Superluminální cestování je jedním ze základů fikce kosmických věd. Pravděpodobně však každý - i lidé daleko od fyziky - ví, že maximální možná rychlost pohybu hmotných předmětů nebo šíření jakýchkoli signálů je rychlost světla ve vakuu. Označuje se písmenem ca je téměř 300 tisíc kilometrů za sekundu; přesná hodnota je c = 299 792 458 m / s.
Rychlost světla ve vakuu je jednou ze základních fyzikálních konstant. Nemožnost dosáhnout rychlosti překračující c vyplývá z Einsteinovy speciální teorie relativity (SRT). Pokud by bylo možné dokázat, že signály mohou být přenášeny superluminální rychlostí, klesla by teorie relativity. Dosud se tak nestalo, a to i přes četné pokusy vyvrátit zákaz existence rychlostí vyšších než c. V nedávných experimentálních studiích však byly objeveny některé velmi zajímavé jevy, které naznačují, že za speciálně vytvořených podmínek lze pozorovat superluminální rychlosti a nejsou porušeny principy teorie relativity.
Nejprve si připomeňme hlavní aspekty související s problémem rychlosti světla.
Zaprvé: proč je nemožné (za normálních podmínek) překročit světelný limit? Protože pak je porušen základní zákon našeho světa - zákon kauzality, podle kterého účinek nemůže překonat příčinu. Nikdo například nikdy nesledoval, nejprve medvěd padl a poté vystřelil lovec. Při rychlostech vyšších než s je sekvence událostí obrácena, páska času je převinuta zpět. To lze snadno ověřit z následujícího jednoduchého odůvodnění.
Předpokládejme, že jsme na nějaké vesmírné zázračné lodi a pohybujeme se rychleji než světlo. Potom bychom postupně doháněli světlo vyzařované zdrojem v dřívějších a dřívějších časových bodech. Nejprve bychom dohonili emitované fotony, řekněme včera, pak ty, které vyzařovaly den před včera, pak týden, měsíc, rok, atd. Pokud by byl světelný zdroj zrcadlem odrážejícím život, pak bychom nejprve viděli události včera, pak den před včera atd. Viděli jsme, řekněme, starého muže, který se postupně promění v muže středního věku, pak v mladého muže, v mládí, v dítě … To znamená, že se čas obrátí zpět, přesuneme se z přítomnosti do minulosti. Příčiny a následky by byly zvráceny.
Ačkoli toto zdůvodnění zcela ignoruje technické detaily procesu pozorování světla, ze základního hlediska jasně ukazuje, že pohyb superluminální rychlostí vede k nemožné situaci v našem světě. Příroda však stanovila ještě přísnější podmínky: není možné se pohybovat nejen superluminální rychlostí, ale také rychlostí rovnající se rychlosti světla - můžete se k ní pouze přiblížit. Z teorie relativity vyplývá, že se zvyšováním rychlosti pohybu vznikají tři okolnosti: hmota pohybujícího se objektu se zvyšuje, jeho velikost se zmenšuje ve směru pohybu a tok času na tomto objektu se zpomaluje (z pohledu externího „klidového“pozorovatele). Při běžných rychlostech jsou tyto změny zanedbatelné, ale jak se přibližují rychlosti světla, stávají se znatelnějšími,a v limitu - při rychlosti rovné c - se hmota stává nekonečně velkou, objekt zcela ztrácí svou velikost ve směru pohybu a čas se na něm zastaví. Proto žádné hmotné tělo nemůže dosáhnout rychlosti světla. Pouze světlo samotné má takovou rychlost! (A také částice „všeprostupující“- neutrin, která se stejně jako foton nemůže pohybovat rychlostí menší než s.)
