Superluminalno putovanje jedan je od temelja svemirske znanstvene fantastike. Međutim, vjerojatno svi - čak i ljudi daleko od fizike - znaju da je najveća moguća brzina kretanja materijalnih objekata ili širenje bilo kojeg signala brzina svjetlosti u vakuumu. Označen je slovom c i iznosi gotovo 300 tisuća kilometara u sekundi; točna vrijednost je c = 299 792 458 m / s.
Brzina svjetlosti u vakuumu jedna je od osnovnih fizičkih konstanti. Nemogućnost postizanja brzine veće od c slijedi iz Einsteinove posebne teorije relativnosti (SRT). Kad bi se moglo dokazati da se signali mogu prenijeti superluminalnim brzinama, teorija relativnosti bi pala. Do sada se to nije dogodilo, unatoč brojnim pokušajima pobijanja zabrane postojanja brzina većih od c. Međutim, u nedavnim eksperimentalnim studijama otkriveni su vrlo zanimljivi fenomeni, koji ukazuju na to da se u posebno stvorenim uvjetima mogu nadgledati nadzemne brzine i da se načela teorije relativnosti ne krše.
Za početak, podsjetimo se glavnih aspekata povezanih s problemom brzine svjetlosti.
Prije svega: zašto je nemoguće (u normalnim uvjetima) prekoračiti granicu svjetlosti? Jer tada se krši temeljni zakon našeg svijeta - zakon uzročnosti prema kojem učinak ne može nadmašiti uzrok. Nitko nikada nije gledao, na primjer, prvo je medvjed pao mrtav, a potom je lovac pucao. Pri brzinama većim od s, redoslijed događaja se preokreće, vrpca vremena se premotava. To je lako potvrditi iz sljedećih jednostavnih obrazloženja.
Pretpostavimo da se nalazimo na nekakvom svemirskom brodu čuda, kreće se brže od svjetlosti. Tada bismo postupno sustigli svjetlost koju izvor emitira u ranijim i ranijim vremenima. Prvo bismo uhvatili fotone koje su emitirane, recimo, jučer, zatim one koje su emitirane prekjučer, zatim tjedan, mjesec, godinu dana i tako dalje. Kad bi izvor svjetlosti bio ogledalo koje odražava život, tada bismo prvo vidjeli događaje jučerašnjeg dana, zatim jučerašnjeg dana i tako dalje. Mogli smo vidjeti, recimo, starca koji se postepeno pretvara u sredovječnog čovjeka, zatim u mladića, u mladost, u dijete … Odnosno, vrijeme bi se okrenulo, prešli bismo iz sadašnjosti u prošlost. Uzroci i posljedice bi bili obrnuti.
Iako ovo obrazloženje u potpunosti zanemaruje tehničke detalje procesa promatranja svjetlosti, s temeljnog stajališta, to jasno pokazuje da kretanje superluminalnom brzinom dovodi do nemoguće situacije u našem svijetu. Međutim, priroda je postavila još strože uvjete: nedostižno je kretati se ne samo superluminalnom brzinom, već i brzinom jednakom brzini svjetlosti - samo joj se možete približiti. Iz teorije relativnosti proizlazi da s povećanjem brzine kretanja nastaju tri okolnosti: povećava se masa objekta koji se kreće, njegova veličina se smanjuje u smjeru kretanja, a protok vremena na ovom objektu usporava (s gledišta vanjskog promatrača koji se odmara). Pri običnim brzinama ove su promjene zanemarljive, ali kako se približavaju brzini svjetlosti, one postaju uočljivije,a u granici - brzinom jednakom c - masa postaje beskonačno velika, objekt potpuno gubi svoju veličinu u smjeru kretanja i vrijeme se na njemu zaustavlja. Stoga nijedno materijalno tijelo ne može dostići brzinu svjetlosti. Samo svjetlo ima takvu brzinu! (I također „sveprožimajuća“čestica - neutrino, koji se poput fotona ne može kretati brzinom manjom od s.)
