Superluminalno potovanje je eden od temeljev vesoljske znanstvene fantastike. Vendar verjetno vsi - tudi ljudje, ki so daleč od fizike - vedo, da je največja možna hitrost gibanja materialnih predmetov ali širjenja kakršnih koli signalov hitrost svetlobe v vakuumu. Označen je s črko c in je skoraj 300 tisoč kilometrov na sekundo; točna vrednost je c = 299 792 458 m / s.
Hitrost svetlobe v vakuumu je ena izmed osnovnih fizikalnih konstant. Nemožnost doseganja hitrosti, ki presega c, izhaja iz posebne teorije relativnosti Einsteina (SRT). Če bi bilo mogoče dokazati, da se signali lahko oddajajo z nadčloveško hitrostjo, bi teorija relativnosti padla. Do zdaj se to ni zgodilo, kljub številnim poskusom, da bi prepovedali obstoj hitrosti, večje od c. Vendar pa so v zadnjih eksperimentalnih študijah odkrili nekaj zelo zanimivih pojavov, ki kažejo, da lahko v posebej ustvarjenih pogojih opazujemo nadčloveške hitrosti in se načela teorije relativnosti ne kršijo.
Za začetek se spomnimo glavnih vidikov, povezanih s problemom hitrosti svetlobe.
Najprej: zakaj v normalnih pogojih ni mogoče preseči meje svetlobe? Ker se potem krši temeljni zakon našega sveta - zakon vzročnosti, po katerem učinek ne more prehitevati vzroka. Nihče še ni opazoval, na primer, da je medved najprej umrl, nato pa je lovca izstrelil. Pri hitrostih, ki presegajo s, je zaporedje dogodkov obrnjeno, trak časa se previja. To je enostavno preveriti iz naslednjih preprostih sklepov.
Predpostavimo, da smo na nekakšni vesoljski čudežni ladji, ki se giblje hitreje kot svetloba. Potem bi postopoma dohitevali svetlobo, ki jo oddaja vir v zgodnejših in zgodnejših točkah. Najprej bi dohiteli fotone, ki so jih oddajali recimo včeraj, potem pa tiste, ki jih oddajajo predvčerajšnjim, nato teden, mesec, leto nazaj in podobno. Če bi bil vir svetlobe ogledalo, ki odraža življenje, bi najprej videli dogajanje včeraj, nato še včeraj in tako naprej. Lahko bi videli, recimo, starca, ki se postopoma spreminja v človeka srednjih let, nato v mladeniča, v mladost, v otroka … Se pravi, čas bi se obrnil nazaj, premaknili bi se iz sedanjosti v preteklost. Vzroki in učinki bi bili obrnjeni.
Čeprav ta sklep povsem upošteva tehnične podrobnosti postopka opazovanja svetlobe, s temeljnega vidika jasno kaže, da gibanje z nadčloveško hitrostjo vodi v nemogoče razmere v našem svetu. Vendar pa je narava postavila še strožje pogoje: nedosegljivo je, da se premikate ne samo z nadčloveško hitrostjo, temveč tudi s hitrostjo, enako hitrosti svetlobe - do nje se lahko le približate. Iz teorije relativnosti izhaja, da s povečanjem hitrosti gibanja nastanejo tri okoliščine: masa premikajočega se predmeta se poveča, njegova velikost se zmanjša v smeri gibanja, pretok časa na tem predmetu pa se upočasni (s stališča zunanjega opazovalca). Pri navadnih hitrostih so te spremembe zanemarljive, a ko se približamo hitrosti svetlobe, postanejo bolj opazne oz.in v meji - pri hitrosti, enaki c - masa postane neskončno velika, predmet popolnoma izgubi svojo velikost v smeri gibanja in čas se ustavi na njem. Zato nobeno materialno telo ne more doseči hitrosti svetlobe. Samo svetloba sama ima takšno hitrost! (In tudi "vseprožilni" delec - nevtrino, ki se kot foton ne more premikati s hitrostjo, manjšo od s.)