Nyní o přenosové rychlosti signálu. Zde je vhodné použít reprezentaci světla ve formě elektromagnetických vln. Co je to signál? Toto je nějaký druh informací, které mají být předávány. Ideální elektromagnetická vlna je nekonečná sinusoida s přesně jednou frekvencí a nemůže nést žádnou informaci, protože každé období takového sinusoidu přesně opakuje předchozí. Rychlost pohybu fáze sinusové vlny - tzv. Fázová rychlost - může za určitých podmínek překročit rychlost světla ve vakuu. Nejsou zde žádná omezení, protože fázová rychlost není rychlost signálu - ještě tam není. Chcete-li vytvořit signál, musíte na vlně udělat nějaký druh „značky“. Takovou značkou může být například změna v kterémkoli z vlnových parametrů - amplituda, frekvence nebo počáteční fáze. Ale jakmile je značka vytvořena,vlna ztrácí sinusoidalitu. Stává se modulovaným, sestávajícím ze sady jednoduchých sinusových vln s různými amplitudami, frekvencemi a počátečními fázemi - skupinou vln. Rychlost, kterou se značka pohybuje v modulované vlně, je rychlost signálu. Při šíření v médiu se tato rychlost obvykle kryje se skupinovou rychlostí, která charakterizuje šíření výše uvedené skupiny vln jako celku (viz Science and Life No. 2, 2000). Za normálních podmínek je skupinová rychlost, a tedy i rychlost signálu, menší než rychlost světla ve vakuu. Není náhodou používán výraz „za normálních podmínek“, protože v některých případech může rychlost skupiny také překročit c nebo dokonce ztratit svůj význam, ale pak se nevztahuje na šíření signálu. V SRT je stanoveno, že je nemožné vyslat signál s rychlostí vyšší než s. Stává se modulovaným, sestávajícím ze sady jednoduchých sinusových vln s různými amplitudami, frekvencemi a počátečními fázemi - skupinou vln. Rychlost, kterou se značka pohybuje v modulované vlně, je rychlost signálu. Při šíření v médiu se tato rychlost obvykle kryje se skupinovou rychlostí, která charakterizuje šíření výše uvedené skupiny vln jako celku (viz Science and Life No. 2, 2000). Za normálních podmínek je skupinová rychlost, a tedy i rychlost signálu, menší než rychlost světla ve vakuu. Není náhodou používán výraz „za normálních podmínek“, protože v některých případech může rychlost skupiny také překročit c nebo dokonce ztratit svůj význam, ale pak se nevztahuje na šíření signálu. SRT stanoví, že je nemožné vyslat signál s rychlostí vyšší než s. Stává se modulovaným, sestávajícím ze sady jednoduchých sinusových vln s různými amplitudami, frekvencemi a počátečními fázemi - skupinou vln. Rychlost, při které se značka pohybuje v modulované vlně, je rychlost signálu. Při šíření v médiu se tato rychlost obvykle shoduje se skupinovou rychlostí, která charakterizuje šíření výše uvedené skupiny vln jako celku (viz Science and Life, No. 2, 2000). Za normálních podmínek je rychlost skupiny a tím i rychlost signálu menší než rychlost světla ve vakuu. Není náhodou používán výraz „za normálních podmínek“, protože v některých případech může rychlost skupiny také překročit c nebo dokonce ztratit svůj význam, ale pak se nevztahuje na šíření signálu. V SRT je stanoveno, že je nemožné vyslat signál s rychlostí vyšší než s.sestávající ze sady jednoduchých sinusových vln s různými amplitudami, frekvencemi a počátečními fázemi - skupina vln. Rychlost, kterou se značka pohybuje v modulované vlně, je rychlost signálu. Při šíření v médiu se tato rychlost obvykle kryje se skupinovou rychlostí, která charakterizuje šíření výše uvedené skupiny vln jako celku (viz Science and Life No. 2, 2000). Za normálních podmínek je skupinová rychlost, a tedy i rychlost signálu, menší než rychlost světla ve vakuu. Není náhodou používán výraz „za normálních podmínek“, protože v některých případech může rychlost skupiny také překročit c nebo dokonce ztratit svůj význam, ale pak se nevztahuje na šíření signálu. V SRT je stanoveno, že je nemožné vyslat signál s rychlostí vyšší než s.sestávající ze sady jednoduchých sinusových vln s různými amplitudami, frekvencemi a počátečními fázemi - skupina vln. Rychlost, kterou se značka pohybuje v modulované vlně, je rychlost signálu. Při šíření v médiu se tato rychlost obvykle kryje se skupinovou rychlostí, která charakterizuje šíření výše uvedené skupiny vln jako celku (viz Science and Life No. 2, 2000). Za normálních podmínek je skupinová rychlost, a tedy i rychlost signálu, menší než rychlost světla ve vakuu. Není náhodou používán výraz „za normálních podmínek“, protože v některých případech může rychlost skupiny také překročit c nebo dokonce ztratit svůj význam, ale pak se nevztahuje na šíření signálu. V SRT je stanoveno, že je nemožné vyslat signál s rychlostí vyšší než s.frekvence a počáteční fáze - skupiny