Свръхлюминовото пътуване е една от основите на космическата научна фантастика. Вероятно обаче всеки - дори хора, далеч от физиката - знае, че максималната възможна скорост на движение на материалните обекти или разпространението на всякакви сигнали е скоростта на светлината във вакуум. Тя се обозначава с буквата c и е почти 300 хиляди километра в секунда; точната стойност е c = 299 792 458 m / s.
Скоростта на светлината във вакуум е една от основните физични константи. Невъзможността за постигане на скорост над c следва от специалната теория на относителността на Айнщайн (SRT). Ако беше възможно да се докаже, че сигналите могат да се предават със свръхлюминални скорости, теорията на относителността ще падне. Засега това не се е случило, въпреки многобройните опити да се опровергае забраната за съществуване на скорости, по-големи от c. Въпреки това, в последните експериментални проучвания са открити някои много интересни явления, което показва, че при специално създадени условия могат да се наблюдават свръхсветни скорости и да не се нарушават принципите на теорията на относителността.
Като начало, нека припомним основните аспекти, свързани с проблема със скоростта на светлината.
На първо място: защо е невъзможно (при нормални условия) да се превиши границата на светлината? Защото тогава се нарушава основният закон на нашия свят - законът за причинността, според който ефектът не може да надмине причината. Никой никога не е гледал, например, първо мечка падна мъртва, а след това ловец стреля. При скорост над s, последователността на събитията е обърната, лентата на времето се пренавива. Това е лесно да се потвърди от следните прости мотиви.
Да предположим, че се намираме на някакъв космически чудо-кораб, движейки се по-бързо от светлината. Тогава постепенно щяхме да наваксаме светлината, излъчвана от източника в по-ранни и по-ранни моменти. Първо, ние щяхме да наваксаме фотоните, излъчвани, да речем, вчера, след това тези, излъчващи се вчера, после седмица, месец, година и т.н. Ако източникът на светлина беше огледало, отразяващо живота, тогава първо щяхме да видим събитията от вчера, после от вчерашния ден и т.н. Бихме могли да видим, да речем, един старец, който постепенно се превръща в мъж на средна възраст, после в млад човек, в младеж, в дете … Тоест времето ще се обърне назад, ние ще се преместим от настоящето в миналото. Причините и последиците ще бъдат обърнати.
Въпреки че това разсъждение напълно игнорира техническите детайли на процеса на наблюдение на светлината, от фундаментална гледна точка, това ясно показва, че движението със свръхлюминална скорост води до невъзможна ситуация в нашия свят. Природата обаче е поставила още по-строги условия: недостижимо е да се движиш не само със свръхлюминална скорост, но и със скорост, равна на скоростта на светлината - можеш само да я приближиш. От теорията на относителността следва, че с увеличаване на скоростта на движение възникват три обстоятелства: масата на движещ се обект се увеличава, размерът му намалява в посоката на движение, а потокът от време върху този обект се забавя (от гледна точка на външен "почиващ" наблюдател). При обикновени скорости тези промени са незначителни, но с приближаването на скоростта на светлината те стават по-забележими, т.е.и в граница - със скорост, равна на с - масата става безкрайно голяма, обектът напълно губи размера си по посока на движение и времето спира върху него. Следователно, никое материално тяло не може да достигне скоростта на светлината. Само самата светлина има такава скорост! (И също така „всепроникващата“частица - неутрино, която като фотон не може да се движи със скорост, по-малка от s.)
