Наверное, всем — даже людям, далёким от физики, — известно, что предельно возможной скоростью движения материальных объектов или распространения любых сигналов является скорость света в вакууме. Она обозначается буквой с и составляет почти 300 тысяч километров в секунду; точная величина с = 299 792 458 м/с. Скорость света в вакууме — одна из фундаментальных физических констант. Невозможность достижения скоростей, превышающих с, вытекает из специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. Если бы удалось доказать, что возможна передача сигналов со сверхсветовой скоростью, теория относительности пала бы. Пока что этого не случилось, несмотря на многочисленные попытки опровергнуть запрет на существование скоростей, больших с. Однако в экспериментальных исследованиях последнего времени обнаружились некоторые весьма интересные явления, свидетельствующие о том, что при специально созданных условиях можно наблюдать сверхсветовые скорости и при этом принципы теории относительности не нарушаются.
Для начала напомним основные аспекты, относящиеся к проблеме скорости света. Прежде всего: почему нельзя (при обычных условиях) превысить световой предел? Потому, что тогда нарушается фундаментальный закон нашего мира — закон причинности, в соответствии с которым следствие не может опережать причину. Никто никогда не наблюдал, чтобы, например, сначала замертво упал медведь, а потом выстрелил охотник. При скоростях же, превышающих с, последовательность событий становится обратной, лента времени отматывается назад. (Неверно! Последовательность событий - это одно, а видимые нами события - это другое, они заведомо происходят в другое время в другом месте.-Ч.) В этом легко убедиться из следующего простого рассуждения.
Предположим, что мы находимся на неком космическом чудо-корабле, движущемся быстрее света. Тогда мы постепенно догоняли бы свет, испущенный источником во всё более и более ранние моменты времени. Сначала мы догнали бы фотоны, испущенные, скажем, вчера, затем — испущенные позавчера, потом — неделю, месяц, год назад и так далее. Если бы источником света было зеркало, отражающее жизнь, то мы сначала увидели бы события вчерашнего дня, затем позавчерашнего и так далее. Мы могли бы увидеть, скажем, старика, который постепенно превращается в человека средних лет, затем в молодого, в юношу, в ребёнка… То есть время повернуло бы вспять, мы двигались бы из настоящего в прошлое. Причины и следствия при этом поменялись бы местами.
(То же самое. Видимое на корабле изображение молодеющего человека - это другой процесс, отличающийся от обычной жизни этого человека. Такой же процесс мы наблюдаем при обратной перемотке киноленты. Здесь нет никакого противоречия. Время не повернет вспять от того, что мы читаем книгу или смотрим фильм от конца к началу.
Запрет в другом - с точки зрения теории относительности на таком корабле не может меняться время, все процессы остановятся, не будет движения, электроны в атомах должны быть неподвижными, не действуют никакие силы и т п. То есть, невозможность такого состояния и порождает запрет на превышение относительной скорости света. -Ч.)
Хотя в этом рассуждении полностью игнорируются технические детали процесса наблюдения за светом, с принципиальной точки зрения оно наглядно демонстрирует, что движение со сверхсветовой скоростью приводит к невозможной в нашем мире ситуации. Однако природа поставила ещё более жёсткие условия: недостижимо движение не только со сверхсветовой скоростью, но и со скоростью, равной скорости света, — к ней можно только приближаться. Из теории относительности следует, что при увеличении скорости движения возникают три обстоятельства: возрастает масса движущегося объекта, уменьшается его размер в направлении движения и замедляется течение времени на этом объекте (с точки зрения внешнего „покоящегося“ наблюдателя). При обычных скоростях эти изменения ничтожно малы, но по мере приближения к скорости света они становятся всё ощутимее, а в пределе — при скорости, равной с, — масса становится бесконечно большой, объект полностью теряет размер в направлении движения и время на нем останавливается. Поэтому никакое материальное тело не может достичь скорости света. Такой скоростью обладает только сам свет! (А также „всепроникающая“ частица — нейтрино, которая, как и фотон, не может двигаться со скоростью, меньшей с.)