vln. Rychlost, kterou se značka pohybuje v modulované vlně, je rychlost signálu. Při šíření v médiu se tato rychlost obvykle kryje se skupinovou rychlostí, která charakterizuje šíření výše uvedené skupiny vln jako celku (viz Science and Life No. 2, 2000). Za normálních podmínek je skupinová rychlost, a tedy i rychlost signálu, menší než rychlost světla ve vakuu. Není náhodou používán výraz „za normálních podmínek“, protože v některých případech může rychlost skupiny také překročit c nebo dokonce ztratit svůj význam, ale pak se nevztahuje na šíření signálu. V SRT je stanoveno, že je nemožné vyslat signál s rychlostí vyšší než s.frekvence a počáteční fáze - skupiny vln. Rychlost, kterou se značka pohybuje v modulované vlně, je rychlost signálu. Při šíření v médiu se tato rychlost obvykle kryje se skupinovou rychlostí, která charakterizuje šíření výše uvedené skupiny vln jako celku (viz Science and Life No. 2, 2000). Za normálních podmínek je skupinová rychlost, a tedy i rychlost signálu, menší než rychlost světla ve vakuu. Není náhodou používán výraz „za normálních podmínek“, protože v některých případech může rychlost skupiny také překročit c nebo dokonce ztratit svůj význam, ale pak se nevztahuje na šíření signálu. V SRT je stanoveno, že je nemožné vyslat signál s rychlostí vyšší než s. Při šíření v médiu se tato rychlost obvykle kryje se skupinovou rychlostí, která charakterizuje šíření výše uvedené skupiny vln jako celku (viz Science and Life No. 2, 2000). Za normálních podmínek je skupinová rychlost, a tedy i rychlost signálu, menší než rychlost světla ve vakuu. Není náhodou používán výraz „za normálních podmínek“, protože v některých případech může rychlost skupiny také překročit c nebo dokonce ztratit svůj význam, ale pak se nevztahuje na šíření signálu. V SRT je stanoveno, že je nemožné vyslat signál s rychlostí vyšší než s. Při šíření v médiu se tato rychlost obvykle kryje se skupinovou rychlostí, která charakterizuje šíření výše uvedené skupiny vln jako celku (viz Science and Life No. 2, 2000). Za normálních podmínek je skupinová rychlost, a tedy i rychlost signálu, menší než rychlost světla ve vakuu. Není náhodou používán výraz „za normálních podmínek“, protože v některých případech může rychlost skupiny také překročit c nebo dokonce ztratit svůj význam, ale pak se nevztahuje na šíření signálu. SRT stanoví, že je nemožné vyslat signál s rychlostí vyšší než s. Není náhodou používán výraz „za normálních podmínek“, protože v některých případech může rychlost skupiny také překročit c nebo dokonce ztratit svůj význam, ale pak se nevztahuje na šíření signálu. SRT stanoví, že je nemožné vyslat signál s rychlostí vyšší než s. Není náhodou používán výraz „za normálních podmínek“, protože v některých případech může rychlost skupiny také překročit c nebo dokonce ztratit svůj význam, ale pak se nevztahuje na šíření signálu. SRT stanoví, že je nemožné vyslat signál s rychlostí vyšší než s.
Propagační video:
Proč je to tak? Protože stejný zákon kauzality slouží jako překážka přenosu jakéhokoli signálu rychlostí vyšší než c. Představme si následující situaci. V určitém bodě A světelný záblesk (událost 1) zapne zařízení, které vysílá určitý rádiový signál, a ve vzdáleném bodě B dochází k explozi působením tohoto rádiového signálu (událost 2). Je zřejmé, že událost 1 (blesk) je příčinou a událost 2 (výbuch) je důsledkem, který nastane později než příčina. Pokud by se však rádiový signál šířil superluminální rychlostí, pozorovatel poblíž bodu B by nejprve viděl explozi, a teprve potom - záblesk, který se k němu dostal rychlostí blesku, příčina exploze. Jinými slovy, pro tohoto pozorovatele by událost 2 nastala dříve než událost 1, to znamená, že účinek by byl před příčinou.
Je třeba zdůraznit, že „superluminální zákaz“teorie relativity je uložen pouze na pohybu hmotných těl a přenosu signálů. V mnoha situacích je možný pohyb libovolnou rychlostí, ale nebude to pohyb hmotných předmětů nebo signálů. Představte si například dvě poměrně dlouhá pravítka, která leží ve stejné rovině, z nichž jedno je vodorovné a druhé protíná v malém úhlu. Pokud se první pravítko pohybuje vysokou rychlostí dolů (ve směru označeném šipkou), může být průnik pravítek proveden tak rychle, jak chcete, ale tento bod není hmotným tělem. Další příklad: pokud vezmete baterku (nebo, řekněme, laser, který dává úzký paprsek) a rychle popíšete oblouk ve vzduchu, lineární rychlost světelného bodu se zvětšuje se vzdáleností a při dostatečně velké vzdálenosti přesáhne c. Světelný bod se bude pohybovat mezi body A a B superluminální rychlostí, ale nejedná se o přenos signálu z A do B, protože takový světelný bod nenese žádnou informaci o bodě A.