Сега за скоростта на предаване на сигнала. Тук е подходящо да се използва представянето на светлината под формата на електромагнитни вълни. Какво е сигнал? Това е някакъв вид информация, която трябва да бъде предадена. Идеалната електромагнитна вълна е безкраен синусоид със строго една честота и не може да носи никаква информация, тъй като всеки период на такъв синусоид точно повтаря предишния. Скоростта на движение на фазата на синусоидална вълна - така наречената фазова скорост - може в среда при определени условия да надвишава скоростта на светлината във вакуум. Тук няма ограничения, тъй като фазовата скорост не е скоростта на сигнала - все още я няма. За да създадете сигнал, трябва да направите някаква "маркировка" на вълната. Такава маркировка може да бъде например промяна в някой от параметрите на вълната - амплитуда, честота или начална фаза. Но след като маркировката е направена,вълната губи синусоидалност. Той става модулиран, състоящ се от набор от прости синусоиди с различни амплитуди, честоти и начални фази - група вълни. Скоростта, с която марката се движи в модулираната вълна, е скоростта на сигнала. Когато се разпространява в среда, тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, която характеризира разпространението на споменатата по-горе група вълни като цяло (вж. Science and Life No. 2, 2000). При нормални условия груповата скорост и следователно скоростта на сигнала е по-малка от скоростта на светлината във вакуум. Не случайно се използва изразът "при нормални условия", тъй като в някои случаи скоростта на групата също може да надвиши c или дори да загуби значението си, но тогава това не се прилага за разпространението на сигнала. В SRT е установено, че е невъзможно предаването на сигнал със скорост, по-голяма от s. Той става модулиран, състоящ се от набор от прости синусоиди с различни амплитуди, честоти и начални фази - група вълни. Скоростта, с която марката се движи в модулираната вълна, е скоростта на сигнала. Когато се разпространява в среда, тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, която характеризира разпространението на споменатата по-горе група вълни като цяло (вж. Science and Life No. 2, 2000). При нормални условия груповата скорост и следователно скоростта на сигнала е по-малка от скоростта на светлината във вакуум. Неслучайно се използва изразът "при нормални условия", тъй като в някои случаи скоростта на групата също може да надвиши c или дори да загуби значението си, но тогава това не се отнася за разпространението на сигнала. В SRT е установено, че е невъзможно предаването на сигнал със скорост, по-голяма от s. Той става модулиран, състоящ се от набор от прости синусоиди с различни амплитуди, честоти и начални фази - група вълни. Скоростта, с която марката се движи в модулираната вълна, е скоростта на сигнала. Когато се разпространява в среда, тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, която характеризира разпространението на споменатата по-горе група вълни като цяло (вж. Science and Life No. 2, 2000). При нормални условия груповата скорост и следователно скоростта на сигнала е по-малка от скоростта на светлината във вакуум. Неслучайно се използва изразът "при нормални условия", тъй като в някои случаи скоростта на групата също може да надвиши c или дори да загуби значението си, но тогава това не се отнася за разпространението на сигнала. В SRT е установено, че е невъзможно предаването на сигнал със скорост, по-голяма от s.състоящ се от набор от прости синусоидални вълни с различни амплитуди, честоти и начални фази - група вълни. Скоростта, с която марката се движи в модулираната вълна, е скоростта на сигнала. Когато се разпространява в среда, тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, която характеризира разпространението на споменатата по-горе група вълни като цяло (вж. Science and Life No. 2, 2000). При нормални условия груповата скорост и следователно скоростта на сигнала е по-малка от скоростта на светлината във вакуум. Неслучайно се използва изразът "при нормални условия", тъй като в някои случаи скоростта на групата също може да надвиши c или дори да загуби значението си, но тогава това не се отнася за разпространението на сигнала. В SRT е установено, че е невъзможно предаването на сигнал със скорост, по-голяма от s.състоящ се от набор от прости синусоидални вълни с различни амплитуди, честоти и начални фази - група вълни. Скоростта, с която марката се движи в модулираната вълна, е скоростта на сигнала. Когато се разпространява в среда, тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, която характеризира разпространението на споменатата по-горе група вълни като цяло (вж. Science and Life No. 2, 2000). При нормални условия груповата скорост и следователно скоростта на сигнала е по-малка от скоростта на светлината във вакуум. Неслучайно се използва изразът "при нормални условия", тъй като в някои случаи скоростта на групата също може да надвиши c или дори да загуби значението си, но тогава това не се отнася за разпространението на сигнала. В SRT е установено, че е невъзможно предаването на сигнал със скорост, по-голяма от s.