste sin betydning, men så gælder det ikke for signaludbredelse. I SRT er det konstateret, at det er umuligt at transmittere et signal med en hastighed, der er større end s. Det er ikke tilfældigt, at udtrykket "under normale forhold" bruges, for i nogle tilfælde kan gruppehastigheden overstige c eller endda miste sin betydning, men så gælder det ikke for signaludbredelse. I SRT er det konstateret, at det er umuligt at transmittere et signal med en hastighed, der er større end s. Det er ikke tilfældigt, at udtrykket "under normale forhold" bruges, for i nogle tilfælde kan gruppehastigheden også overstige c eller endda miste sin betydning, men så gælder det ikke for signaludbredelse. SRT konstaterer, at det er umuligt at transmittere et signal med en hastighed, der er større end s
Salgsfremmende video:
Hvorfor er det sådan? Fordi den samme kausalitetslov fungerer som en hindring for transmission af ethvert signal med en hastighed større end c. Lad os forestille os følgende situation. På et tidspunkt A tænder en lysblitz (begivenhed 1) en enhed, der sender et bestemt radiosignal, og på et fjernt punkt B forekommer der en eksplosion under dette radiosignal (hændelse 2). Det er tydeligt, at hændelse 1 (flash) er en årsag, og hændelse 2 (eksplosion) er en konsekvens, der opstår senere end årsagen. Men hvis radiosignalet forplantede sig med superluminal hastighed, ville en observatør nær punkt B først se en eksplosion, og først derefter - en blitz, der nåede ham med en hastighed af en lysblitz, årsagen til eksplosionen. Med andre ord, for denne observatør ville begivenhed 2 forekomme tidligere end begivenhed 1, det vil sige, virkningen ville være foran årsagen.
Det er passende at understrege, at "superluminalforbudet" af relativitetsteorien kun pålægges bevægelse af materielle kropper og transmission af signaler. I mange situationer er bevægelse med en hvilken som helst hastighed mulig, men det vil ikke være bevægelse af materielle genstande eller signaler. Forestil dig for eksempel to forholdsvis lange linealer, der ligger i det samme plan, hvoraf den ene er vandret, og den anden skærer den i en lille vinkel. Hvis den første lineal bevæges ned (i pilens retning) med høj hastighed, kan linjalkrydsets skæringspunkt bringes til at køre så hurtigt, som du vil, men dette punkt er ikke et materielt organ. Et andet eksempel: Hvis du tager en lommelygte (eller f.eks. En laser, der giver en smal stråle) og hurtigt beskriver en bue med den i luften, vil lyspunktets lineære hastighed stige med afstanden og i en tilstrækkelig stor afstand overstige c. Lyspunktet bevæger sig mellem punkterne A og B ved superluminal hastighed, men dette vil ikke være en signaloverførsel fra A til B, da et sådant lyspunkt ikke indeholder nogen information om punkt A.
Det ser ud til, at spørgsmålet om superluminal hastigheder er løst. Men i 60'erne af det tyvende århundrede fremsatte teoretiske fysikere en hypotese om eksistensen af superluminale partikler kaldet tachyoner. Dette er meget mærkelige partikler: teoretisk er de mulige, men for at undgå modsigelser med relativitetsteorien måtte de tilskrive en imaginær hvilemasse. Fysisk imaginær masse findes ikke, det er en rent matematisk abstraktion. Dette medførte dog ikke meget alarm, da tachyoner ikke kan være i ro - de findes (hvis de findes!) Kun ved hastigheder, der overskrider lysets hastighed i et vakuum, og i dette tilfælde viser massen af tachyon sig at være reel. Der er en vis analogi her med fotoner: en foton har nul hvilemasse, men det betyder ganske enkelt, at en foton ikke kan være i ro - lys kan ikke stoppes.
