Ze školy nás učili, že není možné překročit rychlost světla a tím pádem nastěhovat člověka vesmír je velký neřešitelný problém (jak se dostat do nejbližší sluneční soustavy, když světlo dokáže urazit tuto vzdálenost jen za pár tisíc let?). Možná američtí vědci našli způsob, jak létat superrychlostí, a to nejen bez podvádění, ale také podle základních zákonů Alberta Einsteina. V každém případě to tvrdí autor projektu motoru pro deformaci prostoru Harold White.
Zprávu jsme v redakci považovali za naprosto fantastickou, a tak dnes, v předvečer Dne kosmonautiky, uveřejňujeme pro časopis Popular Science reportáž Konstantina Kakaese o fenomenálním projektu NASA, pokud bude úspěšný, člověk bude moci překročit Sluneční Soustava.
V září 2012 se několik stovek vědců, inženýrů a vesmírných nadšenců sešlo na druhém veřejném setkání skupiny nazvaném 100 Year Starship. Skupinu vede bývalý astronaut May Jemison a založila DARPA. Cílem konference je „umožnit lidem cestovat mimo sluneční soustavu k jiným hvězdám během příštích sta let“. Většina účastníků konference připouští, že pokrok v průzkumu vesmíru s lidskou posádkou je příliš malý. Navzdory miliardám dolarů vynaloženým v posledních několika čtvrtletích mohou vesmírné agentury dělat téměř tolik, kolik mohly v 60. letech. Ve skutečnosti byla 100 Year Starship svolána, aby to všechno napravila.
Ale pojďme k věci. Po několika dnech konference se její účastníci dostali k těm nejfantastičtějším tématům: regeneraci orgánů, problému organizovaného náboženství na palubě lodi a tak dále. Jedna ze zajímavějších prezentací na setkání 100 Year Starship se jmenovala „Strin Field Mechanics 102“ a přednesl ji Harold „Sonny“ White z NASA. Agenturní veterán White vede program pokročilého pulzu v Johnsonově vesmírném středisku (JSC). Spolu s pěti kolegy vytvořil plán Space Propulsion Systems Roadmap, který nastiňuje cíle NASA pro budoucí cestování vesmírem. Plán uvádí všechny druhy projektů pohonu, od pokročilých chemických raket až po dalekosáhlý vývoj, jako je antihmota nebo jaderné stroje. Ale Whiteova oblast výzkumu je ze všech nejfuturističtější: týká se vesmírného warp motoru.
Takto bývá zobrazována bublina Alcubierre |
Podle plánu bude takový motor zajišťovat pohyb v prostoru rychlostí přesahující rychlost světla. Obecně se uznává, že to není možné, protože jde o jasné porušení Einsteinovy teorie relativity. Bílá ale tvrdí opak. Aby svá slova potvrdil, apeluje na tzv. Alcubierrovy bubliny (rovnice odvozené z Einsteinovy teorie, podle níž je těleso ve vesmíru schopno dosahovat nadsvětelné rychlosti, na rozdíl od tělesa v normální podmínky). V prezentaci vysvětlil, jak nedávno dosáhl teoretických výsledků, které přímo vedou k vytvoření skutečného motoru pro deformaci prostoru. |
Je jasné, že to všechno zní naprosto fantasticky: takový vývoj je skutečnou revolucí, která uvolní ruce všem astrofyzikům na světě. Místo toho, aby astronauti na lodi s tímto motorem strávili 75 000 let cestováním do Alfa Centauri, nejbližšího hvězdného systému k našemu, mohli cestu podniknout za několik týdnů.
Ve světle konce programu raketoplánů a rostoucí role soukromých letů na nízkou oběžnou dráhu Země NASA říká, že se znovu zaměřuje na dalekosáhlé, mnohem smělejší plány, které jdou daleko za cesty na Měsíc. Těchto cílů lze dosáhnout pouze vývojem nových motorických systémů – čím rychlejší, tím lepší. Několik dní po konferenci šéf NASA Charles Bolden zopakoval Whiteova slova: "Chceme cestovat rychleji než rychlostí světla a bez zastavení na Marsu."
JAK O TOMTO MOTORU VÍME
První populární použití výrazu „vesmírný warp engine“ se datuje do roku 1966, kdy Jen Roddenberry vydala „ Star Trek" Následujících 30 let tento motor existoval pouze jako součást této sci-fi série. Fyzik jménem Miguel Alcubierre sledoval epizodu této série právě v době, kdy pracoval na svém doktorátu v oboru. obecná teorie relativity a přemýšleli, zda je možné vytvořit vesmírný warp motor ve skutečnosti. V roce 1994 zveřejnil dokument nastiňující tuto pozici.
Alcubierre si představoval bublinu ve vesmíru. V přední části bubliny se časoprostor smršťuje a vzadu se rozšiřuje (jako tomu bylo v případě Velký třesk podle fyziků). Deformace způsobí, že loď bude i přes okolní hluk plynule klouzat vesmírem, jako by surfovala na vlně. V zásadě se deformovaná bublina může pohybovat tak rychle, jak je požadováno; omezení v rychlosti světla podle Einsteinovy teorie platí pouze v kontextu časoprostoru, nikoli však v takových deformacích časoprostoru. Uvnitř bubliny, jak Alcubierre předpokládal, se časoprostor nezmění a vesmírným cestovatelům by se nic nestalo.
Einsteinovy rovnice v obecné teorii relativity je obtížné vyřešit jedním směrem tím, že zjistíme, jak hmota ohýbá prostor, ale je to proveditelné. Pomocí nich Alcubierre určil, že distribuce hmoty je nezbytnou podmínkou pro vytvoření deformované bubliny. Jediným problémem je, že rozhodnutí vedla k neurčitá forma hmota zvaná negativní energie.
Jednoduše řečeno, gravitace je síla přitažlivosti mezi dvěma objekty. Každý objekt, bez ohledu na svou velikost, působí na okolní hmotu určitou přitažlivou silou. Podle Einsteina je tato síla zakřivením časoprostoru. Negativní energie je však gravitačně negativní, tedy odpudivá. Místo toho, aby propojovala čas a prostor, negativní energie je odsouvá a odděluje. Zhruba řečeno, aby takový model fungoval, Alcubierre potřebuje negativní energii k rozšíření časoprostoru za lodí.
Navzdory tomu, že negativní energii nikdy nikdo pořádně neměřil, podle kvantové mechaniky existuje a vědci se ji naučili vytvářet v laboratoři. Jedním ze způsobů, jak to znovu vytvořit, je Casimirův efekt: dvě paralelní vodivé desky umístěné blízko sebe vytvářejí určité množství negativní energie. Slabou stránkou modelu Alcubierre je, že jeho implementace vyžaduje velké množství negativní energie, lze vyrobit o několik řádů vyšší, než vědci odhadují.
White říká, že našel způsob, jak toto omezení obejít. V počítačovém simulátoru White změnil geometrii deformačního pole tak, aby teoreticky mohl vytvořit deformovanou bublinu za použití milionkrát menší záporné energie, než kolik Alcubierre odhadoval, a možná dost málo na to. kosmická loď mohl nést prostředky jeho výroby. "Objevy," říká White, "mění Alcubierrovu metodu z nepraktické na zcela věrohodnou."
ZPRÁVA Z WHITE'S LAB
Johnsonovo vesmírné středisko se nachází v blízkosti lagun v Houstonu s výhledem na záliv Galveston. Středisko je trochu jako předměstský vysokoškolský kampus, zaměřený pouze na výcvik astronautů. V den mé návštěvy mě White potkává v budově 15, mnohapatrovém bludišti chodeb, kanceláří a laboratoří, kde se provádí testování motorů. White má na sobě polokošili Eagleworks (jak nazývá své experimenty s motorem), na které je vyšitý orel vznášející se nad futuristickou vesmírnou lodí.
White začal svou kariéru jako inženýr a prováděl výzkum jako součást robotické skupiny. Nakonec převzal velení celého robotického křídla na ISS, zatímco dokončil doktorát z fyziky plazmatu. Teprve v roce 2009 změnil své zájmy na studium pohybu a toto téma ho uchvátilo natolik, že se stalo hlavním důvodem, proč šel pracovat pro NASA.
"Je docela neobvyklá osoba, říká jeho šéf John Applewhite, který vede divizi pohonných systémů. - Rozhodně je to velký snílek, ale zároveň talentovaný inženýr. Ví, jak proměnit své fantazie ve skutečný strojírenský produkt.“ Přibližně ve stejné době, kdy nastoupil do NASA, požádal White o povolení otevřít si vlastní laboratoř věnovanou pokročilým pohonným systémům. Sám přišel s názvem Eagleworks a dokonce požádal NASA o vytvoření loga pro jeho specializaci. Pak tato práce začala.
White mě vede do své kanceláře, kterou sdílí s kolegou hledajícím vodu na Měsíci, a pak dolů do Eagleworks. Při chůzi mi vypráví o svém požadavku na otevření laboratoře a nazývá to „dlouhý namáhavý proces hledání pokročilého pohybu, který člověku pomůže prozkoumat vesmír“.
