Как электроны почти достигают скорости света

Вопросы

Для анализа данных зондов Ван Аллена исследователи использовали методы машинного обучения, разработку которых финансировала сеть GEO.X. Они позволили авторам определить полную плотность плазмы по измеренным флуктуациям электрического и магнитного поля.

Содержание
  1. Как электроны почти достигают скорости света?
  2. Как выдержать перегрузки
  3. Можно ли двигаться быстрее света?
  4. Простое СС движение
  5. 1. Явление черенковского излучения
  6. 2. С третьей стороны
  7. 3. Тени и зайчики
  8. 4. Твердые тела
  9. 5. Фазовая скорость
  10. 6. Сверхсветовые галактики
  11. 7. Релятивистская ракета
  12. 8. Скорость гравитации
  13. Сложные случаи СС движения
  14. 9. Парадокс Эйнштейна, Подольского, Розена (ЭПР)
  15. 10. Виртуальные фотоны
  16. 11. Квантовое туннелирование
  17. 12. Эффект Казимира
  18. 13. Расширение Вселенной
  19. 14. Луна крутится вокруг меня быстрее света!
  20. Доводы относительности против СС движения
  21. 15. Что значит «быстрее света»?
  22. 16. Довод о бесконечной энерги и
  23. 17. Квантовая теор ия поля
  24. 18. Парадокс дедушки
  25. Реальные кандидаты в СС путешественники
  26. 19. Тахионы
  27. 20. Чревоточины
  28. 21. Двигатели-деформаторы
  29. Заключение
  30. Можно ли двигаться быстрее света?
  31. Простое СС движение
  32. 1. Явление черенковского излучения
  33. 2. С третьей стороны
  34. 3. Тени и зайчики
  35. 4. Твердые тела
  36. 5. Фазовая скорость
  37. 6. Сверхсветовые галактики
  38. 7. Релятивистская ракета
  39. 8. Скорость гравитации
  40. Сложные случаи СС движения
  41. 9. Парадокс Эйнштейна, Подольского, Розена (ЭПР)
  42. 10. Виртуальные фотоны
  43. 11. Квантовое туннелирование
  44. 12. Эффект Казимира
  45. 13. Расширение Вселенной
  46. 14. Луна крутится вокруг меня быстрее света!
  47. Доводы относительности против СС движения
  48. 15. Что значит «быстрее света»?
  49. 16. Довод о бесконечной энерги и
  50. 17. Квантовая теор ия поля
  51. 18. Парадокс дедушки
  52. Реальные кандидаты в СС путешественники
  53. 19. Тахионы
  54. 20. Чревоточины
  55. 21. Двигатели-деформаторы
  56. Заключение
  57. Теория Эйнштейна опровергнута: скорость света может быть превышена. Репортаж Адели Калиниченко из Европейского центра по ядерным исследованиям
  58. Детектор OPERA (на фото) зафиксировал четкий след нейтрино раньше расчетного времени
  59. Нейтринная бомба
  60. Досье
  61. Детектор OPERA зафиксировал четкий след нейтрино (на фото) раньше расчетного времени

Как электроны почти достигают скорости света?

Цветными контурами показаны интенсивности радиационных поясов. Серыми линиями показаны траектории релятивистских электронов в радиационных поясах. Концентрические круговые линии показывают траекторию движения научных спутников, пересекающих эту опасную область в космосе

Новое исследование показало, что электроны могут достигать ультрарелятивистских энергий в очень особых условиях в магнитосфере, когда космос лишен плазмы.

Недавние измерения со спутников НАСА Van Allen Probes показали, что электроны могут достигать ультрарелятивистских энергий, летая почти со скоростью света.

Сотрудники Немецкого исследовательского центра геонаук выяснили, при каких условиях происходят такие сильные ускорения. В 2020 году они уже продемонстрировали, что во время солнечной бури плазменные волны играют в этом решающую роль. Однако ранее было непонятно, почему такие высокие энергии электронов достигаются не во всех солнечных бурях. В журнале Science Advances ученые показывают, что критическое снижение плотности фоновой плазмы имеет решающее значение.

Вместе с покойным отцом, Уильямом Эдельстайном, профессором радиологии в Медицинской школе Университета имени Джона Хопкинса, он работал над научным трудом, в котором рассматривались последствия воздействия атомов космического водорода (на людей и технику) во время сверхбыстрых космических путешествий в космосе.

Как выдержать перегрузки

Впрочем, если мы намерены передвигаться со скоростью свыше 40 тысяч км/час, нам придется достигать ее, а затем замедляться, не спеша и сохраняя терпение.

Быстрое ускорение и столь же быстрое замедление таят в себе смертельную опасность для организма человека. Об этом свидетельствует тяжесть телесных травм, возникающих в результате автомобильных катастроф, при которых скорость падает с нескольких десятков километров в час до нуля.

В чем причина этого? В том свойстве Вселенной, которое носит название инерции или способности физического тела, обладающего массой, противостоять изменению его состояния покоя или движения при отсутствии или компенсации внешних воздействий.

Эта идея сформулирована в первом законе Ньютона, который гласит: "Всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного и прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменять это состояние".

"Состояние покоя и движение с постоянной скоростью — это нормально для человеческого организма, — объясняет Брей. — Нам скорее следует беспокоиться о состоянии человека в момент ускорения".

Около века назад создание прочных самолетов, которые могли маневрировать на скорости, привело к тому, что пилоты стали говорить о странных симптомах, вызываемых изменениями скорости и направления полета. Эти симптомы включали в себя временную потерю зрения и ощущение либо тяжести, либо невесомости.

Причина заключается в перегрузках, измеряемых в единицах G, которые представляют собой отношение линейного ускорения к ускорению свободного падения на поверхности Земли под воздействием притяжения или гравитации. Эти единицы отражают воздействие ускорения свободного падения на массу, например, человеческого тела.

Перегрузка в 1 G равна весу тела, которое находится в поле тяжести Земли и притягивается к центру планеты со скоростью 9,8 м/сек (на уровне моря).

Перегрузки, которые человек испытывает вертикально с головы до пят или наоборот, являются поистине плохой новостью для пилотов и пассажиров.

При отрицательных перегрузках, т.е. замедлении, кровь приливает от пальцев на ногах к голове, возникает чувство перенасыщения, как при стойке на руках.

Для того чтобы понять, сколько G смогут выдержать астронавты, их тренируют в центрифуге

"Красная пелена" (чувство, которое испытывает человек, когда кровь приливает к голове) наступает, когда распухшие от крови, полупрозрачные нижние веки поднимаются и закрывают зрачки глаз.

И, наоборот, при ускорении или положительных перегрузках кровь отливает от головы к ногам, глаза и мозг начинают испытывать недостаток кислорода, поскольку кровь скапливается в нижних конечностях.

Сначала зрение туманится, т.е. происходит потеря цветного зрения и накатывает, что называется, "серая пелена", потом наступает полная потеря зрения или "черная пелена", но человек остается в сознании.

Чрезмерные перегрузки ведут к полной потере сознания. Это состояние называют обмороком, вызванным перегрузкой. Многие пилоты погибли из-за того, что на их глаза опускалась "черная пелена" — и они разбивались.

Среднестатистический человек может вынести перегрузку примерно в пять G, прежде чем потеряет сознание.

Пилоты, одетые в специальные противоперегрузочные комбинезоны и обученные особым образом напрягать и расслаблять мышцы торса для того, чтобы кровь не отливала от головы, способны управлять самолетом при перегрузках примерно в девять G.

"На протяжении коротких периодов времени человеческое тело может переносить гораздо более сильные перегрузки, чем девять G, — говорит Джефф Свентек, исполнительный директор Ассоциации аэрокосмической медицины, расположенной в городе Александрия, штат Вирджиния. — Но выдерживать высокие перегрузки на протяжении длительного периода времени способны очень немногие".

Мы, люди, в состоянии переносить огромные перегрузки без тяжких травм, правда, только в течение нескольких мгновений.

Рекорд кратковременной выносливости поставил капитан ВВС США Эли Бидинг-младший на авиабазе Холломэн в штате Нью-Мексико. В 1958 году он при торможении на специальных санях с ракетным двигателем после разгона до 55 км/ч за 0.1 секунду испытал перегрузку в 82.3 G.

Этот результат зафиксировал акселерометр, закрепленный у него на груди. На глаза Бидинга также упала "черная пелена", но он отделался только синяками во время этой выдающейся демонстрации выносливости человеческого организма. Правда, после заезда он провел три дня в госпитале.

Если ракета А летит от меня со скоростью 0,6c на запад, а другая Б — от меня со скоростью 0,6c на восток, то тогда общее расстояние между А и Б в моей системе отсчета увеличивается со скоростью 1,2c . Таким образом, видимая относительная скорость, большая c, может наблюдаться «с третьей стороны».

Можно ли двигаться быстрее света?

Можно подумать, что относительность дает на этот вопрос короткий отрицательный ответ. На самом же деле, можно придумать много совсем простых случаев, когда в некотором смысл е что-нибудь движется быстрее света (сверх света, СС) и некоторое количество случаев посложнее. С другой стороны, есть веские причины считать, что настоящее СС путешествие и передача сигналов останутся невозможными всегда.

Часто можно слышать такое рассуждение: » раньше считали, что нельзя двигаться быстрее звука, но оказалось, что можно; теперь считают, что мы никогда не сомжем путешествовать быстрее света. «. Но на самом деле это неправда, что кто-то когда-то считал, что двигаться быстрее звука невозможно. Задолго до того, как появились сверхзвуковые самолеты уже было известно, что быстрее звука летят пули. Реально же речь шла о том, что невозможен управляемый сверхзвуковой полет, и ошибка была в этом. СС движение — это совсем другое дело. С самого начала было ясно, что сверхзвуковому полету препятствуют технические проблемы, которые надо было просто решить. Но совершенно неясно, можно ли когда-нибудь будет решить проблемы, препятствующие СС движению. Теория относительности может много чего сказать на этот счет. Если будет возможно СС путешествие или даже передача сигнала, то будет нарушена причинность, а из этого последуют совершенно невероятные выводы.