честоти и начални фази - групи от вълни. Скоростта, с която марката се движи в модулираната вълна, е скоростта на сигнала. Когато се разпространява в среда, тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, която характеризира разпространението на гореспоменатата група вълни като цяло (вж. Science and Life, № 2, 2000). При нормални условия груповата скорост и следователно скоростта на сигнала е по-малка от скоростта на светлината във вакуум. Неслучайно се използва изразът "при нормални условия", тъй като в някои случаи скоростта на групата също може да надвиши c или дори да загуби значението си, но тогава това не се отнася за разпространението на сигнала. В SRT е установено, че е невъзможно предаването на сигнал със скорост, по-голяма от s.честоти и начални фази - групи от вълни. Скоростта, с която марката се движи в модулираната вълна, е скоростта на сигнала. Когато се разпространява в среда, тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, която характеризира разпространението на споменатата по-горе група вълни като цяло (вж. Science and Life, № 2, 2000). При нормални условия груповата скорост и следователно скоростта на сигнала е по-малка от скоростта на светлината във вакуум. Неслучайно се използва изразът "при нормални условия", тъй като в някои случаи скоростта на групата също може да надвиши c или дори да загуби значението си, но тогава това не се отнася за разпространението на сигнала. В SRT е установено, че е невъзможно предаването на сигнал със скорост, по-голяма от s. Когато се разпространява в среда, тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, която характеризира разпространението на споменатата по-горе група вълни като цяло (вж. Science and Life No. 2, 2000). При нормални условия груповата скорост и следователно скоростта на сигнала е по-малка от скоростта на светлината във вакуум. Неслучайно се използва изразът "при нормални условия", тъй като в някои случаи скоростта на групата също може да надвиши c или дори да загуби значението си, но тогава това не се отнася за разпространението на сигнала. В SRT е установено, че е невъзможно предаването на сигнал със скорост, по-голяма от s. Когато се разпространява в среда, тази скорост обикновено съвпада с груповата скорост, която характеризира разпространението на споменатата по-горе група вълни като цяло (вж. Science and Life No. 2, 2000). При нормални условия груповата скорост и следователно скоростта на сигнала е по-малка от скоростта на светлината във вакуум. Неслучайно се използва изразът "при нормални условия", тъй като в някои случаи скоростта на групата също може да надвиши c или дори да загуби значението си, но тогава това не се отнася за разпространението на сигнала. В SRT е установено, че е невъзможно предаването на сигнал със скорост, по-голяма от s. Неслучайно се използва изразът "при нормални условия", тъй като в някои случаи скоростта на групата също може да надвиши c или дори да загуби своето значение, но тогава това не се отнася за разпространението на сигнала. В SRT е установено, че е невъзможно предаването на сигнал със скорост, по-голяма от s. Неслучайно се използва изразът "при нормални условия", тъй като в някои случаи скоростта на групата също може да надвиши c или дори да загуби значението си, но тогава това не се отнася за разпространението на сигнала. В SRT е установено, че е невъзможно предаването на сигнал със скорост, по-голяма от s.
Промоционално видео:
Защо е така? Тъй като същият закон за причинно-следствената връзка служи като пречка за предаването на всеки сигнал със скорост, по-голяма от c. Нека си представим следната ситуация. В някакъв момент А светлинна светкавица (събитие 1) се включва на устройство, което изпраща определен радиосигнал, а в отдалечена точка В, възниква експлозия под действието на този радиосигнал (събитие 2). Ясно е, че събитие 1 (светкавица) е причина, а събитие 2 (експлозия) е следствие, което настъпва по-късно от причината. Но ако радиосигналът се разпространяваше със свръхсветна скорост, наблюдател в близост до точка Б първо щеше да види експлозия, а едва след това - светкавица, която достигна до него със скорост на светкавица, причината за експлозията. С други думи, за този наблюдател събитие 2 ще се случи по-рано от събитие 1, тоест ефектът ще бъде по-напред от причината.
Подходящо е да се подчертае, че „свръхлюбивата забрана“на теорията на относителността се налага само върху движението на материалните тела и предаването на сигнали. В много ситуации е възможно движение с всякаква скорост, но това няма да бъде движение на материални обекти или сигнали. Например, представете си два доста дълги владетеля, лежащи в една и съща равнина, единият от които е хоризонтален, а другият го пресича под малък ъгъл. Ако първият владетел се премести надолу (в посоката, посочена със стрелката) с висока скорост, точката на пресичане на владетелите може да бъде направена да работи толкова бързо, колкото искате, но тази точка не е материално тяло. Друг пример: ако вземете фенерче (или, да речем, лазер, който дава тесен лъч) и бързо опишете дъга във въздуха, тогава линейната скорост на светлинното петно ще се увеличи с разстояние и на достатъчно голямо разстояние ще надвиши c. Светлинното петно ще се движи между точки А и В със свръхсветна скорост, но това няма да бъде предаване на сигнал от А до В, тъй като такова светло петно не носи информация за точка А.