Zdaj o hitrosti prenosa signala. Tu je primerno uporabiti predstavitev svetlobe v obliki elektromagnetnih valov. Kaj je signal? To je nekakšna informacija, ki jo je treba posredovati. Idealen elektromagnetni val je neskončni sinusoid s strogo eno frekvenco in ne more prenašati nobenih informacij, saj vsako obdobje takega sinusoida natančno ponovi prejšnje. Hitrost gibanja faze sinusoidnega vala - tako imenovana fazna hitrost - lahko v določenih pogojih v določenih pogojih preseže hitrost svetlobe. Tu ni omejitev, saj fazna hitrost ni hitrost signala - še ni tam. Če želite ustvariti signal, morate narediti nekakšno "oznako" na valu. Takšna oznaka je lahko na primer sprememba katerega koli valovnega parametra - amplitude, frekvence ali začetne faze. Ko pa je znak narejen,val izgubi sinusoidnost. Postane moduliran, sestavljen iz niza enostavnih sinusnih valov z različnimi amplitudami, frekvencami in začetnimi fazami - skupina valov. Hitrost, s katero se znamka premika v moduliranem valu, je hitrost signala. Pri širjenju v mediju ta hitrost običajno sovpada s skupinsko hitrostjo, ki je značilna za širjenje zgoraj omenjene skupine valov kot celote (glej Znanost in življenje št. 2, 2000). V normalnih pogojih je skupinska hitrost in s tem hitrost signala manjša od hitrosti svetlobe v vakuumu. Ni slučajno, da se uporablja izraz "v normalnih pogojih", ker lahko v nekaterih primerih hitrost skupine tudi preseže c ali celo izgubi svoj pomen, vendar potem to ne velja za širjenje signala. SRT ugotavlja, da ni mogoče oddati signala s hitrostjo, večjo od s. Postane moduliran, sestavljen iz niza enostavnih sinusnih valov z različnimi amplitudami, frekvencami in začetnimi fazami - skupina valov. Hitrost, s katero se znamka premika v moduliranem valu, je hitrost signala. Pri širjenju v mediju ta hitrost običajno sovpada s skupinsko hitrostjo, ki je značilna za širjenje zgoraj omenjene skupine valov kot celote (glej Znanost in življenje št. 2, 2000). V normalnih pogojih je skupinska hitrost in s tem hitrost signala manjša od hitrosti svetlobe v vakuumu. Ni slučajno, da se uporablja izraz "v normalnih pogojih", ker lahko v nekaterih primerih hitrost skupine tudi preseže c ali celo izgubi svoj pomen, potem pa to ne velja za širjenje signala. V SRT je ugotovljeno, da ni mogoče oddati signala s hitrostjo, večjo od s. Postane moduliran, sestavljen iz niza enostavnih sinusnih valov z različnimi amplitudami, frekvencami in začetnimi fazami - skupina valov. Hitrost, s katero se znamka premika v moduliranem valu, je hitrost signala. Pri širjenju v mediju ta hitrost običajno sovpada s skupinsko hitrostjo, ki je značilna za širjenje zgoraj omenjene skupine valov kot celote (glej Znanost in življenje št. 2, 2000). V normalnih pogojih je skupinska hitrost in s tem hitrost signala manjša od hitrosti svetlobe v vakuumu. Ni slučajno, da se uporablja izraz "v normalnih pogojih", ker lahko v nekaterih primerih hitrost skupine tudi preseže c ali celo izgubi svoj pomen, vendar potem to ne velja za širjenje signala. V SRT je ugotovljeno, da ni mogoče oddati signala s hitrostjo, večjo od s.sestavljen iz niza preprostih sinusoidnih valov z različnimi amplitudami, frekvencami in začetnimi fazami - skupina valov. Hitrost, s katero se znamka premika v moduliranem valu, je hitrost signala. Pri širjenju v mediju ta hitrost običajno sovpada s skupinsko hitrostjo, ki je značilna za širjenje omenjene skupine valov kot celote (glej Znanost in življenje, št. 2, 2000). V normalnih pogojih je skupna hitrost in s tem hitrost signala manjša od hitrosti svetlobe v vakuumu. Ni slučajno, da se uporablja izraz "v normalnih pogojih", ker lahko v nekaterih primerih hitrost skupine tudi preseže c ali celo izgubi svoj pomen, vendar potem to ne velja za širjenje signala. V SRT je ugotovljeno, da ni mogoče oddati signala s hitrostjo, večjo od s.sestavljen iz niza preprostih sinusoidnih valov z različnimi amplitudami, frekvencami in začetnimi fazami - skupina valov. Hitrost, s katero se znamka premika v moduliranem valu, je hitrost signala. Pri širjenju v mediju ta hitrost običajno sovpada s skupinsko hitrostjo, ki je značilna za širjenje zgoraj omenjene skupine valov kot celote (glej Znanost in življenje št. 2, 2000). V normalnih pogojih je skupinska hitrost in s tem hitrost signala manjša od hitrosti svetlobe v vakuumu. Ni slučajno, da se uporablja izraz "v normalnih pogojih", ker lahko v nekaterih primerih hitrost skupine tudi preseže c ali celo izgubi svoj pomen, vendar potem to ne velja za širjenje signala. V SRT je ugotovljeno, da ni mogoče oddati signala s hitrostjo, večjo od s.frekvence in začetne faze - skupine valov. Hitrost, s katero se znamka premika