Det sværeste var som forventet at forene tachyon-hypotesen med kausalitetsloven. Selvom de var ganske geniale forsøg i denne retning førte ikke til åbenlyst succes. Ingen lykkedes heller at registrere tachyoner eksperimentelt. Som et resultat forsvandt gradvis interessen for tachyoner som superluminal elementære partikler.
I 60'erne blev der imidlertid eksperimentelt opdaget et fænomen, der oprindeligt forvirrede fysikere. Dette er beskrevet detaljeret i artiklen af A. N. Oraevsky "Superluminalbølger i amplificeringsmedier" (Phys. Phys. Nr. 12, 1998). Her vil vi kort sammenfatte sagen og henvise læseren interesseret i detaljer til den specificerede artikel.
Kort efter opdagelsen af lasere - i begyndelsen af 60'erne - opstod problemet med at få korte (ca. 1 ns = 10-9 s) højeffektlysimpulser. Til dette blev en kort laserpuls ført gennem en optisk kvanteforstærker. Pulsen blev delt i to dele af et strålesplitsende spejl. En af dem, mere kraftfuld, blev sendt til forstærkeren, mens den anden forplantede sig i luften og fungerede som en referencepuls, som man kunne sammenligne den puls, der passerede gennem forstærkeren. Begge pulser blev ført til fotodetektorer, og deres udgangssignaler kunne observeres visuelt på oscilloskopskærmen. Det var forventet, at lyspulsen, der passerer gennem forstærkeren, vil opleve en vis forsinkelse i den sammenlignet med referencepulsen, det vil sige udbredelseshastigheden af lys i forstærkeren være mindre end i luft. Forestil dig forskernes overraskelse, da de opdagede, at pulsen forplantede sig gennem forstærkeren med en hastighed ikke kun større end i luft, men også overskredet lysets hastighed i et vakuum flere gange!
Efter at have kommet sig efter det første chok, begyndte fysikere at kigge efter årsagen til et så uventet resultat. Ingen havde engang den mindste tvivl om principperne i den specielle relativitetsteori, og det var dette, der hjalp med til at finde den rigtige forklaring: Hvis principperne for særlig relativitet er bevaret, skal svaret søges i egenskaberne ved det forstærkende medium.
Uden at gå nærmere ind på detaljer her, påpeger vi kun, at en detaljeret analyse af forstærkningsmediets virkningsmekanisme har klaret situationen fuldstændigt. Punktet bestod i en ændring i koncentrationen af fotoner under pulsudbredelse - en ændring på grund af en ændring i mediets forstærkning til en negativ værdi under passagen af bagsiden af pulsen, når mediet allerede optager energi, fordi dets egen reserve allerede er brugt op på grund af dets transmission til lyspulsen. Absorption forårsager ikke forstærkning, men en svækkelse af impulsen, og impulsen forbedres således i fronten og svækkes i ryggen. Lad os forestille os, at vi observerer en puls ved hjælp af en enhed, der bevæger sig med lysets hastighed i et forstærkermedium. Hvis mediet var gennemsigtigt, ville vi se impulsen frosset i ubevægelighed. I miljøethvori den ovennævnte proces finder sted, vil forstærkningen af føringen og svækkelsen af bagkanten af pulsen vises for observatøren på en sådan måde, at mediet som sådan bevæger pulsen fremad. Men da enheden (observatøren) bevæger sig med lysets hastighed, og pulsen overhaler det, overstiger pulsen hastighed lysets hastighed! Det er denne effekt, der blev registreret af eksperimenterne. Og her er der virkelig ingen modsigelse med relativitetsteorien: bare amplificeringsprocessen er sådan, at koncentrationen af fotoner, der kom ud tidligere, viser sig at være mere end dem, der kom ud senere. Det er ikke fotoner, der bevæger sig med superluminal hastighed, men pulshylsteret, især dets maksimale, der observeres på oscilloskopet. Men da enheden (observatøren) bevæger sig med lysets hastighed, og pulsen overhaler det, overstiger pulsen hastighed