Superluminaalne reisimine on kosmose ulme üks alustalasid. Kuid arvatavasti kõik - isegi füüsikast kaugel olevad inimesed - teavad, et materiaalsete objektide maksimaalne võimalik liikumiskiirus või mis tahes signaalide levik on valguse kiirus vaakumis. Seda tähistatakse tähega c ja see on peaaegu 300 tuhat kilomeetrit sekundis; täpne väärtus on c = 299 792 458 m / s.
Valguse kiirus vaakumis on üks põhilisi füüsikalisi konstante. C) kiirust ületavate kiiruste saavutamise võimatus tuleneb Einsteini spetsiaalsest relatiivsusteooriast (SRT). Kui oleks võimalik tõestada, et signaale saab edastada ülilumina kiirusel, langeb relatiivsusteooria. Siiani pole seda juhtunud, vaatamata arvukatele katsetele ümber lükata c-st suurema kiiruse olemasolu keeld. Kuid hiljutistes eksperimentaalsetes uuringutes on avastatud mõned väga huvitavad nähtused, mis osutavad, et spetsiaalselt loodud tingimustes võib täheldada superluminaalseid kiirusi ja relatiivsusteooria põhimõtteid ei rikuta.
Alustuseks meenutagem peamisi valguse kiiruse probleemiga seotud aspekte.
Esiteks: miks on võimatu (normaalsetes tingimustes) valguse piiri ületada? Sest siis rikutakse meie maailma põhiseadust - põhjuslikkuse seadust, mille kohaselt tagajärg ei saa alust ületada. Keegi pole kunagi jälginud, et esiteks langes karu surnuks ja siis tulistas jahimees. Kiirusel üle s on sündmuste jada vastupidine, aja lint keritakse ümber. Seda on lihtne kontrollida järgmiste lihtsate põhjenduste põhjal.
Oletame, et asume mingil kosmose imelaeval, liigume kiiremini kui valgus. Siis jõuame järk-järgult valgust, mida kiirgusallikas kiirgab varasematel ja varasematel hetkedel. Esiteks jõuaksime kiirgavate footoniteni, ütleme eile, siis need, mis eralduvad eile, siis nädal, kuu, aasta tagasi jne. Kui valgusallikas oleks elu peegeldav peegel, näeksime kõigepealt eilset, siis üleeile ja nii edasi. Võiksime öelda, et vana mees, kes muutub järk-järgult keskealiseks, seejärel noormeheks, nooruseks, lapseks … St aeg pöörduks tagasi, liiguksime praegusest minevikku. Põhjused ja tagajärjed oleksid vastupidised.
Ehkki see arutluskäik eirab täielikult valguse vaatlemise protsessi tehnilisi detaile, näitab see põhimõttelisest aspektist selgelt, et üliliku kiirusega liikumine viib meie maailmas võimatu olukorrani. Loodus on aga seadnud veelgi rangemad tingimused: on kättesaamatu liikuda mitte ainult superluminaalse kiirusega, vaid ka kiirusega, mis on võrdne valguse kiirusega - saate sellele ainult läheneda. Relatiivsusteooriast järeldub, et liikumiskiiruse suurenemisega tekivad kolm asjaolu: liikuva objekti mass suureneb, selle suurus väheneb liikumissuunas ja ajavoog sellel objektil aeglustub (välise "puhkava" vaatleja seisukohast). Tavalise kiirusega on need muutused ebaolulised, kuid valguse kiirusele lähenedes muutuvad need märgatavamaks,ja piires - kiirusega, mis on võrdne c-ga, muutub mass lõpmata suureks, objekt kaotab liikumise suunas täielikult oma suuruse ja aeg peatub sellel. Seetõttu ei pääse ükski materiaalne keha valguse kiirusele. Ainult valgus ise on sellise kiirusega! (Ja ka kõikehõlmav osake - neutriino, mis nagu footon ei saa liikuda väiksema kiirusega kui s.)