Zdá se, že otázka nadsvětelných rychlostí byla vyřešena. Ale v 60. letech dvacátého století teoretičtí fyzici předložili hypotézu o existenci superluminálních částic zvaných tachyony. Jsou to velmi zvláštní částice: teoreticky jsou možné, ale aby se vyhnul rozporům s teorií relativity, museli připisovat imaginární klidovou hmotu. Fyzikálně imaginární hmota neexistuje, je to čistě matematická abstrakce. To však nezpůsobilo mnoho poplachu, protože tachyony nemohou být v klidu - existují (pokud existují!) Pouze při rychlostech přesahujících rychlost světla ve vakuu a v tomto případě se hmotnost tachyonu ukáže jako skutečná. S fotony je zde obdoba: foton má nulovou klidovou hmotnost, ale to jednoduše znamená, že foton nemůže být v klidu - světlo nelze zastavit.
Nejtěžší, jak se očekávalo, bylo sladit tachyonovou hypotézu se zákonem kauzality. Pokusy v tomto směru, ačkoli byly docela geniální, nevedly ke zjevnému úspěchu. Nikdo se ani nepodařilo experimentálně zaregistrovat tachyony. V důsledku toho zájem o tachyony jako superluminální elementární částice postupně mizel.
Avšak v 60. letech byl experimentálně objeven jev, který zpočátku zmátl fyziky. Toto je podrobně popsáno v článku A. N. Oraevského „Superluminální vlny v amplifikačních médiích“(Phys. Phys. No. 12, 1998). Zde stručně shrneme záležitost a odkazujeme čtenáře, který se zajímá o podrobnosti, na uvedený článek.
Brzy po objevu laserů - na počátku 60. let - se objevil problém získat krátké (asi 1 ns = 10-9 s) vysokovýkonné světelné pulzy. Za tímto účelem prošel optický kvantový zesilovač krátký laserový puls. Puls byl rozdělen na dvě části zrcadlem rozdělujícím paprsek. Jeden z nich, silnější, byl poslán do zesilovače, zatímco druhý se šířil ve vzduchu a sloužil jako referenční impuls, s nímž lze porovnat puls, který prošel zesilovačem. Oba pulzy byly přiváděny do fotodetektorů a jejich výstupní signály bylo možné vizuálně pozorovat na obrazovce osciloskopu. Očekávalo se, že světelný impuls procházející zesilovačem bude v něm ve srovnání s referenčním impulzem zaznamenat určité zpoždění, to znamená, že rychlost šíření světla v zesilovači bude nižší než ve vzduchu. Představte si překvapení vědců, když zjistili, že puls šířený zesilovačem rychlostí nejen větší než ve vzduchu, ale také několikrát překračující rychlost světla ve vakuu!
Když se fyzici zotavili z prvního šoku, začali hledat důvod takového neočekávaného výsledku. Nikdo neměl ani sebemenší pochybnosti o principech speciální teorie relativity, a to pomohlo najít správné vysvětlení: pokud jsou principy speciální relativity zachovány, je třeba hledat odpověď ve vlastnostech zesilujícího média.
Aniž bychom se zde zabývali podrobnostmi, poukazujeme pouze na to, že podrobná analýza mechanismu působení zesilovacího média situaci zcela objasnila. Jednalo se o změnu koncentrace fotonů během šíření pulzů - změnu v důsledku změny v zisku média až do záporné hodnoty během průchodu zadní části pulsu, když médium již absorbuje energii, protože jeho vlastní rezerva již byla utrácena kvůli jeho přenosu na světelný puls. Absorpce nezpůsobuje zesílení, ale oslabení impulsu, a tím je impuls zesílen vpředu a zeslaben vzadu. Představme si, že pozorujeme puls pomocí zařízení pohybujícího se rychlostí světla v zesilovacím médiu. Pokud by bylo médium průhledné, viděli bychom impuls v nehybnosti zamrzlý. V prostředíve kterém výše uvedený proces nastane, zesílení náběžné hrany a oslabení zadní hrany pulsu se objeví pozorovateli takovým způsobem, že médium posunulo puls dopředu. Ale protože se zařízení (pozorovatel) pohybuje rychlostí světla a puls ho předstihuje, rychlost pulsu překračuje rychlost světla! Právě tento účinek byl experimenty zaregistrován. A zde opravdu není žádný rozpor s teorií relativity: pouze proces amplifikace je takový, že koncentrace fotonů, které vyšly dříve, se ukáže víc než ty, které vyšly později. Nejsou to fotony, které se pohybují superluminální rychlostí, ale pulzní obálka, zejména její maximum, které je pozorováno na osciloskopu. Ale protože se zařízení (pozorovatel) pohybuje rychlostí světla a puls ho předstihuje, rychlost pulsu překračuje rychlost světla! Právě tento účinek byl experimenty zaregistrován. A zde opravdu není žádný rozpor s teorií relativity: pouze proces amplifikace je takový, že koncentrace fotonů, které vyšly dříve, se ukáže víc než ty, které vyšly později. Nejsou to fotony, které se pohybují superluminální rychlostí, ale pulzní obálka, zejména její maximum, které je pozorováno na osciloskopu. Ale protože se zařízení (pozorovatel) pohybuje rychlostí světla a puls ho předstihuje, rychlost pulsu překračuje rychlost světla! Právě tento účinek byl experimenty zaregistrován. A zde opravdu není žádný rozpor s teorií relativity: pouze proces amplifikace je takový, že koncentrace fotonů, které vyšly dříve, se ukáže víc než ty, které vyšly později. Nejsou to fotony, které se pohybují superluminální rychlostí, ale pulzní obálka, zejména její maximum, které je pozorováno na osciloskopu. Nejsou to fotony, které se pohybují superluminální rychlostí, ale pulzní obálka, zejména její maximum, které je pozorováno na osciloskopu. Nejsou to fotony, které se pohybují superluminální rychlostí, ale pulsní obálka, zejména její maximum, které je pozorováno na osciloskopu.