Сначала мы обсудим простые случаи СС движения. Мы упоминаем их не потому, что они интересны, а потому, что они снова и снова всплывают в обсуждениях СС движения и потому с ними приходится иметь дело. Потом мы обсудим то, что мы считаем сложными случаями СС движения или общения и рассмотрим некоторые доводы против них. Наконец, мы рассмотрим наиболее серьезные предположения о настоящем СС движении.

Простое СС движение

1. Явление черенковского излучения

Один способ двигаться быстрее света состоит в том, чтобы сперва замедлить сам свет! 🙂 В вакууме свет летит со скоростью c , и эта величина является мировой постоянной (см. вопрос Постоянна ли скорость света ), а в более плотной среде вроде воды или стекла — замедляется до скорости c/n , где n — это показатель преломления среды (1,0003 у воздуха; 1,4 у воды). Поэтому частицы могут двигаться в воде или воздухе быстрее, чем там движется свет. В результате возникает излучение Вавилова-Черенкова (см. вопрос Существует ли у света аналог ударной волны, существующей у звука ).

Но когда мы говорим о СС движении, мы, конечно, имеем в виду превышение над скоростью света в вакууме c (299 792 458 м/с). Поэтому явление Черенкова не может считаться примером СС движения.

2. С третьей стороны

Если ракета А летит от меня со скоростью 0,6c на запад, а другая Б — от меня со скоростью 0,6c на восток, то тогда общее расстояние между А и Б в моей системе отсчета увеличивается со скоростью 1,2c . Таким образом, видимая относительная скорость, большая c, может наблюдаться «с третьей стороны».

Однако такая скорость — это не то, что мы обычно понимаем под относительной скоростью. Настоящая скорость ракеты А относительно ракеты Б — это та скорость роста расстояния между ракетами, которую наблюдает наблюдатель в ракете Б . Две скорости надо сложить по релятиви стской формуле сложения скоростей (см. вопрос Как надо складывать скорости в частной относительности ). В данном случае относительная скорость получается примерно 0,88c , то есть, не является сверхсветовой.

3. Тени и зайчики

Подумайте, с какой скоростью может двигаться тень? Если Вы создадите на далекой стене тень от своего пальца от близкой лампы, а потом пальцем пошевелите, то тень задвигается гораздо быстрее пальца. Если палец будет смещаться параллельно стене, то скорость тени будет в D/d раз больше скорости пальца, где d — расстояние от пальца до лампы, а D — расстояние от лампы до стены. А может получиться и еще большая скорость, если стена будет расположена под углом. Если стена расположена очень далеко, то движение тени будет отставать от движения пальца, так как свет должен будет еще долететь от пальца до стены, но все равно скорость движения тени будет во столько же раз больше. То есть, скорость движения тени не ограничена скоростью света.

Кроме теней быстрее света могут двигаться и зайчики, например, пятнышко от лазерного луча, направленного на Луну. Зная, что расстояние до Луны 385 000 км., попробуйте рассчитать скорость движения зайчика если слегка поводить лазером. Еще можете подумать о морской волне, косо ударяющей о берег. С какой скоростью может двигаться точка, в которй волна разбивается?

Подобные вещи могут происходить и в природе. Например, световой луч от пульсара может прочесывать облако пыли. Яркая вспышка порождает расширяющееся оболочку из света или другого излучения. Когда она пересекает поверхность, то создается световое кольцо, увеличивающееся быстрее скорости света. В природе такое встречается, когда электромагнитный импульс от молнии достигает верхних слоев атмосферы.

Все это были примеры вещей, движущихся быстрее света, но которые не являлись физическими телами. При помощи тени или зайчика нельзя передать СС сообщение, так что и общение быстрее света не получается. И опять-таки, это, видимо, не то, что мы хотим понимать под СС движением, хотя становится понятно, насколько трудно определить, что именно нам нужно (см. вопрос Сверхсветовые ножницы ).

4. Твердые тела

Если взять длинную твердую палку и толкнуть один ее конец, задвигается ли другой конец сразу же, или нет? Нельзя ли таким образом осуществить СС передачу сообщения?

Да, это было бы можно сделать, если бы такие твердые тела существовали. В реальности же влияние удара по концу палки распространяется по ней со скоростью звука в данном веществе, а скорость звука зависит от упругости и плотности материала. Относительность накладывает абсолютный предел возможной твердости любых тел так, что скорость звука в них не может превышать c .

То же самое происходит и в случае, если вы нахидитесь в поле притяжения, и сначала держите вертикально струну или шест за верхний конец, а потом отпускаете его. Точка, которую вы отпустили, придет в движение сразу, а нижний конец не сможет начать падать до тех пор, пока до него со скоростью звука не дойдет влияние отпускания.

Сложно сформулировать общую теор ию упругих материалов в рамках относительности, но основную идею можно показать и на примере механики Ньютона. Уравнение продольного движения идеально упругого тела можно получить из закона Гука. В переменных массы на единицу длины p и модуля упругости Юнга Y , продольное смещение X удовлетворяет волновому уравнению.

Решение в виде плоских волн двигается со скоростью звука s , причем s 2 = Y/p . Данное уравнение не предполагает возможность причинностного влияния, распространяющегося быстрее s . Таким образом, относительность накладывает теор етический предел на величину упругости: Y < pc 2 . Практически же не встречаются материалы, даже близко подходящие к нему. Кстати, даже если скорость звука в материале близка к c , вещество само по себе вовсе не обязано двигаться с релятиви стской скоростью. Но откуда мы знаем, что в принципе не может существовать вещества, преодолевающего этот предел? Ответ заключается в том, что все вещества состоят из частиц, взаимодействие между которыми подчиняется стандартной модели элементарных частиц, а в этой модели никакое взаимодействие распространяться быстрее света не может (смотри ниже насчет квантовой теор ии поля).

Несмотря на то, что не существует абсолютно твердых тел, возможно движение тел как будто они абсолютно твердые. Но это пример из той же серии, что и движение теней и зайчиков, не позволяющих общаться быстрее света (см. также вопросы Сверхсветовые ножницы и Вращение жесткого диска в СТО ).

5. Фазовая скорость

Посмотрите на это волновое уравнение:

Эти решения есть синусоидальные волны, движущиеся со скоростью,

Но ведь это быстрее света, значит у нас в руках уравнение тахионного поля? Нет, это всего лишь обычное релятиви стское уравнение массивной скалярной частицы!

Парадокс разрешится, если понять различие между этой скоростью, называемой также фазовой скоростью v ph от другой скорости, называемой групповой v gr которая датеся формулой,

Если у волнового решения есть разброс частот, то оно приобретет вид волнового пакета, который движется с групповой сокростью, не превышающей c . Только гребни волны движутся с фазовой скоростью. Передавать информацию при помощи такой волны можно лишь с групповой скоростью, так что фазовая скорость дает нам очередной пример сверхсветовой скорости, которая не может переносить информацию.

6. Сверхсветовые галактики

Если объект приближается к вам с околосветовой скоростью, а вы измеряете видимую скорость его движения, не принимая в расчет уменьшение времени, требуемого свету, чтобы дойти до вас от объекта, то в результате вы можете получить ответ, больший c . Это иллюзия и она не означает, что объект движется со СС скоростью (см. вопрос Кажущееся сверхсветовое движение галактик ).

7. Релятивистская ракета

Диспетчер на Земле следит за космическим кораблем, улетающим со скоростью 0,8 c . Согласно теор ии относительности, даже после учета допплеровского сдвига сигналов от корабля, он увидит, что время на корабле замедлено и часы там идут медленнее с коэффициентом 0,6. Если он рассчитает частное от деления расстояния, пройденного кораблем на затраченное время, измеренное по часам корабля, то он получит 4/3 c . Это означает, что пассажиры корабля преодолевают межзвездное пространство с эффективной скоростью, большей, чем скорость света, которую они бы получили, если бы ее измерили. С точки зрения пассажиров корабля, межзвездные расстояния подвержены лоренцеву сокращению с тем же коэффициентом 0,6 и значит, они тоже должны признать, что они покрывают известные межзвездные расстояния со скоростью 4/3 c .

Это реальное явление и оно в принципе может быть использовано космическими путешественниками для преодоления огромных расстояний в течение жизни. Если они будут ускоряться с постоянным ускорением, равным ускорению свободного падения на Земле, то у них на корабле будет не только идеальная искусственная сила тяжести , но они еще успеют пересечь Галактику всего за 12 своих лет! (см. вопрос Каковы уравнения релятиви стской ракеты ?)

Однако, и это — не настоящее СС движение. Эффективная скорость вычислена из расстояния в одной системе отсчета, а времени — в другой. Это не настоящая скорость. Только пассажиры корабля получают преимущества от этой скорости. Диспечер же, например, не успеет за свою жизнь увидеть, как они пролетят гигантское расстояние.

8. Скорость гравитации

Некоторые утверждают, что скорорость гравитации в гравитационно-связанной системе гораздо больше c и даже бесконечна. На самом деле влияние гравитации и гравитационные волны распространяются со соростью света c . См. вопросы А гравитация тоже распространяется со сокростью света ? и Что такое гравитационное излучение ?

Сложные случаи СС движения

9. Парадокс Эйнштейна, Подольского, Розена (ЭПР)

В 1935 г. Эйнштейн, Подольский и Розен опубликовали мысленный эксперимент, в котором, как они думали, был продемонстрирован парадокс квантовой механики и доказана ее непонота. Их доводы использовали тот факт, что при проведении процесса измерения над двумя раздельными частицами в смешанном состоянии, якобы возникает мгновенное взаимодействие. Эйнштейн назвал это «жутким дальнодействием». Но Эберхард показал, что при помощи данного явления невозможно осуществить передачу информации, то есть, СС сообщения не получается. См. статью Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена и неравенство Белла .