Nüüd signaali edastamise kiirusest. Siinkohal on asjakohane kasutada valguse kujutist elektromagnetiliste lainete kujul. Mis on signaal? See on mingi edastatav teave. Ideaalne elektromagnetiline laine on rangelt ühe sagedusega lõpmatu sinusoid ja see ei saa edastada mingit teavet, sest iga sellise sinusoidi periood kordab täpselt eelmist. Sinusoidaalse laine faasi liikumiskiirus - nn faasikiirus - võib keskkonnas teatud tingimustel ületada vaakumis valguse kiirust. Siin pole mingeid piiranguid, kuna faasi kiirus ei ole signaali kiirus - seda pole veel olemas. Signaali loomiseks peate lainele tegema mingisuguse "märgi". Selliseks märgiks võib olla näiteks mis tahes laineparameetri - amplituudi, sageduse või algfaasi - muutus. Aga kui märk on tehtud,laine kaotab sinusoidsuse. See muutub modulatsiooniks, mis koosneb lihtsa siinuslainete komplektist, millel on erinevad amplituudid, sagedused ja algfaasid - lainete rühm. Kiirus, millega märk liigub moduleeritud laines, on signaali kiirus. Keskkonnas levimisel langeb see kiirus tavaliselt kokku grupi kiirusega, mis iseloomustab ülalmainitud lainete rühma levikut tervikuna (vt Teadus ja Elu nr 2, 2000). Normaaltingimustes on rühma kiirus ja seega ka signaali kiirus väiksem kui valguse kiirus vaakumis. Pole juhus, et kasutatakse väljendit "normaaltingimustes", kuna mõnel juhul võib ka rühma kiirus ületada c või isegi kaotada oma tähenduse, kuid siis see signaali levimisel ei kehti. SRT-s on kindlaks tehtud, et signaali edastamine kiirusega üle s on võimatu. See muutub modulatsiooniks, mis koosneb lihtsa siinuslainete komplektist, millel on erinevad amplituudid, sagedused ja algfaasid - lainete rühm. Kiirus, millega märk liigub moduleeritud laines, on signaali kiirus. Keskkonnas levimisel langeb see kiirus tavaliselt kokku grupi kiirusega, mis iseloomustab ülalmainitud lainete rühma levikut tervikuna (vt Teadus ja Elu nr 2, 2000). Normaaltingimustes on rühma kiirus ja seega ka signaali kiirus väiksem kui valguse kiirus vaakumis. Pole juhus, et kasutatakse väljendit "normaaltingimustes", kuna mõnel juhul võib ka rühma kiirus ületada c või isegi kaotada oma tähenduse, kuid siis see signaali levimisel ei kehti. SRT-s on kindlaks tehtud, et signaali edastamine kiirusega üle s on võimatu. See muutub modulatsiooniks, mis koosneb lihtsa siinuslainete komplektist, millel on erinevad amplituudid, sagedused ja algfaasid - lainete rühm. Kiirus, millega märk liigub moduleeritud laines, on signaali kiirus. Keskkonnas levimisel langeb see kiirus tavaliselt kokku grupi kiirusega, mis iseloomustab ülalmainitud lainete rühma levikut tervikuna (vt Teadus ja Elu nr 2, 2000). Normaaltingimustes on rühma kiirus ja seega ka signaali kiirus väiksem kui valguse kiirus vaakumis. Pole juhus, et kasutatakse väljendit "normaaltingimustes", kuna mõnel juhul võib ka rühma kiirus ületada c või isegi kaotada oma tähenduse, kuid siis see signaali levimisel ei kehti. SRT-s on kindlaks tehtud, et signaali edastamine kiirusega üle s on võimatu.mis koosneb erinevate amplituudide, sageduste ja algfaasidega lihtsate siinuslainete komplektist - lainete rühm. Kiirus, millega märk liigub moduleeritud laines, on signaali kiirus. Keskkonnas levimisel langeb see kiirus tavaliselt kokku rühma kiirusega, mis iseloomustab ülalmainitud lainete rühma levikut tervikuna (vt Teadus ja Elu nr 2, 2000). Normaaltingimustes on rühma kiirus ja seega ka signaali kiirus väiksem kui valguse kiirus vaakumis. Pole juhus, et kasutatakse väljendit "normaaltingimustes", kuna mõnel juhul võib ka rühma kiirus ületada c või isegi kaotada oma tähenduse, kuid siis see signaali levimisel ei kehti. SRT-s on kindlaks tehtud, et signaali edastamine kiirusega üle s on võimatu.mis koosneb erinevate amplituudide, sageduste ja algfaasidega lihtsate siinuslainete komplektist - lainete rühm. Kiirus, millega märk liigub moduleeritud laines, on signaali kiirus. Keskkonnas levimisel langeb see kiirus tavaliselt kokku rühma kiirusega, mis iseloomustab ülalmainitud lainete rühma levikut tervikuna (vt Teadus ja Elu nr 2, 2000). Normaaltingimustes on rühma kiirus ja seega ka signaali kiirus väiksem kui valguse kiirus vaakumis. Pole juhus, et kasutatakse väljendit "normaaltingimustes", kuna mõnel juhul võib ka rühma kiirus ületada c või isegi kaotada oma tähenduse, kuid siis see signaali levimisel ei kehti. SRT-s on kindlaks tehtud, et signaali edastamine kiirusega üle s on võimatu.sagedused ja algfaasid - lainete rühmad. Kiirus, millega märk liigub moduleeritud laines, on