White mi ukazuje objekt a ukazuje mi jeho centrální funkci – něco, čemu říká „kvantový vakuový plazmový pohon“ (QVPT). Toto zařízení vypadá jako obrovská kobliha z červeného sametu s dráty pevně omotanými kolem jádra. Toto je jedna ze dvou iniciativ Eagleworks (druhá je warp pohon). To je také tajný vývoj. Když se ptám, co to je, White říká, že jediné, co může říct, je, že technologie je ještě chladnější než warp pohon.) Podle zprávy NASA z roku 2011, kterou napsal White, plavidlo používá jako zdroj paliva kvantové fluktuace v prázdném prostoru, což znamená, že kosmická loď poháněná QVPT by nepotřebovala žádné palivo.
Motor využívá jako zdroj paliva kvantové fluktuace v prázdném prostoru,
což znamená vesmírnou loď,
poháněný QVPT, nevyžaduje žádné palivo.
Když zařízení funguje, Whiteův systém vypadá filmově dokonale: barva laseru je červená a dva paprsky se kříží jako šavle. Uvnitř prstenu jsou čtyři keramické kondenzátory vyrobené z titaničitanu barnatého, které White nabíjí na 23 000 voltů. White strávil posledních dva a půl roku vývojem experimentu a říká, že kondenzátory vykazují obrovskou potenciální energii. Když se však ptám, jak vytvořit negativní energii potřebnou pro pokřivený časoprostor, vyhýbá se odpovědi. Vysvětluje, že podepsal smlouvu o mlčenlivosti, a proto nemůže prozradit podrobnosti. Ptám se, s kým uzavřel tyto dohody. Říká: „S lidmi. Přijdou a chtějí si promluvit. Nemohu vám poskytnout další podrobnosti."
Oponenti MYŠLENKY MOTORU
Teorie pokřiveného cestování je zatím poměrně intuitivní – deformace času a prostoru za účelem vytvoření pohyblivé bubliny – a má několik významných nedostatků. I kdyby White výrazně snížil množství negativní energie požadované Alcubierrem, stále by to vyžadovalo více, než mohou vědci vyrobit, říká Lawrence Ford, teoretický fyzik z Tufts University, který za posledních 30 let napsal řadu prací na téma negativní energie. . Ford a další fyzici tvrdí, že existují základní fyzikální omezení, ani ne tak kvůli konstrukčním nedokonalostem, jako spíše kvůli skutečnosti, že takové množství negativní energie nemůže existovat na jednom místě dlouho.
Další obtíž: vytvořit warp kouli, která se pohybuje rychlejší než světlo vědci budou muset generovat negativní energii kolem a nad kosmickou lodí. White si nemyslí, že to je problém; velmi vágně odpovídá, že motor bude s největší pravděpodobností fungovat díky nějakému existujícímu „aparátu, který vytváří potřebné podmínky“. Vytvoření těchto podmínek před lodí by však znamenalo zajistit neustálý přísun negativní energie putující rychleji než rychlost světla, což opět odporuje obecné relativitě.
A konečně, vesmírný warp motor představuje koncepční otázku. V obecné relativitě je cestování nadsvětelnou rychlostí ekvivalentní cestování časem. Pokud je takový motor skutečný, White vytvoří stroj času.
Tyto překážky vyvolávají vážné pochybnosti. „Nemyslím si, že fyzika, kterou známe, a fyzikální zákony nám nedovolují věřit, že svými experimenty něčeho dosáhne,“ říká Ken Olum, fyzik z Tufts University, který se také účastnil debaty o exotickém pohonu na Starship 100th. Výroční setkání." Noah Graham, fyzik z Middlebury College, který si na mou žádost přečetl dvě Whiteovy práce, mi poslal e-mail: "Nevidím žádné cenné vědecké důkazy kromě odkazů na jeho předchozí práce."
Alcubierre, nyní fyzik na Národní autonomní univerzitě v Mexiku, má své vlastní pochybnosti. „I kdybych stál na vesmírné lodi a měl jsem k dispozici negativní energii, neexistoval způsob, jak bych ji mohl umístit tam, kde by měla být,“ říká mi po telefonu ze svého domova v Mexico City. - Ne, ta myšlenka je kouzelná, líbí se mi, napsal jsem ji sám. Ale je v něm několik vážných nedostatků, které jsem už za ta léta viděl, a neznám jediný způsob, jak je napravit."
BUDOUCNOST SUPER RYCHLOSTI
Nalevo od hlavní brány Johnsonova vědeckého centra leží na boku raketa Saturn V, jejíž stupně jsou odděleny, aby ukázaly její vnitřní obsah. Je gigantická – jeden z jejích mnoha motorů má velikost malého auta a samotná raketa je o pár stop delší než fotbalové hřiště. To je samozřejmě docela výmluvný důkaz o zvláštnostech vesmírné navigace. Kromě toho je jí 40 let a doba, kterou představuje – kdy NASA byla součástí obrovského národního plánu poslat člověka na Měsíc – je dávno pryč. Dnes je JSC jednoduše místem, které bylo kdysi skvělé, ale od té doby opustilo vesmírný předvoj.
Průlom v pohybu by mohl znamenat nová éra pro JSC a NASA a do jisté míry nyní začíná část této éry. Sonda Dawn, vypuštěná v roce 2007, studuje prstenec asteroidů pomocí iontových motorů. V roce 2010 Japonci zprovoznili Icarus, první meziplanetární hvězdná loď, poháněný solární plachtou, dalším typem experimentálního pohonu. A v roce 2016 vědci plánují otestovat VASMIR, plazmový systém vyrobený speciálně pro vysoký tah pohonu na ISS. Ale když tyto systémy mohou dopravit astronauty na Mars, stále je nebudou moci vzít za sluneční soustavu. Aby toho bylo dosaženo, řekl White, NASA bude muset přijmout riskantnější projekty.
Warp pohon je možná nejvzdálenější z Nasových snah vytvořit pohybové projekty. Vědecká komunita říká, že to White nemůže vytvořit. Odborníci tvrdí, že působí proti přírodním a fyzikálním zákonům. Navzdory tomu za projektem stojí NASA. "Není to dotováno na vysoké vládní úrovni, jak by to mělo být," říká Applewhite. - Myslím, že vedení má zvláštní zájem na tom, aby pokračoval ve své práci; Je to jeden z těch teoretických konceptů, které, pokud budou úspěšné, úplně změní hru."
V lednu White sestavil svůj interferometr napětí a přesunul se ke svému dalšímu cíli. Eagleworks přerostl vlastní dům. Nová laboratoř je větší a nadšeně prohlašuje, že je „seismicky izolovaná“, což znamená, že je chráněna před vibracemi. Ale možná nejlepší věc na nové laboratoři (a nejpůsobivější) je, že NASA dala Whiteovi stejné podmínky, jaké měli Neil Armstrong a Buzz Aldrin na Měsíci. No, uvidíme.
Co je rychlejší, rychlost světla nebo rychlost zvuku?
- Rychlost světla. Příklad: nejprve blesk, pak hrom.
- Zdá se, že fyzika se na našich školách nevyučuje! Rychlost SVĚTLA, baby, je samozřejmě vyšší.
- Světlo samozřejmě
- Upřímně, neznám správnou odpověď, ale když se nad tím zamyslíte, je logičtější, že rychlost světla je vyšší.
- Rychlost klepání. Na jednom konci si prdnul, na druhém už říkají, že se posral.
- rychlost světla. protože v bouřce nejprve vidíme blesk, teprve potom slyšíme hrom
- rychlost zvuku (ve vakuu)
a tak rychlost světla... světlo k nám dorazí ze slunce za 8 minut - Sveta
- Sluneční paprsek za úsvitu urazí vzdálenost k Zemi za 17 sekund a rychlost zvuku je 300 km za sekundu, tak to spočítejte
- Jak si přeješ
- želvy....
- Sveta...
Například, když je bouřka... první přijde blesk a pak hrom... No, takhle mi to vysvětlili...:^^ - Existuje vtip o tom, že když zapnete televizi, nejprve se objeví zvuk a poté obraz.
(Ti, kteří odpověděli výše, to zjevně ani neslyšeli)V zemské atmosféře je samozřejmě rychlost světla větší než rychlost zvuku.
Ale obecně řečeno, obě tyto veličiny závisí na prostředí, ve kterém se vlny šíří – v prvním případě elektromagnetické vlny a ve druhém vlny komprese částic (akustické).
Tedy – v některých prostředích se světlo může šířit znatelně pomaleji než ve vakuu nebo vzduchu. A v některých materiálech se zvuk šíří mnohem rychleji než ve vzduchu.
Stává se, že se částice šíří v médiu rychlostí větší, než je rychlost světla. A přitom stále vyzařují. (Vavilov-Čerenkovův efekt). Ale obvykle nemluví o zvukových vlnách na elementárních částicích...
Zatím se mi nepodařilo najít informace o látce, ve které by rychlost zvuku přesáhla rychlost světla, ale také nejsou informace, že by to bylo teoreticky nemožné.
Takže obecně je rychlost světla vyšší, ale možná existují velmi specifické výjimky.