Sad o brzini prijenosa signala. Ovdje je prikladno koristiti prikaz svjetlosti u obliku elektromagnetskih valova. Što je signal? Ovo je neka vrsta informacija koja se prenosi. Idealan elektromagnetski val je beskonačni sinusoid strogo jedne frekvencije i ne može prenijeti nikakve informacije, jer svako razdoblje takvog sinusoida točno ponavlja prethodno. Brzina kretanja faze sinusoidnog vala - takozvana fazna brzina - može u mediju, pod određenim uvjetima, premašiti brzinu svjetlosti u vakuumu. Ovdje nema ograničenja, jer brzina faze nije brzina signala - još nije tu. Da biste stvorili signal, trebate napraviti nekakvu "oznaku" na valu. Takva oznaka može biti, na primjer, promjena bilo kojeg valnog parametra - amplitude, frekvencije ili početne faze. Ali jednom kad se oznaka postavi,val gubi sinusoidnost. To postaje modulirano, sastoji se od skupa jednostavnih sinusnih valova različitih amplituda, frekvencija i početnih faza - skupine valova. Brzina kojom se marka kreće u moduliranom valu je brzina signala. Kada se širi u nekom mediju, ta se brzina obično podudara s grupnom brzinom koja karakterizira širenje gore spomenute skupine valova u cjelini (vidjeti Znanost i život br. 2, 2000). U normalnim je uvjetima grupna brzina, a time i brzina signala, manja od brzine svjetlosti u vakuumu. Nije slučajno da se koristi izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima brzina grupe također može premašiti c ili čak izgubiti svoje značenje, ali onda se to ne odnosi na širenje signala. SRT utvrđuje da je nemoguće prenijeti signal brzinom većom od s. To postaje modulirano, sastoji se od skupa jednostavnih sinusnih valova različitih amplituda, frekvencija i početnih faza - skupine valova. Brzina kojom se marka kreće u moduliranom valu je brzina signala. Kada se širi u nekom mediju, ta se brzina obično podudara s grupnom brzinom koja karakterizira širenje gore spomenute skupine valova u cjelini (vidjeti Znanost i život br. 2, 2000). U normalnim je uvjetima grupna brzina, a time i brzina signala, manja od brzine svjetlosti u vakuumu. Nije slučajno da se koristi izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima brzina grupe također može premašiti c ili čak izgubiti svoje značenje, ali onda se to ne odnosi na širenje signala. SRT utvrđuje da je nemoguće prenijeti signal brzinom većom od s. Ona postaje modulirana, sastoji se od skupa jednostavnih sinusnih valova različitih amplituda, frekvencija i početnih faza - skupine valova. Brzina kojom se marka kreće u moduliranom valu je brzina signala. Kada se širi u nekom mediju, ta se brzina obično podudara s grupnom brzinom koja karakterizira širenje gore spomenute skupine valova u cjelini (vidjeti Znanost i život br. 2, 2000). U normalnim je uvjetima grupna brzina, a time i brzina signala, manja od brzine svjetlosti u vakuumu. Nije slučajno da se koristi izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima brzina grupe također može premašiti c ili čak izgubiti svoje značenje, ali onda se to ne odnosi na širenje signala. U SRT je utvrđeno da je nemoguće prenijeti signal brzinom većom od s.koji se sastoji od skupa jednostavnih sinusoidnih valova različitih amplituda, frekvencija i početnih faza - skupina valova. Brzina kojom se marka kreće u moduliranom valu je brzina signala. Kada se širi u mediju, ta se brzina obično podudara s grupnom brzinom koja karakterizira širenje gore spomenute skupine valova u cjelini (vidjeti Znanost i život, br. 2, 2000). U normalnim je uvjetima grupna brzina, a time i brzina signala, manja od brzine svjetlosti u vakuumu. Nije slučajno da se koristi izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima brzina grupe također može premašiti c ili čak izgubiti svoje značenje, ali onda se to ne odnosi na širenje signala. U SRT je utvrđeno da je nemoguće prenijeti signal brzinom većom od s.koji se sastoji od skupa jednostavnih sinusoidnih valova različitih amplituda, frekvencija i početnih faza - skupina valova. Brzina kojom se marka kreće u moduliranom valu je brzina signala. Kada se širi u mediju, ta se brzina obično podudara s grupnom brzinom koja karakterizira širenje gore spomenute skupine valova u cjelini (vidjeti Znanost i život, br. 2, 2000). U normalnim je uvjetima grupna brzina, a time i brzina signala, manja od brzine svjetlosti u vakuumu. Nije slučajno da se koristi izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima brzina grupe također može premašiti c ili čak izgubiti svoje značenje, ali onda se to ne odnosi na širenje signala. U SRT je utvrđeno da je nemoguće prenijeti signal brzinom većom od s.frekvencije i početne faze - grupe valova. Brzina kojom se marka kreće u moduliranom valu je brzina signala. Kada se širi u mediju, ta se brzina obično podudara s grupnom brzinom koja karakterizira širenje gore spomenute skupine valova u cjelini (vidjeti Znanost i život br. 2, 2000). U normalnim je uvjetima grupna brzina, a time i brzina signala, manja od brzine svjetlosti u vakuumu. Nije slučajno da se koristi izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima brzina grupe