signaali kiirus. Keskkonnas levimisel langeb see kiirus tavaliselt kokku rühma kiirusega, mis iseloomustab ülalmainitud lainete rühma levikut tervikuna (vt Teadus ja Elu nr 2, 2000). Normaaltingimustes on rühma kiirus ja seega ka signaali kiirus väiksem kui valguse kiirus vaakumis. Pole juhus, et kasutatakse väljendit "normaaltingimustes", kuna mõnel juhul võib ka rühma kiirus ületada c või isegi kaotada oma tähenduse, kuid siis see signaali levimisel ei kehti. SRT-s on kindlaks tehtud, et signaali edastamine kiirusega üle s on võimatu.sagedused ja algfaasid - lainete rühmad. Kiirus, millega märk liigub moduleeritud laines, on signaali kiirus. Keskkonnas levimisel langeb see kiirus tavaliselt kokku grupi kiirusega, mis iseloomustab ülalmainitud lainete rühma levikut tervikuna (vt Teadus ja Elu nr 2, 2000). Normaaltingimustes on rühma kiirus ja seega ka signaali kiirus väiksem kui valguse kiirus vaakumis. Pole juhus, et kasutatakse väljendit "normaaltingimustes", kuna mõnel juhul võib ka rühma kiirus ületada c või isegi kaotada oma tähenduse, kuid siis see signaali levimisel ei kehti. SRT-s on kindlaks tehtud, et signaali edastamine kiirusega üle s on võimatu. Keskkonnas levimisel langeb see kiirus tavaliselt kokku grupi kiirusega, mis iseloomustab ülalmainitud lainete rühma levikut tervikuna (vt Teadus ja Elu nr 2, 2000). Normaaltingimustes on rühma kiirus ja seega ka signaali kiirus väiksem kui valguse kiirus vaakumis. Pole juhus, et kasutatakse väljendit "normaaltingimustes", kuna mõnel juhul võib ka rühma kiirus ületada c või isegi kaotada oma tähenduse, kuid siis see signaali levimisel ei kehti. SRT-s on kindlaks tehtud, et signaali edastamine kiirusega üle s on võimatu. Keskkonnas levimisel langeb see kiirus tavaliselt kokku grupi kiirusega, mis iseloomustab ülalmainitud lainete rühma levikut tervikuna (vt Teadus ja Elu nr 2, 2000). Normaaltingimustes on rühma kiirus ja seega ka signaali kiirus väiksem kui valguse kiirus vaakumis. Pole juhus, et kasutatakse väljendit "normaaltingimustes", kuna mõnel juhul võib ka rühma kiirus ületada c või isegi kaotada oma tähenduse, kuid siis see signaali levimisel ei kehti. SRT-s on kindlaks tehtud, et signaali edastamine kiirusega üle s on võimatu. Pole juhus, et kasutatakse väljendit "normaaltingimustes", kuna mõnel juhul võib ka rühma kiirus ületada c või isegi kaotada oma tähenduse, kuid siis see signaali levimisel ei kehti. SRT-s on kindlaks tehtud, et signaali edastamine kiirusega üle s on võimatu. Pole juhus, et kasutatakse väljendit "normaaltingimustes", kuna mõnel juhul võib ka rühma kiirus ületada c või isegi kaotada oma tähenduse, kuid siis see signaali levimisel ei kehti. SRT-s on kindlaks tehtud, et signaali edastamine kiirusega üle s on võimatu.
Reklaamvideo:
Miks see nii on? Kuna sama põhjuslikkuse seadus on takistuseks mis tahes signaali edastamisel, mille kiirus on suurem kui c. Kujutame ette järgmist olukorda. Mingil hetkel A lülitub teatud raadiosignaali saatvale seadmele sisse välk (sündmus 1) ja kaugemas punktis B toimub selle raadiosignaali toimel plahvatus (sündmus 2). On selge, et sündmus 1 (välk) on põhjus ja sündmus 2 (plahvatus) on tagajärg, mis toimub hiljem kui põhjus. Kuid kui raadiosignaal levis ülikiirel kiirusel, näeks punkti B lähedal olev vaatleja kõigepealt plahvatust ja alles siis - plahvatuse põhjustajaks välk, mis jõudis temani välklambi kiirusel. Teisisõnu, selle vaatleja jaoks toimuks sündmus 2 varem kui sündmus 1, see tähendab, et mõju ületaks põhjuse.
On asjakohane rõhutada, et relatiivsusteooria "superluminaalne keeld" kehtestatakse ainult materiaalsete kehade liikumisele ja signaalide edastamisele. Paljudes olukordades on liikumine mis tahes kiirusel võimalik, kuid see ei ole materiaalsete objektide ega signaalide liikumine. Kujutage ette näiteks kahte üsna pikka tasapinda, mis asuvad samal tasapinnal, millest üks on horisontaalne ja teine ristub väikese nurga all. Kui esimest joonlauda liigutatakse suurel kiirusel allapoole (noolega näidatud suunas), saab joonlaudade ristumispunkti panna nii kiiresti kui soovite, kuid see punkt ei ole materiaalne keha. Veel üks näide: kui võtate taskulambi (või näiteks laseri, mis annab kitsa kiire) ja kirjeldate kiiresti õhus asuvat kaari, siis suureneb valguse koha lineaarkiirus vahemaaga ja piisavalt suurel kaugusel ületab c. Valguspunkt liigub punktide A ja B vahel superluminaalsel kiirusel, kuid see ei ole signaali edastamine punktist A punkti B, kuna selline hele koht ei kanna punkti A kohta mingit teavet.