- Rychlost světla, banálním příkladem je bouřka: nejprve blesk a pak hrom.
- Rychlost medvědího smíchu.
- rychlost světla
- Myslím, že nemá smysl opakovat banální odpověď po sté, ale rád bych vyjádřil svou úctu Alexandru Korotějevovi. Když jsem si přečetl vaši odpověď, napadl mě příklad. Uvnitř Slunce (v zóně heliového jádra a v zóně radiační rovnováhy) je hustota hmoty tak kolosální, že se v ní světlo šíří rychlostí několika CENTIMETRŮ za sekundu... No, rychlost šíření zvukové vlny dovnitř mořskou vodou o něco méně než 1500 m/s...
- Rychlost světla 300 000 000 m/s
rychlost zvuku ve vzduchu 340 m/s
Rychlost světla je milionkrát rychlejší a to je maximální rychlost v přírodě.
Světlo se může pohybovat ve vakuu (bezvzduchovém prostoru), ale zvuk potřebuje médium – čím je médium hustší, tím je rychlost zvuku rychlejší. Například po dešti slyšíte zvuky lépe a jasněji. V dávných dobách, aby slyšeli, jak daleko je nepřátelská armáda, přiložili ucho k zemi.
Chcete-li slyšet zvuk blížícího se vlaku, přiložte ucho ke kolejím - protože v hustějším prostředí je rychlost zvuku vyšší - s rychlostí světla se mi něco stalo....
- rychlost světla
Teorie relativity fascinuje svými paradoxy. Všichni víme o dvojčatech, o schopnosti vměstnat dlouhé letadlo do krátké krabice. Dnes zná odpovědi na tyto klasické hádanky každý absolvent školy a studenti fyziky ještě více věří, že ve speciální teorii relativity pro ně nezůstala žádná tajemství.
Všechno by bylo v pořádku, nebýt depresivní okolnosti – nemožnosti nadsvětelných rychlostí. Opravdu neexistuje způsob, jak jet rychleji?! - Myslel jsem jako dítě. Možná je to možné?! Proto vás zvu na sezení, já nevím, černé nebo bílé magie pojmenované po Albertu Einsteinovi s odhalením na konci. Komu se to však zdá málo, připravil jsem i hádanku.
UPD: O den později zveřejňuji rozhodnutí. Na konci spousta vzorců a grafů.
Směrem k Alfa Centauri
Zvu vás, abyste se usadili v naší mezihvězdné lodi, která míří k Alfa Centauri. Jsme 4 světelné roky daleko od konečného bodu trasy. Pozor, startujeme motory. Jít! Pro pohodlí cestujících náš kapitán nastavil tah tak, abychom zrychlovali rychlostí a cítili gravitační sílu, kterou známe ze Země.Nyní jsme již slušně zrychlili, i když až poloviční rychlostí světla. Položme si zdánlivě jednoduchou otázku: jakou rychlostí se přiblížíme k Alfa Centauri v naší vlastní (lodní) vztažné soustavě. Zdálo by se, že vše je jednoduché, letíme-li rychlostí ve stacionární vztažné soustavě Země a Alfy Centauri, pak se z našeho pohledu rychlostí přibližujeme k cíli.
Každý, kdo už cítil úlovek, má naprostou pravdu. Odpověď je nesprávná! Zde si musíme ujasnit: rychlostí přiblížení k Alfa Centauri mám na mysli změnu zbývající vzdálenosti k ní, dělenou časovým úsekem, během kterého k takové změně došlo. Vše se samozřejmě měří v našem referenčním rámci spojeném s kosmickou lodí.
Zde musíme pamatovat na Lorentzovu kontrakci délky. Po zrychlení na poloviční rychlost světla zjistíme, že se měřítko ve směru našeho pohybu zmenšilo. Dovolte mi připomenout vzorec:
A nyní, pokud rychlostí poloviční rychlosti světla změříme vzdálenost od Země k Alfa Centauri, nedostali jsme 4 světla. let, ale pouze 3,46 svatých let.
Ukazuje se, že jen díky tomu, že jsme zrychlili, jsme již zmenšili vzdálenost do konečného bodu cesty o téměř 0,54 světelného roku. A pokud se nejen pohybujeme vysokou rychlostí, ale také zrychlujeme, pak faktor měřítka bude mít derivaci s ohledem na čas, což je v podstatě také rychlost přiblížení a je přidáno k .
K naší obvyklé, řekl bych klasické, rychlosti se tak přidává další termín - dynamické zkracování délky zbývající dráhy, ke kterému dochází právě tehdy, když dojde k nenulovému zrychlení. No, vezmeme tužku a počítejme.
A ti, kteří jsou líní následovat výpočty, potkávám na druhé straně spoileru
Aktuální vzdálenost ke hvězdě podle pravítka kapitána lodi, - čas na hodinách v ubikaci, - rychlost.
Již zde vidíme, že první parciální derivace je rychlost, jen rychlost se znaménkem mínus, jakmile se přiblížíme k Alfa Centauri. Ale druhý termín je právě ten háček, o kterém, tuším, ne každý myslel.
Chcete-li najít derivaci rychlosti s ohledem na čas ve druhém členu, musíte být opatrní, protože jsme v pohyblivém referenčním rámci. Nejjednodušší způsob, jak to vypočítat na prstech, je ze vzorce pro sčítání relativistických rychlostí. Předpokládejme, že se v určitém okamžiku pohybujeme rychlostí a po nějaké době zvýšíme rychlost o . Výsledná rychlost podle vzorce teorie relativity bude
Nyní dáme (2) a (3) dohromady a derivaci (3) musíme vzít v , protože díváme se na malé přírůstky.
Pojďme obdivovat výsledný vzorec
Ona je úžasná! Pokud je první člen - rychlost - omezený rychlostí světla, pak druhý člen není omezen ničím! Vezměte více a... druhý termín může snadno přesáhnout .
Omlouvám se, co! - někteří tomu nebudou věřit.
"Ano, ano, přesně to," odpovím. - Může být větší než rychlost světla, více než dvě rychlosti světla, více než 10 rychlostí světla. Abych parafrázoval Archiméda, mohu říci: „Dejte mi ten správný a já vám poskytnu takovou rychlost, jakou budete chtít.“
No, dosadíme čísla, čísla jsou vždy zajímavější. Jak si pamatujeme, kapitán nastavil zrychlení a rychlost již dosáhla . Pak zjistíme, že ve světelném roce se naše rychlost přiblížení bude rovnat rychlosti světla. Pokud dosadíme světelné roky, pak
Slovy: „tři body tři, tři desetiny rychlosti světla“.
Stále se necháme překvapovat
Podívejme se ještě blíže na vzorec (5). Koneckonců není nutné nastupovat na relativistickou vesmírnou loď. Rychlost i zrychlení mohou být velmi malé. Všechno je to o magii. Přemýšlej o tom!Nasedl jsem tedy do auta a sešlápl plyn. Mám rychlost a zrychlení. A právě v tuto chvíli mohu zaručit, že někde kolem sta nebo dvou milionů světelných let přede mnou jsou objekty, které se ke mně nyní přibližují rychleji než světlo. Pro jednoduchost jsem ještě nevzal v úvahu rychlost oběhu Země kolem Slunce a Slunce kolem středu Galaxie. Když je vezmeme v úvahu, objekty s nadsvětelnou rychlostí přiblížení již budou velmi blízko - ne v kosmologickém měřítku, ale někde na periferii naší Galaxie.
Ukazuje se, že nedobrovolně, i při minimálních zrychleních, například při vstávání ze židle, se účastníme nadsvětelného pohybu.
Stále jsme překvapeni
Podívejte se na vzorec (5) velmi, velmi pozorně. Pojďme zjistit ne rychlost přiblížení k Alfa Centauri, ale spíše rychlost odstranění ze Země. Pokud je Δ dostatečně velké, například v polovině cesty k cíli, můžeme zjistit, že se k nám Země i Alfa Centauri blíží. Po vzpamatování se z překvapení si samozřejmě můžete domyslet, že na vině je zkrácení délky, které funguje nejen dopředu, ale i dozadu. Prostor za kosmickou lodí se stlačuje rychleji, než odlétáme z výchozího bodu.Další překvapivý efekt je snadno pochopitelný. Jakmile totiž změníte směr zrychlení, druhý člen v (5) okamžitě změní znaménko. Tito. nájezdová rychlost se může snadno stát nulovou nebo dokonce zápornou. I když naše normální rychlost bude stále směřovat k Alfa Centauri.
Vystavení
Doufám, že jsem vás dostatečně zmátl. Jak to, že nás učili, že rychlost světla je maximální! K ničemu se nemůžete přiblížit rychleji, než je rychlost světla! Ale tady stojí za to věnovat pozornost úsloví jakéhokoli relativistického zákona. Je to v každé učebnici, ale zdá se, že to jen ruší formulace, i když je to tam, kde je všechna „sůl“. Toto rčení říká, že postuláty speciální teorie relativity fungují „v inerciální vztažné soustavě“.V neinerciální vztažné soustavě nám Einstein nic nezaručuje. Tak to jde!
