Некоторые физики пытались экспериментально доказать наличие сверхсветового движения при
туннельном эффекте - одном из наиболее удивительных явлений в квантовой механике. Этот эффект состоит в том, что
микрочастица (точнее говоря, микрообъект, в разных условиях проявляющий как свойства частицы, так и свойства волны)
способна проникать через так называемый потенциальный барьер - явление, совершенно невозможное в классической механике
(в которой аналогом была бы такая ситуация: брошенный в стену мяч оказался бы по другую сторону стены.
Сущность туннельного эффекта в квантовой механике состоит в следующем: |
Если микрообъект, обладающий определенной энергией, встречает
на своем пути область с потенциальной энергией, превышающей энергию микрообъекта, эта область является для него барьером,
высота которого определяется разностью энергий. Но микрообъект "просачивается" через барьер! Такую возможность дает ему
известное соотношение неопределенностей Гейзенбер га, записанное для энергии и времени взаимодействия. Если взаимодействие
микрообъекта с барьером происходит в течение достаточно определенного времени, то энергия микрообъекта будет, наоборот,
характеризоваться неопределенностью, и если эта неопределен ность будет порядка высоты барьера, то последний перестает быть
для микрообъекта непреодолимым препятствием. Вот скорость проникновения через потенциальный барьер и стала предметом
исследований ряда физиков, полагающих, что она может превышать с.
В июне 1998 года в Кёльне состоялся международный симпозиум по проблемам сверхсветовых
движений, где обсуждались результаты, полученные в четырех лабораториях - в Беркли, Вене, Кёльне и во Флоренции. И,
наконец, в 2000 году появились сообщения о двух новых экспериментах, в которых проявились эффекты сверхсветового
распространения. Один из них выполнил Лиджун Вонг с сотрудниками в исследовательском институте в Принстоне (США). Его
результат состоит в том, что световой импульс, входящий в камеру, наполненную парами цезия, увеличивает свою скорость в
|
На Солнце часто происходят извержения горячего газа. В результате одного из таких извержений возникло светящееся волокно,
изображенное на рисунке. Снимок получен в июле 2000 года на космическом аппарате TRACE, вращающемся по орбите вокруг Земли.
Высота волокна 100 тысяч км.
|
Струя, движение почти со скоростью света |
300 раз. Получалось, что главная часть импульса выходит из дальней стенки камеры даже раньше, чем импульс входит в камеру
через переднюю стенку. Такая ситуация противоречит не только здравому смыслу, но, в сущности, и теории относитель ности.
Сообщение Л. Вонга вызвало интенсивное обсуждение в кругу физиков, большинство которых не склонны видеть в полученных
результатах нарушение принципов относительно сти. Задача состоит в том, полагают они, чтобы правильно объяснить этот
эксперимент.
В эксперименте Л.Вонга световой импульс, входящий в камеру с парами цезия, имел длительность
около 3 мкс. Атомы цезия могут находиться в шестнадцати возможных квантовомеханических состояниях, называемых "сверхтонкие
магнитные подуровни основного состояния". При помощи оптической лазерной накачки почти все атомы приводились только в одно
из этих шестнадцати состояний, соответствующее почти абсолютному нулю температуры по шкале Кельвина (-273,15оC). Длина
цезиевой камеры составляла 6 сантиметров. В вакууме свет проходит 6 сантиметров за 0,2 нс. Через камеру же с цезием, как
показали выполненные измерения, световой импульс проходил за время на 62 нс меньшее, чем в вакууме. Другими словами, время
прохождения импульса через цезиевую среду имеет знак "минус"! Действительно, если из 0,2 нс вычесть 62 нс, получим
"отрицательное" время. Эта "отрицательная задержка" в среде - непостижимый временной скачок - равен времени, в течение
которого импульс совершил бы 310 проходов через камеру в вакууме. Следствием этого "временного переворота" явилось то,
что выходящий из камеры импульс успел удалиться от нее на 19 метров, прежде чем приходящий импульс достиг ближней стенки
камеры. Как же можно объяснить такую невероятную ситуацию (если, конечно, не сомневаться в чистоте эксперимента)? Судя по
развернувшейся дискуссии, точное объяснение еще не найдено, но несомненно, что здесь играют роль необычные дисперсионные
свойства среды: пары цезия, состоящие из возбужденных лазерным светом атомов, представляют собой среду с аномальной
дисперсией. Напомним кратко, что это такое.