Näib, et ülikõrgkiiruse küsimus on lahendatud. Kuid kahekümnenda sajandi 60-ndatel aastatel esitasid teoreetilised füüsikud hüpoteesi superluminaalsete osakeste olemasolust, mida nimetatakse tahhüoonideks. Need on väga kummalised osakesed: teoreetiliselt on need võimalikud, kuid relatiivsusteooriaga vastuolude vältimiseks pidid nad omistama kujuteldava puhkemassi. Füüsiliselt kujuteldavat massi ei eksisteeri, see on puhtalt matemaatiline abstraktsioon. Kuid see ei tekitanud palju häireid, kuna tahhüoonid ei saa puhkeasendis olla - nad eksisteerivad (kui need on olemas!) Ainult kiirusel, mis ületab valguse kiirust vaakumis, ja sel juhul osutub tahhoni mass tegelikuks. Siin on mõni analoog footonitega: footonil on null puhkemass, kuid see tähendab lihtsalt seda, et footon ei saa puhkeolekus olla - valgust ei saa peatada.
Kõige keerulisem, nagu arvati, oli tahhüüdi hüpoteesi ühitamine põhjuslikkuse seadusega. Selles suunas tehtud katsed, kuigi need olid üsna leidlikud, ei toonud ilmset edu. Kellelgi ei õnnestunud ka tahhoonide registreerimist katseliselt. Selle tagajärjel kahanes järk-järgult huvi tahhoonide kui üleluminaalsete põhiosakeste vastu.
Kuid 60ndatel avastati eksperimentaalselt nähtus, mis füüsikud alguses segadusse ajas. Seda on üksikasjalikult kirjeldatud A. N. Oraevsky artiklis "Ülalained võimendavas keskkonnas" (Phys. Phys. Nr 12, 1998). Siin teeme lühidalt kokkuvõtte, viidates üksikasjadest huvitatud lugejale täpsustatud artikli juurde.
Varsti pärast laserite avastamist - 60ndate alguses - tekkis probleem lühikese (umbes 1 ns = 10-9 s) suure võimsusega valgusimpulsside saamisega. Selleks lasti läbi optilise kvantvõimendi lühikese laserimpulsi. Impulss jaotati kaheks osaks tala jagava peegli abil. Neist üks, võimsam, saadeti võimendisse, teine levis õhus ja toimis võrdlusimpulssina, millega sai võrrelda võimendi läbinud impulsi. Mõlemad impulsid suunati fotodetektoritesse ja nende väljundsignaale oli võimalik visuaalselt jälgida ostsilloskoobi ekraanil. Oodati, et võimendit läbiv valguse impulss kogeb selles teatavat viivitust võrreldes võrdlusimpulsiga, see tähendab, et valguse levimise kiirus võimendis on väiksem kui õhus. Kujutage ette teadlaste üllatust, kui nad avastasid, et impulss levib läbi võimendi kiirusel, mis pole mitte ainult suurem kui õhus, vaid ületab ka valguse kiirust vaakumis mitu korda!
Esimesest šokist taastunud, hakkasid füüsikud otsima sellise ootamatu tulemuse põhjust. Keegi ei kahelnud vähimatki kahtlust relatiivsusteooria eriteooria põhimõtete osas ja just see aitas leida õige seletuse: kui spetsiaalse relatiivsustegevuse põhimõtted säilivad, siis tuleks vastust otsida võimendava keskkonna omadustest.
Siin üksikasjadesse laskumata juhime tähelepanu vaid sellele, et võimenduskeskkonna toimemehhanismi üksikasjalik analüüs on olukorra täielikult selgitanud. Asi seisnes footonite kontsentratsiooni muutuses impulsi levimise ajal - muutuses, mis on põhjustatud keskkonna võimenduse muutumisest kuni negatiivse väärtuseni impulsi tagumise osa läbimisel, kui keskkond neelab juba energiat, kuna selle enda reserv on juba kulunud tänu valguse impulssile edastamisele. Imendumine ei põhjusta võimendust, vaid impulsi nõrgenemist, seega impulss tugevneb eest ja nõrgeneb tagant. Kujutame ette, et jälgime võimenduskeskkonnas valguse kiirusel liikuva seadme abil impulssi. Kui keskkond oleks läbipaistev, näeksime impulssi liikumatuses külmunud. Keskkonnaskus toimub ülalnimetatud protsess, ilmub vaatlejale esiserva võimendamine ja impulsi tagaserva nõrgenemine nii, et kandja on justkui impulsi edasi viinud. Kuid kuna seade (vaatleja) liigub valguse kiirusel ja impulss ületab selle, siis ületab impulsi kiirus valguse kiirust! Just selle efekti registreerisid eksperimenteerijad. Ja siin pole tõepoolest mingit vastuolu relatiivsusteooriaga: lihtsalt võimendusprotsess on selline, et varem välja tulnud footonite kontsentratsioon osutub suuremaks kui need, mis hiljem välja tulid. Superluminaalse kiirusega ei liigu mitte footonid, vaid eelkõige impulsi ümbris, selle maksimaalne väärtus, mida ostsilloskoobil jälgitakse. Kuid kuna seade (vaatleja) liigub valguse kiirusel ja impulss ületab selle, siis ületab impulsi kiirus valguse kiirust! Just selle efekti registreerisid eksperimenteerijad. Ja siin pole tõepoolest mingit vastuolu relatiivsusteooriaga: lihtsalt võimendusprotsess on selline, et varem välja tulnud footonite kontsentratsioon osutub suuremaks kui need, mis hiljem välja tulid. Superluminaalse kiirusega ei liigu mitte footonid, vaid eelkõige impulsi ümbris, selle maksimaalne väärtus, mida ostsilloskoobil jälgitakse. Kuid kuna seade (vaatleja) liigub valguse kiirusel ja impulss ületab selle, siis ületab impulsi kiirus valguse kiirust! Just selle efekti registreerisid eksperimenteerijad. Ja siin pole tõepoolest mingit vastuolu relatiivsusteooriaga: lihtsalt võimendusprotsess on selline, et varem välja tulnud footonite kontsentratsioon osutub suuremaks kui need, mis hiljem välja tulid. Superluminaalse kiirusega ei liigu mitte footonid, vaid eelkõige impulsi ümbris, selle maksimaalne väärtus, mida ostsilloskoobil jälgitakse. Superluminaalse kiirusega ei liigu mitte footonid, vaid eelkõige impulsi ümbris, selle maksimaalne väärtus, mida ostsilloskoobil jälgitakse. Superluminaalse kiirusega ei liigu mitte footonid, vaid eelkõige impulsi ümbris, selle maksimaalne väärtus, mida ostsilloskoobil jälgitakse.