također može prelaziti c ili čak izgubiti svoje značenje, ali onda se to ne odnosi na širenje signala. U SRT je utvrđeno da je nemoguće prenijeti signal brzinom većom od s.frekvencije i početne faze - grupe valova. Brzina kojom se marka kreće u moduliranom valu je brzina signala. Kada se širi u mediju, ta se brzina obično podudara s grupnom brzinom koja karakterizira širenje gore spomenute skupine valova u cjelini (vidjeti Znanost i život br. 2, 2000). U normalnim je uvjetima grupna brzina, a time i brzina signala, manja od brzine svjetlosti u vakuumu. Nije slučajno da se koristi izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima brzina grupe također može prelaziti c ili čak izgubiti svoje značenje, ali onda se to ne odnosi na širenje signala. U SRT je utvrđeno da je nemoguće prenijeti signal brzinom većom od s. Kada se širi u nekom mediju, ta se brzina obično podudara s grupnom brzinom koja karakterizira širenje gore spomenute skupine valova u cjelini (vidjeti Znanost i život br. 2, 2000). U normalnim je uvjetima grupna brzina, a time i brzina signala, manja od brzine svjetlosti u vakuumu. Nije slučajno da se koristi izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima brzina grupe također može premašiti c ili čak izgubiti svoje značenje, ali onda se to ne odnosi na širenje signala. SRT utvrđuje da je nemoguće prenijeti signal brzinom većom od s. Kada se širi u nekom mediju, ta se brzina obično podudara s grupnom brzinom koja karakterizira širenje gore spomenute skupine valova u cjelini (vidjeti Znanost i život br. 2, 2000). U normalnim je uvjetima grupna brzina, a time i brzina signala, manja od brzine svjetlosti u vakuumu. Nije slučajno da se koristi izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima brzina grupe također može premašiti c ili čak izgubiti svoje značenje, ali onda se to ne odnosi na širenje signala. SRT utvrđuje da je nemoguće prenijeti signal brzinom većom od s. Nije slučajno da se koristi izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima brzina grupe također može prelaziti c ili čak izgubiti svoje značenje, ali onda se to ne odnosi na širenje signala. U SRT je utvrđeno da je nemoguće prenijeti signal brzinom većom od s. Nije slučajno da se koristi izraz "u normalnim uvjetima", jer u nekim slučajevima brzina grupe također može prelaziti c ili čak izgubiti svoje značenje, ali onda se to ne odnosi na širenje signala. U SRT je utvrđeno da je nemoguće prenijeti signal brzinom većom od s.
Promotivni video:
Zašto je to tako? Jer isti zakon kauzalnosti služi kao prepreka za prijenos bilo kojeg signala brzinom većom od c. Zamislimo sljedeću situaciju. U nekom trenutku A svjetlosni bljesak (događaj 1) uključuje uređaj koji šalje određeni radio signal, a na udaljenoj točki B dolazi do eksplozije pod djelovanjem ovog radio signala (događaj 2). Jasno je da je događaj 1 (bljeskalica) uzrok, a događaj 2 (eksplozija) posljedica koja se događa kasnije od uzroka. Ali ako bi se radio signal širio superluminalnom brzinom, promatrač u blizini točke B prvo bi vidio eksploziju, a tek onda - bljesak koji je dopirao do njega brzinom svjetlosnog bljeska, uzrok eksplozije. Drugim riječima, za ovog promatrača događaj 2 bi se dogodio ranije nego događaj 1, odnosno učinak bi bio ispred uzroka.
Prikladno je naglasiti da se "superluminalna zabrana" teorije relativnosti nameće samo kretanju materijalnih tijela i prijenosu signala. U mnogim je situacijama moguće kretanje bilo kojom brzinom, ali to neće biti kretanje materijalnih objekata ili signala. Na primjer, zamislite dva prilično dugačka ravnala koja leže u istoj ravnini, od kojih je jedan vodoravni, a drugi ga presijeca pod malim kutom. Ako se prvi ravnilo pomakne prema dolje (u smjeru naznačenom strelicom) velikom brzinom, točka sjecišta vladara može se izvesti tako brzo koliko želite, ali ta točka nije materijalno tijelo. Drugi primjer: ako uzmete svjetiljku (ili, recimo, laser koji daje usku zraku) i brzo opišete luk u zraku s njom, tada će se linearna brzina svjetlosne točke povećavati s daljinom i na dovoljno velikoj udaljenosti prelazit će c. Svjetlosna točka kretat će se između točaka A i B superluminalnom brzinom, ali to neće biti prijenos signala od A do B, jer takva svjetlosna točka ne nosi nikakve podatke o točki A.
Čini se da je pitanje nadluminalnih brzina riješeno. No, 60-ih godina dvadesetog stoljeća, teorijski fizičari iznijeli su hipotezu o postojanju superluminalnih čestica zvanih tahioni. To su vrlo čudne čestice: teoretski su moguće, ali da bi se izbjegle kontradikcije s teorijom relativnosti, morali su im pripisati imaginarnu masu odmora. Fizički imaginarna masa ne postoji, to je čisto matematička apstrakcija. To, međutim, nije izazvalo puno alarma, budući da tahioni ne mogu biti u mirovanju - postoje (ako postoje!) Samo pri brzinama većim od brzine svjetlosti u vakuumu, a u ovom se slučaju masa tahiona pokazuje stvarnom. Postoje neke analogije s fotonima: foton ima nultu masu mirovanja, ali to jednostavno znači da foton ne može biti u mirovanju - svjetlost se ne može zaustaviti.