lysets hastighed! Det er denne effekt, der blev registreret af eksperimenterne. Og her er der virkelig ingen modsigelse med relativitetsteorien: bare amplificeringsprocessen er sådan, at koncentrationen af fotoner, der kom ud tidligere, viser sig at være mere end dem, der kom ud senere. Det er ikke fotoner, der bevæger sig med superluminal hastighed, men pulshylsteret, især dets maksimale, der observeres på oscilloskopet. Men da enheden (observatøren) bevæger sig med lysets hastighed, og pulsen overhaler det, overstiger pulsen hastighed lysets hastighed! Det er denne effekt, der blev registreret af eksperimenterne. Og her er der virkelig ingen modsigelse med relativitetsteorien: bare amplificeringsprocessen er sådan, at koncentrationen af fotoner, der kom ud tidligere, viser sig at være mere end dem, der kom ud senere. Det er ikke fotoner, der bevæger sig med superluminal hastighed, men pulshylsteret, især dets maksimale, der observeres på oscilloskopet. Det er ikke fotoner, der bevæger sig med superluminal hastighed, men pulshylsteret, især dets maksimale, der observeres på oscilloskopet. Det er ikke fotoner, der bevæger sig med superluminal hastighed, men pulshylsteret, især dets maksimale, der observeres på oscilloskopet.
Selv om der i almindelige medier altid er en dæmpning af lys og et fald i dets hastighed, bestemt af brydningsindekset, i aktive lasermedier, observeres ikke kun lysforstærkning, men også pulsudbredelse med superluminal hastighed.
Nogle fysikere har forsøgt at eksperimentelt bevise eksistensen af superluminal bevægelse i tunneleringseffekten - et af de mest fantastiske fænomener i kvantemekanik. Denne virkning består i det faktum, at en mikropartikel (mere præcist et mikroobjekt, der udviser både egenskaberne ved en partikel og egenskaberne ved en bølge under forskellige forhold) er i stand til at trænge igennem den såkaldte potentielle barriere - et fænomen, der er helt umuligt i klassisk mekanik (hvor den analoge ville være sådan en situation: En kugle, der kastes i væggen, ville være på den anden side af væggen, eller den bølgende bevægelse, der blev overført til rebet bundet til væggen, ville blive overført til rebet bundet til væggen på den anden side). Essensen af tunneleffekten i kvantemekanik er som følger. Hvis et mikroobjekt med en bestemt energi møder et område med potentiel energi på vej,overskrider mikroobjektets energi, er dette område for det en barriere, hvis højde bestemmes af energiforskellen. Men mikroobjektet "siver" gennem barrieren! Denne mulighed gives ham af det velkendte Heisenberg usikkerhedsforhold, skrevet til energi og interaktionstid. Hvis mikroobjektets interaktion med barrieren forekommer i en tilstrækkelig bestemt tid, vil mikroobjektets energi tværtimod være kendetegnet ved usikkerhed, og hvis denne usikkerhed er af størrelsesordenen af barrierehøjden, ophører sidstnævnte med at være en uovervindelig hindring for mikroobjektet. Her er penetrationshastigheden gennem en potentiel barriere blevet genstand for forskning fra et antal fysikere, der mener, at det kan overstige s. Men mikroobjektet "siver" gennem barrieren! Denne mulighed gives ham af det velkendte Heisenberg usikkerhedsforhold, skrevet til energi og interaktionstid. Hvis mikroobjektets interaktion med barrieren forekommer i en tilstrækkelig bestemt tid, vil mikroobjektets energi tværtimod være kendetegnet ved usikkerhed, og hvis denne usikkerhed er af størrelsesordenen af barrierehøjden, ophører sidstnævnte med at være en uovervindelig hindring for mikroobjektet. Her er penetrationshastigheden gennem en potentiel barriere blevet genstand for forskning fra et antal fysikere, der mener, at det kan overstige s. Men mikroobjektet "siver" gennem barrieren! Denne