v moduliranem valu, je hitrost signala. Pri širjenju v mediju ta hitrost običajno sovpada s skupinsko hitrostjo, ki je značilna za širjenje zgoraj omenjene skupine valov kot celote (glej Znanost in življenje št. 2, 2000). V normalnih pogojih je skupinska hitrost in s tem hitrost signala manjša od hitrosti svetlobe v vakuumu. Ni slučajno, da se uporablja izraz "v normalnih pogojih", ker lahko v nekaterih primerih hitrost skupine tudi preseže c ali celo izgubi svoj pomen, potem pa to ne velja za širjenje signala. V SRT je ugotovljeno, da ni mogoče oddati signala s hitrostjo, večjo od s.frekvence in začetne faze - skupine valov. Hitrost, s katero se znamka premika v moduliranem valu, je hitrost signala. Pri širjenju v mediju ta hitrost običajno sovpada s skupinsko hitrostjo, ki je značilna za širjenje zgoraj omenjene skupine valov kot celote (glej Znanost in življenje št. 2, 2000). V normalnih pogojih je skupinska hitrost in s tem hitrost signala manjša od hitrosti svetlobe v vakuumu. Ni slučajno, da se uporablja izraz "v normalnih pogojih", ker lahko v nekaterih primerih hitrost skupine tudi preseže c ali celo izgubi svoj pomen, potem pa to ne velja za širjenje signala. V SRT je ugotovljeno, da ni mogoče oddati signala s hitrostjo, večjo od s. Pri širjenju v mediju ta hitrost običajno sovpada s skupinsko hitrostjo, ki je značilna za širjenje zgoraj omenjene skupine valov kot celote (glej Znanost in življenje št. 2, 2000). V normalnih pogojih je skupinska hitrost in s tem hitrost signala manjša od hitrosti svetlobe v vakuumu. Ni slučajno, da se uporablja izraz "v normalnih pogojih", ker lahko v nekaterih primerih hitrost skupine tudi preseže c ali celo izgubi svoj pomen, potem pa to ne velja za širjenje signala. V SRT je ugotovljeno, da ni mogoče oddati signala s hitrostjo, večjo od s. Pri širjenju v mediju ta hitrost običajno sovpada s skupinsko hitrostjo, ki je značilna za širjenje zgoraj omenjene skupine valov kot celote (glej Znanost in življenje, št. 2, 2000). V normalnih pogojih je skupinska hitrost in s tem hitrost signala manjša od hitrosti svetlobe v vakuumu. Ni slučajno, da se uporablja izraz "v normalnih pogojih", ker lahko v nekaterih primerih hitrost skupine tudi preseže c ali celo izgubi svoj pomen, potem pa to ne velja za širjenje signala. V SRT je ugotovljeno, da ni mogoče oddati signala s hitrostjo, večjo od s. Ni slučajno, da se uporablja izraz "v normalnih pogojih", ker lahko v nekaterih primerih hitrost skupine tudi preseže c ali celo izgubi svoj pomen, potem pa to ne velja za širjenje signala. V SRT je ugotovljeno, da ni mogoče oddati signala s hitrostjo, večjo od s. Ni slučajno, da se uporablja izraz "v normalnih pogojih", ker lahko v nekaterih primerih hitrost skupine tudi preseže c ali celo izgubi svoj pomen, potem pa to ne velja za širjenje signala. V SRT je ugotovljeno, da ni mogoče oddati signala s hitrostjo, večjo od s.
Promocijski video:
Zakaj je tako? Ker isti zakon vzročnosti služi kot ovira pri prenosu katerega koli signala s hitrostjo, večjo od c. Zamislimo si naslednjo situacijo. Na neki točki A se prižge svetlobni utrip (dogodek 1) na napravi, ki pošlje določen radijski signal, na oddaljeni točki B pa pride do eksplozije pod delovanjem tega radijskega signala (dogodek 2). Jasno je, da je dogodek 1 (bliskavica) vzrok, dogodek 2 (eksplozija) pa posledica, ki nastopi kasneje kot vzrok. A če bi radijski signal širil z nadčloveško hitrostjo, bi opazovalec v bližini točke B najprej videl eksplozijo in šele nato - bliskavico, ki je dosegla do njega s hitrostjo svetlobne bliskavice, vzrok eksplozije. Z drugimi besedami, pri tem opazovalcu bi se dogodek 2 zgodil prej kot dogodek 1, torej bi bil učinek pred vzrokom.
Primerno je poudariti, da je "superluminalna prepoved" teorije relativnosti naložena le gibanju materialnih teles in prenosu signalov. V mnogih situacijah je mogoče gibanje s katero koli hitrostjo, vendar ne bo gibanje materialnih predmetov ali signalov. Na primer, zamislite si dva dokaj dolga vladarja, ki ležita v isti ravnini, od katerih je eden vodoravno, drugi pa ga seka pod majhnim kotom. Če se prvi ravnilec premakne navzdol (v smeri, ki jo kaže puščica) z veliko hitrostjo, lahko točko presečišča ravnilov zaženete tako hitro, kot želite, vendar ta točka ni materialno telo. Drug primer: če vzamete svetilko (ali recimo laser, ki daje ozek žarek) in z njo hitro opišete lok v zraku, se bo linearna hitrost svetlobne točke z razdaljo povečala in na dovolj veliki razdalji bo presegla c. Svetlobna točka se bo premikala med točkama A in B z nadčloveško hitrostjo, vendar to ne bo prenos signala od A do B, saj takšna svetlobna točka ne nosi nobenih informacij o točki A.