Najteže je, očekivano, bilo uskladiti hipotezu tahija sa zakonom uzročnosti. Pokušaji u tom smjeru, iako su bili prilično genijalni, nisu doveli do očitog uspjeha. Nitko nije uspio eksperimentalno registrirati i tahione. Kao rezultat toga, zanimanje za tahione kao superluminalne elementarne čestice postupno je propadalo.
Međutim, u 60-ima je eksperimentalno otkriven fenomen koji je u početku zbunio fizičare. To je detaljno opisano u članku A. N. Oraevskyja "Superluminalni valovi u pojačavajućim medijima" (Phys. Phys. No. 12, 1998). Ovdje ćemo ukratko sažeti stvar, pozivajući čitatelja koji je zainteresiran za detalje na navedeni članak.
Ubrzo nakon otkrića lasera - početkom 60-ih - pojavio se problem dobivanja kratkih (oko 1 ns = 10-9 s) svjetlosnih impulsa velike snage. Za to je prošao kratki laserski impuls kroz optičko kvantno pojačalo. Impuls je podijeljen na dva dijela ogledalom za cijepanje snopa. Jedan od njih, snažniji, poslan je na pojačalo, dok je drugi širio u zraku i služio je kao referentni impuls s kojim se mogao usporediti impuls koji je prolazio kroz pojačalo. Oba impulsa su dovedena do fotodetektora, a njihovi se izlazni signali mogu vizualno promatrati na zaslonu osciloskopa. Očekivalo se da će svjetlosni impuls koji prolazi kroz pojačalo osjetiti nešto kašnjenja u njemu u odnosu na referentni impuls, odnosno da će brzina širenja svjetlosti u pojačalu biti manja nego u zraku. Zamislite iznenađenje istraživača kada su otkrili da impuls širi kroz pojačalo brzinom ne samo većom nego u zraku, već i nekoliko puta bržom od brzine svjetlosti u vakuumu!
Oporavili od prvog šoka, fizičari su počeli tražiti razlog takvog neočekivanog rezultata. Nitko nije imao ni najmanju sumnju u načela posebne teorije relativnosti, a upravo je to pomoglo u pronalaženju ispravnog objašnjenja: ako su načela SRT sačuvana, odgovor treba tražiti u svojstvima medija koja se pojačava.
Ne upuštajući se ovdje u detalje, samo želimo napomenuti da je detaljna analiza mehanizma djelovanja pojačavajućeg medija potpuno razjasnila situaciju. Stvar se sastojala u promjeni koncentracije fotona tijekom širenja impulsa - promjena zbog promjene u pojačanju medija do negativne vrijednosti tijekom prolaska stražnjeg dijela impulsa, kada medij već apsorbira energiju, jer je njegova vlastita rezerva već potrošena zbog prijenosa na svjetlosni impuls. Apsorpcija uzrokuje ne pojačavanje, već slabljenje impulsa, i, na taj način, impuls je pojačan sprijeda i oslabljen straga. Zamislimo da promatramo impuls uz pomoć uređaja koji se brzinom svjetlosti kreće u mediju pojačala. Kad bi medij bio transparentan, vidjeli bismo da se impuls smrznuo u nepokretnosti. U okruženju,u kojem se događa gore spomenuti proces, pojačanje prednjeg ruba i slabljenje krajnjeg ruba pulsa pojavit će se promatraču na takav način da je medij, kao da je pomaknuo impuls naprijed. No, budući da se uređaj (promatrač) kreće brzinom svjetlosti, a puls ga nadvlada, tada brzina pulsa prelazi brzinu svjetlosti! Upravo su taj efekt registrirali eksperimenti. I ovdje stvarno nema proturječnosti s teorijom relativnosti: upravo je postupak amplifikacije takav da koncentracija fotona koja je izašla ranije ispada da je veća od one koja je izašla kasnije. Nisu fotoni koji se kreću superluminalnom brzinom, već, posebno, omotač pulsa, njegov maksimum, koji se opaža na osciloskopu. No, budući da se uređaj (promatrač) kreće brzinom svjetlosti, a puls ga nadvlada, tada brzina pulsa prelazi brzinu svjetlosti! Upravo su taj efekt registrirali eksperimenti. I ovdje stvarno nema proturječnosti s teorijom relativnosti: upravo je postupak amplifikacije takav da koncentracija fotona koja je izašla ranije ispada da je veća od one koja je izašla kasnije. Nisu fotoni koji se kreću superluminalnom brzinom, već, posebno, omotač pulsa, njegov maksimum, koji se opaža na osciloskopu. No, budući da se uređaj (promatrač) kreće brzinom svjetlosti, a puls ga nadvlada, tada brzina pulsa prelazi brzinu svjetlosti! Upravo su taj efekt registrirali eksperimenti. I ovdje stvarno nema proturječnosti s teorijom relativnosti: upravo je postupak amplifikacije takav da koncentracija fotona koja je izašla ranije ispada da je veća od one koja je izašla kasnije. Nisu fotoni koji se kreću superluminalnom brzinom, već, posebno, omotač pulsa, njegov maksimum, koji se opaža na osciloskopu. Nisu fotoni koji se kreću superluminalnom brzinom, već, posebno, omotač pulsa, njegov maksimum, koji se opaža na osciloskopu. Nisu fotoni koji se kreću superluminalnom brzinom, već, posebno, omotač pulsa, njegov maksimum, koji se opaža na osciloskopu.