10. Виртуальные фотоны

В квантовой теор ии поля силы передаются при помощи виртуальных частиц. Благодаря принципу неопределенности Гейзенберга, виртуальным частицам можно двигаться быстрее света. Однако, виртуальные частица неспроста названы «виртуальными». Они — всего лишь часть удобного математического языка. То есть снова оказывается невозможно СС путешествие и сообщение. (см. статью Виртуальные Частицы )

11. Квантовое туннелирование

Квантовое туннелирование — это квантовомеханическое явление, при котором частицы могут проникать через барьер в случае, когда у них нет достаточной для этого (в кслассическом смысл е) энерги и. Можно рассчитать время, которое нужно частице для туннелирования. В некоторых случаях получается значение меньшее, чем нужно свету на преодоление того же расстояния со скоростью c . Дает ли это нам средство для СС обмена сообщениями?
ref: T. E. Hartman, J. Appl. Phys. 33 , 3427 (1962)

Ответ, разумеется, должен быть «Нет», иначе наше понимание КЭД стнет весьма сомнительным. Однако, группа физиков провела опыт, в котором они показали, что СС перенос информации при помощи квантовго туннелирования — возможен. Они заявили, что им удалось передать 40-ю симфонию Моцарта через барьер шириной 11,4 см на скорости 4,7 c . Их интерпретация, конечно, весьма спорна. Большинство физиков считают, что это квантовое явление, при котором реально СС перенос информации невозможен из-за принципа неопределенности Гейзенберга. Если же описываемое явление реально, то трудно объяснить, почему тогда невозможно передать информацию в прошлое, поместив установку в быстро движущуюся систему отсчета.
ref:
W. Heitmann and G. Nimtz, Phys Lett A196 , 154 (1994);
A. Enders and G. Nimtz, Phys Rev E48 , 632 (1993)

Теренс Тао указал на то, что кажущийся СС перенос звукового сигнала на такое короткое расстояние не очень-то впечатляет. Сигналу нужно меньше 0,4 нс, чтобы пролететь 11,4 см со скоростью света, при этом для звуковых частот не составляет труда предсказать сигнал и на 1000 нс вперед, просто экстрапол ируя волнообразную форму сигнала. Даже если в рассматриваемом опыте произошло не это, то все равно ясно, что для чистоты эксперимента нужно применять гораздо белее высокую частоту, сделать сигнал случайным или передавать его на большее расстояние.

Наиболее очевидным будт заключение, что реального СС переноса информации тут не происходило, а имела место лишь новая форма проявления принципа неопределенности Гейзенберга.

12. Эффект Казимира

Явление Казимира — это очень слабая, но заметная сила, которая возникает между незаряженныи проводящими пластинами, если они расположены очень близко друг к другу. Оно возникает из-за энерги и вакуума (см. статью Эффект Казимира ). Удивительный расчет, выполненный Шарнхостом показал, что фотоны, пролетающие зазор между пластинами при явлении Казимира, должны двигаться быстрее c на небольшую долю (не более 1 части на 10 24 для зазора в 1 нм). Предполагается, что в некоторых космологических ситуациях (типа сближения космических струн, если таковые существуют) явление должно становиться значительным. Однако, дальнейшие теор етические изыскания показали, что возможности СС переноса информации при помощи данного явления не получается.
refs:
K. Scharnhorst, Physics Letters B236 , 354 (1990)
S. Ben-Menahem, Physics Letters B250 , 133 (1990)
Andrew Gould (Princeton, Inst. Advanced Study). IASSNS-AST-90-25
Barton & Scharnhorst, J Phys A26 , 2037 (1993)

13. Расширение Вселенной

Согласно закону Хаббла , две галактики, расположенные на расстоянии D , разлетаются друг от друга со скоростью HD , где H — постоянная Хаббла. В таком случае, галактики, которые отстоят на расстояние, болшее, чем c / H , должны разлетаться со скоростью, большей скорости света. И это совершенно верно. Из-за расширения Вселенной расстояние между двумя объектами и вправду может увеличиваться быстрее скорости света.

Заметим, что бес смысл енно говорить, что сама Вселенная расширяется быстрее скорости света, так как это расширение характеризуется одной лишь постоянной Хаббла, а она измеряется даже не в единицах скорости. То есть, во Вселенной есть галактики, которые удаляются от нас как медленнее, так и быстрее скорости света и нельзя какую-то из этих скоростей считать скоростью расширения самой Вселенной. Можно было бы говорить о такой скорости, если бы у Вселенной был край, но края у Вселенной нет.

Однако, скорость удаления галактик — это, фактически, не движение. Как мы рассказали выше, в специальной относительности два объекта могут разлетаться с почти двукратным превышением скорости света, если их разлет наблюдается из третьей системы отсчета. В общей относительности можно преодолеть и этот предел, но тогда вообще нельзя будет наблюдать оба объекта одновременно. Снова это не будет СС движением. Снова это никому не поможет пересечь Галактику быстрее, чем свет. Все, что будет происходить — это прирост расстояния между двумя объектами с точки зрения некоторой космологической системы отсчета.

14. Луна крутится вокруг меня быстрее света!

Встаньте не свободное место и покружитесь вокруг своей оси. Не так сложно вращаться со скоростью один оборот за две секунды. Предположим, что на горизонте находится Луна. С какой скоростью она будет вращаться вокруг Вашей головы? Поскольку она находится на расстоянии примерно 385 тыс. км, то ответ будет 1,21 млн. км/с, что составляет более чем четырехкратное превышение скорости света! Кажется нелепым говорить, что Луна вертится вокруг Вашей головы, ведь это Вы вертитесь, а не Луна, но согласно общей относительности, все системы отсчета допустимы, даже вращающиеся. Так значит Луна движется быстрее света? Трудно на это рассчитывать.

Что у нас точно получается, так это то, что в общей относительности, скорости в разных местах нельзя сравнивать напрямую. Обратите внимание, что Луна не обгоняет свет, который летает неподалеку от нее. Скорость Луны можно сравнивать только со скоростями, относительными других объектов в локальной инерциальной системе Луны. Вообще, понятие скорости не очень полезно в общей относительности и поэтому трудно определть, что значит «быстрее света». Даже утверждение, что скорость света постоянна, становится можно интерпретировать по-разному. Эйнштейн в своей книге «Относительность: специальная и общая теор ии» писал, что это утверждение не может претендовать на неограниченную верность (стр. 76). Когда не существует абсолютных определений пространства и времени — не так-то просто определить, что следует называть скоростью.

Тем не менее, современная интерпретация заключается в том, что скорость света постоянна и в общей относительности, и что это утверждение есть тавтологи я, поскольку стандартные единицы длины и времени определяются на основе скорости света. Луне приходится двигаться медленнее света, поскольку она остается внутри светового конуса, проложенного из ее местоположения на любое расстояние.

Доводы относительности против СС движения

15. Что значит «быстрее света»?

Рассмотренные выше случаи показывают нам, насколько сложно определить, что в действительности следует считать сверх-световым движением или переносом информации. Такие вещи, как движение теней или зайчиков СС движением считать нельзя. А что же можно?

В относительности не существует такой вещи, как абсолютная скорость, только относительная. Зато существует четкое разграничение между мировыми линиями , которые бывают время-подобными, пространство-подобными и свето-подобными. Под «мировой линией» мы понимаем кривую, проведенную в 4-мерном пространстве и которая представляет собой историю движения частицы или тени. Если мировая линия чего-то пространство-подобна, тогда это что-то движется быстрее света. Теперь у нас есть четкое понимание того, что значит «сверхсветовая» скорость и это сразу же исключает случаи третьих точек зрения.

Но что мы понимаем под «объектами», если мы не хотим включать в их число тени? Мы могли бы согласиться, что объект — это нечто, что переносит энерги ю, заряд, спин (вращение) или информацию или что объект должен состоять из атомов, но во всех случаях это привело бы нас к проблемам. В общей относительности энерги я не может быть локализована, так что нам лучше срузу исключить ее из определения. Заряд и спин могут быть локализованы, но явно, что не всякий объект обязан обладать ими. Информация — критерий получше, но, во-первых, его сложно определить, а во-торых, у нас тогда получится лишь СС перенос информации, а не СС движение. Другая трудность возникает, когда мы хотим узнать, что объект, обнаруженный в точке А — это тот же самый объект, который был обнаружен в точке Б, и при этом знаем, что движение происходило со сверхсветовой скоростью. Возможно, это копия? Можно бы даже договориться, что при помощи СС переноса информации осуществимо и СС движение, так как можно изготовить слепок объекта, передать его быстрее света в виде информации, а потом воссоздать объект в конечной точке, но не каждый посчитает такую телепортацию, как СС движение.

Еще более сложные проблемы, когда мы хотим понять, что такое СС, возникают в общей относительности. Допустимой формой СС путешествия может считаться искривление пространства-времени (т.е. создание чревоточины) для проникновения из А в Б без того, чтобы двигаться по пространство-подобной кривой локально. Существует различие между локальным сверхсветовым движением и глобальным попаданием из А в Б быстрее, чем свет. Когда гравитационная линза искажает изображение далекой галактики, то свет, обошедший искривление с одной стороны, приходит к нам позже, чем свет, испущенный в тот же момент, но обошедий искривление с другой. Мы должны избегать определений СС движения, в которых говорится, что оно возникает тогда, когда частица попадает из А в Б быстрее, чем свет, прошедший свето-подобный путь. В результате оказывается почти невозможно определить СС движение глобально непротиворечиво.

Если Вы ждали, что в конце раздела будет дано точное определение того, что понимается под СС движением и СС переносом информации, то Вам придется испытать разочарование. Вышеперечисленные трудности — непреодолимы. Однако, Вы, возможно, разберетесь, в чем тут дело, когда посмотрите доводы в пользу того, что именно невозможно, как СС движение.

16. Довод о бесконечной энерги и

Когда Эйнштейн сформулировал постул аты частной относительности, он не включил в их число утверждение, что бестрее света двигаться невозможно. Кроме того, существует ошибочное мнение, что такой вывод можно сделать на основе его постул атов. На самом деле это Пуанкаре сказал, что «возможно, нам придется создать новую механику. в которой скорость света станет пределом скорости». Это было сказано в обращении к Международному Съезду Наук и Искусств в 1904 г еще до того, как Эйнштейн представил частную теор ию относительности в 1905 г.