Изглежда, че въпросът за свръхсветни скорости е решен. Но през 60-те години на ХХ век теоретичните физици излагат хипотеза за съществуването на свръхлюбени частици, наречени тахиони. Това са много странни частици: теоретично те са възможни, но за да се избегнат противоречия с теорията на относителността, те трябваше да присвоят въображаема маса за почивка. Физически въображаема маса не съществува, тя е чисто математическа абстракция. Това обаче не предизвика много тревога, тъй като тахионите не могат да бъдат в покой - те съществуват (ако съществуват!) Само при скорост, превишаваща скоростта на светлината във вакуум, и в този случай масата на тахиона се оказва истинска. Тук има някаква аналогия с фотоните: фотонът има нулева маса на покой, но това просто означава, че фотон не може да бъде в покой - светлината не може да бъде спряна.
Най-трудното, както се очакваше, беше да се приведе в съответствие хипотезата на тахиона със закона за причинно-следствената връзка. Опитите в тази посока, въпреки че бяха доста гениални, не доведоха до очевиден успех. Никой също не успя да регистрира тахони експериментално. В резултат интересът към тахионите като свръхлюбени елементарни частици постепенно избледнява.
Въпреки това през 60-те години експериментално е открит феномен, който първоначално е объркал физиците. Това е описано подробно в статията на А. Н. Ораевски "Свръхлюбени вълни в усилващите среди" (Phys. Phys. No. 12, 1998). Тук ще обобщим накратко въпроса, като насочим читателя, който се интересува от подробности, към посочената статия.
Скоро след откриването на лазерите - в началото на 60-те - възниква проблемът с получаването на кратки (около 1 ns = 10-9 s) светлинни импулси с висока мощност. За това е преминат кратък лазерен импулс през оптичен квантов усилвател. Пулсът беше разделен на две части чрез огледало за разделяне на лъча. Единият от тях, по-мощен, е изпратен към усилвателя, а другият се разпространява във въздуха и служи като еталонен импулс, с който човек може да сравнява пулса, който преминава през усилвателя. И двата импулса бяха подадени към фотодетектори и изходните им сигнали могат да бъдат визуално наблюдавани на екрана на осцилоскопа. Очакваше се светлинният импулс, преминаващ през усилвателя, да изпита известно закъснение в него в сравнение с референтния импулс, тоест скоростта на разпространение на светлината в усилвателя ще бъде по-малка, отколкото във въздуха. Представете си изненадата на изследователите, когато открили, че импулсът се разпространява през усилвателя със скорост не само по-голяма от тази във въздуха, но и няколко пъти по-бърза от скоростта на светлината във вакуум!
След като се възстановиха от първия шок, физиците започнаха да търсят причината за такъв неочакван резултат. Никой не е имал и най-малкото съмнение относно принципите на специалната теория на относителността и именно това е помогнало да се намери правилното обяснение: ако принципите на специалната относителност са запазени, тогава отговорът трябва да се търси в свойствата на усилващата среда.
Без да навлизаме в подробности тук, само посочваме, че подробен анализ на механизма на действие на усилващата среда е изяснил напълно ситуацията. Материята се състоеше в промяна в концентрацията на фотони по време на разпространението на импулса - промяна поради промяна в усилването на средата до отрицателна стойност по време на преминаването на задната част на импулса, когато средата вече поглъща енергия, защото собственият й резерв вече е изразходван поради предаването му на светлинния импулс. Абсорбцията причинява не усилване, а отслабване на импулса и по този начин импулсът се усилва отпред и отслабва отзад. Нека си представим, че наблюдаваме импулс с помощта на устройство, което се движи със скоростта на светлината в усилвател. Ако средата беше прозрачна, щяхме да видим импулса замръзнал в неподвижност. В околната среда,при който се появява споменатият по-горе процес, усилването на предния ръб и отслабването на задния ръб на пулса ще се появи пред наблюдателя по такъв начин, че средата, както трябва, е преместила импулса напред. Но тъй като устройството (наблюдател) се движи със скоростта на светлината и импулсът го изпреварва, тогава скоростта на импулса надвишава скоростта на светлината! Именно този ефект е регистриран от експериментаторите. И тук наистина няма противоречие с теорията на относителността: просто процесът на усилване е такъв, че концентрацията на фотони, излязла по-рано, се оказва повече от тези, които са излезли по-късно. Не фотоните се движат със суперлуминална скорост, а по-специално импулсната обвивка, нейният максимум, който се наблюдава на осцилоскопа. Но тъй като устройството (наблюдател) се движи със скоростта на светлината и импулсът го изпреварва, тогава скоростта на импулса надвишава скоростта на светлината! Именно този ефект е регистриран от експериментаторите. И тук наистина няма противоречие с теорията на относителността: просто процесът на усилване е такъв, че концентрацията на фотони, излязла по-рано, се оказва повече от тези, които са излезли по-късно. Не фотоните се движат със суперлуминална скорост, а по-специално импулсната обвивка, нейният максимум, който се наблюдава на осцилоскопа. Но тъй като устройството (наблюдател) се движи със скоростта на светлината и импулсът го изпреварва, тогава скоростта на импулса надвишава скоростта на светлината! Именно този ефект е регистриран от експериментаторите. И тук наистина няма противоречие с теорията на относителността: просто процесът на усилване е такъв, че концентрацията на фотони, излязла по-рано, се оказва повече от тези, които са излезли по-късно. Не фотоните се движат със суперлуминална скорост, а по-специално импулсната обвивка, нейният максимум, който се наблюдава на осцилоскопа. Не фотоните се движат със суперлуминална скорост, а по-специално импулсната обвивка, нейният максимум, който се наблюдава на осцилоскопа. Не фотоните се движат със суперлуминална скорост, а по-специално импулсната обвивка, нейният максимум, който се наблюдава на осцилоскопа.