Seega, kui tavalistes meediumites toimub aktiivsetes laserkeskkondades alati valguse nõrgenemine ja selle kiiruse langus, mis on määratud murdumisnäitaja abil, siis mitte ainult valguse võimendamist, vaid ka impulsi levikut ülikiire kiirusega.
Mõned füüsikud on püüdnud eksperimentaalselt tõestada superluminaalse liikumise olemasolu tunneliefektis - see on kvantmehaanika üks hämmastavamaid nähtusi. See efekt seisneb selles, et mikroosake (täpsemalt mikroobjekt, millel on nii osakese kui ka laine omadused erinevatel tingimustel) suudab tungida läbi nn potentsiaalse barjääri - nähtus, mis on klassikalises mehaanikas täiesti võimatu (kus analoog oleks selline olukord): Seina sisse visatud pall oleks teisel pool seina või seina külge kinnitatud trossi laineline liigutus edastatakse teisel küljel seina külge kinnitatud köitele). Tunneliefekti tuum kvantmehaanikas on järgmine. Kui teatud energiaga mikroobjekt kohtub teekonnal potentsiaalse energiaga alaga,ületades mikroobjekti energia, on see ala selle jaoks barjääriks, mille kõrguse määrab energia erinevus. Kuid mikroobjekt "imbub" läbi tõkke! Selle võimaluse annab talle tuntud Heisenbergi määramatuse suhe, mis on kirjutatud energia ja interaktsiooni aja jaoks. Kui mikroobjekti vastastikmõju barjääriga toimub piisavalt kindla aja jooksul, iseloomustab mikroobjekti energiat vastupidi ebakindlus ja kui see mõõtemääramatus on barjääri kõrguse suurusjärgus, siis viimane lakkab olemast mikroobjekti ületamatu takistus. Siin on paljude füüsikute uurimise objektiks potentsiaalse barjääri kaudu läbitungimise kiirus. Nende arvates võib see ületada s. Kuid mikroobjekt "imbub" läbi tõkke! Selle võimaluse annab talle tuntud Heisenbergi määramatuse suhe, mis on kirjutatud energia ja interaktsiooni aja jaoks. Kui mikroobjekti vastastikmõju barjääriga toimub piisavalt kindla aja jooksul, iseloomustab mikroobjekti energiat vastupidi ebakindlus ja kui see mõõtemääramatus on barjääri kõrguse suurusjärgus, siis viimane lakkab olemast mikroobjekti ületamatu takistus. Siin on paljude füüsikute uurimise objektiks potentsiaalse barjääri kaudu läbitungimise kiirus. Nende arvates võib see ületada s. Kuid mikroobjekt "imbub" läbi tõkke! Selle võimaluse annab talle tuntud Heisenbergi määramatuse suhe, mis on kirjutatud energia ja interaktsiooni aja jaoks. Kui mikroobjekti vastastikmõju barjääriga toimub piisavalt kindla aja jooksul, iseloomustab mikroobjekti energiat vastupidi ebakindlus ja kui see mõõtemääramatus on barjääri kõrguse suurusjärgus, siis viimane lakkab olemast mikroobjekti ületamatu takistus. Siin on paljude füüsikute uurimise objektiks potentsiaalse barjääri kaudu läbitungimise kiirus. Nende arvates võib see ületada s. Kui mikroobjekti vastastikmõju barjääriga toimub piisavalt kindla aja jooksul, iseloomustab mikroobjekti energiat vastupidi ebakindlus ja kui see mõõtemääramatus on barjääri kõrguse suurusjärgus, siis viimane lakkab olemast mikroobjekti ületamatu takistus. Siin on paljude füüsikute uurimistöö objektiks potentsiaalse barjääri kaudu läbitungimise kiirus. Nende arvates võib see ületada s. Kui mikroobjekti vastastikmõju barjääriga toimub piisavalt kindla aja jooksul, iseloomustab mikroobjekti energiat vastupidi ebakindlus ja kui see mõõtemääramatus on barjääri kõrguse suurusjärgus, siis viimane lakkab olemast mikroobjekti ületamatu takistus. Siin on paljude füüsikute uurimistöö objektiks potentsiaalse barjääri kaudu läbitungimise kiirus. Nende arvates võib see ületada s.