Zatímco tedy v běžných médiích dochází vždy k útlumu světla a ke snížení jeho rychlosti, určované indexem lomu, v aktivním laserovém médiu, je pozorováno nejen zesílení světla, ale také šíření pulzů superluminální rychlostí.
Někteří fyzici se pokusili experimentálně prokázat existenci superluminálního pohybu v tunelovacím efektu - jeden z nejúžasnějších jevů v kvantové mechanice. Tento efekt spočívá v tom, že mikročástice (přesněji mikroobjekt, vykazující jak vlastnosti částice, tak vlastnosti vlny za různých podmínek) je schopna proniknout tzv. Potenciální bariérou - jevem, který je v klasické mechanice zcela nemožný (ve kterém by analogem byla taková situace) Kulička vržená do zdi by byla na druhé straně zdi, nebo by se zvlněný pohyb udělaný lanu přivázanému ke zdi přenesl na lano přivázané ke zdi na druhé straně). Podstata tunelovacího efektu v kvantové mechanice je následující. Pokud se mikro-objekt s určitou energií setká s oblastí s potenciální energií na cestě,překračující energii mikroobjektu je tato oblast bariérou, jejíž výška je určena rozdílem energie. Ale mikroobjekt „prosakuje“bariérou! Tuto možnost mu dává známý vztah Heisenbergovy nejistoty, psaný pro energii a čas interakce. Pokud interakce mikroobjektu s bariérou nastane dostatečně dlouhou dobu, pak se energie mikroobjektu bude naopak charakterizovat nejistotou, a pokud je tato nejistota řádově výšky bariéry, přestane být tato mikrostruktura nepřekonatelnou překážkou pro mikroobjekt. Rychlost průniku potenciální bariérou se zde stala předmětem výzkumu řady fyziků, kteří se domnívají, že mohou překročit s. Ale mikroobjekt „prosakuje“bariérou! Tuto možnost mu dává známý vztah Heisenbergovy nejistoty, psaný pro energii a čas interakce. Pokud interakce mikroobjektu s bariérou nastane dostatečně dlouhou dobu, pak se energie mikroobjektu bude vyznačovat nejistotou, a pokud je tato nejistota řádově výšky bariéry, přestane být tato mikrostruktura nepřekonatelnou překážkou pro mikroobjekt. Rychlost průniku potenciální bariérou se zde stala předmětem výzkumu řady fyziků, kteří se domnívají, že mohou překročit s. Ale mikroobjekt „prosakuje“bariérou! Tuto možnost mu dává známý vztah Heisenbergovy nejistoty, psaný pro energii a čas interakce. Pokud interakce mikroobjektu s bariérou nastane dostatečně dlouhou dobu, pak se energie mikroobjektu bude vyznačovat nejistotou, a pokud je tato nejistota řádově výšky bariéry, přestane být tato mikrostruktura nepřekonatelnou překážkou pro mikroobjekt. Rychlost průniku potenciální bariérou se zde stala předmětem výzkumu řady fyziků, kteří se domnívají, že mohou překročit s. Pokud interakce mikroobjektu s bariérou nastane dostatečně dlouhou dobu, pak se energie mikroobjektu bude naopak charakterizovat nejistotou, a pokud je tato nejistota řádově výšky bariéry, přestane být tato mikrostruktura nepřekonatelnou překážkou pro mikroobjekt. Rychlost průniku potenciální bariérou se zde stala předmětem výzkumu řady fyziků, kteří se domnívají, že mohou překročit s. Pokud interakce mikroobjektu s bariérou nastane dostatečně dlouhou dobu, pak se energie mikroobjektu bude naopak charakterizovat nejistotou, a pokud je tato nejistota řádově výšky bariéry, přestane být tato mikrostruktura nepřekonatelnou překážkou pro mikroobjekt. Rychlost průniku potenciální bariérou se zde stala předmětem výzkumu řady fyziků, kteří se domnívají, že mohou překročit s.