Следствием относительности является, что энерги я частицы с массой покоя m и движущейся со скоростью v дается соотношением

По мере того, как скорость приближается к скорости света, энерги я приближается к бесконечности. Следовательно, невозможно ускорить тело с ненулевой массой покоя до скорости света, так как у нас нет в запасе бесконечной энерги и. А частицы с нулевой массой покоя — обязаны двигаться со скоростью, равной скорости света, иначе у них будет нулевая энерги я. Эту штуку часто называют «световым барьером», но он очень отличается от «звукового барьера». По мере того, как самолет приближается к скорости звука, на него начинают действовать волны давления, которые показывают, что он близко к барьеру. Приложив еще немного усилий, барьер можно преодолеть. В случае же приближения к световому барьеру, ничего такого не происходит. Двигаться со скоростью 0,99999 c ничуть не сложнее, чем просто стоять на месте и наблюдать, как окружающие предметы проносятся назад со скоростью -0,99999 c . Частицы в ускорителях постоянно доводятся до такой скорости, так что это проверенный факт. Достижение скорости света больше похоже на попытку добраться до горшка с золотом на краю радуги.

Вышесказанное объясняет нам механические причины того, почему нельзя превысить скорость света, но не вычеркивает в принципе возможность СС путешествия. Это — всего лишь случай, при котором видно, что скорости света достичь нельзя, нежели доказательство того, что не существует вообще никакого способа. Известно, что когда распадаются элементарные частицы, то продукты распада часто движутся с большими скоростями. Поскольку в этом случае процесс ускорения нам не нужен, то почему бы не предположить, что могут получиться продукты, движущиеся быстрее света? Как насчет идеи о существовании частиц, которые вообще всегда движутся быстрее света, и которые можно регистрировать и направлять, чтобы использвать для СС передачи информации? Даже если и нет таких частиц, то все равно остается возможным как-то попасть из А в Б быстрее, чем это сделал бы свет обычным путем и притом, чтобы ничего локально быстрее света не перемещалось.

17. Квантовая теор ия поля

Все физические явления, кроме гравитации, которые наблюдались до настоящего времени, согласуются с так называемой стандартной моделью элементарных частиц. Стандартная модель — это релятиви стская квантовая теор ия поля, которая включает в себя ядерные и электромагнитные силы, а также все известные частицы. В этой теор ии, любые два оператора, которые соответствуют любым двум наблюдаемым в двух пространственно-временных точках (событиях), разделенных пространство-подобным интервалом — обязательно коммутируют. В принципе это означает, что в стандартной модели явления не могут распространяться быстрее света и это можно рассматривать, как квантово-механический эквивалент довода о бесконечной энерги и.

Однако, строгого и полного доказательства чего-угодно в стандартной модели квантовой теор ии поля быть не может, так как пока не показана согласованность самой этой модели. Скорее всего, она несогласована. В любом случае, нет гарантий, что не существует других неоткрытых частиц и сил, которые не соблюдают правил. Как нет и обобщений, включающих в себя гравитацию и общую теор ию относительности. Многие физики, работающие над квантовой гравитацией сомневаются, что такие упрощенческие выражения для причинности и локальности будут выведены. Все считают, что нет гарантий, то скорость света сохранит смысл предела скорости в более полной теор ии будущего.

18. Парадокс дедушки

Наилучшим аргументом против СС является парадокс дедушки. В частной относительности получается, что если частица движется быстрее света в одной системе отсчета, то в другой она может двигаться назад во времени. Иными словами, СС движение или перенос информации автоматически означают путешествие назад во времени или отправку сообщений в прошлое. Если такое возможно, то можно было бы отправиться назад во времени и изменить ход истории, например, убив собственного дедушку. Это и вправду весьма серьезный аргумент, но он оставляет нам возможность соврешать ограниченные СС путешествия при условии, что у нас нет возможности вернуться. Это не очень хорошо. Из относительности следует, что все, что можно сделать в одной системе отсчета, должно быть можно сделать и в другой. Либо может быть так, что путешествия во времнеи возможны и что причинность нарушается определенным образом при СС путешествии. Это совсем нехорошо, но когда мы говорим о СС, приходится мыслить шире.

Верно и обратное: если возможно путешествие во времени, то возможны и СС путешествия, так как мы можем переместиться назад во времени и потом медленно долететь докуда надо раньше, чем туда прилетит свет обычным путем (см. вопрос Путешествия во времени ).

Реальные кандидаты в СС путешественники

В данном разделе приведены умозрительные, но серьезные предположения о возможности сверхсветового путешествия. Это будут не те вещи, которые обычно помещают в ЧаВо, так как они вызывают больше вопросов, чем дают ответов. Они приведены здесь в основном для того, чтобы показать, что в данном направлении проводятся серьезные исследования. В каждом направлении дается лишь краткое введение. Более подробные сведения можно почерпнуть на просторах интернета.

19. Тахионы

Тахионы — это гипотетические частицы, которые локально движутся быстрее света. Чтобы это делать, у них должна быть масса, измеряемая мнимым числом, но их энерги я и импульс должны быть положительными. Иногда думают, что такие СС частицы должно быть невозможно засечь, но на самом деле, причин так считать нет. Тени и зайчики подсказывают нам, что из СС движения еще не следует незаметность.

Тахионы никогда не наблюдались и большинство физиков сомневаются в их существовании. Как-то заявлялось, что проведены опыты по измерению массы нейтрино, вылетающих при распаде Трития, и что эти нейтрино были тахионными. Это весьма сомнительно, но все-таки не исключено. В тахионных теор иях есть проблемы, так как с точки зрения возможных нарушений причинности, они дестабилизируют вакуум. Может и можно эти проблемы обойти, но тогда окажется невозможно применять тахионы в нужном нам СС сообщении.

Правда состоит в том, что большинство физиков считают тахионы признаком ошибки в полевых теор их, а интерес к ним со стороны широких масс подогревается, в основном, со стороны научной фантастики (см. статью Тахионы ).

20. Чревоточины

Наиболее известной предположительной возможностью СС путешествия является использование чревоточин. Чревоточины — это туннели в пространстве-времени, соединяющие одно место во Вселенной, с другим. По ним можно переместиться между этими точками быстрее, чем сделал бы свет своим обычным путем. Чревоточины — это явление классической общей относительности, но чтобы их создать, нужно изменить топологию пространства-времени. Возможность этого может быть заключено в теор ии квантовой гравитации.

Чтобы поддерживать чревоточины в открытом состоянии, нужны огромные количества отрицательной энерги и. Миснер и Торн предложили, что для генерации отрицательной энерги и можно использовать крупномасштабный эффект Казимира, а Виссер предложил решение с использованием космических струн. Все эти идеи весьма умозрительны и могут быть попросту нереальными. Необычное вещество с отрицательной энерги ей может не существовать в нужной для явления форме.

Торн обнаружил, что если чревоточины можно создать, то с их помощью можно организовать замкнутые временные петли, которые сделают возможными путешествия во времени. Также было сделано предположение, что многовариантная интерпретация квантовой механики свидетельствует о том, что никаких парадоксов путешествие во времени не вызовет, и что события просто развернутся иначе, когда вы попадете в прошлое. Хокинг говорит, что чревоточины могут просто нестабильными и потому неприменимыми на практике. Но сама тема остается плодотворной областью для мысленных экспериментов, позволяющих разобраться, что возможно и что не возможно исходя и известных и предполагаемых законов физики.
refs:
W. G. Morris and K. S. Thorne, American Journal of Physics 56 , 395-412 (1988)
W. G. Morris, K. S. Thorne, and U. Yurtsever, Phys. Rev. Letters 61 , 1446-9 (1988)
Matt Visser, Physical Review D39 , 3182-4 (1989)
see also «Black Holes and Time Warps» Kip Thorn, Norton & co. (1994)
For an explanation of the multiverse see, «The Fabric of Reality» David Deutsch, Penguin Press.

21. Двигатели-деформаторы

[Понятие не имею, как это перевести! В оригинале warp drive. — прим. переводчика;
перевёл по аналогии со статьей на Мембране ]

Деформатор мог бы быть механизмом для закручивания пространства-времени таким образом, чтобы объект мог перемещаться быстрее света. Мигель Алькабьер сделался знаменитым благодаря тому, что разработал геометрию, которая описывает такой деформатор. Искажение пространства-времени делает возможным для объекта перемещаться быстрее света, оставаясь на время-подобной кривой. Препятствия те же, что и при создании чревоточин. Чтобы создать деформатор, нужно вещество с отрицательной плотностью энерги и. Даже если такое вещество возможно, все равно непонятно, как его можно получить и как с его помощью заставить работать деформатор.
ref M. Alcubierre, Classical and Quantum Gravity, 11 , L73-L77, (1994)

Заключение

Во-первых, оказалось нелегко вообще определить, что значит СС путешествие и СС сообщение. Многие вещи, навроде теней, совершают СС дивжение, но так, что его нельзя использовать, например, для передачи информации. Но есть и серьезные возможности реального СС перемещения, которые предложены в научной литературе, но их реализация пока невозможна технически. Принцип неопределенности Гейзенберга делает невозможным использование кажущегося СС движения в квантовой механике. В общей относительности есть потенциал ьные средства СС движения, но их может быть невозможно использовать. Думается, что крайне маловероятно, что в обозримом будущем, или вообще, техника окажется способна создавать космические корабли с СС двигателями, но любопытно, что теор етическая физика, как мы ее сейчас знаем, не закрывает дверь для СС движения насовсем. СС движение в стиле научно-фантастических романов, видимо, совершенно невозможно. Для физиков интересен вопрос: «а почему, собственно, это невозможно, и чему из этого можно научиться?»

Да, это было бы можно сделать, если бы такие твердые тела существовали. В реальности же влияние удара по концу палки распространяется по ней со скоростью звука в данном веществе, а скорость звука зависит от упругости и плотности материала. Относительность накладывает абсолютный предел возможной твердости любых тел так, что скорость звука в них не может превышать c .

Можно ли двигаться быстрее света?

Можно подумать, что относительность дает на этот вопрос короткий отрицательный ответ. На самом же деле, можно придумать много совсем простых случаев, когда в некотором смысл е что-нибудь движется быстрее света (сверх света, СС) и некоторое количество случаев посложнее. С другой стороны, есть веские причины считать, что настоящее СС путешествие и передача сигналов останутся невозможными всегда.