mulighed gives ham af det velkendte Heisenberg usikkerhedsforhold, skrevet til energi og interaktionstid. Hvis mikroobjektets interaktion med barrieren forekommer i en tilstrækkelig bestemt tid, vil mikroobjektets energi tværtimod være kendetegnet ved usikkerhed, og hvis denne usikkerhed er af størrelsesordenen af barrierehøjden, ophører sidstnævnte med at være en uovervindelig hindring for mikroobjektet. Her er penetrationshastigheden gennem en potentiel barriere blevet genstand for forskning fra et antal fysikere, der mener, at det kan overstige s. Hvis mikroobjektets interaktion med barrieren forekommer i en tilstrækkelig bestemt tid, vil mikroobjektets energi tværtimod være kendetegnet ved usikkerhed, og hvis denne usikkerhed er af størrelsesordenen af barrierehøjden, ophører sidstnævnte med at være en uovervindelig hindring for mikroobjektet. Her er penetrationshastigheden gennem en potentiel barriere blevet genstand for forskning fra et antal fysikere, der mener, at det kan overstige s. Hvis mikroobjektets interaktion med barrieren forekommer i en tilstrækkelig bestemt tid, vil mikroobjektets energi tværtimod være kendetegnet ved usikkerhed, og hvis denne usikkerhed er af størrelsesordenen af barrierehøjden, ophører sidstnævnte med at være en uovervindelig hindring for mikroobjektet. Her er penetrationshastigheden gennem en potentiel barriere blevet genstand for forskning fra et antal fysikere, der mener, at det kan overstige s.
I juni 1998 blev der afholdt et internationalt symposium om FTL-problemer i Köln, hvor resultaterne opnået i fire laboratorier blev drøftet - i Berkeley, Wien, Köln og i Firenze.
Og til sidst, i 2000, var der rapporter om to nye eksperimenter, hvor virkningerne af superluminal forplantning optrådte. En af dem blev udført af Lijun Wong og medarbejdere på et forskningsinstitut i Princeton (USA). Dets resultat er, at lyspulsen, der kommer ind i kammeret fyldt med cæsiumdamp, øger sin hastighed 300 gange. Det viste sig, at hoveddelen af pulsen forlader kammerets fjernvægge endnu tidligere, end pulsen kommer ind i kammeret gennem frontvæggen. Denne situation er i modstrid med ikke kun sund fornuft, men i det væsentlige relativitetsteorien.
L. Wongs budskab provokerede til intens diskussion blandt fysikere, hvoraf de fleste ikke er tilbøjelige til at se i resultaterne opnået en krænkelse af relativitetsprincipperne. De tror, udfordringen er at forklare dette eksperiment korrekt.
I L. Wong's eksperiment havde lyspulsen, der kom ind i kammeret med cesiumdamp, en varighed på ca. 3 μs. Cesiumatomer kan være i seksten mulige kvantemekaniske tilstande, kaldet "magnetisk hyperfin jordtilstand underliggende niveauer." Ved hjælp af optisk laserpumping blev næsten alle atomer bragt i kun en af disse seksten tilstande, svarende til næsten absolut nul temperatur i Kelvin-skalaen (-273,15 ° C). Cesiumkammeret var 6 centimeter langt. I et vakuum bevæger lys sig 6 centimeter i 0,2 ns. Målingerne viste, at lyspulsen passerede gennem kammeret med cæsium på 62 ns kortere tid end i vakuum. Med andre ord har transittiden for pulsen gennem cesiummediet et minustegn! Faktisk, hvis 62 ns trækkes fra 0,2 ns, får vi en "negativ" tid. Denne "negative forsinkelse" i mediet - et uforståeligt tidshopp - er lig med det tidsrum, i hvilket pulsen ville have fået 310 passerer gennem kammeret i et vakuum. Konsekvensen af denne "midlertidige væltning" var, at impulsen, der forlod kammeret, havde tid til at bevæge sig væk fra det med 19 meter, før den indkommende impuls nåede kammens nærvæg. Hvordan kan en sådan utrolig situation forklares (hvis der selvfølgelig ikke er nogen tvivl om eksperimentets renhed)?ikke at tvivle på eksperimentets renhed)?ikke at tvivle på eksperimentets renhed)?