Zdi se, da je vprašanje nadčloveških hitrosti rešeno. Toda v 60. letih dvajsetega stoletja so teoretični fiziki izpostavili hipotezo o obstoju presežnih delcev, imenovanih tahioni. To so zelo nenavadni delci: teoretično so možni, a da bi se izognili nasprotjem s teorijo relativnosti, so morali pripisati namišljeno maso počitka. Fizično namišljena masa ne obstaja, gre za čisto matematično abstrakcijo. Vendar to ni povzročilo veliko alarma, saj tahioni ne morejo biti v mirovanju - obstajajo (če obstajajo!) Samo pri hitrostih, ki v vakuumu presegajo hitrost svetlobe, in v tem primeru se masa tahiona izkaže za resnično. Tu je nekaj analogije s fotoni: foton ima nič mirovanja, vendar to preprosto pomeni, da foton ne more biti v mirovanju - svetlobe ni mogoče ustaviti.
Najtežje je bilo, kot je bilo pričakovati, uskladiti tahionsko hipotezo z zakonom vzročnosti. Poskusi v tej smeri, čeprav so bili precej iznajdljivi, niso pripeljali do očitnega uspeha. Nihče ni uspel poskusno registrirati tahionov. Kot rezultat tega je zanimanje za tahione kot nadstandardne elementarne delce postopoma zamrlo.
Vendar je bil v 60. letih eksperimentalno odkrit pojav, ki je fizike sprva zmedel. To je podrobno opisano v članku A. N. Oraevskega "Superluminalni valovi v ojačevalnih medijih" (Phys. Phys. No. 12, 1998). Tu bomo zadevo na kratko povzeli in podrobnosti napotili na bralca, ki ga podrobnosti zanimajo.
Kmalu po odkritju laserjev - v zgodnjih 60. letih - se je pojavila težava s pridobivanjem kratkih (približno 1 ns = 10-9 s) svetlobnih impulzov velike moči. Za to je skozi optični kvantni ojačevalnik prešel kratek laserski impulz. Impuls je bil razdeljen na dva dela z zrcalom, ki se razdeli na snop. Eden od njih, močnejši, je bil poslan v ojačevalnik, drugi pa se je širil v zraku in je služil kot referenčni impulz, s katerim je mogoče primerjati impulz, ki je šel skozi ojačevalnik. Oba impulza se napajata s fotodetektorji, njune izhodne signale pa je mogoče vizualno opazovati na zaslonu osciloskopa. Pričakovali smo, da bo svetlobni impulz, ki poteka skozi ojačevalnik, v njem doživel določeno zamudo v primerjavi z referenčnim impulzom, torej bo hitrost širjenja svetlobe v ojačevalniku manjša kot v zraku. Predstavljajte si presenečenje raziskovalcev, ko so odkrili, da se impulz širi skozi ojačevalnik s hitrostjo ne samo večjo kot v zraku, ampak tudi nekajkrat hitrejšo od hitrosti svetlobe v vakuumu!
Po okrevanju od prvega šoka so fiziki začeli iskati razlog za tako nepričakovan rezultat. Nihče ni imel niti najmanjšega dvoma o načelih posebne teorije relativnosti in prav to je pomagalo najti pravilno razlago: če so načela posebne relativnosti ohranjena, je treba odgovor iskati v lastnostih ojačevalnega medija.
Ne gremo tukaj v podrobnosti, poudarjamo le, da je podrobna analiza mehanizma delovanja ojačevalnega medija situacijo popolnoma razjasnila. Zadeva je bila sestavljena iz spremembe koncentracije fotonov med širjenjem impulza - sprememba zaradi spremembe prirasta medija do negativne vrednosti med prehodom zadnjega dela impulza, ko medij že absorbira energijo, ker je zaradi prenosa na svetlobni impulz že porabljena lastna rezerva. Absorpcija ne povzroča ojačanja, ampak oslabitev impulza, s tem pa se impulz okrepi spredaj in oslabi zadaj. Predstavljajmo si, da opazujemo impulz s pomočjo naprave, ki se giblje s hitrostjo svetlobe v ojačevalnem mediju. Če bi bil medij transparenten, bi videli impulz zamrznjen v nepremičnosti. V okolju oz.v katerem poteka zgoraj omenjeni postopek, se bo ojačitev vodilnega in oslabitev zalednega roba impulza opazovalcu zdela tako, da bi medij, kot bi bil, premaknil impulz naprej. A ker se naprava (opazovalec) giblje s svetlobno hitrostjo in impulz jo prehiti, potem hitrost impulza presega hitrost svetlobe! Ta učinek so registrirali eksperimentatorji. In tu res ni protislovja s teorijo relativnosti: ravno proces amplifikacije je takšen, da se koncentracija fotonov, ki so se pojavili prej, izkaže za več kot tiste, ki se je pojavila pozneje. Niso fotoni, ki se premikajo s superluminalno hitrostjo, ampak predvsem pulzna ovojnica, njen največji maksimum, ki ga opazimo na osciloskopu. A ker se naprava (opazovalec) giblje s svetlobno hitrostjo in impulz jo prehiti, potem hitrost impulza presega hitrost svetlobe! Ta učinek so registrirali eksperimentatorji. In tu res ni protislovja s teorijo relativnosti: ravno proces amplifikacije je takšen, da se koncentracija fotonov, ki