Часто можно слышать такое рассуждение: » раньше считали, что нельзя двигаться быстрее звука, но оказалось, что можно; теперь считают, что мы никогда не сомжем путешествовать быстрее света. «. Но на самом деле это неправда, что кто-то когда-то считал, что двигаться быстрее звука невозможно. Задолго до того, как появились сверхзвуковые самолеты уже было известно, что быстрее звука летят пули. Реально же речь шла о том, что невозможен управляемый сверхзвуковой полет, и ошибка была в этом. СС движение — это совсем другое дело. С самого начала было ясно, что сверхзвуковому полету препятствуют технические проблемы, которые надо было просто решить. Но совершенно неясно, можно ли когда-нибудь будет решить проблемы, препятствующие СС движению. Теория относительности может много чего сказать на этот счет. Если будет возможно СС путешествие или даже передача сигнала, то будет нарушена причинность, а из этого последуют совершенно невероятные выводы.

Сначала мы обсудим простые случаи СС движения. Мы упоминаем их не потому, что они интересны, а потому, что они снова и снова всплывают в обсуждениях СС движения и потому с ними приходится иметь дело. Потом мы обсудим то, что мы считаем сложными случаями СС движения или общения и рассмотрим некоторые доводы против них. Наконец, мы рассмотрим наиболее серьезные предположения о настоящем СС движении.

Простое СС движение

1. Явление черенковского излучения

Один способ двигаться быстрее света состоит в том, чтобы сперва замедлить сам свет! 🙂 В вакууме свет летит со скоростью c , и эта величина является мировой постоянной (см. вопрос Постоянна ли скорость света ), а в более плотной среде вроде воды или стекла — замедляется до скорости c/n , где n — это показатель преломления среды (1,0003 у воздуха; 1,4 у воды). Поэтому частицы могут двигаться в воде или воздухе быстрее, чем там движется свет. В результате возникает излучение Вавилова-Черенкова (см. вопрос Существует ли у света аналог ударной волны, существующей у звука ).

Но когда мы говорим о СС движении, мы, конечно, имеем в виду превышение над скоростью света в вакууме c (299 792 458 м/с). Поэтому явление Черенкова не может считаться примером СС движения.

2. С третьей стороны

Если ракета А летит от меня со скоростью 0,6c на запад, а другая Б — от меня со скоростью 0,6c на восток, то тогда общее расстояние между А и Б в моей системе отсчета увеличивается со скоростью 1,2c . Таким образом, видимая относительная скорость, большая c, может наблюдаться «с третьей стороны».

Однако такая скорость — это не то, что мы обычно понимаем под относительной скоростью. Настоящая скорость ракеты А относительно ракеты Б — это та скорость роста расстояния между ракетами, которую наблюдает наблюдатель в ракете Б . Две скорости надо сложить по релятиви стской формуле сложения скоростей (см. вопрос Как надо складывать скорости в частной относительности ). В данном случае относительная скорость получается примерно 0,88c , то есть, не является сверхсветовой.

3. Тени и зайчики

Подумайте, с какой скоростью может двигаться тень? Если Вы создадите на далекой стене тень от своего пальца от близкой лампы, а потом пальцем пошевелите, то тень задвигается гораздо быстрее пальца. Если палец будет смещаться параллельно стене, то скорость тени будет в D/d раз больше скорости пальца, где d — расстояние от пальца до лампы, а D — расстояние от лампы до стены. А может получиться и еще большая скорость, если стена будет расположена под углом. Если стена расположена очень далеко, то движение тени будет отставать от движения пальца, так как свет должен будет еще долететь от пальца до стены, но все равно скорость движения тени будет во столько же раз больше. То есть, скорость движения тени не ограничена скоростью света.

Кроме теней быстрее света могут двигаться и зайчики, например, пятнышко от лазерного луча, направленного на Луну. Зная, что расстояние до Луны 385 000 км., попробуйте рассчитать скорость движения зайчика если слегка поводить лазером. Еще можете подумать о морской волне, косо ударяющей о берег. С какой скоростью может двигаться точка, в которй волна разбивается?

Подобные вещи могут происходить и в природе. Например, световой луч от пульсара может прочесывать облако пыли. Яркая вспышка порождает расширяющееся оболочку из света или другого излучения. Когда она пересекает поверхность, то создается световое кольцо, увеличивающееся быстрее скорости света. В природе такое встречается, когда электромагнитный импульс от молнии достигает верхних слоев атмосферы.

Все это были примеры вещей, движущихся быстрее света, но которые не являлись физическими телами. При помощи тени или зайчика нельзя передать СС сообщение, так что и общение быстрее света не получается. И опять-таки, это, видимо, не то, что мы хотим понимать под СС движением, хотя становится понятно, насколько трудно определить, что именно нам нужно (см. вопрос Сверхсветовые ножницы ).

4. Твердые тела

Если взять длинную твердую палку и толкнуть один ее конец, задвигается ли другой конец сразу же, или нет? Нельзя ли таким образом осуществить СС передачу сообщения?

Да, это было бы можно сделать, если бы такие твердые тела существовали. В реальности же влияние удара по концу палки распространяется по ней со скоростью звука в данном веществе, а скорость звука зависит от упругости и плотности материала. Относительность накладывает абсолютный предел возможной твердости любых тел так, что скорость звука в них не может превышать c .

То же самое происходит и в случае, если вы нахидитесь в поле притяжения, и сначала держите вертикально струну или шест за верхний конец, а потом отпускаете его. Точка, которую вы отпустили, придет в движение сразу, а нижний конец не сможет начать падать до тех пор, пока до него со скоростью звука не дойдет влияние отпускания.

Сложно сформулировать общую теор ию упругих материалов в рамках относительности, но основную идею можно показать и на примере механики Ньютона. Уравнение продольного движения идеально упругого тела можно получить из закона Гука. В переменных массы на единицу длины p и модуля упругости Юнга Y , продольное смещение X удовлетворяет волновому уравнению.

Решение в виде плоских волн двигается со скоростью звука s , причем s 2 = Y/p . Данное уравнение не предполагает возможность причинностного влияния, распространяющегося быстрее s . Таким образом, относительность накладывает теор етический предел на величину упругости: Y < pc 2 . Практически же не встречаются материалы, даже близко подходящие к нему. Кстати, даже если скорость звука в материале близка к c , вещество само по себе вовсе не обязано двигаться с релятиви стской скоростью. Но откуда мы знаем, что в принципе не может существовать вещества, преодолевающего этот предел? Ответ заключается в том, что все вещества состоят из частиц, взаимодействие между которыми подчиняется стандартной модели элементарных частиц, а в этой модели никакое взаимодействие распространяться быстрее света не может (смотри ниже насчет квантовой теор ии поля).

Несмотря на то, что не существует абсолютно твердых тел, возможно движение тел как будто они абсолютно твердые. Но это пример из той же серии, что и движение теней и зайчиков, не позволяющих общаться быстрее света (см. также вопросы Сверхсветовые ножницы и Вращение жесткого диска в СТО ).

5. Фазовая скорость

Посмотрите на это волновое уравнение:

Эти решения есть синусоидальные волны, движущиеся со скоростью,

Но ведь это быстрее света, значит у нас в руках уравнение тахионного поля? Нет, это всего лишь обычное релятиви стское уравнение массивной скалярной частицы!

Парадокс разрешится, если понять различие между этой скоростью, называемой также фазовой скоростью v ph от другой скорости, называемой групповой v gr которая датеся формулой,

Если у волнового решения есть разброс частот, то оно приобретет вид волнового пакета, который движется с групповой сокростью, не превышающей c . Только гребни волны движутся с фазовой скоростью. Передавать информацию при помощи такой волны можно лишь с групповой скоростью, так что фазовая скорость дает нам очередной пример сверхсветовой скорости, которая не может переносить информацию.

6. Сверхсветовые галактики

Если объект приближается к вам с околосветовой скоростью, а вы измеряете видимую скорость его движения, не принимая в расчет уменьшение времени, требуемого свету, чтобы дойти до вас от объекта, то в результате вы можете получить ответ, больший c . Это иллюзия и она не означает, что объект движется со СС скоростью (см. вопрос Кажущееся сверхсветовое движение галактик ).

7. Релятивистская ракета

Диспетчер на Земле следит за космическим кораблем, улетающим со скоростью 0,8 c . Согласно теор ии относительности, даже после учета допплеровского сдвига сигналов от корабля, он увидит, что время на корабле замедлено и часы там идут медленнее с коэффициентом 0,6. Если он рассчитает частное от деления расстояния, пройденного кораблем на затраченное время, измеренное по часам корабля, то он получит 4/3 c . Это означает, что пассажиры корабля преодолевают межзвездное пространство с эффективной скоростью, большей, чем скорость света, которую они бы получили, если бы ее измерили. С точки зрения пассажиров корабля, межзвездные расстояния подвержены лоренцеву сокращению с тем же коэффициентом 0,6 и значит, они тоже должны признать, что они покрывают известные межзвездные расстояния со скоростью 4/3 c .

Это реальное явление и оно в принципе может быть использовано космическими путешественниками для преодоления огромных расстояний в течение жизни. Если они будут ускоряться с постоянным ускорением, равным ускорению свободного падения на Земле, то у них на корабле будет не только идеальная искусственная сила тяжести , но они еще успеют пересечь Галактику всего за 12 своих лет! (см. вопрос Каковы уравнения релятиви стской ракеты ?)

Однако, и это — не настоящее СС движение. Эффективная скорость вычислена из расстояния в одной системе отсчета, а времени — в другой. Это не настоящая скорость. Только пассажиры корабля получают преимущества от этой скорости. Диспечер же, например, не успеет за свою жизнь увидеть, как они пролетят гигантское расстояние.

8. Скорость гравитации

Некоторые утверждают, что скорорость гравитации в гравитационно-связанной системе гораздо больше c и даже бесконечна. На самом деле влияние гравитации и гравитационные волны распространяются со соростью света c . См. вопросы А гравитация тоже распространяется со сокростью света ? и Что такое гравитационное излучение ?