To samé, trochu podrobnější a trochu složitější
Vzorec (5) obsahuje vzdálenost . Když se rovná nule, tzn. když se pokusíme určit rychlost lokálně vzhledem k blízkým objektům, zůstane pouze první člen, který ovšem nepřesahuje rychlost světla. Žádný problém. A to pouze na velké vzdálenosti, tzn. ne lokálně, můžeme získat nadsvětelné rychlosti.
Je třeba říci, že obecně řečeno, relativní rychlost objektů vzdálených od sebe je špatně definovaný pojem. Náš plochý časoprostor ve zrychleném referenčním rámci vypadá zakřiveně. Toto je slavný „Einsteinův výtah“ ekvivalentní gravitačnímu poli. A je správné porovnávat dvě vektorové veličiny v zakřiveném prostoru pouze tehdy, když jsou ve stejném bodě (ve stejném tečném prostoru z odpovídajícího vektorového svazku).
Mimochodem, o našem paradoxu nadsvětelné rychlosti lze diskutovat jinak, řekl bych integrálně. Koneckonců, relativistická cesta k Alfa Centauri bude podle astronautových vlastních hodin trvat mnohem méně než 4 roky, takže vydělte počáteční vzdálenost ujetou vzdáleností. vlastního času, dostaneme efektivní rychlost větší než rychlost světla. V podstatě jde o stejný paradox dvojčat. Ti, kteří jsou pohodlní, mohou nadsvětelné cestování takto pochopit.
To je ten trik. Váš kapitán Jasné.
A nakonec jsem pro vás přišel s nápadem domácí práce nebo návrh k projednání v komentářích.
Problém
Pozemšťané a Alfa Centauri se rozhodli vyměnit si delegace. Vesmírná loď vypuštěná ze Země rychlostí . Z Alfy Centauri přitom stejnou rychlostí vyrazil mimozemský létající talíř.Jaká je vzdálenost mezi loděmi v referenční soustavě pozemské lodi v okamžiku startu, když byly blízko Země, respektive Alfa Centauri? Svou odpověď napište do komentářů.
UPD: Řešení
Takže řešení problému. Podívejme se na to nejprve kvalitativně.Domluvme se, že hodiny na Alfě, Zemi, raketě a talířku jsou synchronizované (to bylo provedeno předem) a start na všech čtyřech hodinách proběhl ve 12:00.
Uvažujme časoprostor graficky ve stacionárních souřadnicích. Země je na nule, Alfa je ve vzdálenosti podél osy. Světová linie Alpha Centauri zjevně jde přímo nahoru. Světová čára desky je nakloněna doleva, protože vyletěl z bodu ve směru k Zemi.
Nyní do tohoto grafu nakreslíme souřadnicové osy referenčního systému rakety vypuštěné ze Země. Jak je známo, taková transformace souřadnicového systému (CS) se nazývá boost. V tomto případě jsou osy nakloněny symetricky vzhledem k diagonální čáře, která ukazuje světelný paprsek.
Myslím, že v tuto chvíli je vám již vše jasné. Podívejte, osa protíná světové linie Alfy a létajícího talíře v různých bodech. Co se stalo?
Úžasná věc. Před startem byly z pohledu rakety talíř i Alfa na stejném místě a po nabrání rychlosti se ukazuje, že v pohybující se kosmické lodi nebyl start rakety a talíře současný. Talíř, najednou se ukáže, začal dříve a podařilo se mu přiblížit se k nám. Proto nyní ve 12:00:01 podle hodin jsou rakety již blíže k talíři než k Alfě.
A pokud raketa dále zrychluje, „skočí“ na další SC, kde je deska ještě blíže. Navíc k takovému přiblížení desky dochází pouze díky zrychlení a dynamickému stlačování podélné stupnice (o čemž je celý můj příspěvek), a nikoli díky postupu rakety ve vesmíru, protože Raketa vlastně ještě neměla čas ničím proletět. Tato aproximace desky je přesně druhým členem vzorce (5).
No a mimo jiné musíme vzít v úvahu obvyklé Lorentzovo snížení vzdálenosti. Hned vám řeknu odpověď: rychlostí rakety a talíře, každou vzdálenost
- mezi raketou a Alfou: 3,46 sv. rok (obvyklá Lorentzova kontrakce)
- mezi raketou a deskou: 2,76 St. roku
Pro zájemce si pojďme zahrát nějaké kouzlo se vzorci ve čtyřrozměrném prostoru
Tento druh problému lze pohodlně vyřešit pomocí čtyřrozměrných vektorů. Není třeba se jich bát, vše probíhá pomocí nejběžnějších operací lineární algebry. Navíc se pohybujeme pouze po jedné ose, takže ze čtyř souřadnic zbývají pouze dvě: a .
Dále se dohodneme na jednoduchém zápisu. Rychlost světla považujeme za rovnou jednotce. My fyzici to děláme vždycky. :) Za jednotky také obvykle považujeme Planckovu konstantu a gravitační konstantu. To nic nemění na podstatě, ale psaní je sakra jednodušší.
Pro kompaktnost záznamů tedy všudypřítomný „relativistický kořen“ označujeme faktorem gama, kde je rychlost zemské rakety:
Nyní zapišme vektor do složek:
Horní složka je čas, spodní jsou prostorové souřadnice. Lodě startují současně ve stacionárním systému, takže horní složka vektoru je nulová.
Nyní najdeme souřadnice bodu v pohyblivém souřadném systému, tzn. . K tomu použijeme transformaci na pohyblivou referenční soustavu. Říká se tomu boost a dělá se to velmi jednoduše. Jakýkoli vektor musí být vynásoben maticí posílení
Násobit:
Jak vidíme, časová složka tohoto vektoru je záporná. To znamená, že bod z pohledu pohybující se rakety se nachází pod osou, tzn. v minulosti (jak je vidět na obrázku výše).
Pojďme najít vektor ve stacionární soustavě. Časová složka je nějaký neznámý časový úsek, prostorová složka je vzdálenost, ke které se deska v čase přiblíží a pohybuje se rychlostí:
Nyní stejný vektor v systému
Pojďme najít obvyklý vektorový součet
Proč jsem přirovnal tento součet napravo k takovému vektoru? Podle definice je bod na ose, takže časová složka musí být rovna nule a prostorová složka bude mít stejnou požadovanou vzdálenost od rakety k desce. Odtud dostaneme systém dvou jednoduché rovnice- ztotožňujeme zvlášť časové složky, zvlášť prostorové.
Z první rovnice určíme neznámý parametr, dosadíme do druhé rovnice a dostaneme. Přeskočme jednoduché výpočty a rovnou zapišme
Nahrazením , , dostáváme
Doktor technických věd A. GOLUBEV.
V polovině loňského roku se v časopisech objevila senzační zpráva. Skupina amerických vědců zjistila, že velmi krátký laserový puls se ve speciálně vybraném médiu pohybuje stokrát rychleji než ve vakuu. Tento jev se zdál zcela neuvěřitelný (rychlost světla v médiu je vždy menší než ve vakuu) a dokonce vyvolával pochybnosti o platnosti speciální teorie relativity. Mezitím byl nadsvětelný fyzický objekt - laserový puls v zesilovacím médiu - poprvé objeven ne v roce 2000, ale o 35 let dříve, v roce 1965, a možnost nadsvětelného pohybu byla široce diskutována až do počátku 70. let. Dnes se diskuse o tomto podivném fenoménu rozhořela s novým elánem.
Příklady "superluminálního" pohybu.
Na počátku 60. let se začaly získávat krátké vysoce výkonné světelné pulsy průchodem laserového záblesku kvantovým zesilovačem (médium s obrácenou populací).
V zesilovacím médiu způsobuje počáteční oblast světelného impulsu stimulovanou emisi atomů v zesilovacím médiu a jeho konečná oblast způsobuje jejich absorpci energie. V důsledku toho se pozorovateli bude zdát, že se puls pohybuje rychleji než světlo.
Experiment Lijuna Wonga.
Paprsek světla procházející hranolem vyrobeným z průhledného materiálu (například skla) se láme, to znamená, že se rozptyluje.
Světelný puls je soubor kmitů různých frekvencí.
Asi každý – i lidé daleko do fyziky – ví, že maximální možná rychlost pohybu hmotných objektů nebo šíření jakýchkoli signálů je rychlost světla ve vakuu. Označuje se písmenem S a je téměř 300 tisíc kilometrů za sekundu; přesná hodnota S= 299 792 458 m/s. Rychlost světla ve vakuu je jednou ze základních fyzikálních konstant. Neschopnost dosáhnout překročení rychlosti S, vyplývá z Einsteinovy speciální teorie relativity (STR). Pokud by bylo možné dokázat, že přenos signálů nadsvětelnou rychlostí je možný, teorie relativity by padla. Zatím se tak nestalo i přes četné pokusy vyvrátit zákaz existence rychlostí větších než S. Nedávné experimentální studie však odhalily některé velmi zajímavé jevy, které naznačují, že za speciálně vytvořených podmínek lze pozorovat nadsvětelné rychlosti, aniž by došlo k porušení principů teorie relativity.