Ud fra diskussionens udfoldelse er der endnu ikke fundet en nøjagtig forklaring, men der er ingen tvivl om, at mediets usædvanlige spredningsegenskaber spiller en rolle her: cæsiumdampe, der består af atomer, der er eksiteret af laserlys, er et medium med afvigende spredning. Lad os kort huske, hvad det er.
Spredning af et stof er afhængigheden af fase (konventionelt) brydningsindeks n af bølgelængden af lys l. Ved normal spredning stiger brydningsindekset med faldende bølgelængde, og dette forekommer i glas, vand, luft og alle andre stoffer, der er gennemsigtige for lys. I stoffer, der stærkt absorberer lys, ændres brydningsindeksens forløb til det modsatte med en ændring i bølgelængden og bliver meget stejlere: med et fald i l (en stigning i frekvensen w) falder brydningsindekset kraftigt, og i et bestemt bølgelængdeområde bliver det mindre end enhed (fasehastigheden Vph> s). Dette er den anomale spredning, hvor billedet af udbredelsen af lys i stof ændrer sig radikalt. Gruppens hastighed Vgr bliver større end bølgens fashastighed og kan overstige lysets hastighed i vakuum (og også blive negativ). L. Wong peger på denne situation som grunden til muligheden for at forklare resultaterne af hans eksperiment. Det skal dog bemærkes, at betingelsen Vgr> c er rent formel, da begrebet gruppehastighed blev introduceret i tilfælde af lav (normal) spredning, for gennemsigtige medier, når en gruppe bølger næsten ikke ændrer sin form under udbredelse. I regioner med anomal spredning på den anden side deformeres lyspulsen hurtigt, og begrebet gruppehastighed mister sin betydning; i dette tilfælde introduceres begreberne signalhastighed og energiudbredelseshastighed, som i gennemsigtige medier falder sammen med gruppehastigheden, og i medier med absorption forbliver mindre end lysets hastighed i vakuum. Men her er hvad der er interessant i Wongs eksperiment: en lyspuls, der er passeret gennem et medium med anomal spredning, deformeres ikke - den bevarer nøjagtigt sin form!Og dette svarer til antagelsen om udbredelsen af pulsen med gruppehastigheden. Men i bekræftende fald, viser det sig, at der ikke er nogen absorption i mediet, skønt mediernes anomale spredning netop skyldes absorption! Wong selv, der indrømmer, at meget stadig er uklart, mener, at hvad der sker i hans eksperimentelle opsætning i en første tilnærmelse klart kan forklares som følger.
En lyspuls består af mange komponenter med forskellige bølgelængder (frekvenser). Figuren viser tre af disse komponenter (bølger 1-3). På et tidspunkt er alle tre bølger i fase (deres maksima falder sammen); her forstærker de hinanden og danner en impuls. Når bølgerne forplantes yderligere i rummet, er bølgerne ude af fase og "slukker" hinanden.
I området med den anomale spredning (inde i cæsiumcellen) bliver den bølge, der var kortere (bølge 1), længere. Omvendt bliver den bølge, der var den længste af de tre (bølge 3), den korteste.
Følgelig ændres bølgefaserne i overensstemmelse hermed. Når bølgerne er passeret gennem cæsiumcellen, gendannes deres bølgefronter. Efter at have gennemgået en usædvanlig fasemodulering i et stof med en anomal spredning, er de tre bølger, der er under overvejelse, igen i fase på et bestemt tidspunkt. Her foldes de igen og danner en puls med nøjagtigt den samme form som ind i cesiummediet.