Теперь о скорости передачи сигнала. Здесь уместно воспользоваться представлением света в виде электромагнитных волн. Что такое сигнал? Это некая информация, подлежащая передаче. Идеальная электромагнитная волна — это бесконечная синусоида строго одной частоты, и она не может нести никакой информации, ибо каждый период такой синусоиды в точности повторяет предыдущий. (Неверно. Сама синусоидальная волна несет информацию. например, о направлении волны, о ее частоте, интенсивности, о смене полупериодов. Наконец, не было волны, появилась волна - это тоже информация. -Ч.) Скорость перемещения фазы синусоидальной волны — так называемая фазовая скорость — может в среде при определённых условиях превышать скорость света в вакууме. Здесь ограничения отсутствуют, так как фазовая скорость не является скоростью сигнала — его ещё нет. Чтобы создать сигнал, надо сделать какую-то „отметку“ на волне. Такой отметкой может быть, например, изменение любого из параметров волны — амплитуды, частоты или начальной фазы. Но как только отметка сделана, волна теряет синусоидальность. Она становится модулированной, состоящей из набора простых синусоидальных волн с различными амплитудами, частотами и начальными фазами — группы волн. Скорость перемещения отметки в модулированной волне и является скоростью сигнала. (Это верно только для плоской волны. А для сферической - нет. Например, вокруг источника вращается большое тело, периодически закрывая источник от наблюдателей. Здесь отметкой на волне служит падение интенсивности волны до нуля. Это отметка вращается вокруг источника. На достаточно большом расстоянии от источника тангенциальная скорость перемещения отметки станет больше скорости света. Хотя скорость (групповая) волны остается равной c.- Ч.) При распространении в среде эта скорость обычно совпадает с групповой скоростью, характеризующей распространение вышеупомянутой группы волн как целого (см. „Наука и жизнь“ № 2, 2000 г.). При обычных условиях групповая скорость, а следовательно, и скорость сигнала меньше скорости света в вакууме. Здесь не случайно употреблено выражение „при обычных условиях“, ибо в некоторых случаях и групповая скорость может превышать с или вообще терять смысл, но тогда она не относится к распространению сигнала. В СТО устанавливается, что невозможна передача сигнала со скоростью, большей с.
Почему это так? Потому, что препятствием для передачи любого сигнала со скоростью больше с служит всё тот же закон причинности. Представим себе такую ситуацию. В некоторой точке А световая вспышка (событие 1) включает устройство, посылающее некий радиосигнал, а в удалённой точке В под действием этого радиосигнала происходит взрыв (событие 2). Понятно, что событие 1 (вспышка) — причина, а событие 2 (взрыв) — следствие, наступающее позже причины. Но если бы радиосигнал распространялся со сверхсветовой скоростью, наблюдатель вблизи точки В увидел бы сначала взрыв, а уже потом — дошедшую до него со скоростью с световую вспышку, причину взрыва. Другими словами, для этого наблюдателя событие 2 совершилось бы раньше, чем событие 1, то есть следствие опередило бы причину. (Событие для наблюдателя совершается не тогда, когда наблюдатель его видит, а когда событие происходит в системе отсчета наблюдателя. Принцип причинности говорит о времени выполнения событий, а не о времени их наблюдения=видения. -Ч.)
Примеры „сверхсветового“ движения: |
Казалось бы, вопрос о сверхсветовых скоростях решён. Но в 60-х годах двадцатого столетия физиками-теоретиками была выдвинута гипотеза существования сверхсветовых частиц, названных тахионами. Это очень странные частицы: теоретически они возможны, но во избежание противоречий с теорией относительности им пришлось приписать мнимую массу покоя. Физически мнимая масса не существует, это чисто математическая абстракция. Однако это не вызвало особой тревоги, поскольку тахионы не могут находиться в покое — они существуют (если существуют!) только при скоростях, превышающих скорость света в вакууме, а в этом случае масса тахиона оказывается вещественной. Здесь есть некоторая аналогия с фотонами: у фотона масса покоя равна нулю, но это просто означает, что фотон не может находиться в покое — свет нельзя остановить.
Наиболее сложным оказалось, как и следовало ожидать, примирить тахионную гипотезу с законом причинности. Попытки, предпринимавшиеся в этом направлении, хотя и были достаточно остроумными, не привели к явному успеху. Экспериментально зарегистрировать тахионы также никому не удалось. В итоге интерес к тахионам как к сверхсветовым элементарным частицам постепенно сошёл на нет.