Pro začátek si připomeňme hlavní aspekty související s problémem rychlosti světla. Za prvé: proč je to nemožné (pokud normální podmínky) překročit světelný limit? Protože pak je porušen základní zákon našeho světa – zákon kauzality, podle kterého nemůže následek předcházet příčině. Nikdo nikdy nepozoroval, že by například medvěd nejprve padl mrtvý a pak lovec zastřelil. Při rychlostech přesahujících S, sled událostí se obrátí, časová páska se převine zpět. To lze snadno ověřit z následující jednoduché úvahy.
Předpokládejme, že jsme na nějaké vesmírné zázračné lodi, která se pohybuje rychleji než světlo. Pak bychom postupně doháněli světlo vyzařované zdrojem v dřívější a dřívější době. Nejprve bychom dohnali fotony emitované řekněme včera, pak ty emitované předevčírem, pak týden, měsíc, rok a tak dále. Pokud by zdrojem světla bylo zrcadlo odrážející život, pak bychom nejprve viděli události včerejška, pak předvčerejška a tak dále. Mohli jsme vidět řekněme starého muže, který se postupně mění v muže středního věku, pak v mladíka, v mládí, v dítě... Tedy čas by se vrátil, přesunuli bychom se ze současnosti do minulost. Příčiny a následky by pak změnily místo.
Přestože tato diskuse zcela ignoruje technické detaily procesu pozorování světla, ze základního hlediska jasně ukazuje, že pohyb nadsvětelnou rychlostí vede k situaci, která je v našem světě nemožná. Příroda si však stanovila ještě přísnější podmínky: nedosažitelný je pohyb nejen nadsvětelnou rychlostí, ale také rychlostí rovnou rychlosti světla – člověk se k němu může pouze přiblížit. Z teorie relativity vyplývá, že při zvýšení rychlosti pohybu nastávají tři okolnosti: hmotnost pohybujícího se objektu se zvětšuje, jeho velikost ve směru pohybu se zmenšuje a tok času na tomto objektu se zpomaluje (od bodu z pohledu vnějšího „odpočívajícího“ pozorovatele). Při běžných rychlostech jsou tyto změny zanedbatelné, ale jak se přibližují rychlosti světla, jsou stále znatelnější a v limitu - při rychlosti rovné S, - hmota se nekonečně zvětšuje, objekt ve směru pohybu zcela ztrácí velikost a čas se na něm zastaví. Žádné hmotné těleso proto nemůže dosáhnout rychlosti světla. Takovou rychlost má jen samotné světlo! (A také „všepronikající“ částice - neutrino, které se stejně jako foton nemůže pohybovat rychlostí menší než S.)
Nyní o rychlosti přenosu signálu. Zde je vhodné využít znázornění světla ve formě elektromagnetického vlnění. Co je to signál? Toto jsou některé informace, které je třeba předat. Perfektní elektromagnetická vlna- jedná se o nekonečnou sinusoidu o striktně jedné frekvenci a nemůže nést žádnou informaci, protože každá perioda takové sinusoidy přesně opakuje tu předchozí. Rychlost pohybu fáze sinusovky - tzv. fázová rychlost - může v médiu za určitých podmínek překročit rychlost světla ve vakuu. Nejsou zde žádná omezení, protože fázová rychlost není rychlostí signálu - zatím neexistuje. Chcete-li vytvořit signál, musíte na vlně udělat nějakou „značku“. Takovou značkou může být například změna některého z parametrů vlny – amplitudy, frekvence nebo počáteční fáze. Ale jakmile je značka vytvořena, vlna ztrácí svou sinusovost. Stává se modulovanou, skládající se ze sady jednoduchých sinusových vln s různými amplitudami, frekvencemi a počátečními fázemi - skupina vln. Rychlost, kterou se značka pohybuje v modulované vlně, je rychlostí signálu. Při šíření v médiu se tato rychlost obvykle shoduje se skupinovou rychlostí, která charakterizuje šíření výše uvedené skupiny vln jako celku (viz „Věda a život“ č. 2, 2000). Za normálních podmínek je skupinová rychlost, a tedy i rychlost signálu, menší než rychlost světla ve vakuu. Není náhodou, že se zde používá výraz „za normálních podmínek“, protože v některých případech může rychlost skupiny překročit S nebo dokonce ztratí svůj význam, ale pak se to netýká šíření signálu. Servisní stanice zjistí, že není možné vysílat signál rychlostí vyšší než S.
proč tomu tak je? Protože existuje překážka pro přenos jakéhokoli signálu rychlostí větší než S Slouží stejný zákon kauzality. Představme si takovou situaci. V určitém bodě A se světelným zábleskem (událost 1) zapne zařízení vysílající určitý rádiový signál a ve vzdáleném bodě B dojde vlivem tohoto rádiového signálu k výbuchu (událost 2). Je jasné, že událost 1 (vzplanutí) je příčinou a událost 2 (výbuch) je důsledek, který nastane později než příčina. Ale pokud by se rádiový signál šířil nadsvětelnou rychlostí, pozorovatel v blízkosti bodu B by nejprve viděl explozi a teprve potom by k němu dosáhl rychlostí S záblesk světla, příčina exploze. Jinými slovy, pro tohoto pozorovatele by událost 2 nastala dříve než událost 1, to znamená, že účinek by předcházel příčinu.
Je vhodné zdůraznit, že „superluminální zákaz“ teorie relativity je uvalen pouze na pohyb hmotných těles a přenos signálů. V mnoha situacích je možný pohyb jakoukoli rychlostí, ale nebude to pohyb hmotných předmětů nebo signálů. Představte si například dvě poměrně dlouhá pravítka ležící ve stejné rovině, z nichž jedno je umístěno vodorovně a druhé ji protíná pod malým úhlem. Pokud se první pravítko posune dolů (ve směru naznačeném šipkou) vysokou rychlostí, může se průsečík pravítek pohybovat libovolně rychle, ale tento bod není hmotným tělesem. Jiný příklad: vezmete-li baterku (nebo řekněme laser vydávající úzký paprsek) a rychle s ní popíšete oblouk ve vzduchu, pak se lineární rychlost světelné skvrny bude zvyšovat se vzdáleností a při dostatečně velké vzdálenosti bude překročit S. Světelný bod se bude pohybovat mezi body A a B nadsvětelnou rychlostí, ale nepůjde o přenos signálu z A do B, protože takový světelný bod nenese žádnou informaci o bodu A.
Zdálo by se, že otázka nadsvětelných rychlostí je vyřešena. Ale v 60. letech dvacátého století teoretičtí fyzici předložili hypotézu o existenci nadsvětelných částic nazývaných tachyony. Jsou to velmi podivné částice: teoreticky jsou možné, ale aby se předešlo rozporům s teorií relativity, musela jim být přidělena pomyslná klidová hmotnost. Fyzikálně imaginární hmotnost neexistuje; To však nevyvolalo velký poplach, protože tachyony nemohou být v klidu - existují (pokud existují!) pouze při rychlostech přesahujících rychlost světla ve vakuu a v tomto případě se tachyonová hmota ukazuje jako skutečná. Existuje zde určitá analogie s fotony: foton má nulovou klidovou hmotnost, ale to jednoduše znamená, že foton nemůže být v klidu – světlo nelze zastavit.
Nejobtížnější se ukázalo, jak by se dalo očekávat, sladit tachyonovou hypotézu se zákonem kauzality. Pokusy v tomto směru, i když byly docela důmyslné, nevedly ke zjevnému úspěchu. Nikdo také nebyl schopen experimentálně zaregistrovat tachyony. V důsledku toho zájem o tachyony jako nadsvětelné elementární částice postupně mizel.
V 60. letech však byl experimentálně objeven jev, který zpočátku fyziky mátl. To je podrobně popsáno v článku A. N. Oraevského „Superluminální vlny v zesilovacích médiích“ (UFN č. 12, 1998). Zde stručně shrneme podstatu věci a odkážeme čtenáře zajímajícího se o podrobnosti na uvedený článek.
Brzy po objevení laserů - počátkem 60. let - vznikl problém získat krátké (doba trvání asi 1 ns = 10 -9 s) vysoce výkonné světelné pulsy. Za tímto účelem prošel krátký laserový puls optickým kvantovým zesilovačem. Puls byl rozdělen na dvě části zrcadlem rozdělujícím paprsek. Jeden z nich, výkonnější, byl poslán do zesilovače a druhý se šířil vzduchem a sloužil jako referenční puls, se kterým bylo možné porovnávat puls procházející zesilovačem. Oba pulsy byly přiváděny do fotodetektorů a jejich výstupní signály bylo možné vizuálně pozorovat na obrazovce osciloskopu. Očekávalo se, že světelný impuls procházející zesilovačem bude mít určité zpoždění ve srovnání s referenčním impulsem, to znamená, že rychlost šíření světla v zesilovači bude menší než ve vzduchu. Představte si úžas výzkumníků, když zjistili, že puls se šíří zesilovačem nejen rychlostí vyšší než ve vzduchu, ale také několikanásobně vyšší než rychlost světla ve vakuu!