so se pojavili prej, izkaže za več kot tiste, ki se je pojavila pozneje. Niso fotoni, ki se premikajo s superluminalno hitrostjo, ampak predvsem pulzna ovojnica, njen največji maksimum, ki ga opazimo na osciloskopu. A ker se naprava (opazovalec) giblje s svetlobno hitrostjo in impulz jo prehiti, potem hitrost impulza presega hitrost svetlobe! Ta učinek so registrirali eksperimentatorji. In tu res ni protislovja s teorijo relativnosti: ravno proces amplifikacije je takšen, da se koncentracija fotonov, ki so se pojavili prej, izkaže za več kot tiste, ki se je pojavila pozneje. Niso fotoni, ki se premikajo s superluminalno hitrostjo, ampak predvsem pulzna ovojnica, njen največji maksimum, ki ga opazimo na osciloskopu. Niso fotoni, ki se premikajo s superluminalno hitrostjo, ampak predvsem pulzna ovojnica, njen največji maksimum, ki ga opazimo na osciloskopu. Niso fotoni, ki se premikajo s superluminalno hitrostjo, ampak predvsem pulzna ovojnica, njen največji maksimum, ki ga opazimo na osciloskopu.
Tako je, medtem ko je v običajnih medijih vedno oslabitev svetlobe in zmanjšanje njene hitrosti, ki ga določa lomni indeks, v aktivnih laserskih medijih ne opazimo le ojačanja svetlobe, temveč tudi širjenje impulza s superluminalno hitrostjo.
Nekateri fiziki so poskušali eksperimentalno dokazati obstoj presežnega gibanja v učinku tuneliranja - enega najbolj neverjetnih pojavov v kvantni mehaniki. Ta učinek je sestavljen iz dejstva, da je mikrodelec (natančneje, mikroobjekt, ki ima tako lastnosti delca kot lastnosti vala pod različnimi pogoji) sposoben prodirati v tako imenovano potencialno oviro - pojav, ki je v klasični mehaniki popolnoma nemogoč (v katerem bi bil analogen tak položaj: Žoga, vržena v steno, bi bila na drugi strani stene ali pa bi se valovito gibanje vrvi, ki je privezano na steno, preneslo na vrv, ki je bila na drugi strani stena). Bistvo učinka tuneliranja v kvantni mehaniki je naslednje. Če mikro objekt z določeno energijo na poti sreča območje s potencialno energijo,ki presega energijo mikro predmeta, je to območje zanjo ovira, katere višina je določena z energijsko razliko. Toda mikropredmet "steče" skozi pregrado! To možnost mu daje dobro poznano Heisenberško razmerje negotovosti, zapisano za čas energije in interakcije. Če pride do interakcije mikropredmetja s pregrado dovolj natančno določen čas, potem bo za energijo mikropredmetja nasprotno značilna negotovost in če je ta negotovost vrstnega reda višine ovire, slednji preneha biti nepremostljiva ovira za mikro objekt. Hitrost prodiranja skozi potencialno oviro je postala predmet raziskav številnih fizikov, ki menijo, da lahko preseže s. Toda mikropredmet "steče" skozi pregrado! To možnost mu daje dobro poznano Heisenberško razmerje negotovosti, zapisano za čas energije in interakcije. Če pride do interakcije mikropredmetja s pregrado dovolj natančno določen čas, potem bo za energijo mikropredmetja nasprotno značilna negotovost in če je ta negotovost vrstnega reda višine ovire, slednji preneha biti nepremostljiva ovira za mikro objekt. Hitrost prodiranja skozi potencialno oviro je postala predmet raziskav številnih fizikov, ki menijo, da lahko preseže s. Toda mikropredmet "steče" skozi pregrado! To možnost mu daje dobro poznano Heisenberško razmerje negotovosti, zapisano za čas energije in interakcije. Če pride do interakcije mikropredmetja s pregrado dovolj natančno določen čas, potem bo za energijo mikropredmetja nasprotno značilna negotovost in če je ta negotovost vrstnega reda višine ovire, slednji preneha biti nepremostljiva ovira za mikro objekt. Hitrost prodiranja skozi potencialno oviro je postala predmet raziskav številnih fizikov, ki menijo, da lahko preseže s. Če pride do interakcije mikropredmetja s pregrado dovolj natančno določen čas, potem bo za energijo mikropredmetja nasprotno značilna negotovost in če je ta negotovost vrstnega reda višine ovire, slednji preneha biti nepremostljiva ovira za mikro objekt. Hitrost prodiranja skozi potencialno oviro je postala predmet raziskav številnih fizikov, ki menijo, da lahko preseže s. Če pride do interakcije mikropredmetja s pregrado dovolj natančno določen čas, potem bo za energijo mikropredmetja nasprotno značilna negotovost in če je ta negotovost vrstnega reda višine ovire, slednji preneha biti nepremostljiva ovira za mikro objekt. Hitrost prodiranja skozi potencialno oviro je postala predmet raziskav številnih fizikov, ki menijo, da lahko preseže s.