Dakle, dok u običnim medijima uvijek dolazi do slabljenja svjetlosti i smanjenja njegove brzine, što je određeno indeksom loma, u aktivnom laserskom mediju opaža se ne samo pojačavanje svjetlosti, već i širenje impulsa superluminalnom brzinom.
Neki fizičari pokušali su eksperimentalno dokazati postojanje superluminalnog gibanja u efektu tuneliranja - jedan od najnevjerojatnijih fenomena kvantne mehanike. Taj se učinak sastoji u činjenici da je mikročestica (točnije mikroobjekt, koja pokazuje svojstva čestice i svojstva vala u različitim uvjetima) sposobna probiti takozvanu potencijalnu barijeru - fenomen koji je u klasičnoj mehanici potpuno nemoguć (u kojem bi analogan bio takva situacija: Kugla bačena u zid nalazila bi se s druge strane zida, ili bi se valoviti pokret koji se prenosi užetom vezan za zid prenio u konopac vezan za zid s druge strane). Suština efekta tuneliranja u kvantnoj mehanici je sljedeća. Ako mikro objekt s određenom energijom na putu nailazi na područje s potencijalnom energijom,prelazeći energiju mikro objekta, ovo je područje za njega prepreka, čija se visina određuje energetskom razlikom. Ali mikro objekt "prodire" kroz barijeru! Tu mogućnost pruža mu poznati Heisenbergov odnos neizvjesnosti, napisan za vrijeme energije i interakcije. Ako se interakcija mikro objekta i barijere dogodi dovoljno određeno vrijeme, tada će energiju mikro objekta biti, naprotiv, karakterizirana nesigurnošću, a ako je ta nesigurnost redoslijeda visine barijere, tada potonji prestaje biti nepremostiva prepreka za mikro objekt. Ovdje brzina prodora kroz potencijalnu barijeru postala je predmetom istraživanja brojnih fizičara, koji vjeruju da ona može premašiti s. Ali mikro objekt "prodire" kroz barijeru! Tu mogućnost pruža mu poznati Heisenbergov odnos neizvjesnosti, napisan za vrijeme energije i interakcije. Ako se interakcija mikro objekta i barijere dogodi dovoljno određeno vrijeme, tada će energiju mikro objekta biti, naprotiv, karakterizirana nesigurnošću, a ako je ta nesigurnost redoslijeda visine barijere, tada potonji prestaje biti nepremostiva prepreka za mikro objekt. Ovdje brzina prodora kroz potencijalnu barijeru postala je predmetom istraživanja brojnih fizičara, koji vjeruju da ona može premašiti s. Ali mikro objekt "prodire" kroz barijeru! Tu mogućnost pruža mu poznati Heisenbergov odnos neizvjesnosti, napisan za vrijeme energije i interakcije. Ako se interakcija mikro objekta i barijere dogodi dovoljno određeno vrijeme, tada će energiju mikro objekta biti, naprotiv, karakterizirana nesigurnošću, a ako je ta nesigurnost redoslijeda visine barijere, tada potonji prestaje biti nepremostiva prepreka za mikro objekt. Ovdje brzina prodora kroz potencijalnu barijeru postala je predmetom istraživanja brojnih fizičara, koji vjeruju da ona može premašiti s. Ako se interakcija mikro objekta i barijere dogodi dovoljno određeno vrijeme, tada će energiju mikro objekta biti, naprotiv, karakterizirana nesigurnošću, a ako je ta nesigurnost redoslijeda visine barijere, tada potonji prestaje biti nepremostiva prepreka za mikro objekt. Ovdje brzina prodora kroz potencijalnu barijeru postala je predmetom istraživanja brojnih fizičara, koji vjeruju da ona može premašiti s. Ako se interakcija mikro objekta i barijere dogodi dovoljno određeno vrijeme, tada će energiju mikro objekta biti, naprotiv, karakterizirana nesigurnošću, a ako je ta nesigurnost redoslijedom visine barijere, tada taj drugi prestaje biti nepremostiva prepreka za mikro objekt. Ovdje brzina prodora kroz potencijalnu barijeru postala je predmetom istraživanja brojnih fizičara, koji vjeruju da ona može premašiti s.