Дисперсией вещества называется зависимость фазового (обычного) показателя преломления n от
длины волны света l. При нормальной дисперсии показатель преломления увеличивается с уменьшением длины волны, и это имеет
место в стекле, воде, воздухе и всех других прозрачных для света веществах. В веществах же, сильно поглощающих свет, ход
показателя преломления с изменением длины волны меняется на обратный и становится гораздо круче: при уменьшении l
(увеличении частоты w) показатель преломления резко уменьшается и в некоторой области длин волн становится меньше единицы
(фазовая скорость Vф > с). Это и есть аномальная дисперсия, при которой картина распространения света в веществе меняется
радикальным образом. Групповая скорость Vгр становится больше фазовой скорости волн и может превысить скорость света в
вакууме (а также стать отрицательной). Л. Вонг указывает на это обстоятельство как на причину, лежащую в основе возможности
объяснения результатов его эксперимента. Следует, однако, заметить, что условие Vгр > с является чисто формальным, так как
понятие групповой скорости введено для случая малой (нормальной) дисперсии, для прозрачных сред, когда группа волн при
распространении почти не меняет своей формы. В областях же аномальной дисперсии световой импульс быстро деформируется и
понятие групповой скорости теряет смысл; в этом случае вводятся понятия скорости сигнала и скорости распространения
энергии, которые в прозрачных средах совпадают с групповой скоростью, а в средах с поглощением остаются меньше скорости
света в вакууме. Но вот что интересно в эксперименте Вонга: световой импульс, пройдя через среду с аномальной дисперсией,
не деформируется - он в точности сохраняет свою форму! А это соответствует допущению о распространении импульса с групповой
скоростью. Но если так, то получается, что в среде отсутствует поглощение, хотя аномальная дисперсия среды обусловлена
именно поглощением! Сам Вонг, признавая, что многое еще остается неясным, полагает, что происходящее в его экспериментальной
установке можно в первом приближении наглядно объяснить следующим образом.
Световой импульс состоит из множества составляющих с различными длинами волн (частотами). На
рисунке показаны три из этих составляющих (волны 1-3). В некоторой точке все три волны находятся в фазе (их максимумы
совпадают); здесь они, складываясь, усиливают друг друга и образуют импульс. По мере дальнейшего распространения в
пространстве волны расфазируются и тем самым "гасят" друг друга. В области аномальной дисперсии (внутри цезиевой ячейки)
волна, которая была короче (волна 1), становится длиннее. И наоборот, волна, бывшая самой длинной из трех (волна 3),
становится самой короткой. Следовательно, соответственно меняются и фазы волн. Когда волны прошли через цезиевую ячейку,
их волновые фронты восстанавливаются. Претерпев необычную фазовую модуляцию в веществе с аномальной дисперсией, три
рассматриваемые волны вновь оказываются в фазе в некоторой точке. Здесь они снова складываются и образуют импульс точно
такой же формы, как и входящий в цезиевую среду.
Обычно в воздухе и фактически в любой прозрачной среде с нормальной дисперсией световой
импульс не может точно сохранять свою форму при распространении на удаленное расстояние, то есть все его составляющие не
могут быть сфазированы в какой-либо удаленной точке вдоль пути распространения. И в обычных условиях световой импульс в
такой удаленной точке появляется спустя некоторое время. Однако вследствие аномальных свойств использованной в эксперименте
среды импульс в удаленной точке оказался сфазирован так же, как и при входе в эту среду. Таким образом, световой импульс
ведет себя так, как если бы он имел отрицательную временную задержку на пути до удаленной точки, то есть пришел бы в нее не
позже, а раньше, чем прошел среду! Большая часть физиков склонна связывать этот результат с возникновением низкоинтенсивного
предвестника в диспергирующей среде камеры. Дело в том, что при спектральном разложении импульса в спектре присутствуют
составляющие сколь угодно высоких частот с ничтожно малой амплитудой, так называемый предвестник, идущий впереди "главной
части" импульса. Характер установления и форма предвестника зависят от закона дисперсии в среде. Имея это в виду,
последовательность событий в эксперименте Вонга предлагается интерпретировать следующим образом. Приходящая волна,
"простирая" предвестник впереди себя, приближается к камере. Прежде чем пик приходящей волны попадет на ближнюю стенку
камеры, предвестник инициирует возникновение импульса в камере, который доходит до дальней стенки и отражается от нее,
образуя "обратную волну". Эта волна, распространяясь в 300 раз быстрее с, достигает ближней стенки и встречается с
приходящей волной. Пики одной волны встречаются со впадинами другой, так что они уничтожают друг друга и в результате
ничего не остается. Получается, что приходящая волна "возвращает долг" атомам цезия, которые "одалживали" ей энергию на
Движение вещества с большими скоростями |
Что мы получим, соединив один из самых больших телескопов с мощным лазером? Искусственную звезду. Отслеживая флуктуации
яркости какой-нибудь яркой звезды, можно получить информацию об изменениях земной атмосферы, однако часто в
нужном направлении нет никакой яркой звезды.
|
|
другом конце камеры. Тот, кто наблюдал бы только начало и конец эксперимента, увидел бы лишь импульс света, который
"прыгнул" вперед во времени, двигаясь быстрее с.