Junija 1998 je v Kölnu potekal mednarodni simpozij o težavah s FTL, na katerem so razpravljali o rezultatih, pridobljenih v štirih laboratorijih - v Berkeleyju, na Dunaju, v Kölnu in v Firencah.
In končno, leta 2000 so se pojavila poročila o dveh novih poskusih, v katerih so se pojavili učinki superluminalnega razmnoževanja. Eno od njih je izvedel Lijun Wong in sodelavci na raziskovalnem inštitutu v Princetonu (ZDA). Njen rezultat je, da svetlobni impulz, ki vstopi v komoro, napolnjeno s parezij cezija, poveča svojo hitrost 300-krat. Izkazalo se je, da glavni del impulza zapusti oddaljeno steno komore še prej, kot impulz vstopi v komoro skozi sprednjo steno. To stanje nasprotuje ne le zdravi pameti, ampak v bistvu teoriji relativnosti.
Sporočilo L. Wonga je izzvalo intenzivno razpravo med fiziki, ki jih večina ni nagnjena k temu, da bi v rezultatih dobili kršitev načel relativnosti. Izziv, verjamejo, je pravilno razložiti ta poskus.
V poskusu L. Wonga je svetlobni impulz, ki vstopa v komoro s parom cezija, trajal približno 3 μs. Cezijevi atomi so lahko v šestnajstih možnih kvantno-mehanskih stanjih, imenovanih "magnetne hiperfine talne podravnine". S pomočjo optičnega laserskega črpanja smo skoraj vse atome spravili v samo eno od teh šestnajstih stanj, kar ustreza skoraj absolutni ničelni temperaturi na Kelvinovi lestvici (-273,15 ° C). Čezijeva komora je bila dolga 6 centimetrov. V vakuumu svetloba potuje 6 centimetrov v 0,2 ns. Meritve so pokazale, da je svetlobni impulz v komori s cezijem prešel v 62 ns manj časa kot v vakuumu. Z drugimi besedami, prehodni čas impulza skozi cezijev medij ima znak minus! Če odštejemo 62 ns od 0,2 ns, dobimo "negativen" čas. Ta "negativna zamuda" v mediju - nerazumljiv časovni skok - je enaka času, v katerem bi impulz naredil 310, da skozi komor v vakuumu. Posledica tega "začasnega udara" je bila, da se je impulz, ki je zapustil komoro, imel čas, da se je odmaknil od njega za 19 metrov, preden je dohodni impulz dosegel bližnjo steno komore. Kako je mogoče razložiti tako neverjetno situacijo (če seveda ni dvoma o čistosti poskusa)?da ne bi dvomili v čistost poskusa)?da ne bi dvomili v čistost poskusa)?
Sodeč po razgibani razpravi, natančne razlage še niso našli, vendar ni dvoma, da tu igrajo vlogo nenavadne disperzijske lastnosti medija: hlapi cezija, sestavljeni iz atomov, ki jih vzbudi laserska svetloba, so medij z anomalijsko disperzijo. Naj se na kratko spomnimo, kaj je to.
Disperzija snovi je odvisnost faznega (običajnega) indeksa loma n od valovne dolžine svetlobe l. Z normalno disperzijo se lomni indeks povečuje z zmanjšanjem valovne dolžine in to se dogaja v steklu, vodi, zraku in vseh drugih snoveh, prozornih za svetlobo. V snoveh, ki močno absorbirajo svetlobo, se potek indeksa loma spremeni v nasprotni s spremembo valovne dolžine in postane veliko bolj strm: s zmanjšanjem l (povečanjem frekvence w) se lomni indeks močno zmanjša in v določenem območju valovnih dolžin postane manjši od enotnosti (fazna hitrost Vph> s). To je nepravilna razpršitev, pri kateri se slika širjenja svetlobe v materiji korenito spremeni. Skupna hitrost Vgr postane večja od fazne hitrosti valov in lahko v vakuumu preseže hitrost svetlobe (in postane tudi negativna). L. Wong navaja to okoliščino kot razlog, na katerem temelji možnost razlage rezultatov njegovega poskusa. Vendar je treba opozoriti, da je pogoj Vgr> c povsem formalni, saj je bil koncept hitrosti skupine uveden za majhne (normalne) disperzije, za prozorne medije, ko skupina valov med širjenjem skoraj ne spremeni svoje oblike. Na drugi strani se v regijah z anomno disperzijo svetlobni impulz hitro deformira in koncept skupinske hitrosti izgubi svoj pomen; v tem primeru se uvedejo pojmi hitrosti signala in hitrosti širjenja energije, ki v prozornih medijih sovpadajo s skupinsko hitrostjo, v medijih z absorpcijo pa ostanejo manjše od hitrosti svetlobe v vakuumu. Toda tukaj je tisto, kar je zanimivo v Wongovem poskusu: svetlobni impulz, ki je šel skozi medij z anomalijsko disperzijo, ni deformiran - točno ohranja svojo obliko!In to ustreza predpostavki o širjenju impulza s skupinsko hitrostjo. Če pa je tako, potem se izkaže, da v mediju ni absorpcije, čeprav je nepravilna disperzija medija posledica ravno absorpcije! Sam Wong, ki priznava, da je marsikaj še vedno nejasno, verjame, da je to, kar se dogaja v njegovi poskusni postavitvi, v prvem približanju mogoče jasno razložiti na naslednji način.