1998. aasta juunis toimus Kölnis rahvusvaheline FTL-i probleemide sümpoosion, kus arutati nelja laboratooriumi - Berkeley, Viini, Kölni ja Firenze - tulemusi.
Ja lõpuks, 2000. aastal, oli teateid kahe uue katse kohta, milles ilmnesid superluminaalse levimise mõjud. Ühte neist esitasid Lijun Wong ja kaastöötajad Princetoni (USA) teadusinstituudis. Selle tulemuseks on, et tseesiumiauruga täidetud kambrisse sisenev valgusimpulss suurendab selle kiirust 300 korda. Selgus, et impulsi põhiosa väljub kambri kaugemast seinast isegi varem, kui impulss siseneb kambrisse läbi esiseina. See olukord on vastuolus mitte ainult terve mõistusega, vaid sisuliselt relatiivsusteooriaga.
L. Wongi sõnum kutsus esile intensiivse diskussiooni füüsikute seas, kellest enamik ei kipu nägema saadud tulemustes relatiivsustegevuse põhimõtete rikkumist. Nende arvates on väljakutse seda katset õigesti selgitada.
L. Wongi katses oli tseesiumiauruga kambrisse sisenenud valguse impulsi kestus umbes 3 μs. Tseesiumi aatomid võivad esineda kuueteistkümnes võimalikus kvantmehaanilises olekus, mida nimetatakse "magnetiliseks ülitäpseks oleku alamtasanditeks". Optiliste laserpumpade abil viidi peaaegu kõik aatomid kuueteistkümnest olekust ainult ühte, mis vastab peaaegu absoluutsele nulli temperatuurile Kelvini skaalal (-273,15 ° C). Tseesiumkamber oli 6 sentimeetrit pikk. Valgus liigub vaakumis 6 sentimeetrit 0,2 ns-ga. Mõõtmised näitasid, et valgusimpulss läbis tseesiumiga kambrist 62 ns vähem aega kui vaakumis. Teisisõnu, impulsi transiidi ajal tseesiumikeskkonnal on miinusmärk! Tõepoolest, kui 0,2 ns lahutatakse 62 ns, saame "negatiivse" aja. See keskkonnas esinev "negatiivne viivitus" - arusaamatu ajahüpe - on võrdne ajaga, mille jooksul pulss oleks teinud 310 vaakumis läbi kambri. Selle "ajutise ümbermineku" tagajärg oli, et kambrist väljuval impulssil oli aega sellest 19 meetri võrra kaugeneda, enne kui sisenev impulss jõudis kambri lähedale seinale. Kuidas saab seletada sellist uskumatut olukorda (kui muidugi pole kahtlust katse puhtuses)?katse puhtuses mitte kahelda)?katse puhtuses mitte kahelda)?
Laiema arutelu põhjal ei ole täpset selgitust veel leitud, kuid pole kahtlust, et siin mängivad rolli keskkonna ebaharilikud hajuvusomadused: tseesiumiaurud, mis koosnevad laservalguse ergastatud aatomitest, on anomaalse dispersiooniga keskkond. Meenutagem lühidalt, mis see on.
Aine dispersioon on faasi (tavapärase) murdumisnäitaja n sõltuvus valguse lainepikkusest. Normaalse dispersiooni korral suureneb murdumisnäitaja väheneva lainepikkusega ja see ilmneb klaasis, vees, õhus ja kõigis muudes valgusele läbipaistvates ainetes. Ainetes, mis neelavad tugevalt valgust, muutub murdumisnäitaja lainepikkuse muutumisega vastupidiseks ja muutub palju järsemaks: l langusega (sageduse suurenemisega w) langeb murdumisnäitaja järsult ja teatud lainepikkuste piirkonnas muutub see väiksemaks kui ühtsus (faasi kiirus Vph> s).). See on anomaalne hajumine, mille käigus valguse leviku pilt aines muutub radikaalselt. Grupi kiirus Vgr muutub lainete faasikiirusest suuremaks ja võib vaakumis ületada valguse kiirust (ja muutuda ka negatiivseks). L. Wong osutab sellele asjaolule kui põhjusele, mis võimaldas selgitada tema katse tulemusi. Siiski tuleb märkida, et tingimus Vgr> c on puhtalt formaalne, kuna väikese kiirusega (normaalse) hajumise korral läbipaistva meediumi jaoks kehtestati rühmakiiruse mõiste, kui lainete rühm ei muuda leviku ajal peaaegu oma kuju. Anomaalse hajuvuse piirkondades deformeerub valgusimpulss kiiresti ja rühma kiiruse mõiste kaotab mõtte; sel juhul võetakse kasutusele signaali kiiruse ja energia levimise kiiruse mõisted, mis läbipaistvates meediumites langevad kokku rühma kiirusega ja neeldumiskeskkonnas neeldumises jäävad vaakumis vähem kui valguse kiirus. Kuid siin on Wongi katses huvitav: anomaalse dispersiooniga keskkonnast läbinud kerge impulss ei deformeeru - see säilitab täpselt oma kuju!Ja see vastab eeldusele pulsi levimisest grupi kiirusega. Kuid kui jah, siis selgub, et söötmes ei imendu, ehkki söötme anomaalne hajutamine on tingitud just absorptsioonist! Wong ise, tunnistades, et palju on veel ebaselget, usub, et tema eksperimentaalses seadistuses toimuvat saab esimese lähendamisega järgmiselt selgitada.