В начале 60-х годов короткие световые импульсы большой мощности стали получать, пропуская через квантовый усилитель (среду с инверсной заселённостью) лазерную вспышку. Её расщепляли на две части: одна распространялась в воздухе и служила опорным импульсом, другая проходила через усилитель. Оба импульса регистрировали фотоприёмники, подававшие сигналы на осциллограф. Вопреки ожиданиям, импульс проходил по среде быстрее, чем по воздуху. |
Вскоре после открытия лазеров — в начале 60-х годов — возникла проблема получения коротких (длительностью порядка 1 нс = 10–9 с) импульсов света большой мощности. Для этого короткий лазерный импульс пропускался через оптический квантовый усилитель. Импульс расщеплялся светоделительным зеркалом на две части. Одна из них, более мощная, направлялась в усилитель, а другая распространялась в воздухе и служила опорным импульсом, с которым можно было сравнивать импульс, прошедший через усилитель. Оба импульса подавались на фотоприёмники, а их выходные сигналы могли визуально наблюдаться на экране осциллографа. Ожидалось, что световой импульс, проходящий через усилитель, испытает в нём некоторую задержку по сравнению с опорным импульсом, то есть скорость распространения света в усилителе будет меньше, чем в воздухе. Каково же было изумление исследователей, когда они обнаружили, что импульс распространялся через усилитель со скоростью не только большей, чем в воздухе, но и превышающей скорость света в вакууме в несколько раз!
Оправившись от первого шока, физики стали искать причину столь неожиданного результата. Ни у кого не возникло даже малейшего сомнения в принципах специальной теории относительности, и именно это помогло найти правильное объяснение: если принципы СТО сохраняются, то ответ следует искать в свойствах усиливающей среды.
В усиливающей среде начальная область светового импульса вызывает вынужденное излучение атомов среды усилителя, а конечная его область — поглощение ими энергии. В результате наблюдателю будет казаться, что импульс движется быстрее света. |
Таким образом, в то время как в обычных средах всегда происходит ослабление света и уменьшение его скорости, определяемое показателем преломления, в активных лазерных средах наблюдается не только усиление света, но и распространение импульса со сверхсветовой скоростью.
Некоторые физики пытались экспериментально доказать наличие сверхсветового движения при туннельном эффекте — одном из наиболее удивительных явлений в квантовой механике. Этот эффект состоит в том, что микрочастица (точнее говоря, микрообъект, в разных условиях проявляющий как свойства частицы, так и свойства волны) способна проникать через так называемый потенциальный барьер — явление, совершенно невозможное в классической механике (в которой аналогом была бы такая ситуация: брошенный в стену мяч оказался бы по другую сторону стены или же волнообразное движение, приданное привязанной к стене верёвке, передавалось бы верёвке, привязанной к стене с другой стороны). Сущность туннельного эффекта в квантовой механике состоит в следующем. Если микрообъект, обладающий определённой энергией, встречает на своём пути область с потенциальной энергией, превышающей энергию микрообъекта, эта область является для него барьером, высота которого определяется разностью энергий. Но микрообъект „просачивается“ через барьер! Такую возможность даёт ему известное соотношение неопределённостей Гейзенберга, записанное для энергии и времени взаимодействия. Если взаимодействие микрообъекта с барьером происходит в течение достаточно определённого времени, то энергия микрообъекта будет, наоборот, характеризоваться неопределённостью, и если эта неопределенность будет порядка высоты барьера, то последний перестаёт быть для микрообъекта непреодолимым препятствием. Вот скорость проникновения через потенциальный барьер и стала предметом исследований ряда физиков, полагающих, что она может превышать с.
В июне 1998 года в Кёльне состоялся международный симпозиум по проблемам сверхсветовых движений, где обсуждались результаты, полученные в четырёх лабораториях — в Беркли, Вене, Кёльне и во Флоренции.