Svetlobni impulz je sestavljen iz mnogih komponent z različnimi valovnimi dolžinami (frekvencami). Slika prikazuje tri od teh komponent (valovi 1-3). V nekem trenutku so vsi trije valovi v fazi (njihovi maksimi sovpadajo); tu se seštevajo, krepijo drug drugega in tvorijo impulz. Ko se valovi naprej širijo po vesolju, valovi izstopajo iz faze in se med seboj "ugasnejo".
V območju nepravilne disperzije (znotraj cezijeve celice) val, ki je bil krajši (val 1), postane daljši. Obratno, val, ki je bil najdaljši od treh (val 3), postane najkrajši.
Posledično se faze valov ustrezno spreminjajo. Ko so valovi prešli skozi cezijevo celico, se obnovijo njihove valovne fronte. Po preteku nenavadne fazne modulacije v snovi z nepravilno disperzijo so trije obravnavani valovi na določeni točki spet v fazi. Tu se spet zložijo in tvorijo impulz popolnoma enake oblike kot vstop v cezijev medij.
Običajno v zraku in skoraj v katerem koli prozornem nosilcu z normalno disperzijo svetlobni impulz ne more natančno ohraniti svoje oblike pri širjenju na oddaljeno razdaljo, torej vseh njegovih komponent ni mogoče fazati na nobeni oddaljeni točki na poti širjenja. In v normalnih pogojih se čez nekaj časa na tako oddaljeni točki pojavi svetlobni impulz. Vendar se je zaradi nepravilnosti v mediju, uporabljenem v poskusu, impulz na oddaljeni točki fazniral enako kot ob vstopu v ta medij. Tako se svetlobni impulz obnaša, kot da bi imel negativni časovni zamik na poti v oddaljeno točko, torej bi nanj prispel ne pozneje, ampak prej, kot je prestal okolje!
Večina fizikov je nagnjena k temu, da bi ta rezultat povezali s pojavom predhodnika z nizko intenzivnostjo v disperzivnem mediju komore. Dejstvo je, da v spektralni razgradnji impulza spekter vsebuje komponente poljubno visokih frekvenc z zanemarljivo amplitudo, tako imenovani predhodnik, ki gre pred "glavni del" impulza. Narava ustanove in oblika predhodnika sta odvisna od disperzijskega zakona v mediju. Glede na to se predlaga, da se zaporedje dogodkov v Wongovem eksperimentu razlaga tako, kot sledi. Prihajajoči val, ki "raztegne" harbinger pred seboj, se približa kameri. Preden vrh vrha prihajajočega vala zadene bližnjo steno komore, prekurzor sproži impulz v komori, ki sega do oddaljene stene in se od njega odbije in tvori "nazaj val". Ta valširi se 300-krat hitreje kot c, doseže bližnjo steno in se sreča s prihajajočim valom. Vrhovi enega vala se srečujejo s koriti drugega, zato se med seboj uničujejo in posledično nič ne ostane. Izkaže se, da prihajajoči val "vrača dolg" cezijevim atomom, ki so mu "posodili" energijo na drugem koncu komore. Kdor bi samo opazoval začetek in konec poskusa, bi videl samo svetlobni impulz, ki je »skočil« naprej v čas in se hitreje premikal. Videl bi samo svetlobni impulz, ki je »skočil« naprej v čas, hitreje se je premikal. Videl bi samo svetlobni impulz, ki je »skočil« naprej v čas in se hitreje premikal.
L. Wong meni, da se njegov eksperiment ne strinja s teorijo relativnosti. Izjava o nedosegljivosti nadčloveške hitrosti je po njegovem mnenju uporabna le za predmete s počivalno maso. Svetloba je lahko predstavljena bodisi v obliki valov, za katere pojem mase praviloma ni uporaben, bodisi v obliki fotonov s počivalno maso, kot je znano, enako nič. Zato hitrost svetlobe v vakuumu ni prepričana Wong. Kljub temu Wong priznava, da učinek, ki ga je odkril, ne omogoča prenosa informacij s hitrostjo, večjo od s.
"Tukaj so informacije že v vodilnem robu impulza," pravi P. Milonny, fizik iz ameriškega nacionalnega laboratorija v Los Alamosu. "In lahko dobite vtis, da informacije pošiljate hitreje kot svetloba, tudi ko jih ne pošiljate."