V červnu 1998 se v Kolíně konalo mezinárodní symposium o problémech FTL, kde se diskutovalo o výsledcích získaných ve čtyřech laboratořích - v Berkeley, Vídni, Kolíně nad Rýnem a ve Florencii.
A konečně, v roce 2000, byly zprávy o dvou nových experimentech, ve kterých se objevily účinky superluminální propagace. Jeden z nich provedl Lijun Wong a spolupracovníci ve výzkumném ústavu v Princetonu (USA). Výsledkem je, že světelný puls vstupující do komory naplněné parou cesia zvyšuje jeho rychlost 300krát. Ukázalo se, že hlavní část pulsu opouští vzdálenou stěnu komory ještě dříve, než puls vstupuje do komory přes přední stěnu. Tato situace je v rozporu nejen s zdravým rozumem, ale v podstatě s teorií relativity.
Poselství L. Wonga vyvolalo intenzivní diskusi mezi fyziky, z nichž většina není ochotna vidět ve výsledcích, porušila principy relativity. Věří, že úkolem je správně vysvětlit tento experiment.
V experimentu L. Wonga měl světelný puls vstupující do komory parami cesia trvání asi 3 μs. Atomy cesia mohou být v šestnácti možných kvantově-mechanických stavech, které se nazývají "magnetické hyperjemné podzemní úrovně". Pomocí optického laserového čerpání byly téměř všechny atomy přivedeny do pouze jednoho z těchto šestnácti stavů, což odpovídá téměř absolutní nulové teplotě na Kelvinově stupnici (-273,15 ° C). Céziová komora byla dlouhá 6 centimetrů. Ve vakuu cestuje světlo 6 centimetrů za 0,2 ns. Měření ukázala, že světelný puls prošel komorou s cesiem za 62 ns méně času než ve vakuu. Jinými slovy, doba průchodu pulsu cesiovým médiem má znaménko mínus! Pokud je 62 ns odečteno od 0,2 ns, dostaneme „negativní“čas. Toto „negativní zpoždění“v médiu - nepochopitelný časový skok - se rovná času, během kterého by puls provedl 310 průchodem komorou ve vakuu. Důsledkem tohoto „dočasného převratu“bylo to, že impuls opouštějící komoru se podařilo vzdálit 19 metrů od ní, než se příchozí impuls dostal k blízké stěně komory. Jak lze vysvětlit takovou neuvěřitelnou situaci (pokud samozřejmě není pochyb o čistotě experimentu)?nepochybovat o čistotě experimentu)?nepochybovat o čistotě experimentu)?
Soudě podle rozvíjející se diskuse nebylo dosud nalezeno přesné vysvětlení, ale není pochyb o tom, že zde hrají roli neobvyklé disperzní vlastnosti média: páry cesia, sestávající z atomů excitovaných laserovým světlem, jsou médium s anomální disperzí. Připomeňme si krátce, co to je.
Disperze látky je závislost fázového (konvenčního) indexu lomu n na vlnové délce světla l. Při normální disperzi se index lomu zvyšuje s klesající vlnovou délkou, a to se děje ve skle, vodě, vzduchu a všech ostatních látkách transparentních vůči světlu. U látek, které silně absorbují světlo, se průběh indexu lomu mění opačně se změnou vlnové délky a stává se mnohem strmější: se snížením l (nárůst frekvence w) se index lomu prudce snižuje a v určité oblasti vlnových délek se stává méně než jednota (fázová rychlost Vph> s). Toto je anomální rozptyl, ve kterém se obraz šíření světla v hmotě radikálně mění. Rychlost skupiny Vgr se stává větší než fázová rychlost vln a může překročit rychlost světla ve vakuu (a také se stane zápornou). L. Na tuto okolnost chybně poukazuje jako na důvod spočívající v možnosti vysvětlit výsledky svého experimentu. Je však třeba poznamenat, že podmínka Vgr> c je čistě formální, protože koncept skupinové rychlosti byl zaveden pro případ malé (normální) disperze, pro průhledná média, když skupina vln během šíření téměř nezměnila svůj tvar. V oblastech anomální disperze je světelný puls rychle deformován a koncept skupinové rychlosti ztrácí svůj význam; v tomto případě jsou zavedeny koncepty rychlosti signálu a rychlosti šíření energie, které se v průhledném médiu shodují se skupinovou rychlostí a v médiu s absorpcí zůstávají menší než rychlost světla ve vakuu. Ale tady je to, co je zajímavé v Wongově experimentu: světelný puls, který prošel médiem s neobvyklým rozptylem, není zdeformován - přesně si zachovává svůj tvar!A to odpovídá předpokladu o šíření pulsu s rychlostí skupiny. Pokud ano, pak se ukáže, že v médiu nedochází k absorpci, i když anomální disperze média je způsobena právě absorpcí! Sám Wong, který připouští, že mnoho je stále nejasné, věří, že to, co se děje v jeho experimentálním uspořádání, lze v první aproximaci jasně vysvětlit následovně.