По този начин, докато в обикновените среди винаги има затихване на светлината и намаляване на нейната скорост, определено от показателя на пречупване, в активните лазерни среди се наблюдава не само усилване на светлината, но и разпространение на импулс със свръхсветна скорост.
Някои физици се опитват експериментално да докажат съществуването на свръхлюминално движение в тунелния ефект - едно от най-невероятните явления в квантовата механика. Този ефект се състои във факта, че микрочастица (по-точно микрообъект, проявяващ както свойствата на частица, така и свойствата на вълна при различни условия) е в състояние да проникне в така наречената потенциална бариера - явление, което е напълно невъзможно в класическата механика (в който аналогът би била такава ситуация: Топка, хвърлена в стената, ще бъде от другата страна на стената или вълнообразното движение, придадено на въжето, свързано към стената, ще бъде предадено на въжето, вързано към стената от другата страна). Същността на тунелния ефект в квантовата механика е следната. Ако микро-обект с определена енергия среща зона с потенциална енергия по пътя си,надвишаваща енергията на микро-обекта, тази зона е за него бариера, височината на която се определя от енергийната разлика. Но микрообектът „прониква“през бариерата! Тази възможност му се предоставя от добре познатата връзка на Хайзенберг с несигурността, написана за времето на енергия и взаимодействие. Ако взаимодействието на микро-обекта с бариерата се случи за достатъчно определено време, тогава енергията на микро-обекта, напротив, ще се характеризира с несигурност и ако тази несигурност е от порядъка на височината на бариерата, то последният престава да бъде непреодолима пречка за микро-обекта. Тук скоростта на проникване през потенциална бариера е станала обект на изследване от редица физици, които смятат, че тя може да надвиши s. Но микрообектът „прониква“през бариерата! Тази възможност му се предоставя от добре познатата връзка на Хайзенберг с несигурността, написана за времето на енергия и взаимодействие. Ако взаимодействието на микро-обекта с бариерата се случи за достатъчно определено време, тогава енергията на микро-обекта, напротив, ще се характеризира с несигурност и ако тази несигурност е от порядъка на височината на бариерата, то последният престава да бъде непреодолима пречка за микро-обекта. Тук скоростта на проникване през потенциална бариера е станала обект на изследване от редица физици, които смятат, че тя може да надвиши s. Но микрообектът „прониква“през бариерата! Тази възможност му се предоставя от добре познатата връзка на Хайзенберг с несигурността, написана за времето на енергия и взаимодействие. Ако взаимодействието на микро-обекта с бариерата се случи за достатъчно определено време, тогава енергията на микро-обекта, напротив, ще се характеризира с несигурност и ако тази несигурност е от порядъка на височината на бариерата, то последният престава да бъде непреодолима пречка за микро-обекта. Тук скоростта на проникване през потенциална бариера е станала обект на изследване от редица физици, които смятат, че тя може да надвиши s. Ако взаимодействието на микро-обекта с бариерата се случи за достатъчно определено време, тогава енергията на микро-обекта, напротив, ще се характеризира с несигурност и ако тази несигурност е от порядъка на височината на бариерата, то последният престава да бъде непреодолима пречка за микро-обекта. Тук скоростта на проникване през потенциална бариера е станала обект на изследване от редица физици, които смятат, че тя може да надвиши s. Ако взаимодействието на микро-обекта с бариерата се случи за достатъчно определено време, тогава енергията на микро-обекта, напротив, ще се характеризира с несигурност и ако тази несигурност е от порядъка на височината на бариерата, тогава последният престава да бъде непреодолима пречка за микро-обекта. Тук скоростта на проникване през потенциална бариера е станала обект на изследване от редица физици, които смятат, че тя може да надвиши s.