Valgusimpulss koosneb paljudest komponentidest, millel on erinevad lainepikkused (sagedused). Joonisel on kujutatud neist kolmest komponendist kolm (lained 1-3). Mingil hetkel on kõik kolm lainet faasis (nende maksimumid langevad kokku); siin tugevdavad nad üksteist lisades üksteist ja annavad impulsi. Kuna lained levivad kosmoses veelgi, on lained faasist väljas ja seeläbi "kustutavad" üksteist.
Anomaalse dispersiooni piirkonnas (tseesiumi raku sees) muutub lühem laine (laine 1) pikemaks. Vastupidiselt muutub laine, mis oli kolmest pikim (laine 3), lühim.
Järelikult muutuvad lainete faasid vastavalt. Kui lained on tseesiumielemendist läbi käinud, taastatakse nende lainefrondid. Pärast anomaalse dispersiooniga aines ebahariliku faasimodulatsiooni läbimist on kolm vaadeldavat lainet jälle teatud ajahetkel faasis. Siin voldivad nad uuesti kokku ja moodustavad impulsi, mis on täpselt sama kuju kui sisenedes tseesiumikeskkonda.
Tavaliselt õhus ja praktiliselt ükskõik millises normaalse dispersiooniga läbipaistvas keskkonnas ei suuda valgusimpulss kaugelt levides täpselt oma kuju säilitada, see tähendab, et kõiki selle komponente ei saa levida üheski kaugemas punktis mööda levimisteed. Ja tavalistes tingimustes ilmub mõne aja pärast sellises kauges kohas kerge impulss. Kuid katses kasutatud söötme anomaalsete omaduste tõttu osutus pulss kaugemas punktis samamoodi nagu sellele söötmele sisenemisel. Seega käitub valgusimpulss justkui negatiivse ajaline viivitus teel kaugesse punkti, see tähendab, et ta oleks sinna jõudnud mitte hiljem, vaid varem, kui keskkonnast möödas!
Enamik füüsikuid kaldub seda tulemust seostama madala intensiivsusega prekursori ilmumisega kambri hajutavasse keskkonda. Fakt on see, et impulsi spektraalse lagunemise ajal sisaldab spekter suvaliselt kõrgete sagedustega komponente, mille amplituud on ebaoluline, nn eelkäijat, mis lähevad impulsi "põhiosast" ette. Asutamise laad ja eelkäija vorm sõltuvad levimisseadusest keskkonnas. Seda silmas pidades soovitatakse Wongi eksperimendi sündmuste jada tõlgendada järgmiselt. Saabuv laine, "sirutades" kuulutaja enda ette, läheneb kaamerale. Enne sissetuleva laine tipu jõudmist kambri lähedale seinale käivitab eelkäija kambris impulsi, mis ulatub kaugemasse seina ja peegeldub sellest, moodustades "tagumise laine". See lainelevib 300 korda kiiremini kui c, jõuab lähiseinani ja vastab sissetulevale lainele. Ühe laine tipud vastavad teise süvendile, nii et need hävitavad üksteist ja selle tagajärjel ei jää midagi järele. Selgub, et sissetulev laine "tagastab võla" tseesiumi aatomitele, mis "laenasid" energiat selle jaoks kambri teises otsas. Kõik, kes jälgiksid ainult katse algust ja lõppu, näeksid ainult valguse impulssi, mis "hüppas" ajas edasi, liikudes koos sellega kiiremini. Ma näeksin ainult sellist valguse impulssi, mis "hüppas" ajas edasi, liikudes koos sellega kiiremini. Ma näeksin ainult sellist valguse impulssi, mis "hüppas" ajas edasi, liikudes koos sellega kiiremini.
L. Wong usub, et tema eksperiment ei ole relatiivsusteooriaga nõus. Tema hinnangul on avaldus superluminaalse kiiruse vastuvõetamatuse kohta kohaldatav ainult puhkemassiga objektidele. Valgust võib esindada kas lainetena, mille puhul massi mõistet üldiselt ei kohaldata, või footonite kujul, mille puhkemass, nagu teada, on võrdne nulliga. Seetõttu ei ole valguse kiirus vaakumis piiriks. Sellegipoolest tunnistab Wong, et tema avastatud efekt ei võimalda edastada teavet kiiremini kui s.