Эксперимент Лиджуна Вонга. Сквозь камеру длиной 6 сантиметров, наполненную парами цезия, лазерный импульс проходит со скоростью в 310 раз большей скорости света. Приходящий импульс ещё не успел подойти к ближней стенке камеры, как прошедший сквозь неё удалился на 19 метров! Время прохождения импульса сквозь камеру оказывается „отрицательным“. |
Сообщение Л. Вонга вызвало интенсивное обсуждение в кругу физиков, большинство которых не склонны видеть в полученных результатах нарушение принципов относительности. Задача состоит в том, полагают они, чтобы правильно объяснить этот эксперимент.
В эксперименте Л. Вонга световой импульс, входящий в камеру с парами цезия, имел длительность около 3 мкс. Атомы цезия могут находиться в шестнадцати возможных квантовомеханических состояниях, называемых „сверхтонкие магнитные подуровни основного состояния“. При помощи оптической лазерной накачки почти все атомы приводились только в одно из этих шестнадцати состояний, соответствующее почти абсолютному нулю температуры по шкале Кельвина (-273,15°C). Длина цезиевой камеры составляла 6 сантиметров. В вакууме свет проходит 6 сантиметров за 0,2 нс. Через камеру же с цезием, как показали выполненные измерения, световой импульс проходил за время на 62 нс меньшее, чем в вакууме. Другими словами, время прохождения импульса через цезиевую среду имеет знак „минус“! Действительно, если из 0,2 нс вычесть 62 нс, получим „отрицательное“ время. Эта „отрицательная задержка“ в среде — непостижимый временной скачок — равен времени, в течение которого импульс совершил бы 310 проходов через камеру в вакууме. (Неверно. Измерялось время движения сигнала между стенками камеры. Отрицательное время означало бы, что свет достигал бы задней стенки камеры до того, как он прошел через переднюю стенку. А это и есть нарушение принципа причинности. Скорость, большая скорости света, получается, если разделить размер камеры на величину, меньшую 0.2 нс, но больше нуля, то есть, положительную. В частности, скорость 310c получается при времени прохождения камеры за 0,000645 нс. -Ч.) Следствием этого „временного переворота“ явилось то, что выходящий из камеры импульс успел удалиться от неё на 19 метров, прежде чем приходящий импульс достиг ближней стенки камеры. Как же можно объяснить такую невероятную ситуацию (если, конечно, не сомневаться в чистоте эксперимента)?
Судя по развернувшейся дискуссии, точное объяснение ещё не найдено, но несомненно, что здесь играют роль необычные дисперсионные свойства среды: пары цезия, состоящие из возбуждённых лазерным светом атомов, представляют собой среду с аномальной дисперсией. Напомним кратко, что это такое.
Луч света, проходящий сквозь призму из прозрачного материала (например, стекла), преломляется, то есть испытывает дисперсию. Природные вещества обладают нормальной дисперсией — их показатель преломления растёт с уменьшением длины волны. При аномальной дисперсии наблюдается обратная зависимость: чем больше длина волны, тем выше показатель преломления. Сред с аномальной дисперсией в природе не существует, но их можно „приготовить“ искусственно. |
Световой импульс представляет собой набор колебаний разной частоты. В среде, обладающей аномальной дисперсией (в данном случае — парах цезия), низкочастотные компоненты повышают свою частоту, а высокочастотные — понижают. Соответственно меняются и скорости волн. После прохождения ячейки с парами соотношение частот восстанавливается, воспроизводя первоначальную форму импульса. Происходит это гораздо быстрее, чем при движении импульса в вакууме. |
В области аномальной дисперсии (внутри цезиевой ячейки) волна, которая была короче (волна 1), становится длиннее. И наоборот, волна, бывшая самой длинной из трёх (волна 3), становится самой короткой.
Следовательно, соответственно меняются и фазы волн. Когда волны прошли через цезиевую ячейку, их волновые фронты восстанавливаются. Претерпев необычную фазовую модуляцию в веществе с аномальной дисперсией, три рассматриваемые волны вновь оказываются в фазе в некоторой точке. Здесь они снова складываются и образуют импульс точно такой же формы, как и входящий в цезиевую среду.