През юни 1998 г. в Кьолн се проведе международен симпозиум по проблемите с FTL, където бяха обсъдени резултатите, получени в четири лаборатории - в Беркли, Виена, Кьолн и във Флоренция.
И накрая, през 2000 г. има съобщения за два нови експеримента, в които се появяват ефектите на свръхлюминовото размножаване. Един от тях е изпълнен от Лиджун Вонг и негови колеги в изследователски институт в Принстън (САЩ). Резултатът му е, че светлинният импулс, влизащ в камерата, напълнена с цезиеви пари, увеличава скоростта си 300 пъти. Оказа се, че основната част на импулса напуска далечната стена на камерата дори по-рано, отколкото импулсът навлиза в камерата през предната стена. Тази ситуация противоречи не само на здравия разум, но и по същество на теорията на относителността.
Посланието на Л. Вонг предизвика интензивна дискусия сред физиците, повечето от които не са склонни да видят в резултатите, получени в нарушение на принципите на относителността. Предизвикателството според тях е да се обясни правилно този експеримент.
В експеримента на Л. Вонг светлинният импулс, влизащ в камерата с цезиеви пари, е с продължителност около 3 µs. Цезиевите атоми могат да бъдат в шестнадесет възможни квантово-механични състояния, наречени „магнитни хиперфини земни нива на ниво. С помощта на оптично лазерно изпомпване почти всички атоми бяха въведени само в едно от тези шестнадесет състояния, което съответства на почти абсолютна нулева температура по скалата на Келвин (-273.15оС). Камерата на цезий беше дълга 6 сантиметра. Във вакуум светлината изминава 6 сантиметра за 0,2 ns. Измерванията показаха, че светлинният импулс преминава през камерата с цезий за 62 ns по-малко време, отколкото във вакуум. С други думи, времето за преминаване на импулса през цезиевата среда има знак минус! Всъщност, ако 62 ns се извадят от 0,2 ns, получаваме "отрицателно" време. Това "отрицателно забавяне" в средата - неразбираем скок във времето - е равно на времето, през което импулсът би направил 310 преминава през камерата във вакуум. Последицата от това „временно преобръщане“беше, че импулсът, напускащ камерата, имаше време да се отдалечи от нея с 19 метра, преди входящият импулс да достигне близката стена на камерата. Как може да се обясни такава невероятна ситуация (ако, разбира се, няма съмнение за чистотата на експеримента)?да не се съмнявам в чистотата на експеримента)?да не се съмнявам в чистотата на експеримента)?
Съдейки по разгръщащата се дискусия, все още не е намерено точно обяснение, но няма съмнение, че необичайните дисперсионни свойства на средата играят роля тук: парите цезий, състоящи се от атоми, възбудени от лазерна светлина, са среда с аномална дисперсия. Нека припомним накратко какво представлява.
Дисперсията на веществото е зависимостта на фазовия (конвенционален) показател на пречупване n от дължината на вълната на светлина l. При нормална дисперсия индексът на пречупване се увеличава с намаляване на дължината на вълната и това се случва в стъкло, вода, въздух и всички други вещества, прозрачни за светлина. При вещества, които силно поглъщат светлина, хода на показателя на пречупване се променя в противоположно с промяна в дължината на вълната и става много по-стръмен: с намаляване на l (увеличение на честотата w) индексът на пречупване рязко намалява и в определен регион на дължини на вълната става по-малък от единство (фазовата скорост Vph> s). Това е аномалната дисперсия, при която картината на разпространението на светлината в материята се променя коренно. Груповата скорост Vgr става по-голяма от фазовата скорост на вълните и може да надвиши скоростта на светлината във вакуум (и също да стане отрицателна). L. Вонг посочва това обстоятелство като причина, която лежи в основата на възможността да се обяснят резултатите от неговия експеримент. Трябва да се отбележи обаче, че условието Vgr> c е чисто формално, тъй като концепцията за груповата скорост е въведена за случая с ниска (нормална) дисперсия, за прозрачни среди, когато група вълни почти не променя формата си по време на разпространението. В региони с аномална дисперсия, от друга страна, светлинният импулс бързо се деформира и понятието за групова скорост губи своето значение; в този случай се въвеждат понятията за скоростта на сигнала и скоростта на разпространение на енергията, които в прозрачните среди съвпадат с груповата скорост, а в среди с абсорбция остават по-малки от скоростта на светлината във вакуум. Но ето какво е интересно в експеримента на Вонг: лек импулс, преминал през среда с аномална дисперсия, не се деформира - той запазва точната си форма!И това съответства на предположението за разпространението на импулса с груповата скорост. Но ако е така, тогава се оказва, че в средата няма абсорбция, въпреки че аномалната дисперсия на средата се дължи именно на абсорбцията! Самият Вонг, признавайки, че все още не е ясно, вярва, че това, което се случва в неговата експериментална постановка, може в първо приближение да бъде ясно обяснено по следния начин.