“Siin olev teave on juba impulsi esiservas,” ütleb USA Los Alamose riikliku labori füüsik P. Milonny. "Ja võite saada mulje, kui saadate teavet kiiremini kui valgus, isegi kui te seda ei saada."
Enamik füüsikuid usub, et uus töö ei löö aluspõhimõtetele purustavat lööki. Kuid mitte kõik füüsikud ei usu, et probleem on lahendatud. 2000. aastal veel ühe huvitava eksperimendi teinud Itaalia uurimisrühma professor A. Ranfagni usub, et küsimus jääb lahtiseks. See Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni ja Rocco Ruggeri läbi viidud eksperiment leidis, et sentimeetri riba raadiolained normaalsel lennureisil kiirusega 25% on suuremad kui c.
Kokkuvõtlikult võime öelda järgmist
Viimaste aastate töö on näidanud, et teatud tingimustel võib superluminal kiirus toimuda. Kuid mis täpselt reisib superluminal kiirusel? Relatiivsusteooria, nagu juba mainitud, keelab materiaalsete kehade ja teavet kandvate signaalide puhul sellise kiiruse. Sellegipoolest üritavad mõned teadlased järjekindlalt näidata, kuidas signaalide valgusbarjäärist üle saada. Selle põhjus peitub asjaolus, et spetsiaalses relatiivsusteoorias pole ranget matemaatilist põhjendust (tuginedes näiteks Maxwelli elektromagnetilise välja võrranditele) võimatuks edastada signaale suurema kiirusega kui s. Selline võimatus SRT-s on kindlaks tehtud, võiks öelda puhtalt aritmeetiliselt, lähtudes kiiruste liitmise Einsteini valemist,kuid seda kinnitab põhimõtteliselt põhjuslikkuse põhimõte. Einstein ise, kaaludes signaali ülilumina edastamise küsimust, kirjutas, et antud juhul "… oleme sunnitud kaaluma signaali edastamise mehhanismi, kui selle kasutamisel eelneb saavutatud toiming põhjusele. Kuid ehkki see puhtalt loogilisest vaatenurgast tulenev tulemus ei sisalda, minu arvates pole vastuolusid, see on siiski kogu meie kogemuse olemusega vastuolus nii palju, et eelduse V> c võimatus näib olevat piisavalt tõestatud. " Põhjuslikkuse põhimõte on nurgakivi, millest lähtub FTL-i signaali edastamise võimatus. Ja see kivi ilmselt komistab kõik, ilma eranditeta, ülemiste signaalide otsingud, ükskõik kui palju eksperdid selliseid signaale leida tahaksid,sest see on meie maailma olemus.
Kuid ikkagi, kujutame ette, et relatiivsusteaduste matemaatika töötab ikkagi kiirusest kiiremini kui valgus. See tähendab, et teoreetiliselt võime ikkagi teada saada, mis juhtuks, kui keha ületaks valguse kiirust.
Kujutage ette kahte kosmoselaeva, mis suunduvad Maast tähe poole, mis on meie planeedist 100 valgusaasta kaugusel. Esimene laev lahkub Maalt valguse kiirusega 50%, seega võtab kogu teekond aega 200 aastat. Teine laev, mis on varustatud hüpoteetilise lõime ajamiga, sõidab valguse kiirusega 200%, kuid 100 aastat pärast esimest. Mis juhtub?
Relatiivsusteooria kohaselt sõltub õige vastus suuresti vaatleja vaatenurgast. Maalt paistab, et esimene laev on juba läbinud arvestatava vahemaa, enne kui teine laev, mis liigub neli korda kiiremini, möödasõidul. Kuid esimese laeva inimeste vaatevinklist on kõik pisut teistmoodi.
Laev nr 2 liigub kiiremini kui valgus, mis tähendab, et see suudab isegi enda poolt kiirgava valguse ületada. See toob kaasa omamoodi "valguslaine" (heliga analoogne, ainult õhu vibratsiooni asemel vibreerivad siin valguslained), mis tekitab mitmeid huvitavaid efekte. Tuletame meelde, et laeva nr 2 tuli liigub aeglasemalt kui laev ise. Selle tagajärjel tekib visuaalne kahekordistumine. Teisisõnu, alguses näevad laeva nr 1 meeskonnad, et teine laev ilmus selle kõrvale justkui eikuskilt. Siis jõuab teisest laevast tulev tuli väikese viivitusega esimesse ja tulemuseks on nähtav koopia, mis liigub väikese viivitusega samas suunas.
Midagi sarnast võib näha arvutimängudes, kui süsteemirikke tagajärjel laadib mootor mudeli ja selle algoritmid liikumise lõpp-punktis kiiremini kui animatsioon ise lõppeb, nii et toimub mitu korda. See on ilmselt põhjus, miks meie teadvus ei taju Universumi hüpoteetilist külge, milles kehad liiguvad superluminaalsel kiirusel - võib-olla on see parim.
PS … aga viimases näites ei saanud ma millestki aru, miks on laeva tegelik asukoht seotud "selle kiirgava valgusega"? Noh, las nad näevad teda kui midagi, mida seal pole, aga tegelikult edestab ta esimese laeva!