Když se fyzici vzpamatovali z prvního šoku, začali hledat důvod tak nečekaného výsledku. O principech speciální teorie relativity nikdo ani v nejmenším nepochyboval a právě to pomohlo najít správné vysvětlení: pokud jsou principy SRT zachovány, pak je třeba hledat odpověď ve vlastnostech zesilovacího média.
Aniž bychom zde zacházeli do podrobností, pouze na to upozorníme podrobná analýza mechanismus účinku zlepšujícího média situaci zcela objasnil. Pointou byla změna koncentrace fotonů při šíření pulsu - změna způsobená změnou zisku média až do záporné hodnoty při průchodu zadní částí pulsu, kdy již médium pohlcuje energie, protože jeho vlastní rezerva je již spotřebována díky jejímu převedení na světelný impuls. Absorpce nezpůsobuje zvýšení, ale zeslabení impulsu a tím je impuls zesílen v přední části a zeslaben v zadní části. Představme si, že pozorujeme puls pomocí zařízení pohybujícího se rychlostí světla v zesilovacím médiu. Pokud by médium bylo průhledné, viděli bychom impuls zmrazený v nehybnosti. V prostředí, ve kterém k výše uvedenému procesu dochází, se zesílení náběžné hrany a zeslabení odtokové hrany pulsu pozorovateli projeví tak, že médium jakoby puls posunulo dopředu. Ale protože se zařízení (pozorovatel) pohybuje rychlostí světla a impuls ho předběhne, pak rychlost impulsu překročí rychlost světla! Právě tento efekt zaznamenali experimentátoři. A zde skutečně není žádný rozpor s teorií relativity: proces zesílení je prostě takový, že koncentrace fotonů, které vyšly dříve, se ukáže být větší než těch, které vyšly později. Nejsou to fotony, které se pohybují nadsvětelnou rychlostí, ale obálka pulzu, zejména jeho maximum, které je pozorováno na osciloskopu.
Zatímco tedy v běžných médiích dochází vždy k zeslabování světla a poklesu jeho rychlosti, určované indexem lomu, v aktivních laserových médiích dochází nejen k zesílení světla, ale i k šíření pulsu nadsvětelnou rychlostí.
Někteří fyzici se pokusili experimentálně prokázat přítomnost nadsvětelného pohybu během tunelového efektu – jeden z nejvíce úžasné jevy v kvantové mechanice. Tento efekt spočívá v tom, že mikročástice (přesněji mikroobjekt, v různé podmínky vykazující vlastnosti částice i vlastnosti vlny) je schopen proniknout přes tzv. potenciální bariéru - jev zcela nemožný v klasické mechanice (ve kterém by analogií byla následující situace: míč vržený na zeď by skončilo na druhé straně stěny, nebo by se vlnovitý pohyb přenášený lano přivázaným ke stěně přenesl na lano přivázané ke stěně na druhé straně). Podstata tunelového efektu v kvantové mechanice je následující. Pokud mikroobjekt s určitou energií na své cestě narazí na oblast s potenciální energií převyšující energii mikroobjektu, je pro něj tato oblast bariérou, jejíž výška je dána rozdílem energií. Ale mikroobjekt „prosakuje“ bariérou! Tuto možnost mu dává známý Heisenbergův vztah neurčitosti, napsaný pro energii a čas interakce. Dojde-li k interakci mikroobjektu s bariérou po poměrně určitou dobu, pak se energie mikroobjektu bude naopak vyznačovat nejistotou, a pokud je tato nejistota řádově ve výšce bariéry, pak ta přestává být pro mikroobjekt nepřekonatelnou překážkou. Rychlost průniku přes potenciální bariéru se stala předmětem výzkumu řady fyziků, kteří se domnívají, že může překročit S.
V červnu 1998 se v Kolíně nad Rýnem konalo mezinárodní sympozium o problémech nadsvětelného pohybu, kde byly diskutovány výsledky získané ve čtyřech laboratořích – v Berkeley, Vídni, Kolíně nad Rýnem a Florencii.
A nakonec se v roce 2000 objevily zprávy o dvou nových experimentech, ve kterých se objevily účinky superluminálního šíření. Jeden z nich provedl Lijun Wong a jeho kolegové v výzkumný institut v Princetonu (USA). Výsledkem je, že světelný pulz vstupující do komory naplněné cesiovými parami zvýší svou rychlost 300krát. Ukázalo se že hlavní část Puls opustí vzdálenou stěnu komory ještě dříve, než pulz vstoupí do komory přední stěnou. Tato situace je v rozporu nejen selský rozum, ale v podstatě teorie relativity.
Poselství L. Wonga vyvolalo intenzivní diskusi mezi fyziky, z nichž většina nebyla nakloněna vidět v získaných výsledcích porušení principů relativity. Výzvou, věří, je správně vysvětlit tento experiment.
V experimentu L. Wonga měl světelný impuls vstupující do komory s párou cesia dobu trvání asi 3 μs. Atomy cesia mohou existovat v šestnácti možných kvantově mechanických stavech, nazývaných „hyperjemné magnetické podúrovně základního stavu“. Pomocí optického laserového čerpání byly téměř všechny atomy uvedeny pouze do jednoho z těchto šestnácti stavů, což odpovídá téměř absolutní nulové teplotě na Kelvinově stupnici (-273,15 o C). Délka cesiové komory byla 6 centimetrů. Ve vakuu se světlo urazí 6 centimetrů za 0,2 ns. Jak ukázala měření, světelný pulz prošel komorou s cesiem za dobu, která byla o 62 ns kratší než ve vakuu. Jinými slovy, doba, za kterou puls projde cesiovým médiem, má znaménko mínus! Pokud odečteme 62 ns od 0,2 ns, dostaneme „záporný“ čas. Toto "negativní zpoždění" v médiu - nepochopitelný časový skok - se rovná době, za kterou by impuls provedl 310 průchodů komorou ve vakuu. Důsledkem tohoto „časového zvratu“ bylo, že pulz opouštějící komoru se od ní dokázal posunout o 19 metrů, než přicházející pulz dosáhl blízké stěny komory. Jak lze vysvětlit tak neuvěřitelnou situaci (pokud ovšem nepochybujeme o čistotě experimentu)?
Soudě podle probíhající diskuse nebylo dosud nalezeno přesné vysvětlení, ale není pochyb o tom, že zde hrají roli neobvyklé disperzní vlastnosti média: pára cesia, skládající se z atomů excitovaných laserovým světlem, je médium s anomální disperzí . Připomeňme si krátce, co to je.
Disperze látky je závislost fázového (obyčejného) indexu lomu n na vlnové délce světla l. Při normální disperzi se index lomu zvyšuje s klesající vlnovou délkou a to je případ skla, vody, vzduchu a všech ostatních látek propustných pro světlo. U látek, které silně pohlcují světlo, je průběh indexu lomu se změnou vlnové délky obrácený a stává se mnohem strmější: s klesající l (vzrůstající frekvence w) index lomu prudce klesá a v určité oblasti vlnových délek se stává méně než jednotným. (fázová rychlost PROTI f > S). Jedná se o anomální disperzi, při které se vzor šíření světla v látce radikálně mění. Rychlost skupiny PROTI gr se stává větší než fázová rychlost vln a může překročit rychlost světla ve vakuu (a také se stát zápornou). L. Wong poukazuje na tuto okolnost jako na důvod, který je základem možnosti vysvětlit výsledky svého experimentu. Nutno však podotknout, že podm PROTI gr > S je čistě formální, protože koncept skupinové rychlosti byl zaveden pro případ malého (normálního) rozptylu, pro transparentní média, kdy skupina vln během šíření téměř nemění svůj tvar. V oblastech anomálního rozptylu se světelný puls rychle deformuje a koncept skupinové rychlosti ztrácí smysl; v tomto případě jsou zavedeny pojmy rychlost signálu a rychlost šíření energie, které se v transparentních médiích shodují se skupinovou rychlostí a v médiích s absorpcí zůstávají menší než rychlost světla ve vakuu. Na Wongově experimentu je ale zajímavé: světelný puls procházející prostředím s anomální disperzí se nedeformuje – přesně si zachovává svůj tvar! A to odpovídá předpokladu, že se impuls šíří skupinovou rychlostí. Ale pokud ano, pak se ukáže, že v médiu není žádná absorpce, ačkoli anomální disperze média je způsobena právě absorpcí! Wong sám, i když uznává, že mnohé zůstává nejasné, věří, že to, co se děje v jeho experimentálním uspořádání, lze na první přiblížení jasně vysvětlit následovně.
Světelný puls se skládá z mnoha složek s různými vlnovými délkami (frekvencemi). Obrázek ukazuje tři z těchto složek (vlny 1-3). V určitém okamžiku jsou všechny tři vlny ve fázi (jejich maxima se shodují); zde se sčítají, vzájemně se posilují a tvoří impuls. Jak se dále šíří prostorem, vlny se rozfázují a tím se navzájem „ruší“.
V oblasti anomálního rozptylu (uvnitř cesiové buňky) se vlna, která byla kratší (vlna 1), prodlužuje. Naopak vlna, která byla ze všech tří nejdelší (vlna 3), se stává nejkratší.