Normalt i luft og i praktisk talt ethvert gennemsigtigt medium med normal spredning kan en lyspuls ikke nøjagtigt opretholde sin form, når den formeres over en fjern afstand, det vil sige alle dens komponenter kan ikke fases på noget fjernt punkt langs forplantningsvejen. Og under normale forhold vises der en let puls på et så langt punkt efter et stykke tid. På grund af de anomale egenskaber af det medium, der blev anvendt i eksperimentet, viste det sig imidlertid, at pulsen på et fjernt punkt blev faset på samme måde som ved indgangen til dette medium. Således opfører lyspulsen sig som om den havde en negativ tidsforsinkelse på vej til et fjernt punkt, det vil sige at den ville nå frem til det senere, men tidligere end det har passeret miljøet!
De fleste fysikere er tilbøjelige til at forbinde dette resultat med udseendet af en forløber med lav intensitet i det spredende medium i kammeret. Faktum er, at spektret under den spektrale nedbrydning af en puls indeholder komponenter af vilkårligt høje frekvenser med ubetydelig amplitude, den såkaldte forløber, der går foran "hoveddelen" af pulsen. Virksomhedens art og form for forløber afhænger af spredningsloven i mediet. Med dette i tankerne foreslås begivenhedssekvensen i Wongs eksperiment at blive fortolket som følger. Den indkommende bølge, der "strækker" harbinger foran sig selv, nærmer sig kameraet. Inden toppen af den indkommende bølge rammer den nærliggende væg i kammeret, indleder forløberen en impuls i kammeret, der når fjernvæggen og reflekteres fra det og danner en "bagudbølge". Denne bølgespreder sig 300 gange hurtigere end c, når den tætte væg og møder den indkommende bølge. En bølges toppe møder en anden bunke, så de ødelægger hinanden, og der er intet tilbage som et resultat. Det viser sig, at den indkommende bølge "returnerer gælden" til cæsiumatomer, som "lånte" energi til den i den anden ende af kammeret. Enhver, der kun ville observere begyndelsen og slutningen af eksperimentet, ville kun se en lyspuls, der "sprang" frem i tiden og bevæger sig hurtigere med. Jeg kunne kun se en lyspuls, der "sprang frem" i tiden og bevæger sig hurtigere med. Jeg kunne kun se en lyspuls, der "sprang frem" i tiden og bevæger sig hurtigere med.
L. Wong mener, at hans eksperiment ikke stemmer overens med relativitetsteorien. Uttalelsen om uovervindeligheden af superluminal hastighed, mener han, finder kun anvendelse på genstande med hvilemasse. Lys kan repræsenteres enten i form af bølger, hvortil massebegrebet generelt ikke kan anvendes, eller i form af fotoner med en hvilemasse, som det er kendt, lig med nul. Derfor mener lysets hastighed i et vakuum ikke grænsen. Ikke desto mindre indrømmer Wong, at den effekt, han opdagede, ikke gør det muligt at overføre oplysninger med en hastighed, der er større end s.
”Oplysningerne her er allerede i forkanten af pulsen,” siger P. Milonny, fysiker ved det amerikanske Los Alamos National Laboratory. "Og du kan få indtryk af at sende oplysninger hurtigere end lys, selv når du ikke sender dem."
De fleste fysikere mener, at det nye arbejde ikke rammer de grundlæggende principper. Men ikke alle fysikere mener, at problemet er løst. Professor A. Ranfagni fra den italienske forskningsgruppe, der gennemførte endnu et interessant eksperiment i 2000, mener, at spørgsmålet forbliver åbent. Dette eksperiment, udført af Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni og Rocco Ruggeri, fandt, at centimeterbånd radiobølger i almindelig luft rejser med en hastighed, der var 25% større end ca.