Светлинният импулс се състои от много компоненти с различна дължина на вълната (честоти). Фигурата показва три от тези компоненти (вълни 1-3). В един момент и трите вълни са във фаза (техните максимуми съвпадат); тук те, добавяйки се, се подсилват взаимно и образуват импулс. Докато вълните се разпространяват по-нататък в пространството, вълните са извън фаза и по този начин "гасят" една друга.
В областта на аномална дисперсия (вътре в цезиевата клетка) вълната, която е била по-къса (вълна 1), става по-дълга. И обратно, вълната, която беше най-дългата от трите (вълна 3), става най-късата.
Следователно фазите на вълните се променят съответно. Когато вълните преминат през цезиевата клетка, техните вълнови фронтове се възстановяват. След като претърпяха необичайна фазова модулация в вещество с аномална дисперсия, трите разглеждани вълни отново са във фаза в определен момент. Тук те отново се сгъват и образуват импулс с точно същата форма като влизането в цезиевата среда.
Обикновено във въздуха и почти във всяка прозрачна среда с нормална дисперсия, светлинният импулс не може точно да поддържа формата си, когато се разпространява на далечно разстояние, т.е. И при нормални условия светлинен импулс в такава далечна точка се появява след известно време. Поради аномалните свойства на средата, използвана в експеримента, импулсът в отдалечена точка се оказва фазиран по същия начин, както при влизане в тази среда. По този начин светлинният импулс се държи така, сякаш има отрицателно време закъснение по пътя си към далечна точка, тоест щеше да стигне до него не по-късно, но по-рано, отколкото да премине околната среда!
Повечето физици са склонни да свързват този резултат с появата на нискоинтензивен предшественик в дисперсивната среда на камерата. Факт е, че при спектралното разлагане на импулс, спектърът съдържа компоненти на произволно високи честоти с нищожна амплитуда, така наречения предшественик, който излиза пред "основната част" на импулса. Естеството на установяването и формата на предшественика зависят от закона на дисперсията в средата. Имайки това предвид, се предлага последователността на събитията в експеримента на Вонг да се тълкува по следния начин. Настъпващата вълна, „опъвайки“предвестника пред себе си, се приближава до камерата. Преди пикът на входящата вълна да удари близката стена на камерата, предшественикът инициира импулс в камерата, който достига до далечната стена и се отразява от нея, образувайки "обратна вълна". Тази вълнаразпространявайки се 300 пъти по-бързо от с, достига до близката стена и среща входящата вълна. Върховете на една вълна срещат коритата на друга, така че те се унищожават взаимно и в резултат на това нищо не остава. Оказва се, че настъпващата вълна "връща дълга" на атомите на цезий, които "отдават" енергия на него в другия край на камерата. Всеки, който би наблюдавал само началото и края на експеримента, би виждал само пулс светлина, който „скочи“напред във времето, движейки се по-бързо с. Видях само пулс светлина, който „скочи“напред във времето, движейки се по-бързо с. Видях само пулс светлина, който „скочи“напред във времето, движейки се по-бързо с.
Л. Вонг смята, че неговият експеримент не е съгласен с теорията на относителността. Според него твърдението за непостижимостта на свръхсветна скорост е приложимо само за обекти с маса на покой. Светлината може да бъде представена или под формата на вълни, за които понятието маса обикновено е неприложимо, или под формата на фотони с маса на покой, както е известно, равно на нула. Следователно скоростта на светлината във вакуум, смята Вонг, не е границата. Независимо от това, Вонг признава, че откритият от него ефект не позволява да се прехвърля информация със скорост, по-голяма от s.