U lipnju 1998. u Kölnu je održan međunarodni simpozij o problemima FTL-a, na kojem su razgovarani o rezultatima u četiri laboratorija - u Berkeleyu, Beču, Kölnu i Firenci.
I konačno, 2000. godine, objavljena su izvješća o dva nova eksperimenta u kojima su se pojavili učinci superluminalnog širenja. Jedan od njih izveli su Lijun Wong i suradnici u istraživačkom institutu u Princetonu (SAD). Rezultat toga je da svjetlosni impuls koji ulazi u komoru napunjenu parom cezija povećava svoju brzinu 300 puta. Pokazalo se da glavni dio impulsa napušta udaljeni zid komore još ranije nego što impuls ulazi u komoru kroz prednji zid. Ova situacija proturječi ne samo zdravom razumu, već, u biti, teoriji relativnosti.
Poruka L. Wonga izazvala je intenzivnu raspravu među fizičarima, a većina njih nije sklona vidjeti u rezultatima kršenje principa relativnosti. Izazov je, vjeruju, ispravno objasniti ovaj eksperiment.
U pokusu L. Wonga, svjetlosni impuls koji je ulazio u komoru sa parezijom cezija imao je trajanje oko 3 μs. Cesijevi atomi mogu se nalaziti u šesnaest mogućih kvantno-mehaničkih stanja koja se nazivaju "magnetski hiperfini podzemni nivoi." Uz pomoć optičke laserske pumpe, gotovo svi atomi dovedeni su u samo jedno od tih šesnaest stanja, što odgovara gotovo apsolutnoj nultoj temperaturi na Kelvinovoj skali (-273,15 ° C). Komora cezija bila je dugačka 6 centimetara. U vakuumu svjetlost putuje 6 centimetara u 0,2 ns. Mjerenja su pokazala da svjetlosni impuls prolazi kroz komoru sa cezijom za 62 ns manje vremena nego u vakuumu. Drugim riječima, vrijeme tranzita impulsa kroz cezijski medij ima minus! Doista, ako se 62 ns oduzme od 0,2 ns, dobićemo "negativno" vrijeme. Ovo "negativno kašnjenje" u mediju - nerazumljivi vremenski skok - jednak je vremenu tijekom kojeg bi impuls prošao 310 prošao kroz komoru u vakuumu. Posljedica ovog "privremenog puča" bila je da je impuls koji napušta komoru imao vremena odmaknuti se od nje za 19 metara prije nego što je dolazni impuls stigao do bližeg zida komore. Kako se može objasniti takva nevjerojatna situacija (ako, naravno, nema sumnje u čistoću eksperimenta)?da ne sumnjam u čistoću eksperimenta)?da ne sumnjam u čistoću eksperimenta)?
Sudeći prema raspravi koja se razvija, još nije pronađeno točno objašnjenje, ali nema sumnje da ovdje igraju ulogu neobična disperzijska svojstva medija: pare cezija, koji se sastoje od atoma pobuđenih laserskom svjetlošću, medij su s nepravilnom disperzijom. Prisjetimo se ukratko o čemu se radi.
Disperzija tvari je ovisnost faznog (konvencionalnog) indeksa loma n o valnoj duljini svjetlosti l. S normalnom disperzijom, indeks loma raste s opadanjem valne duljine, a to se događa u staklu, vodi, zraku i svim ostalim tvarima prozirnim za svjetlost. U tvarima koje snažno apsorbiraju svjetlost, tijek refrakcije mijenja se u suprotno s promjenom valne duljine i postaje puno strmiji: s padom l (porastom frekvencije w) indeks loma se naglo smanjuje, a u određenom području valnih duljina postaje manji od jedinstva (fazna brzina Vph> s). Ovo je anomalična disperzija u kojoj se slika širenja svjetlosti u materiji radikalno mijenja. Grupna brzina Vgr postaje veća od fazne brzine valova i može premašiti brzinu svjetlosti u vakuumu (a također postaje negativna). L. Wong navodi ovu okolnost kao razlog koji stoji u osnovi objašnjenja rezultata svoga eksperimenta. Treba napomenuti, međutim, da je uvjet Vgr> c čisto formalni, jer je koncept grupne brzine uveden za slučaj male (normalne) disperzije, za prozirne medije, kada grupa valova gotovo ne mijenja svoj oblik tijekom širenja. S druge strane, u područjima anomalične disperzije svjetlosni impuls se brzo deformira i pojam grupne brzine gubi svoje značenje; u ovom slučaju uvode se pojmovi brzine signala i brzine širenja energije, koji se u prozirnim medijima podudaraju s grupnom brzinom, a u medijima s apsorpcijom ostaju manji od brzine svjetlosti u vakuumu. Ali evo što je zanimljivo u Wongovom pokusu: svjetlosni impuls, prolazeći kroz medij s anomalijskom disperzijom, nije deformiran - točno zadržava oblik!A to odgovara pretpostavci o širenju impulsa grupnom brzinom. Ali ako je tako, tada se ispostavilo da u mediju nema apsorpcije, premda je nepravilna disperzija medija posljedica upravo apsorpcije! Sam Wong, priznajući da je još uvijek mnogo toga nejasno, vjeruje da se ono što se događa u njegovom eksperimentalnom okruženju u prvom trenutku može jasno objasniti na sljedeći način.