Světelný puls sestává z mnoha složek s různými vlnovými délkami (kmitočty). Obrázek ukazuje tři z těchto složek (vlny 1-3). V určitém okamžiku jsou všechny tři vlny ve fázi (jejich maxima se shodují); zde se sčítají, posilují a vytvářejí impuls. Jak se vlny dále šíří ve vesmíru, vlny jsou mimo fázi a tím se „zhasnou“navzájem.
V oblasti anomální disperze (uvnitř cesiové buňky) se vlna, která byla kratší (vlna 1), prodlouží. Naopak vlna, která byla nejdelší ze tří (vlna 3), se stane nejkratší.
V důsledku toho se fáze vln odpovídajícím způsobem mění. Když vlny projdou cesiovou buňkou, jejich vlny se obnoví. Poté, co podstoupily neobvyklou fázovou modulaci v látce s neobvyklou disperzí, jsou tři uvažované vlny opět v určité fázi ve fázi. Zde se znovu složí a vytvoří puls přesně stejného tvaru jako vstup do cesiového média.
Obvykle ve vzduchu a prakticky v jakémkoli průhledném médiu s normální disperzí nemůže světelný pulz přesně udržovat svůj tvar, když se šíří na velkou vzdálenost, to znamená, že všechny jeho složky nemohou být fázovány v žádném vzdáleném bodě podél propagační cesty. Za normálních podmínek se po určitém čase objeví světelný puls v tak vzdáleném bodě. Avšak vzhledem k anomálním vlastnostem média použitého v experimentu se ukázalo, že puls ve vzdáleném bodě byl fázován stejným způsobem jako při vstupu do tohoto média. Světelný pulz se tak chová, jako by měl na cestě do vzdáleného bodu negativní časové zpoždění, to znamená, že by k němu došlo později, ale dříve, než by prošlo prostředím!
Většina fyziků je nakloněna spojit tento výsledek s výskytem prekurzoru s nízkou intenzitou v disperzním médiu v komoře. Skutečnost je taková, že ve spektrálním rozkladu impulsu obsahuje spektrum složky libovolně vysokých frekvencí se zanedbatelnou amplitudou, tzv. Prekurzor, který jde dále než „hlavní část“impulsu. Povaha zařízení a forma předchůdce závisí na zákonu o rozptylu v médiu. S ohledem na to se navrhuje, aby se sled událostí v Wongově experimentu interpretoval následovně. Přicházející vlna „natahující“předzevník před sebe se blíží ke kameře. Než vrchol dopadající vlny zasáhne blízkou stěnu komory, předchůdce iniciuje impuls v komoře, který dosáhne vzdálené zdi a je od ní odražen, čímž vytvoří „zpětnou vlnu“. Tato vlnašíří se 300krát rychleji než c, dosáhne blízké zdi a splňuje příchozí vlnu. Vrcholy jedné vlny se setkávají se žlaby druhé, takže se navzájem ničí a v důsledku toho nic nezůstane. Ukázalo se, že přicházející vlna „vrací dluh“atomům cesia, které „propůjčily“energii na druhém konci komory. Každý, kdo by pozoroval pouze začátek a konec experimentu, by viděl pouze puls světla, který „včas vyskočil“vpřed a pohyboval se rychleji. Viděl jsem jen puls světla, který „včas vyskočil“vpřed a pohyboval se rychleji. Viděl jsem jen puls světla, který „včas vyskočil“vpřed a pohyboval se rychleji.
L. Wong věří, že jeho experiment nesouhlasí s teorií relativity. Věří, že prohlášení o nedosažitelnosti nadsvětelné rychlosti je použitelné pouze na objekty s hmotou odpočinku. Světlo může být zastoupeno buď ve formě vln, na které je obecně pojem tělesa nepoužitelný, nebo ve formě fotonů s klidovou hmotou, jak je známo, rovnou nule. Rychlost světla ve vakuu, Wong věří, proto není limitem. Wong nicméně připouští, že účinek, který objevil, neumožňuje přenášet informace rychlostí vyšší než s.