V důsledku toho se fáze vln odpovídajícím způsobem mění. Jakmile vlny projdou cesiovou buňkou, jejich vlnoplochy se obnoví. Poté, co prošly neobvyklou fázovou modulací v látce s anomálním rozptylem, se tyto tři vlny v určitém bodě znovu ocitnou ve fázi. Zde se opět sčítají a tvoří puls přesně stejného tvaru jako ten vstupující do cesiového prostředí.
Typicky ve vzduchu a ve skutečnosti v jakémkoli průhledném médiu s normální disperzí si světelný puls nemůže přesně udržet svůj tvar, když se šíří na vzdálenou vzdálenost, to znamená, že všechny jeho složky nemohou být fázovány v žádném vzdáleném bodě podél dráhy šíření. A za normálních podmínek se v tak vzdáleném bodě po nějaké době objeví světelný puls. Vzhledem k anomálním vlastnostem média použitého v experimentu se však puls ve vzdáleném bodě ukázal jako fázovaný stejně jako při vstupu do tohoto média. Světelný puls se tedy chová, jako by měl na cestě do vzdáleného bodu záporné časové zpoždění, to znamená, že by k němu nedorazil později, ale dříve, než prošel médiem!
Většina fyziků má sklon spojovat tento výsledek s výskytem prekurzoru nízké intenzity v disperzním prostředí komory. Faktem je, že při spektrálním rozkladu pulsu obsahuje spektrum složky libovolně vysokých frekvencí se zanedbatelně malou amplitudou, tzv. prekurzor, předbíhající „hlavní část“ pulsu. Povaha usazení a tvar prekurzoru závisí na zákonu disperze v médiu. S ohledem na to se navrhuje, aby byl sled událostí ve Wongově experimentu interpretován následovně. Příchozí vlna, „natahující“ předzvěst před sebou, se blíží ke kameře. Než vrchol příchozí vlny narazí na blízkou stěnu komory, prekurzor iniciuje výskyt pulsu v komoře, který dosáhne vzdálené stěny a odrazí se od ní, čímž vytvoří „reverzní vlnu“. Tato vlna se šíří 300krát rychleji S, dosáhne blízké zdi a setká se s příchozí vlnou. Vrcholy jedné vlny se setkávají s koryty druhé, takže se navzájem ničí a ve výsledku nezůstane nic. Ukazuje se, že příchozí vlna „splácí dluh“ atomům cesia, které jí „propůjčily“ energii na druhém konci komory. Každý, kdo sledoval pouze začátek a konec experimentu, by viděl pouze puls světla, který „skákal“ dopředu v čase a pohyboval se rychleji S.
L. Wong se domnívá, že jeho experiment není v souladu s teorií relativity. Tvrzení o nedosažitelnosti nadsvětelné rychlosti se podle něj vztahuje pouze na objekty s klidovou hmotností. Světlo může být reprezentováno buď ve formě vln, pro které je pojem hmotnosti obecně nepoužitelný, nebo ve formě fotonů s klidovou hmotností, jak je známo. rovna nule. Rychlost světla ve vakuu tedy podle Wonga není limitní. Wong však připouští, že efekt, který objevil, neumožňuje přenášet informace rychlostí vyšší než S.
„Informace jsou již obsaženy v přední hraně pulsu,“ říká P. Milonni, fyzik z Los Alamos National Laboratory ve Spojených státech neposílají."
Většina fyziků tomu věří nová práce nezasadí základním principům zdrcující ránu. Ale ne všichni fyzici věří, že problém je vyřešen. Profesor A. Ranfagni z italské výzkumné skupiny, která v roce 2000 provedla další zajímavý experiment, se domnívá, že otázka je stále otevřená. Tento experiment, který provedli Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni a Rocco Ruggeri, objevil, že centimetrové rádiové vlny při normálním cestování vzduchem rychlostí přesahující S o 25 %.
Abychom to shrnuli, můžeme říci následující. Nedávná práce ukazuje, že za určitých podmínek nadsvětelná rychlost může skutečně proběhnout. Ale co přesně se pohybuje nadsvětelnou rychlostí? Teorie relativity, jak již bylo zmíněno, takovou rychlost zakazuje pro hmotná tělesa a pro signály, nesoucí informace. Přesto se někteří badatelé velmi vytrvale snaží demonstrovat překonání světelné závory speciálně pro signály. Důvodem je skutečnost, že speciální teorie relativity nemá striktní matematické zdůvodnění (založené řekněme na Maxwellových rovnicích pro elektromagnetické pole) nemožnost přenosu signálů rychlostí větší než S. Taková nemožnost v STR je stanovena, dalo by se říci, čistě aritmeticky, na základě Einsteinova vzorce pro sčítání rychlostí, ale to je zásadně potvrzeno principem kauzality. Sám Einstein v souvislosti s problematikou přenosu nadsvětelných signálů napsal, že v tomto případě „... jsme nuceni uvažovat o možném mechanismu přenosu signálu, ve kterém dosažená akce předchází příčinu, ačkoli to vyplývá z čistě logického hlediska pohled neobsahuje sám sebe, podle mého názoru neexistují žádné rozpory, přesto odporuje povaze veškeré naší zkušenosti, že je nemožnost předpokládat V > s se zdá být dostatečně prokázáno." Princip kauzality je základním kamenem, který je základem nemožnosti přenosu nadsvětelných signálů. A zjevně všechna hledání nadsvětelných signálů bez výjimky narazí na tento kámen, bez ohledu na to, jak moc by experimentátoři chtěli takový signály, neboť taková je povaha našeho světa.
Na závěr je třeba zdůraznit, že vše výše uvedené platí specificky pro náš svět, pro náš Vesmír. Tato rezervace byla učiněna, protože v poslední době se v astrofyzice a kosmologii objevily nové hypotézy, které umožňují existenci mnoha před námi skrytých vesmírů, propojených topologickými tunely - propojkami. Tento úhel pohledu sdílí například slavný astrofyzik N.S. Pro vnějšího pozorovatele jsou vstupy do těchto tunelů indikovány anomálními gravitačními poli, jako jsou černé díry. Pohyby v takových tunelech, jak navrhují autoři hypotéz, umožní obejít rychlostní limit stanovený v běžném prostoru rychlostí světla, a tedy realizovat myšlenku vytvoření stroje času. .. Je možné, že v takových vesmírech se mohou skutečně dít věci, které jsou pro nás neobvyklé. A i když zatím takové hypotézy příliš připomínají příběhy z sci-fi, je nepravděpodobné, že bychom kategoricky odmítli základní možnost víceprvkového modelu struktury hmotného světa. Jiná věc je, že všechny tyto další vesmíry s největší pravděpodobností zůstanou čistě matematickými konstrukcemi teoretických fyziků žijících v našem Vesmíru a snažících se silou svých myšlenek najít světy, které jsou nám uzavřené...
Viz vydání na stejné téma
Věnováno přímému měření rychlosti neutrin. Výsledky zní senzačně: rychlost neutrin byla nepatrná – ale statisticky významná! - rychlejší než rychlost světla. Spolupráce obsahuje analýzu různých zdrojů chyb a nejistot, ale reakce naprosté většiny fyziků zůstává velmi skeptická, především proto, že tento výsledek není v souladu s jinými experimentálními daty o vlastnostech neutrin.
Rýže. 1. |
Podrobnosti experimentu
Myšlenka experimentu (viz experiment OPERA) je velmi jednoduchá. Paprsek neutrin se rodí v CERNu, proletí Zemí do italské laboratoře Gran Sasso a tam prochází speciálním detektorem neutrin OPERA. Neutrina interagují s hmotou velmi slabě, ale protože jejich tok z CERNu je tak velký, některá neutrina se stále srážejí s atomy uvnitř detektoru. Tam generují kaskádu nabitých částic a tím zanechávají svůj signál v detektoru. Neutrina v CERNu se nerodí nepřetržitě, ale v „záblescích“, a pokud známe okamžik zrodu neutrina a okamžik jeho pohlcení v detektoru, stejně jako vzdálenost mezi oběma laboratořemi, můžeme vypočítat rychlost neutrina.
Vzdálenost mezi zdrojem a detektorem v přímce je cca 730 km a měří se s přesností 20 cm (přesná vzdálenost mezi referenčními body je 730 534,61 ± 0,20 metru). Pravda, proces vedoucí ke zrodu neutrin není lokalizován s takovou přesností. V CERNu se svazek vysokoenergetických protonů uvolňuje z urychlovače SPS, padá na grafitový terč a vytváří sekundární částice, včetně mezonů. Stále létají vpřed rychlostí blízkou světla a rozpadají se na miony, zatímco emitují neutrina. Miony se také rozpadají a produkují další neutrina. Poté jsou všechny částice kromě neutrin absorbovány v tloušťce látky a volně se dostávají do místa detekce. Obecné schéma této části experimentu je na Obr. 1.