Сложные случаи СС движения

9. Парадокс Эйнштейна, Подольского, Розена (ЭПР)

В 1935 г. Эйнштейн, Подольский и Розен опубликовали мысленный эксперимент, в котором, как они думали, был продемонстрирован парадокс квантовой механики и доказана ее непонота. Их доводы использовали тот факт, что при проведении процесса измерения над двумя раздельными частицами в смешанном состоянии, якобы возникает мгновенное взаимодействие. Эйнштейн назвал это «жутким дальнодействием». Но Эберхард показал, что при помощи данного явления невозможно осуществить передачу информации, то есть, СС сообщения не получается. См. статью Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена и неравенство Белла .

10. Виртуальные фотоны

В квантовой теор ии поля силы передаются при помощи виртуальных частиц. Благодаря принципу неопределенности Гейзенберга, виртуальным частицам можно двигаться быстрее света. Однако, виртуальные частица неспроста названы «виртуальными». Они — всего лишь часть удобного математического языка. То есть снова оказывается невозможно СС путешествие и сообщение. (см. статью Виртуальные Частицы )

11. Квантовое туннелирование

Квантовое туннелирование — это квантовомеханическое явление, при котором частицы могут проникать через барьер в случае, когда у них нет достаточной для этого (в кслассическом смысл е) энерги и. Можно рассчитать время, которое нужно частице для туннелирования. В некоторых случаях получается значение меньшее, чем нужно свету на преодоление того же расстояния со скоростью c . Дает ли это нам средство для СС обмена сообщениями?
ref: T. E. Hartman, J. Appl. Phys. 33 , 3427 (1962)

Ответ, разумеется, должен быть «Нет», иначе наше понимание КЭД стнет весьма сомнительным. Однако, группа физиков провела опыт, в котором они показали, что СС перенос информации при помощи квантовго туннелирования — возможен. Они заявили, что им удалось передать 40-ю симфонию Моцарта через барьер шириной 11,4 см на скорости 4,7 c . Их интерпретация, конечно, весьма спорна. Большинство физиков считают, что это квантовое явление, при котором реально СС перенос информации невозможен из-за принципа неопределенности Гейзенберга. Если же описываемое явление реально, то трудно объяснить, почему тогда невозможно передать информацию в прошлое, поместив установку в быстро движущуюся систему отсчета.
ref:
W. Heitmann and G. Nimtz, Phys Lett A196 , 154 (1994);
A. Enders and G. Nimtz, Phys Rev E48 , 632 (1993)

Теренс Тао указал на то, что кажущийся СС перенос звукового сигнала на такое короткое расстояние не очень-то впечатляет. Сигналу нужно меньше 0,4 нс, чтобы пролететь 11,4 см со скоростью света, при этом для звуковых частот не составляет труда предсказать сигнал и на 1000 нс вперед, просто экстрапол ируя волнообразную форму сигнала. Даже если в рассматриваемом опыте произошло не это, то все равно ясно, что для чистоты эксперимента нужно применять гораздо белее высокую частоту, сделать сигнал случайным или передавать его на большее расстояние.

Наиболее очевидным будт заключение, что реального СС переноса информации тут не происходило, а имела место лишь новая форма проявления принципа неопределенности Гейзенберга.

12. Эффект Казимира

Явление Казимира — это очень слабая, но заметная сила, которая возникает между незаряженныи проводящими пластинами, если они расположены очень близко друг к другу. Оно возникает из-за энерги и вакуума (см. статью Эффект Казимира ). Удивительный расчет, выполненный Шарнхостом показал, что фотоны, пролетающие зазор между пластинами при явлении Казимира, должны двигаться быстрее c на небольшую долю (не более 1 части на 10 24 для зазора в 1 нм). Предполагается, что в некоторых космологических ситуациях (типа сближения космических струн, если таковые существуют) явление должно становиться значительным. Однако, дальнейшие теор етические изыскания показали, что возможности СС переноса информации при помощи данного явления не получается.
refs:
K. Scharnhorst, Physics Letters B236 , 354 (1990)
S. Ben-Menahem, Physics Letters B250 , 133 (1990)
Andrew Gould (Princeton, Inst. Advanced Study). IASSNS-AST-90-25
Barton & Scharnhorst, J Phys A26 , 2037 (1993)

13. Расширение Вселенной

Согласно закону Хаббла , две галактики, расположенные на расстоянии D , разлетаются друг от друга со скоростью HD , где H — постоянная Хаббла. В таком случае, галактики, которые отстоят на расстояние, болшее, чем c / H , должны разлетаться со скоростью, большей скорости света. И это совершенно верно. Из-за расширения Вселенной расстояние между двумя объектами и вправду может увеличиваться быстрее скорости света.

Заметим, что бес смысл енно говорить, что сама Вселенная расширяется быстрее скорости света, так как это расширение характеризуется одной лишь постоянной Хаббла, а она измеряется даже не в единицах скорости. То есть, во Вселенной есть галактики, которые удаляются от нас как медленнее, так и быстрее скорости света и нельзя какую-то из этих скоростей считать скоростью расширения самой Вселенной. Можно было бы говорить о такой скорости, если бы у Вселенной был край, но края у Вселенной нет.

Однако, скорость удаления галактик — это, фактически, не движение. Как мы рассказали выше, в специальной относительности два объекта могут разлетаться с почти двукратным превышением скорости света, если их разлет наблюдается из третьей системы отсчета. В общей относительности можно преодолеть и этот предел, но тогда вообще нельзя будет наблюдать оба объекта одновременно. Снова это не будет СС движением. Снова это никому не поможет пересечь Галактику быстрее, чем свет. Все, что будет происходить — это прирост расстояния между двумя объектами с точки зрения некоторой космологической системы отсчета.

14. Луна крутится вокруг меня быстрее света!

Встаньте не свободное место и покружитесь вокруг своей оси. Не так сложно вращаться со скоростью один оборот за две секунды. Предположим, что на горизонте находится Луна. С какой скоростью она будет вращаться вокруг Вашей головы? Поскольку она находится на расстоянии примерно 385 тыс. км, то ответ будет 1,21 млн. км/с, что составляет более чем четырехкратное превышение скорости света! Кажется нелепым говорить, что Луна вертится вокруг Вашей головы, ведь это Вы вертитесь, а не Луна, но согласно общей относительности, все системы отсчета допустимы, даже вращающиеся. Так значит Луна движется быстрее света? Трудно на это рассчитывать.

Что у нас точно получается, так это то, что в общей относительности, скорости в разных местах нельзя сравнивать напрямую. Обратите внимание, что Луна не обгоняет свет, который летает неподалеку от нее. Скорость Луны можно сравнивать только со скоростями, относительными других объектов в локальной инерциальной системе Луны. Вообще, понятие скорости не очень полезно в общей относительности и поэтому трудно определть, что значит «быстрее света». Даже утверждение, что скорость света постоянна, становится можно интерпретировать по-разному. Эйнштейн в своей книге «Относительность: специальная и общая теор ии» писал, что это утверждение не может претендовать на неограниченную верность (стр. 76). Когда не существует абсолютных определений пространства и времени — не так-то просто определить, что следует называть скоростью.

Тем не менее, современная интерпретация заключается в том, что скорость света постоянна и в общей относительности, и что это утверждение есть тавтологи я, поскольку стандартные единицы длины и времени определяются на основе скорости света. Луне приходится двигаться медленнее света, поскольку она остается внутри светового конуса, проложенного из ее местоположения на любое расстояние.

Доводы относительности против СС движения

15. Что значит «быстрее света»?

Рассмотренные выше случаи показывают нам, насколько сложно определить, что в действительности следует считать сверх-световым движением или переносом информации. Такие вещи, как движение теней или зайчиков СС движением считать нельзя. А что же можно?

В относительности не существует такой вещи, как абсолютная скорость, только относительная. Зато существует четкое разграничение между мировыми линиями , которые бывают время-подобными, пространство-подобными и свето-подобными. Под «мировой линией» мы понимаем кривую, проведенную в 4-мерном пространстве и которая представляет собой историю движения частицы или тени. Если мировая линия чего-то пространство-подобна, тогда это что-то движется быстрее света. Теперь у нас есть четкое понимание того, что значит «сверхсветовая» скорость и это сразу же исключает случаи третьих точек зрения.

Но что мы понимаем под «объектами», если мы не хотим включать в их число тени? Мы могли бы согласиться, что объект — это нечто, что переносит энерги ю, заряд, спин (вращение) или информацию или что объект должен состоять из атомов, но во всех случаях это привело бы нас к проблемам. В общей относительности энерги я не может быть локализована, так что нам лучше срузу исключить ее из определения. Заряд и спин могут быть локализованы, но явно, что не всякий объект обязан обладать ими. Информация — критерий получше, но, во-первых, его сложно определить, а во-торых, у нас тогда получится лишь СС перенос информации, а не СС движение. Другая трудность возникает, когда мы хотим узнать, что объект, обнаруженный в точке А — это тот же самый объект, который был обнаружен в точке Б, и при этом знаем, что движение происходило со сверхсветовой скоростью. Возможно, это копия? Можно бы даже договориться, что при помощи СС переноса информации осуществимо и СС движение, так как можно изготовить слепок объекта, передать его быстрее света в виде информации, а потом воссоздать объект в конечной точке, но не каждый посчитает такую телепортацию, как СС движение.

Еще более сложные проблемы, когда мы хотим понять, что такое СС, возникают в общей относительности. Допустимой формой СС путешествия может считаться искривление пространства-времени (т.е. создание чревоточины) для проникновения из А в Б без того, чтобы двигаться по пространство-подобной кривой локально. Существует различие между локальным сверхсветовым движением и глобальным попаданием из А в Б быстрее, чем свет. Когда гравитационная линза искажает изображение далекой галактики, то свет, обошедший искривление с одной стороны, приходит к нам позже, чем свет, испущенный в тот же момент, но обошедий искривление с другой. Мы должны избегать определений СС движения, в которых говорится, что оно возникает тогда, когда частица попадает из А в Б быстрее, чем свет, прошедший свето-подобный путь. В результате оказывается почти невозможно определить СС движение глобально непротиворечиво.

Если Вы ждали, что в конце раздела будет дано точное определение того, что понимается под СС движением и СС переносом информации, то Вам придется испытать разочарование. Вышеперечисленные трудности — непреодолимы. Однако, Вы, возможно, разберетесь, в чем тут дело, когда посмотрите доводы в пользу того, что именно невозможно, как СС движение.