"Tyto informace jsou již na špičce pulsu," říká P. Milonny, fyzik z americké Los Alamos National Laboratory. "A můžete mít dojem, že informace jsou posílány rychleji než světlo, i když je neposíláte."
Většina fyziků věří, že nová práce nezasáhne úder do základních principů. Ale ne všichni fyzici věří, že problém je vyřešen. Profesor A. Ranfagni z italské výzkumné skupiny, který provedl další zajímavý experiment v roce 2000, se domnívá, že otázka zůstává otevřená. Tento experiment, provedený Danielem Mugnaim, Anediem Ranfagni a Rocco Ruggerim, zjistil, že rádiové vlny centimetrového pásma při běžné letecké dopravě rychlostí o 25% větší než c.
V souhrnu můžeme říci následující
Práce v posledních letech ukázala, že za určitých podmínek může skutečně dojít k superluminální rychlosti. Ale co přesně je cestování superluminální rychlostí? Teorie relativity, jak již bylo zmíněno, zakazuje takovou rychlost pro hmotná těla a pro signály přenášející informace. Přesto se někteří vědci velmi vytrvale snaží demonstrovat, jak překonat světelnou bariéru pro signály. Důvod pro to spočívá v tom, že ve speciální teorii relativity neexistuje přísné matematické zdůvodnění (založené například na Maxwellových rovnicích pro elektromagnetické pole) nemožnosti vysílat signály rychlostí vyšší než s. Taková nemožnost v SRT je stanovena, dalo by se říci, čistě aritmeticky, vycházením z Einsteinova vzorce pro přidání rychlostí,ale toto je zásadně potvrzeno zásadou kauzality. Sám Einstein, vzhledem k otázce přenosu superluminálního signálu, napsal, že v tomto případě „… jsme nuceni zvážit mechanismus přenosu signálu, při použití kterého dosažená akce předchází příčině. podle mého názoru žádné rozpory stále odporují povaze naší celé zkušenosti natolik, že nemožnost předpokladu V> c se jeví jako dostatečně prokázaná. ““Zásada kauzality je základním kamenem, který je základem nemožnosti přenosu signálu FTL. A tento kámen zjevně zakopne všechny, bez výjimky, hledání superluminálních signálů, bez ohledu na to, kolik experimentů by chtěli takové signály najít,protože to je povaha našeho světa.
Představme si však, že matematika relativity bude stále pracovat rychleji než světlo. To znamená, že teoreticky stále můžeme zjistit, co by se stalo, kdyby tělo překročilo rychlost světla.
Představte si dvě kosmické lodi směřující ze Země k hvězdě vzdálené 100 světelných let od naší planety. První loď opouští Zemi při 50% rychlosti světla, takže to bude trvat 200 let po celou cestu. Druhá loď, vybavená hypotetickou warpovou jednotkou, pojede rychlostí světla 200%, ale 100 let po první. Co se bude dít?
Podle teorie relativity závisí správná odpověď do značné míry na perspektivě pozorovatele. Ze Země se ukáže, že první loď již urazila značnou vzdálenost, než ji předběhla druhá loď, která se pohybuje čtyřikrát rychleji. Ale z pohledu lidí na první lodi je všechno trochu jiné.
Loď č. 2 se pohybuje rychleji než světlo, což znamená, že dokáže dokonce předjíždět světlo, které sama vydává. To vede k jakési „světelné vlně“(analogické zvuku, pouze místo vibrací vzduchu, světelné vlny zde kmitají), což generuje několik zajímavých efektů. Připomeňme, že světlo z lodi č. 2 se pohybuje pomaleji než samotná loď. Výsledkem je vizuální zdvojení. Jinými slovy, posádka lodi č. 1 nejprve uvidí, že druhá loď se objevila vedle ní, jako by byla z ničeho. Potom světlo z druhé lodi dosáhne první s malým zpožděním a výsledkem bude viditelná kopie, která se bude pohybovat ve stejném směru s mírným zpožděním.
Něco podobného lze vidět v počítačových hrách, kdy v důsledku selhání systému načte model a jeho algoritmy v koncovém bodě pohybu rychleji než samotná animace, takže dojde k vícenásobným snímkům. To je pravděpodobně důvod, proč naše vědomí nevnímá hypotetický aspekt vesmíru, ve kterém se těla pohybují superluminální rychlostí - možná je to nejlepší.
PS … ale v posledním příkladu jsem něčemu nerozuměl, proč je skutečná poloha lodi spojena s „světlem vyzařovaným“? No, ať ho vidí jako něco, co tam není, ale ve skutečnosti předběhne první loď!