Svjetlosni impuls sastoji se od mnogih komponenti različitih valnih duljina (frekvencija). Na slici su prikazane tri ove komponente (valovi 1-3). U nekom su trenutku sva tri vala u fazi (njihovi maksimi se poklapaju); ovdje se, zbrajajući, međusobno jačaju i stvaraju impuls. Kako se valovi šire u svemiru, valovi se nalaze izvan faze i na taj način se "gasi" jedan drugoga.
U području anomalične disperzije (unutar ćelije cezija) val koji je bio kraći (val 1) postaje duži. Suprotno tome, val koji je bio najduži od tri (val 3) postaje najkraći.
Posljedično, faze valova se u skladu s tim mijenjaju. Kada su valovi prošli kroz cezijevu ćeliju, njihovi valovi se vraćaju. Nakon što su prošli neobičnu faznu modulaciju u tvarima s anomalijskom disperzijom, tri razmatrana vala ponovno su u određenoj fazi u fazi. Ovdje se ponovo savijaju i formiraju puls potpuno istog oblika kao i ulazak u mediju cezija.
Obično u zraku i gotovo u bilo kojem prozirnom mediju s normalnom disperzijom, svjetlosni impuls ne može precizno održavati oblik prilikom širenja na daleku udaljenost, tj. Sve njegove komponente ne mogu se fazizirati u bilo kojoj udaljenoj točki duž širenja. I u normalnim se uvjetima svjetlosni impuls u tako udaljenoj točki pojavi nakon nekog vremena. Međutim, zbog anomalijskih svojstava medija upotrijebljenog u eksperimentu, pokazalo se da se impuls u udaljenoj točki fazira na isti način kao i pri ulasku u ovaj medij. Tako se svjetlosni impuls ponaša kao da ima negativno vremensko kašnjenje na putu prema udaljenoj točki, odnosno da bi do njega stigao ne kasnije, već ranije nego što je prošao u okruženju!
Većina fizičara sklona je povezati taj rezultat s pojavom prekursora niskog intenziteta u disperzivnom mediju komore. Činjenica je da u spektralnom raspadanju impulsa spektar sadrži komponente proizvoljno visokih frekvencija s zanemarivom amplitudom, takozvani prekursor, koji ide ispred "glavnog dijela" impulsa. Priroda uspostave i oblik prekursora ovise o zakonu disperzije u mediju. Imajući to na umu, predlaže se da se niz događaja u Wongovom eksperimentu tumači na sljedeći način. Dolazni val, "protežući" predvodnik ispred sebe, približava se kameri. Prije nego što vrhunac dolaznog vala udari u blizu stijenke komore, prekursor pokreće impuls u komori, koji doseže udaljeni zid i reflektira se od njega, tvoreći "val unatrag". Ovaj valšireći se 300 puta brže od c, stiže do bližeg zida i susreće se s dolaznim valom. Vrhovi jednog vala susreću se s tlima drugog, pa se oni međusobno uništavaju i ništa ne ostaje kao rezultat. Ispada da nadolazeći val "vraća dug" atomima cezija, koji mu "posuđuju" energiju na drugom kraju komore. Svatko tko bi samo promatrao početak i kraj eksperimenta, vidio bi samo puls svjetlosti koji je "skakao" naprijed u vremenu, krećući se brže. Vidio bih samo puls svjetla koji je „skakao“naprijed u vremenu, krećući se brže sa. Vidio bih samo puls svjetla koji je „skakao“naprijed u vremenu, krećući se brže sa.
L. Wong smatra da se njegov eksperiment ne slaže s teorijom relativnosti. Izjava o nedostižnosti superluminalne brzine, smatra, primjenjiva je samo na predmete s masom mirovanja. Svjetlost se može predstaviti bilo u obliku valova na koje je pojam mase općenito neprimjenjiv, ili u obliku fotona s masom mirovanja, kao što je poznato, jednakom nuli. Prema tome, brzina svjetlosti u vakuumu, smatra Wong, nije granica. Ipak, Wong priznaje da učinak koji je otkrio ne omogućava prijenos informacija brzinom većom od s.
„Ovdje su podaci već na vodećem rubu pulsa“, kaže P. Milonny, fizičar iz američkog Nacionalnog laboratorija u Los Alamosu. "I možete dobiti dojam da informacije šaljete brže od svjetlosti, čak i kad ih ne šaljete."