Обычно в воздухе и фактически в любой прозрачной среде с нормальной дисперсией световой импульс не может точно сохранять свою форму при распространении на удалённое расстояние, то есть все его составляющие не могут быть сфазированы в какой-либо удалённой точке вдоль пути распространения. И в обычных условиях световой импульс в такой удалённой точке появляется спустя некоторое время. Однако вследствие аномальных свойств использованной в эксперименте среды импульс в удалённой точке оказался сфазирован так же, как и при входе в эту среду. Таким образом, световой импульс ведёт себя так, как если бы он имел отрицательную временную задержку на пути до удалённой точки, то есть пришел бы в неё не позже, а раньше, чем прошёл среду!
Большая часть физиков склонна связывать этот результат с возникновением низкоинтенсивного предвестника в диспергирующей среде камеры. Дело в том, что при спектральном разложении импульса в спектре присутствуют составляющие сколь угодно высоких частот с ничтожно малой амплитудой, так называемый предвестник, идущий впереди „главной части“ импульса. Характер установления и форма предвестника зависят от закона дисперсии в среде. Имея это в виду, последовательность событий в эксперименте Вонга предлагается интерпретировать следующим образом. Приходящая волна, „простирая“ предвестник впереди себя, приближается к камере. Прежде чем пик приходящей волны попадёт на ближнюю стенку камеры, предвестник инициирует возникновение импульса в камере, который доходит до дальней стенки и отражается от неё, образуя „обратную волну“. Эта волна, распространяясь в 300 раз быстрее с, достигает ближней стенки и встречается с приходящей волной. Пики одной волны встречаются со впадинами другой, так что они уничтожают друг друга и в результате ничего не остаётся. Получается, что приходящая волна „возвращает долг“ атомам цезия, которые „одалживали“ ей энергию на другом конце камеры. Тот, кто наблюдал бы только начало и конец эксперимента, увидел бы лишь импульс света, который „прыгнул“ вперёд во времени, двигаясь быстрее с.
Л. Вонг считает, что его эксперимент не согласуется с теорией относительности. Утверждение о недостижимости сверхсветовой скорости, полагает он, применимо только к объектам, обладающим массой покоя. Свет может быть представлен либо в виде волн, к которым вообще неприменимо понятие массы, либо в виде фотонов с массой покоя, как известно, равной нулю. Поэтому скорость света в вакууме, считает Вонг, не предел. Тем не менее Вонг признаёт, что обнаруженный им эффект не даёт возможности передавать информацию со скоростью больше с.
„Информация здесь уже заключена в переднем крае импульса, — говорит П. Милонни, физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории США. — И может создаться впечатление о сверхсветовой посылке информации, даже когда вы её не посылаете“.
Большинство физиков считают, что новая работа не наносит сокрушительного удара по фундаментальным принципам. Но не все физики полагают, что проблема улажена. Профессор А. Ранфагни из итальянской исследовательской группы, осуществившей ещё один интересный эксперимент 2000 года, считает, что вопрос ещё остаётся открытым. Этот эксперимент, проведённый Даниэлом Мугнаи, Анедио Ранфагни и Рокко Руггери, обнаружил, что радиоволны сантиметрового диапазона в обычном воздухе распространяются со скоростью, превышающей с на 25%.
Резюмируя, можно сказать следующее. Работы последних лет показывают, что при определённых условиях сверхсветовая скорость действительно может иметь место. Но что именно движется со сверхсветовой скоростью? Теория относительности, как уже упоминалось, запрещает такую скорость для материальных тел и для сигналов, несущих информацию. Тем не менее некоторые исследователи весьма настойчиво пытаются продемонстрировать преодоление светового барьера именно для сигналов. Причина этого кроется в том, что в специальной теории относительности нет строгого математического обоснования (базирующегося, скажем, на уравнениях Максвелла для электромагнитного поля) невозможности передачи сигналов со скоростью больше с. Такая невозможность в СТО устанавливается, можно сказать, чисто арифметически, исходя из эйнштейновской формулы сложения скоростей, но фундаментальным образом это подтверждается принципом причинности. Сам Эйнштейн, рассматривая вопрос о сверхсветовой передаче сигналов, писал, что в этом случае „…мы вынуждены считать возможным механизм передачи сигнала, при использовании которого достигаемое действие предшествует причине. Но, хотя этот результат с чисто логической точки зрения и не содержит в себе, по-моему, никаких противоречий, он всё же настолько противоречит характеру всего нашего опыта, что невозможность предположения V > с представляется в достаточной степени доказанной“. Принцип причинности — вот тот краеугольный камень, который лежит в основе невозможности сверхсветовой передачи сигналов. И об этот камень, по-видимому, будут спотыкаться все без исключения поиски сверхсветовых сигналов, как бы экспериментаторам не хотелось такие сигналы обнаружить, ибо такова природа нашего мира. (Нет. Принцип причинности запрещает действие сигнала раньше его возникновения, но не накладывает ограничений ни на скорость движения наблюдателя, ни на скорость распространения сигнала. Принципу причинности не противоречит даже мгновенное распространение сигнала, то есть, его бесконечная скорость, например, это свойство используется в физике Ньютона при выводе законов движения лун вокруг движущейся планеты. -Ч.)