Л. Вонг считает, что его эксперимент не согласуется с теорией относительности. Утверждение о
недостижимости сверхсветовой скорости, полагает он, применимо только к объектам, обладающим массой покоя. Свет может быть
представлен либо в виде волн, к которым вообще неприменимо понятие массы, либо в виде фотонов с массой покоя, как известно,
равной нулю. Поэтому скорость света в вакууме, считает Вонг, не предел. Тем не менее Вонг признает, что обнаруженный им
эффект не дает возможности передавать информацию со скоростью больше с. "Информация здесь уже заключена в переднем крае
импульса, - говорит П. Милонни, физик из Лос-Аламосской национальной лаборатории США. - И может создаться впечатление о
сверхсветовой посылке информации, даже когда вы ее не посылаете". Большинство физиков считают, что новая работа не наносит
сокрушительного удара по фундаментальным принципам. Но не все физики полагают, что проблема улажена. Профессор А. Ранфагни
из итальянской исследовательской группы, осуществившей еще один интересный эксперимент 2000 года, считает, что вопрос еще
остается открытым. Этот эксперимент, проведенный Даниэлом Мугнаи, Анедио Ранфагни и Рокко Руггери, обнаружил, что
радиоволны сантиметрового диапазона в обычном воздухе распространяются со скоростью, превышающей с на 25%.
Резюмируя, можно сказать следующее. Работы последних лет показывают, что при определенных
условиях сверхсветовая скорость действительно может иметь место. Но что именно движется со сверхсветовой скоростью?
Теория относительности, как уже упоминалось, запрещает такую скорость для материальных тел и для сигналов, несущих
информацию. Тем не менее некоторые исследователи весьма настойчиво пытаются продемонстри ровать преодоление светового
барьера именно для сигналов. Причина этого кроется в том, что в специальной теории относительности нет строгого
математического обоснования (базирующегося, скажем, на уравнениях Максвелла для электромагнитного поля) невозможности
передачи сигналов со скоростью больше с. Такая невозможность в СТО устанавливается, можно сказать, чисто арифметически,
исходя из эйнштейновской формулы сложения скоростей, но фундаментальным образом это подтверждается принципом причинности.
Сам Эйнштейн, рассматривая вопрос о сверхсветовой передаче сигналов, писал, что в этом случае "...мы вынуждены считать
возможным механизм передачи сигнала, при использовании которого достигаемое действие предшествует причине. Но, хотя этот
результат с чисто логической точки зрения и не содержит в себе, по-моему, никаких противоречий, он все же настолько
противоречит характеру всего нашего опыта, что невозможность предположения V > с представляется в достаточной степени
доказанной". Принцип причинности - вот тот краеугольный камень, который лежит в основе невозможности сверхсветовой
передачи сигналов. И об этот камень, по-видимому, будут спотыкаться все без исключения поиски сверхсветовых сигналов,
как бы экспериментаторам не хотелось такие сигналы обнаружить, ибо такова природа нашего мира. В заключение следует
подчеркнуть, что все вышеизложенное относится именно к нашему миру, к нашей Вселенной. Такая оговорка сделана потому,
что в последнее время в астрофизике и космологии появляются новые гипотезы, допускающие существование множества скрытых
от нас Вселенных, соединенных топологическими туннелями-перемычками.
Такой точки зрения придерживается, например, известный
астрофизик Н. С. Кардашев. Для внешнего наблюдателя входы в эти туннели обозначаются аномальными полями тяготения, подобно
черным дырам. Перемещения в таких туннелях, как предполагают авторы гипотез, позволят обойти ограничение скорости движения,
накладыва емое в обычном пространстве скоростью света, и, следовательно, реализовать идею о создании машины времени... Не
исключено, что в подобных Вселенных действительно могут происходить необычные для нас вещи. И хотя пока что такие гипотезы
слишком уж напоминают сюжеты из научной фантастики, вряд ли следует категорически отвергать принципиальную возможность
многоэлементной модели устройства материального мира. |
"Общие вопросы"