Većina fizičara vjeruje da novi rad ne udara temeljni princip. No, ne vjeruju svi fizičari da je problem riješen. Profesor A. Ranfagni iz talijanske istraživačke skupine, koji je 2000. izveo još jedan zanimljiv eksperiment, smatra da pitanje ostaje otvoreno. Ovaj pokus, koji su izveli Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni i Rocco Ruggeri, ustanovio je da se radio valovi centimetara u uobičajenom zračnom putovanju brzinom od 25% većom od c.
Ukratko, možemo reći sljedeće
Rad posljednjih godina pokazao je da se u određenim uvjetima zapravo može dogoditi superluminalna brzina. Ali što točno putuje superluminalnom brzinom? Teorija relativnosti, kao što je već spomenuto, zabranjuje takvu brzinu za materijalna tijela i za signale koji nose informacije. Ipak, neki istraživači vrlo uporno pokušavaju pokazati kako prevladati svjetlosnu barijeru za signale. Razlog tome leži u činjenici da u posebnoj teoriji relativnosti nema strogog matematičkog opravdanja (zasnovanog, recimo, na Maxwellovim jednadžbama za elektromagnetsko polje) nemogućnosti prijenosa signala brzinom većom od s. Takva je nemogućnost SRT uspostavljena, moglo bi se reći, čisto aritmetički, polazeći od Einsteinove formule za dodavanje brzina,ali to se u osnovi potvrđuje principom kauzalnosti. Einstein je sam, razmatrajući pitanje superluminalnog prijenosa signala, napisao da su u ovom slučaju "… primorani razmotriti mehanizam prijenosa signala, kada upotrebom kojem postignuta radnja prethodi uzroku. Ali, iako taj rezultat s čisto logičnog stajališta ne sadrži, po mom mišljenju nema proturječja, ona još uvijek toliko suprotstavlja karakteru cijelog našeg iskustva da se nemogućnost pretpostavke V> c čini dovoljno dokazanom. " Načelo uzročnosti je kamen temeljac koji je u osnovi nemogućnosti prijenosa FTL signala. I ovaj će se kamen, navodno, spotaknuti na sve, bez iznimke, u potrazi za superluminalnim signalima, bez obzira koliko bi eksperimentalci željeli pronaći takve signale,jer to je priroda našeg svijeta.
Ali ipak, zamislimo da će matematika relativnosti i dalje raditi bržim od svjetlosti. To znači da teoretski još uvijek možemo saznati što bi se dogodilo kada bi tijelo dogodilo da prekorači brzinu svjetlosti.
Zamislite da se dva svemirska broda kreću sa Zemlje prema zvijezdi koja je udaljena 100 svjetlosnih godina od našeg planeta. Prvi brod napušta Zemlju 50% brzine svjetlosti, pa će trebati 200 godina za cijelo putovanje. Drugi brod, opremljen hipotetičkim warp pogonom, putovat će 200% brzinom svjetlosti, ali 100 godina nakon prvog. Što će se dogoditi?
Prema teoriji relativnosti, točan odgovor uvelike ovisi o perspektivi promatrača. Sa Zemlje će se činiti da je prvi brod već prešao dosta udaljenosti prije nego što ga je pretekao drugi brod, koji se kreće četiri puta brže. Ali s gledišta ljudi na prvom brodu, sve je malo drugačije.
Brod broj 2 kreće se brže od svjetlosti, što znači da čak može i prestići svjetlost koju emitira sam. To dovodi do svojevrsnog "svjetlosnog vala" (analognog zvuku, samo umjesto vibracija zraka, svjetlosni valovi ovdje vibriraju), što stvara nekoliko zanimljivih efekata. Podsjetimo da se svjetlost s broda # 2 kreće sporije od samog broda. Kao rezultat toga, doći će do vizualnog udvostručenja. Drugim riječima, isprva će posada broda # 1 vidjeti da se drugi brod pojavio pored njega kao da je niotkuda. Zatim će svjetlost s drugog broda stići do prvog s malim kašnjenjem, a rezultat će biti vidljiva kopija koja će se kretati u istom smjeru s malim kašnjenjem.
Nešto slično se može vidjeti u računalnim igrama kada motor, kao rezultat kvara sustava, opterećuje model i njegove algoritme u krajnjoj točki kretanja brže nego što završava sama animacija, tako da se dogodi višestruko snimanje. To je vjerojatno razlog zašto naša svijest ne opaža onaj hipotetički aspekt Svemira, u kojem se tijela kreću superluminalnom brzinom - možda je to najbolje.
PS … ali u posljednjem primjeru nisam nešto razumio, zašto je pravi položaj broda povezan s "svjetlošću koju emitira"? Pa, neka ga vide kao nešto što nije tamo, ali u stvarnosti će preteći prvi brod!