В заключение следует подчеркнуть, что всё вышеизложенное относится именно к нашему миру, к нашей Вселенной. Такая оговорка сделана потому, что в последнее время в астрофизике и космологии появляются новые гипотезы, допускающие существование множества скрытых от нас Вселенных, соединённых топологическими туннелями-перемычками. Такой точки зрения придерживается, например, известный астрофизик Н.С. Кардашев. Для внешнего наблюдателя входы в эти туннели обозначаются аномальными полями тяготения, подобно чёрным дырам. Перемещения в таких туннелях, как предполагают авторы гипотез, позволят обойти ограничение скорости движения, накладываемое в обычном пространстве скоростью света, и, следовательно, реализовать идею о создании машины времени… Не исключено, что в подобных Вселенных действительно могут происходить необычные для нас вещи. И хотя пока что такие гипотезы слишком уж напоминают сюжеты из научной фантастики, вряд ли следует категорически отвергать принципиальную возможность многоэлементной модели устройства материального мира. Другое дело, что все эти другие Вселенные, скорее всего, останутся чисто математическими построениями физиков-теоретиков, живущих в нашей Вселенной и силой своей мысли пытающихся нащупать закрытые для нас миры…
Подробности
для любознательных
Законы сложения скоростей
Невозможность передать сигнал со
сверхсветовой скоростью непосредственно
следует из эйнштейновской формулы
сложения скоростей — релятивистской
формулы (от англ. relativity — относительность).
Задача о сложении скоростей возникает при
наличии двух движущихся одна
относительно другой инерциальных (то есть
движущихся равномерно и прямолинейно)
систем отсчёта. Состоит она в следующем:
если движение некоторого тела или
распространение сигнала происходит со
скоростью V2 в системе S2,
движущейся в том же направлении
относительно системы S со скоростью U,
то какова будет скорость V тела (сигнала)
для наблюдателя, покоящегося в системе S?
В классической кинематике ответ прост: V
= V2 + U. Например, если поезд (система
S2) движется относительно
платформы (системы S) со скоростью U
= 60 км/ч, а в поезде бежит человек в
направлении движения поезда со скоростью V2
= 10 км/ч, то скорость перемещения человека
относительно платформы будет V = 10 + 60 =
70 км/ч. Релятивистская же формула сложения
скоростей выглядит следующим образом:
V = (V2 + U)/(1 + V2U/c2).
Когда величина скоростей V2 и U
значительно меньше c (что обычно
бывает в привычных нам земных условиях),
она переходит в обычную формулу
классической механики. Нетрудно также
убедиться, что даже если V2 = c,
то и V = c, то есть ни в какой
инерциальной системе невозможно движение
со скоростью, превышающей скорость света
в вакууме.
Сверхсветовая радиоволна
Схема эксперимента итальянских физиков, который якобы продемонстрировал распространение радиоволны в воздухе со сверхсветовой скоростью. Рупорная антенна направляла прямоугольные радиоимпульсы на сферическое зеркало, отражающее их к приёмному устройству. Измерения проводились на разных расстояниях и при различной угловой ширине радиолуча. Результаты измерений представлены на графике; прямая линия справа — величина скорости света. При малых расстояниях скорость волны превышает скорость света на 5,3%; в дальней зоне скорость радиоволны становится меньше её.  |
Статья об эксперименте с подробным его описанием опубликована в выпуске журнала Physical Review Letters от 22 мая 2000 года (т. 84, № 21).