16. Довод о бесконечной энерги и

Когда Эйнштейн сформулировал постул аты частной относительности, он не включил в их число утверждение, что бестрее света двигаться невозможно. Кроме того, существует ошибочное мнение, что такой вывод можно сделать на основе его постул атов. На самом деле это Пуанкаре сказал, что «возможно, нам придется создать новую механику. в которой скорость света станет пределом скорости». Это было сказано в обращении к Международному Съезду Наук и Искусств в 1904 г еще до того, как Эйнштейн представил частную теор ию относительности в 1905 г.

Следствием относительности является, что энерги я частицы с массой покоя m и движущейся со скоростью v дается соотношением

По мере того, как скорость приближается к скорости света, энерги я приближается к бесконечности. Следовательно, невозможно ускорить тело с ненулевой массой покоя до скорости света, так как у нас нет в запасе бесконечной энерги и. А частицы с нулевой массой покоя — обязаны двигаться со скоростью, равной скорости света, иначе у них будет нулевая энерги я. Эту штуку часто называют «световым барьером», но он очень отличается от «звукового барьера». По мере того, как самолет приближается к скорости звука, на него начинают действовать волны давления, которые показывают, что он близко к барьеру. Приложив еще немного усилий, барьер можно преодолеть. В случае же приближения к световому барьеру, ничего такого не происходит. Двигаться со скоростью 0,99999 c ничуть не сложнее, чем просто стоять на месте и наблюдать, как окружающие предметы проносятся назад со скоростью -0,99999 c . Частицы в ускорителях постоянно доводятся до такой скорости, так что это проверенный факт. Достижение скорости света больше похоже на попытку добраться до горшка с золотом на краю радуги.

Вышесказанное объясняет нам механические причины того, почему нельзя превысить скорость света, но не вычеркивает в принципе возможность СС путешествия. Это — всего лишь случай, при котором видно, что скорости света достичь нельзя, нежели доказательство того, что не существует вообще никакого способа. Известно, что когда распадаются элементарные частицы, то продукты распада часто движутся с большими скоростями. Поскольку в этом случае процесс ускорения нам не нужен, то почему бы не предположить, что могут получиться продукты, движущиеся быстрее света? Как насчет идеи о существовании частиц, которые вообще всегда движутся быстрее света, и которые можно регистрировать и направлять, чтобы использвать для СС передачи информации? Даже если и нет таких частиц, то все равно остается возможным как-то попасть из А в Б быстрее, чем это сделал бы свет обычным путем и притом, чтобы ничего локально быстрее света не перемещалось.

17. Квантовая теор ия поля

Все физические явления, кроме гравитации, которые наблюдались до настоящего времени, согласуются с так называемой стандартной моделью элементарных частиц. Стандартная модель — это релятиви стская квантовая теор ия поля, которая включает в себя ядерные и электромагнитные силы, а также все известные частицы. В этой теор ии, любые два оператора, которые соответствуют любым двум наблюдаемым в двух пространственно-временных точках (событиях), разделенных пространство-подобным интервалом — обязательно коммутируют. В принципе это означает, что в стандартной модели явления не могут распространяться быстрее света и это можно рассматривать, как квантово-механический эквивалент довода о бесконечной энерги и.

Однако, строгого и полного доказательства чего-угодно в стандартной модели квантовой теор ии поля быть не может, так как пока не показана согласованность самой этой модели. Скорее всего, она несогласована. В любом случае, нет гарантий, что не существует других неоткрытых частиц и сил, которые не соблюдают правил. Как нет и обобщений, включающих в себя гравитацию и общую теор ию относительности. Многие физики, работающие над квантовой гравитацией сомневаются, что такие упрощенческие выражения для причинности и локальности будут выведены. Все считают, что нет гарантий, то скорость света сохранит смысл предела скорости в более полной теор ии будущего.

18. Парадокс дедушки

Наилучшим аргументом против СС является парадокс дедушки. В частной относительности получается, что если частица движется быстрее света в одной системе отсчета, то в другой она может двигаться назад во времени. Иными словами, СС движение или перенос информации автоматически означают путешествие назад во времени или отправку сообщений в прошлое. Если такое возможно, то можно было бы отправиться назад во времени и изменить ход истории, например, убив собственного дедушку. Это и вправду весьма серьезный аргумент, но он оставляет нам возможность соврешать ограниченные СС путешествия при условии, что у нас нет возможности вернуться. Это не очень хорошо. Из относительности следует, что все, что можно сделать в одной системе отсчета, должно быть можно сделать и в другой. Либо может быть так, что путешествия во времнеи возможны и что причинность нарушается определенным образом при СС путешествии. Это совсем нехорошо, но когда мы говорим о СС, приходится мыслить шире.

Верно и обратное: если возможно путешествие во времени, то возможны и СС путешествия, так как мы можем переместиться назад во времени и потом медленно долететь докуда надо раньше, чем туда прилетит свет обычным путем (см. вопрос Путешествия во времени ).

Реальные кандидаты в СС путешественники

В данном разделе приведены умозрительные, но серьезные предположения о возможности сверхсветового путешествия. Это будут не те вещи, которые обычно помещают в ЧаВо, так как они вызывают больше вопросов, чем дают ответов. Они приведены здесь в основном для того, чтобы показать, что в данном направлении проводятся серьезные исследования. В каждом направлении дается лишь краткое введение. Более подробные сведения можно почерпнуть на просторах интернета.

19. Тахионы

Тахионы — это гипотетические частицы, которые локально движутся быстрее света. Чтобы это делать, у них должна быть масса, измеряемая мнимым числом, но их энерги я и импульс должны быть положительными. Иногда думают, что такие СС частицы должно быть невозможно засечь, но на самом деле, причин так считать нет. Тени и зайчики подсказывают нам, что из СС движения еще не следует незаметность.

Тахионы никогда не наблюдались и большинство физиков сомневаются в их существовании. Как-то заявлялось, что проведены опыты по измерению массы нейтрино, вылетающих при распаде Трития, и что эти нейтрино были тахионными. Это весьма сомнительно, но все-таки не исключено. В тахионных теор иях есть проблемы, так как с точки зрения возможных нарушений причинности, они дестабилизируют вакуум. Может и можно эти проблемы обойти, но тогда окажется невозможно применять тахионы в нужном нам СС сообщении.

Правда состоит в том, что большинство физиков считают тахионы признаком ошибки в полевых теор их, а интерес к ним со стороны широких масс подогревается, в основном, со стороны научной фантастики (см. статью Тахионы ).

20. Чревоточины

Наиболее известной предположительной возможностью СС путешествия является использование чревоточин. Чревоточины — это туннели в пространстве-времени, соединяющие одно место во Вселенной, с другим. По ним можно переместиться между этими точками быстрее, чем сделал бы свет своим обычным путем. Чревоточины — это явление классической общей относительности, но чтобы их создать, нужно изменить топологию пространства-времени. Возможность этого может быть заключено в теор ии квантовой гравитации.

Чтобы поддерживать чревоточины в открытом состоянии, нужны огромные количества отрицательной энерги и. Миснер и Торн предложили, что для генерации отрицательной энерги и можно использовать крупномасштабный эффект Казимира, а Виссер предложил решение с использованием космических струн. Все эти идеи весьма умозрительны и могут быть попросту нереальными. Необычное вещество с отрицательной энерги ей может не существовать в нужной для явления форме.

Торн обнаружил, что если чревоточины можно создать, то с их помощью можно организовать замкнутые временные петли, которые сделают возможными путешествия во времени. Также было сделано предположение, что многовариантная интерпретация квантовой механики свидетельствует о том, что никаких парадоксов путешествие во времени не вызовет, и что события просто развернутся иначе, когда вы попадете в прошлое. Хокинг говорит, что чревоточины могут просто нестабильными и потому неприменимыми на практике. Но сама тема остается плодотворной областью для мысленных экспериментов, позволяющих разобраться, что возможно и что не возможно исходя и известных и предполагаемых законов физики.
refs:
W. G. Morris and K. S. Thorne, American Journal of Physics 56 , 395-412 (1988)
W. G. Morris, K. S. Thorne, and U. Yurtsever, Phys. Rev. Letters 61 , 1446-9 (1988)
Matt Visser, Physical Review D39 , 3182-4 (1989)
see also «Black Holes and Time Warps» Kip Thorn, Norton & co. (1994)
For an explanation of the multiverse see, «The Fabric of Reality» David Deutsch, Penguin Press.

21. Двигатели-деформаторы

[Понятие не имею, как это перевести! В оригинале warp drive. — прим. переводчика;
перевёл по аналогии со статьей на Мембране ]

Деформатор мог бы быть механизмом для закручивания пространства-времени таким образом, чтобы объект мог перемещаться быстрее света. Мигель Алькабьер сделался знаменитым благодаря тому, что разработал геометрию, которая описывает такой деформатор. Искажение пространства-времени делает возможным для объекта перемещаться быстрее света, оставаясь на время-подобной кривой. Препятствия те же, что и при создании чревоточин. Чтобы создать деформатор, нужно вещество с отрицательной плотностью энерги и. Даже если такое вещество возможно, все равно непонятно, как его можно получить и как с его помощью заставить работать деформатор.
ref M. Alcubierre, Classical and Quantum Gravity, 11 , L73-L77, (1994)

Заключение

Во-первых, оказалось нелегко вообще определить, что значит СС путешествие и СС сообщение. Многие вещи, навроде теней, совершают СС дивжение, но так, что его нельзя использовать, например, для передачи информации. Но есть и серьезные возможности реального СС перемещения, которые предложены в научной литературе, но их реализация пока невозможна технически. Принцип неопределенности Гейзенберга делает невозможным использование кажущегося СС движения в квантовой механике. В общей относительности есть потенциал ьные средства СС движения, но их может быть невозможно использовать. Думается, что крайне маловероятно, что в обозримом будущем, или вообще, техника окажется способна создавать космические корабли с СС двигателями, но любопытно, что теор етическая физика, как мы ее сейчас знаем, не закрывает дверь для СС движения насовсем. СС движение в стиле научно-фантастических романов, видимо, совершенно невозможно. Для физиков интересен вопрос: «а почему, собственно, это невозможно, и чему из этого можно научиться?»