Celá kaskáda vedoucí ke vzniku paprsku neutrin se může roztáhnout na stovky metrů. Nicméně, protože Všechnočástice v tomto shluku létají kupředu rychlostí blízkou světla, po dobu detekce není prakticky žádný rozdíl, zda se neutrino zrodilo hned nebo po kilometru cesty (je však velmi důležité, kdy přesně původní proton, který vedl k zrod tohoto neutrina vyletěl z urychlovače). Výsledkem je, že generovaná neutrina jednoduše opakují profil původního protonového paprsku. Proto je zde klíčovým parametrem právě časový profil protonového paprsku emitovaného z urychlovače, zejména přesná poloha jeho náběžné a zadní hrany, a tento profil je měřen s dostatečným časem. s m rozlišení (viz obr. 2).
Každá relace dopadu protonového paprsku na cíl (v angličtině se taková relace nazývá rozlít, „burst“) trvá přibližně 10 mikrosekund a vede ke zrození velkého množství neutrin. Téměř všechny však prolétají přímo přes Zemi (a detektor) bez interakce. V těch vzácných případech, kdy detektor detekuje neutrino, není možné říci, v jakém přesném okamžiku během 10mikrosekundového intervalu bylo emitováno. Analýza může být provedena pouze statisticky, to znamená, že se shromáždí mnoho případů detekce neutrin a sestrojí se jejich rozložení v čase vzhledem k výchozímu bodu každé relace. V detektoru se za výchozí bod považuje okamžik v čase, kdy konvenční signál, pohybující se rychlostí světla a emitovaný přesně v okamžiku náběžné hrany svazku protonů, dosáhne detektoru. Přesné měření tohoto okamžiku umožnila synchronizace hodin ve dvou laboratořích s přesností několika nanosekund.
Na Obr. Obrázek 3 ukazuje příklad takové distribuce. Černé tečky jsou skutečná data neutrin zaznamenaná detektorem a sečtená velký počet sezení. Červená křivka ukazuje konvenční „referenční“ signál, který by se pohyboval rychlostí světla. Je vidět, že data začínají přibližně na 1048,5 ns dříve referenční signál. To však neznamená, že neutrina jsou ve skutečnosti o mikrosekundu před světlem, ale je to pouze důvod k pečlivému měření všech délek kabelů, rychlosti odezvy zařízení, doby elektronického zpoždění a tak dále. Tato opakovaná kontrola byla provedena a ukázalo se, že kompenzuje „referenční“ točivý moment o 988 ns. Ukazuje se tedy, že signál neutrin ve skutečnosti předstihuje referenční signál, ale jen asi o 60 nanosekund. Z hlediska rychlosti neutrin to odpovídá překročení rychlosti světla přibližně o 0,0025 %.
Chybu tohoto měření autoři analýzy odhadli na 10 nanosekund, což zahrnuje statistické i systematické chyby. Autoři tedy tvrdí, že „vidí“ nadsvětelný pohyb neutrin na úrovni statistické spolehlivosti šesti standardních odchylek.
Rozdíl mezi výsledky a očekáváním o šest směrodatných odchylek je již poměrně velký a v částicové fyzice se nazývá velkým slovem „objev“. Toto číslo je však třeba správně chápat: znamená pouze pravděpodobnost statistický kolísání dat je velmi malé, ale neukazuje to, jak spolehlivá je technika zpracování dat a jak dobře fyzici vzali v úvahu všechny instrumentální chyby. Ostatně v částicové fyzice existuje mnoho příkladů, kdy neobvyklé signály nebyly potvrzeny jinými experimenty s výjimečně vysokou statistickou spolehlivostí.
Co si nadsvětelná neutrina protiřečí?
Na rozdíl od všeobecného přesvědčení speciální teorie relativity sama o sobě nezakazuje existenci částic pohybujících se nadsvětelnou rychlostí. Pro takové částice (obecně se jim říká „tachyony“) je však limitem také rychlost světla, ale pouze zdola – nemohou se pohybovat pomaleji než ona. V tomto případě je závislost energie částic na rychlosti inverzní: čím vyšší energie, tím blíže je rychlost tachyonů rychlosti světla.
Mnohem více vážné problémy začít v kvantové teorii pole. Tato teorie nahrazuje kvantovou mechaniku, pokud jde o kvantové částice s vysokými energiemi. V této teorii nejsou částice body, ale relativně vzato sraženiny hmotného pole a nelze je uvažovat odděleně od pole. Ukazuje se, že tachyony snižují energii pole, což znamená, že dělají vakuum nestabilním. Pro prázdnotu je pak výhodnější samovolně se rozpadat na obrovské množství těchto částic, a proto je prostě nesmyslné uvažovat o pohybu jednoho tachyonu v běžném prázdném prostoru. Můžeme říci, že tachyon není částice, ale nestabilita vakua.
V případě tachyon-fermionů je situace poněkud složitější, ale i zde vznikají srovnatelné potíže, které brání vytvoření samokonzistentní tachyonové kvantové teorie pole, včetně obyčejné teorie relativity.
To však také není poslední slovo teoreticky. Stejně jako experimentalisté měří vše, co měřit lze, testují i teoretici všechny možné hypotetické modely, které nejsou v rozporu s dostupnými daty. Zejména existují teorie, ve kterých je povolena malá, dosud nepovšimnutá odchylka od postulátů teorie relativity – například rychlost světla sama o sobě může být proměnnou hodnotou. Takové teorie zatím nemají přímou experimentální podporu, ale ještě nejsou uzavřeny.
Tento stručný náčrt teoretických možností lze shrnout následovně: ačkoliv je v některých teoretických modelech možný nadsvětelný pohyb, zůstávají čistě hypotetickými konstrukcemi. Všechna dnes dostupná experimentální data jsou popsána standardními teoriemi bez nadsvětelného pohybu. Pokud by tedy byla spolehlivě potvrzena alespoň u některých částic, musela by být kvantová teorie pole radikálně předělána.
Měl by být výsledek OPERA v tomto smyslu považován za „první znamení“? Ještě ne. Snad nejdůležitějším důvodem ke skepsi zůstává fakt, že výsledek OPERA nesouhlasí s jinými experimentálními daty o neutrinech.
Za prvé, během slavného výbuchu supernovy SN1987A byla také zaznamenána neutrina, která dorazila několik hodin před světelným pulzem. To neznamená, že se neutrina pohybovala rychleji než světlo, ale pouze odráží skutečnost, že neutrina jsou při kolapsu jádra supernovy emitována dříve než světlo. Protože se však neutrina a světlo po cestování po 170 tisících letech nerozcházely o více než několik hodin, znamená to, že jejich rychlosti jsou velmi blízko a neliší se o více než miliardtiny. Experiment OPERA ukazuje tisíckrát větší rozpor.
Zde samozřejmě můžeme říci, že neutrina produkovaná při explozích supernov a neutrina z CERNu se velmi liší energií (několik desítek MeV u supernov a 10–40 GeV v popsaném experimentu) a rychlost neutrin se liší v závislosti na energii . Tato změna však v tomto případě funguje „nesprávným“ směrem: koneckonců čím vyšší je energie tachyonů, tím více by se jejich rychlost měla blížit rychlosti světla. Samozřejmě i zde můžeme přijít s nějakou modifikací tachyonové teorie, ve které by tato závislost byla zcela odlišná, ale v tomto případě budeme muset diskutovat o „double-hypotetickém“ modelu.
Dále ze souboru experimentálních dat o oscilacích neutrin získaných pro minulé roky Z toho vyplývá, že hmotnosti všech neutrin se od sebe liší pouze zlomky elektronvoltu. Je-li výsledek OPERA vnímán jako projev nadsvětelného pohybu neutrin, pak bude kvadratická hodnota hmotnosti alespoň jednoho neutrina řádově –(100 MeV) 2 (záporná kvadratická hmotnost je matematickým projevem skutečnost, že částice je považována za tachyon). Pak si to musíme přiznat Všechno typy neutrin jsou tachyony a mají přibližně stejnou hmotnost. Na druhé straně přímé měření hmotnosti neutrin v beta rozpadu jader tritia ukazuje, že hmotnost neutrin (v absolutní hodnotě) by neměla překročit 2 elektronvolty. Jinými slovy, nebude možné všechny tyto údaje vzájemně sladit.
Z toho lze vyvodit následující závěr: deklarovaný výsledek spolupráce OPERA lze jen těžko zařadit do jakýchkoli, i těch nejexotičtějších teoretických modelů.
Co bude dál?
Ve všech velkých spolupracích v částicové fyzice je běžnou praxí, že každou specifickou analýzu provádí malá skupina účastníků a teprve poté jsou výsledky prezentovány k obecné diskusi. V tomto případě byla tato fáze zjevně příliš krátká, v důsledku čehož ne všichni účastníci spolupráce souhlasili s podpisem článku (úplný seznam zahrnuje 216 účastníků experimentu, ale předtisk má pouze 174 autorů). V brzké době tedy s největší pravděpodobností bude v rámci spolupráce vykonáno mnoho práce. dodatečné kontroly a teprve poté bude článek odeslán k tisku.
Samozřejmě nyní můžeme očekávat proud teoretických prací s různými exotickými vysvětleními tohoto výsledku. Dokud však nebude uvedený výsledek spolehlivě zkontrolován, nelze jej považovat za plnohodnotný objev.