Sammenfattende kan vi sige følgende
Arbejde i de senere år har vist, at superluminal hastighed under visse betingelser faktisk kan finde sted. Men hvad er der nøjagtigt ved at køre i superluminal hastighed? Relativitetsteorien forbyder som allerede nævnt en sådan hastighed for materielle kroppe og for signaler, der bærer information. Ikke desto mindre prøver nogle forskere meget vedvarende at demonstrere, hvordan man kan overvinde lysbarrieren for signaler. Årsagen hertil ligger i det faktum, at der i den specielle relativitetsteori ikke er nogen streng matematisk begrundelse (baseret, siges, på Maxwells ligninger for det elektromagnetiske felt) for umuligheden af at overføre signaler med en hastighed, der er større end s. En sådan umulighed i SRT er konstateret, kan man sige rent aritmetisk, gående fra Einstein-formlen til tilføjelse af hastigheder,men dette bekræftes grundlæggende af kausalitetsprincippet. Einstein selv, i betragtning af spørgsmålet om superluminal signaloverførsel, skrev, at i dette tilfælde "… vi er tvunget til at overveje en signaloverførselsmekanisme, når vi bruger den opnåede handling forud for årsagen. Men selvom dette resultat fra et rent logisk synspunkt ikke indeholder, efter min mening ingen modsigelser, det modsætter stadig karakteren af hele vores oplevelse så meget, at umuligheden af antagelsen V> c synes at være tilstrækkeligt bevist. " Kausalitetsprincippet er hjørnestenen, der ligger til grund for umuligheden af FTL-signaltransmission. Og denne sten vil tilsyneladende snuble alle uden undtagelse søger efter superluminale signaler, uanset hvor meget eksperimenterne gerne vil finde sådanne signaler,for dette er vores verdens natur.
Men lad os forestille os, at relativitetens matematik stadig vil arbejde i hastigheder hurtigere end lys. Dette betyder, at vi teoretisk set stadig kan finde ud af, hvad der ville ske, hvis kroppen tilfældigvis overskrider lysets hastighed.
Forestil dig to rumfartøjer, der kører fra Jorden mod en stjerne, der er 100 lysår væk fra vores planet. Det første skib forlader Jorden med 50% lysets hastighed, så det vil tage 200 år for hele rejsen. Det andet skib, der er udstyret med et hypotetisk varpdrev, kører med 200% lyshastighed, men 100 år efter det første. Hvad vil der ske?
I henhold til relativitetsteorien afhænger det rigtige svar i vid udstrækning af observatørens perspektiv. Fra Jorden ser det ud til, at det første skib allerede har rejst en betydelig afstand, før det blev overhalet af det andet skib, der bevæger sig fire gange hurtigere. Men set fra menneskets synspunkt fra det første skib er alt lidt anderledes.
Skib nr. 2 bevæger sig hurtigere end lys, hvilket betyder, at det endda kan overhale det lys, det udsender selv. Dette fører til en slags "lysbølge" (analog med lyd, kun i stedet for luftvibrationer, vibrerer lysbølger her), som genererer flere interessante effekter. Husk, at lyset fra skib nr. 2 bevæger sig langsommere end selve skibet. Som et resultat forekommer en visuel fordobling. Med andre ord, i første omgang vil besætningen på skibet nr. 1 se, at det andet skib optrådte ved siden af det, som om det ikke er noget sted. Derefter når lyset fra det andet skib det første med en lille forsinkelse, og resultatet vil være en synlig kopi, der bevæger sig i samme retning med en lille forsinkelse.
Noget lignende kan ses i computerspil, når motoren, som et resultat af en systemsvigt, indlæser modellen og dens algoritmer ved slutningen af bevægelsen hurtigere end animationen i sig selv slutter, så der opstår flere. Dette er sandsynligvis årsagen til, at vores bevidsthed ikke opfatter det hypotetiske aspekt af universet, i hvilket organer bevæger sig i superluminal hastighed - måske er det til det bedste.
PS … men i det sidste eksempel forstod jeg ikke noget, hvorfor skibets reelle position er forbundet med "lyset udsendt af det"? Lad dem se ham som noget, der ikke er der, men i virkeligheden vil han overhale det første skib!