Поэтому исследователи решили перепроверить свои датчики, а потом повторили эксперимент — с тем же результатом. С тех пор прошло более двух лет непрерывной бомбардировки тау-нейтрино, и, как заявил Дарио Аутьеро, один из руководителей проекта OPERA, они зафиксировали свыше 16 тысяч событий превышения скорости света. Согласитесь, это уже не тот случай, от которого можно просто так отмахнуться.

Теория Эйнштейна опровергнута: скорость света может быть превышена. Репортаж Адели Калиниченко из Европейского центра по ядерным исследованиям

Что такое 60 наносекунд? Миг, который никто из людей не способен даже ощутить. Во всем мире найдется вообще всего три прибора, способных зафиксировать этот временной отрезок. И тем не менее именно эти наносекунды в буквальном смысле перевернули вверх тормашками жизнь физиков всего мира: как оказалось, нейтрино смогли на 60 наносекунд превысить скорость света.

Произошло это еще два года назад в ходе эксперимента на детекторе OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), который находится на глубине 1400 метров под итальянскими Апеннинами в подземной лаборатории Гран-Сассо. Именно сюда сквозь толщу земли прилетают пучки тау-нейтрино, создаваемые на протонном суперсинхротроне SPS в подземной лаборатории CERN, расположенной в 732 километрах. Поскольку тау-нейтрино свободно пролетают сквозь любую материю (к примеру, подсчитано, что сквозь наше тело ежедневно пролетает до 10 в 14-й степени нейтрино, порожденных Солнцем), ученые подсчитали, что этот путь они должны преодолеть примерно за 3 миллисекунды — как обычный фотон света. Но случилось непредвиденное: измерив время попадания нейтрино в мишень, исследователи вдруг обнаружили, что нейтрино прибыли раньше расчетного времени примерно на 60 наносекунд. Естественно, ученые сначала просто не поверили своим глазам: ведь еще со школьной скамьи всем нам прекрасно известно, что скорость света в вакууме, достигающая 299 792 458 метров в секунду, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, является универсальной физической константой, то есть ничто и никогда не способно двигаться быстрее. Это предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

Поэтому исследователи решили перепроверить свои датчики, а потом повторили эксперимент — с тем же результатом. С тех пор прошло более двух лет непрерывной бомбардировки тау-нейтрино, и, как заявил Дарио Аутьеро, один из руководителей проекта OPERA, они зафиксировали свыше 16 тысяч событий превышения скорости света. Согласитесь, это уже не тот случай, от которого можно просто так отмахнуться.

И вот 23 сентября 2011 года в конференц-зале CERN профессор Дарио Аутьеро от лица международной команды исследователей прочитал специальный доклад, в котором он не только официально подтвердил результаты этого сенсационного эксперимента, но и поставил под сомнение сам фундамент современной науки — теорию Эйнштейна. (Интересная деталь: доклад Аутьеро подписали 174 ученых, тогда как в эксперименте участвовали 216 человек, вероятно, далеко не все ученые согласились подписаться под документом, который фактически выносит приговор одному из постулатов физики элементарных частиц.) Зато свое одобрение коллегам высказал лауреат Нобелевской премии 1976 года Самуэль Тинг, заведующий лабораторией физики высоких энергий Массачусетского технологического института.

Детектор OPERA (на фото) зафиксировал четкий след нейтрино раньше расчетного времени

Детектор OPERA (на фото) зафиксировал четкий след нейтрино раньше расчетного времени

Поскольку сам профессор Дарио Аутьеро отказался отвечать на какие-либо вопросы журналистов, специальный корреспондент «Огонька» решил попросить прокомментировать это событие Ставроса Катсаневаса, замдиректора французского Национального института ядерной физики и физики элементарных частиц, который также является участником эксперимента OPERA.

— Почему объявили об этих результатах именно сегодня?

— Мы отдавали себе отчет, какой это невероятный шок, когда вы сообщаете, что есть нечто, что летит быстрее света. Это настолько не укладывается в сознании, что мы обязаны были сделать бесконечное число проверок. Мы постоянно учитывали возможность «систематической ошибки», которую в качестве объяснения явления в первую очередь выдвигают скептики. Но проверять можно было действительно до бесконечности. И мы поняли, что пора остановиться, так как помимо нашей воли наши результаты стали просачиваться во вне нашего научного сообщества. Мы не хотели утечки информации до нашего собственного оглашения результатов. А она становилась неизбежной. Ясно было, что пришло время обнародовать наши результаты.

— Тем не менее скептики требуют новых проверок, но уже в других лабораториях мира.

— Я доверяю команде, с которой работал все это время. Наши предосторожности во время эксперимента были очень велики, и весь процесс проходил в высшей степени добросовестно, тщательно, то, что называется «на самом высоком уровне». Но я согласен с заявлением о том, что возможность так называемой систематической ошибки теперь желательно проверить в лаборатории Ферми близ Чикаго. Раньше можно было рассчитывать на действенное участие японских коллег, однако в настоящее время их исследования приостановлены в результате разрушений, случившихся во время землетрясения и цунами. Если и в лаборатории Ферми будет найдено реальное подтверждение наших результатов, то это можно будет считать эпохальным открытием для всей мировой науки.

— Если ваш опрокидывающий основы физики вывод подтвердится и скорость света — действительно не предел, что это даст человечеству?

— Любая теория создается как знаменитая русская кукла матрешка, когда внутри одной матрешки находится другая, поменьше. А потом еще поменьше. И еще. Но сразу увидеть, сколько их внутри и какие они, невозможно. Пока мы открыли только первую матрешку. Закон науки: от общего к частностям, от большого к малому. Видите ли, мы никогда до этого не проверяли теорию Эйнштейна в кинетических условиях. А теперь мы проверяем то, что до нас никто не проверял. И если результат получился таким, значит, не надо пугаться и говорить, что этого не может быть. Надо искать научную истину.

— В вашем эксперименте участвовали российские ученые?

— У нас очень хорошие отношения с Дубной. В составе нашей группы есть немало российских физиков. Мой коллега Александр Ольшевский, руководивший российскими коллегами, очень много сделал для успеха всего эксперимента.

— А что планируете сделать на следующем этапе программы?

— Еще и еще раз с помощью мирового научного сообщества проверить и перепроверить наши результаты.

— Ну, а потом, если не ошиблись?

Нейтринная бомба

Досье

Нейтрино — сверхлегкие элементарные частицы, которые из-за малого размера практически не взаимодействуют с обычной материей (или, как говорят физики, участвуют только в слабом и гравитационном взаимодействиях). Впервые были описаны в работах итальянца Энрико Ферми. Сегодня физики разделяют три типа нейтрино: электронное нейтрино, мюонное нейтрино и тау-нейтрино (друг от друга они отличаются характеристиками заряда). Последний тип нейтрино был открыт в 1975 году на коллайдере SPEAR (Stanford Positron Electron Accelerating Ring) в лаборатории Стэнфордского центра линейного ускорителя в США: в ходе эксперимента пучок протонов направлялся на вольфрамовую мишень, а одним из продуктов распада ядер атомов вольфрама и стали тау-нейтрино (и за это открытие была присуждена Нобелевская премия по физике 1995 года).

Целью же эксперимента OPERA стало наблюдение за процессом осцилляции нейтрино, то есть превращение одного типа нейтрино в другое.

— Начинать переосмысливать законы физики молекулярных частиц и астрофизики, космологии и всего, если хотите, мироздания.

Еще в 1930 году в Лондоне на банкете, устроенном в честь Альберта Эйнштейна, Бернард Шоу сказал: «Птолемей создал универсум, который просуществовал 1400 лет. Ньютон создал универсум, который просуществовал 300 лет. Эйнштейн создал еще один универсум, и я не могу сказать вам, как долго он будет существовать».

Детектор OPERA зафиксировал четкий след нейтрино (на фото) раньше расчетного времени

Детектор OPERA зафиксировал четкий след нейтрино (на фото) раньше расчетного времени

Что ж, получается, что сегодня и универсум Эйнштейна заканчивает свое существование? Однако не стоит так торопиться.

Дело в том, что специальная теория относительности (СТО) гласит, что мы живем в четырехмерном пространстве и не можем в рамках этого пространства преодолеть скорость света. В то же время СТО не отрицает само по себе существование частиц, способных двигаться со сверхсветовой скоростью. Причем для таких частиц, существующих пока лишь в теории, придумали даже специальное название — тахионы. Правда, их существование физики признают с одной оговоркой: тахионы не могут двигаться медленнее скорости света. При этом зависимость энергии частиц от скорости получается обратной: чем больше энергия, тем ближе скорость тахионов к скорости света.

А для объяснения феномена тау-нейтрино ученые из CERN уже выдвинули первые рабочие гипотезы, подтверждающие положения СТО. Например, одна из гипотез гласит, что тау-нейтрино стало причиной «короткого замыкания» между мирами, благодаря чему они и сократили свой путь.

Кстати, ученые уже не раз фиксировали случаи превышения скорости света — например, 23 февраля 1987 года во время знаменитой вспышки сверхновой звезды SN1987A в Большом Магеллановом облаке. Тогда были зарегистрированы и нейтрино, которые пришли за несколько часов до светового импульса. Однако раз нейтрино и свет, проведя в пути 170 тысяч лет, разошлись не более чем на несколько часов, ученые сделали вывод, что скорости у них очень близки и различаются не более чем на миллиардные доли. Эксперимент же OPERA показывает в тысячи раз более сильное расхождение.

Но пока даже самые отъявленные революционеры из OPERA не спешат прогнозировать, в какую сторону может повернуть наука. Дело в том, что современная физика базируется не только на теории Эйнштейна, но и на квантовой механике, также возникшей в начале XX столетия. И попытка совместить эти две теории, создав Общую теорию всего (или Стандартную модель физики), является сегодня самой амбициозной задачей всех ученых мира. И кто знает, может быть, именно отмена Великого запрета Эйнштейна как раз и сможет помочь ученым сделать то, до чего у самого Альберта Эйнштейна так и не дошли руки?

Оцените статью
Добавить комментарий