„Информацията тук вече е във водещия ръб на пулса“, казва П. Милони, физик от американската Национална лаборатория в Лос Аламос. „И можете да създадете впечатлението, че изпращате информация по-бързо от светлината, дори когато не я изпращате.“
Повечето физици смятат, че новата работа не нанася съкрушителен удар върху основните принципи. Но не всички физици смятат, че проблемът е решен. Професор А. Ранфагни от италианската изследователска група, която проведе още един интересен експеримент през 2000 г., смята, че въпросът остава отворен. Този експеримент, проведен от Даниел Мугнай, Анедио Ранфагни и Роко Руджери, установява, че радиовълните от сантиметрови ленти при нормално пътуване с въздух със скорост 25% по-голяма от с.
В обобщение можем да кажем следното
Работата през последните години показва, че при определени условия може да се осъществи свръхлюминална скорост. Но какво точно се движи със свръхлюминална скорост? Теорията на относителността, както вече беше споменато, забранява такава скорост за материалните тела и за сигналите, пренасящи информация. Въпреки това някои изследователи много упорито се опитват да демонстрират как да преодолеят светлинната бариера за сигнали. Причината за това се крие във факта, че в специалната теория на относителността няма строга математическа обосновка (базирана, да речем, на уравненията на Максуел за електромагнитното поле) за невъзможността да се предават сигнали със скорост, по-голяма от s. Такава невъзможност в SRT е установена, може да се каже, чисто аритметично, изхождайки от формулата на Айнщайн за добавяне на скорости, т.е.но това е потвърдено фундаментално от принципа на причинността. Самият Айнщайн, разглеждайки въпроса за свръхлюминовото предаване на сигнал, пише, че в този случай "… ние сме принудени да разгледаме механизъм за предаване на сигнал, когато използваме постигнатото действие предшества причината. Но въпреки че този резултат от чисто логична гледна точка не съдържа, според мен без противоречия, все още противоречи на характера на целия ни опит толкова много, че невъзможността на предположението V> c изглежда достатъчно доказана. " Принципът на причинността е крайъгълният камък, който стои в основата на невъзможността за предаване на сигнал FTL. И този камък, очевидно, ще спъне всички, без изключение, търсене на свръхлюбени сигнали, без значение колко експериментаторите биха искали да намерят такива сигнали, т.е.защото това е природата на нашия свят.
Но все пак нека си представим, че математиката на относителността все пак ще работи със скорости по-бързи от светлината. Това означава, че теоретично все още можем да открием какво би се случило, ако тялото се случи да надвиши скоростта на светлината.
Представете си два космически кораба, които се отправят от Земята към звезда, която е на 100 светлинни години от нашата планета. Първият кораб напуска Земята с 50% скорост на светлината, така че ще отнеме 200 години за цялото пътуване. Вторият кораб, оборудван с хипотетично задвижване на основата, ще пътува с 200% от скоростта на светлината, но 100 години след първия. Какво ще се случи?
Според теорията на относителността правилният отговор до голяма степен зависи от гледната точка на наблюдателя. От Земята ще изглежда, че първият кораб вече е изминал значително разстояние, преди да бъде изпреварен от втория кораб, който се движи четири пъти по-бързо. Но от гледна точка на хората на първия кораб, всичко е малко по-различно.
Кораб №2 се движи по-бързо от светлината, което означава, че той дори може да изпревари светлината, която излъчва сам. Това води до един вид „лека вълна“(аналогична на звука, само вместо вибрации на въздуха, светлинните вълни вибрират тук), което генерира няколко интересни ефекта. Спомнете си, че светлината от кораб №2 се движи по-бавно от самия кораб. В резултат на това ще се получи визуално удвояване. С други думи, в началото екипажът на кораба №1 ще види, че вторият кораб се появи до него, сякаш от нищото. След това светлината от втория кораб ще достигне първия с леко закъснение и резултатът ще бъде видимо копие, което ще се движи в същата посока с леко закъснение.
Нещо подобно може да се види в компютърните игри, когато в резултат на повреда в системата двигателят зарежда модела и неговите алгоритми в крайната точка на движение по-бързо, отколкото завършва самата анимация, така че да се появят множество действия. Вероятно затова нашето съзнание не възприема хипотетичния аспект на Вселената, в който телата се движат със свръхсветна скорост - може би това е за най-доброто.
PS … но в последния пример не разбрах нещо, защо истинското положение на кораба се свързва със "излъчваната от него светлина"? Е, нека го видят като нещо не там, но в действителност той ще изпревари първия кораб!