Večina fizikov verjame, da novo delo ne bo uničilo temeljnih načel. Toda vsi fiziki ne verjamejo, da je težava rešena. Profesor A. Ranfagni iz italijanske raziskovalne skupine, ki je leta 2000 izvedla še en zanimiv poskus, meni, da vprašanje ostaja odprto. Ta poskus, ki so ga izvedli Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni in Rocco Ruggeri, je ugotovil, da se radijski valovi centimetrskega pasu pri običajnem zračnem potovanju s hitrostjo 25% večjo od c.
Če povzamemo, lahko rečemo naslednje
Delo v zadnjih letih je pokazalo, da pod določenimi pogoji dejansko lahko nastopi superluminalna hitrost. Ampak kaj točno potuje z superluminalno hitrostjo? Teorija relativnosti, kot je bilo že omenjeno, prepoveduje takšno hitrost za materialna telesa in za signale, ki prenašajo informacije. Kljub temu nekateri raziskovalci zelo vztrajno poskušajo dokazati, kako premagati svetlobno oviro za signale. Razlog za to leži v dejstvu, da v posebni teoriji relativnosti ni stroge matematične utemeljitve (ki temelji na recimo na Maxwellovih enačbah za elektromagnetno polje) za nemožnost oddajanja signalov s hitrostjo, večjo od s. Takšna nemožnost v SRT se ugotovi, lahko bi rekli, čisto aritmetično, izhaja iz Einsteinove formule za dodajanje hitrosti,vendar to v osnovi potrjuje načelo vzročnosti. Einstein je sam, upoštevajoč vprašanje superluminalnega prenosa signala, zapisal, da smo v tem primeru "… prisiljeni razmisliti o mehanizmu prenosa signala, pri uporabi katerega doseženo dejanje predhodi vzroku. Toda, čeprav ta rezultat s čisto logičnega vidika ne vsebuje, po mojem mnenju ni protislovij, še vedno toliko nasprotuje značaju naše celotne izkušnje, da se zdi nemogoče predpostavka V> c dovolj dokazana. " Načelo vzročnosti je temeljni kamen, ki temelji na nemožnosti prenosa signala FTL. In ta kamen bo, kot kaže, spopadel vse, brez izjeme, ki iščejo superluminalne signale, ne glede na to, koliko bi poskusniki želeli najti takšne signale,kajti to je narava našega sveta.
A vseeno si predstavljajmo, da bo matematika relativnosti še vedno delovala s hitrostmi hitreje od svetlobe. To pomeni, da teoretično še vedno lahko ugotovimo, kaj bi se zgodilo, če bi telo preseglo hitrost svetlobe.
Predstavljajte si, da se dve vesoljski ladji odpravljata z Zemlje proti zvezdi, ki je od našega planeta oddaljena 100 svetlobnih let. Prva ladja zapusti Zemljo s 50% hitrosti svetlobe, tako da bo za celotno pot minilo 200 let. Druga ladja, opremljena s hipotetičnim warp pogonom, bo potovala z 200% hitrosti svetlobe, vendar 100 let po prvi. Kaj se bo zgodilo?
Pravilni odgovor je v skladu s teorijo relativnosti v veliki meri odvisen od perspektive opazovalca. Z Zemlje bo videti, da je prva ladja že prehodila precejšnjo razdaljo, preden jo je prehitela druga ladja, ki se premika štirikrat hitreje. Toda s stališča ljudi na prvi ladji je vse malo drugače.
Ladja # 2 se giblje hitreje od svetlobe, kar pomeni, da lahko celo prehiti svetlobo, ki jo oddaja sama. To vodi do neke vrste "svetlobnega vala" (analogno zvoku, le da namesto vibracij zraka svetlobni valovi tu vibrirajo), kar ustvari več zanimivih učinkov. Spomnimo se, da se svetloba z ladje št. 2 giblje počasneje kot ladja sama. Posledično bo prišlo do vizualnega podvojitve. Z drugimi besedami, sprva bo posadka ladje št. 1 videla, da se je druga ladja pojavila zraven, kot da je od nikoder. Nato bo luč z druge ladje dosegla prvo z rahlo zamudo, rezultat pa bo vidna kopija, ki se bo z rahlo zamudo premikala v isto smer.
Nekaj podobnega je mogoče opaziti v računalniških igrah, ko motor zaradi okvare sistema naloži model in njegove algoritme na končni točki gibanja hitreje, kot se konča sama animacija, tako da pride do večkratnega odvzema. Verjetno zato naša zavest ne zaznava hipotetičnega vidika Vesolja, v katerem se telesa gibljejo z nadčloveško hitrostjo - morda je to najboljše.
PS … toda v zadnjem primeru nekaj nisem razumel, zakaj je pravi položaj ladje povezan s "svetlobo, ki jo oddaja"? No, naj ga vidijo kot nekaj, kar ni tam, v resnici pa bo prehitel prvo ladjo!