Superluminaal reizen is een van de fundamenten van sciencefiction in de ruimte. Waarschijnlijk weet iedereen echter - zelfs mensen die ver van de natuurkunde af staan - dat de maximale bewegingssnelheid van materiële objecten of de voortplanting van signalen de lichtsnelheid in een vacuüm is. Het wordt aangeduid met de letter c en is bijna 300 duizend kilometer per seconde; de exacte waarde is c = 299792458 m / s.
De lichtsnelheid in een vacuüm is een van de fundamentele fysische constanten. De onmogelijkheid om snelheden boven c te halen volgt uit Einsteins speciale relativiteitstheorie (SRT). Als het mogelijk zou zijn om te bewijzen dat signalen met superluminale snelheden kunnen worden verzonden, zou de relativiteitstheorie vallen. Tot dusver is dit niet gebeurd, ondanks talloze pogingen om het verbod op het bestaan van snelheden hoger dan c. In recente experimentele studies zijn echter enkele zeer interessante verschijnselen ontdekt, die aangeven dat onder speciaal gecreëerde omstandigheden superluminale snelheden kunnen worden waargenomen en dat de principes van de relativiteitstheorie niet worden geschonden.
Laten we om te beginnen de belangrijkste aspecten van het probleem van de lichtsnelheid in herinnering brengen.
Allereerst: waarom is het (onder normale omstandigheden) onmogelijk om de lichtlimiet te overschrijden? Omdat dan de fundamentele wet van onze wereld wordt geschonden - de wet van causaliteit, volgens welke het effect de oorzaak niet kan overtreffen. Niemand heeft bijvoorbeeld ooit gezien dat eerst een beer dood viel en toen een jager schoot. Bij snelheden hoger dan s wordt de volgorde van de gebeurtenissen omgekeerd en wordt de tijdband teruggespoeld. Dit is gemakkelijk te verifiëren aan de hand van de volgende eenvoudige redenering.
Laten we aannemen dat we ons op een soort ruimtewonderschip bevinden dat sneller beweegt dan het licht. Dan zouden we geleidelijk het licht inhalen dat door de bron op eerdere en eerdere tijdstippen werd uitgezonden. Eerst zouden we de fotonen inhalen die werden uitgezonden, laten we zeggen gisteren, dan degene die eergisteren zijn uitgezonden, dan een week, een maand, een jaar geleden, enzovoort. Als de lichtbron een spiegel was die het leven weerkaatst, dan zouden we eerst de gebeurtenissen van gisteren zien, dan eergisteren, enzovoort. We zouden bijvoorbeeld een oude man kunnen zien die geleidelijk verandert in een man van middelbare leeftijd, dan in een jonge man, in een jongere, in een kind … Dat wil zeggen, de tijd zou teruggaan, we zouden van het heden naar het verleden gaan. De oorzaken en gevolgen zouden worden omgekeerd.
Hoewel deze redenering de technische details van het proces van het waarnemen van licht volledig negeert, toont het vanuit fundamenteel oogpunt duidelijk aan dat beweging met superluminale snelheid tot een onmogelijke situatie in onze wereld leidt. De natuur heeft echter nog strengere voorwaarden gesteld: het is onbereikbaar om niet alleen met superluminale snelheid te bewegen, maar ook met een snelheid die gelijk is aan de snelheid van het licht - je kunt het alleen naderen. Uit de relativiteitstheorie volgt dat naarmate de bewegingssnelheid toeneemt, er drie omstandigheden ontstaan: de massa van een bewegend object neemt toe, de afmeting neemt af in de bewegingsrichting en de tijd die dit object doorloopt vertraagt (vanuit het oogpunt van een externe 'rustende' waarnemer). Bij normale snelheden zijn deze veranderingen verwaarloosbaar, maar naarmate ze de lichtsnelheid naderen, worden ze meer merkbaar,en in de limiet - met een snelheid gelijk aan c - wordt de massa oneindig groot, verliest het object volledig zijn grootte in de bewegingsrichting en stopt de tijd erop. Daarom kan geen enkel materieel lichaam de lichtsnelheid bereiken. Alleen het licht zelf heeft zo'n snelheid! (En ook het "allesdoordringende" deeltje - neutrino, dat, net als een foton, niet met een snelheid van minder dan s kan bewegen.)
Nu over de signaaloverdrachtssnelheid. Het is hier gepast om de weergave van licht in de vorm van elektromagnetische golven te gebruiken. Wat is een signaal? Dit is een soort informatie die moet worden verzonden. Een ideale elektromagnetische golf is een oneindige sinusoïde met strikt één frequentie en kan geen informatie overbrengen, omdat elke periode van zo'n sinusoïde precies de vorige herhaalt. De bewegingssnelheid van de fase van een sinusvormige golf - de zogenaamde fasesnelheid - kan in een medium onder bepaalde omstandigheden de lichtsnelheid in een vacuüm overschrijden. Er zijn hier geen beperkingen, aangezien de fasesnelheid niet de signaalsnelheid is - die is er nog niet. Om een signaal te creëren, moet je een soort "merkteken" op de golf aanbrengen. Zo'n markering kan bijvoorbeeld een verandering zijn in een van de golfparameters - amplitude, frequentie of beginfase. Maar als het merkteken eenmaal is gemaakt,de golf verliest sinusoïdaliteit. Het wordt gemoduleerd en bestaat uit een reeks eenvoudige sinusgolven met verschillende amplitudes, frequenties en beginfasen - een groep golven. De snelheid waarmee het merkteken beweegt in de gemoduleerde golf is de snelheid van het signaal. Bij voortplanting in een medium valt deze snelheid meestal samen met de groepssnelheid, die de voortplanting van de bovengenoemde groep golven als geheel kenmerkt (zie Science and Life nr. 2, 2000). Onder normale omstandigheden is de groepssnelheid, en dus de signaalsnelheid, lager dan de lichtsnelheid in vacuüm. Het is niet toevallig dat de uitdrukking "onder normale omstandigheden" wordt gebruikt, omdat in sommige gevallen de groepssnelheid ook c kan overschrijden of zelfs zijn betekenis kan verliezen, maar dan is het niet van toepassing op signaalvoortplanting. In de SRT is vastgesteld dat het onmogelijk is om een signaal met een snelheid groter dan s uit te zenden. Het wordt gemoduleerd en bestaat uit een reeks eenvoudige sinusgolven met verschillende amplitudes, frequenties en beginfasen - een groep golven. De snelheid waarmee het merkteken beweegt in de gemoduleerde golf is de snelheid van het signaal. Bij voortplanting in een medium valt deze snelheid meestal samen met de groepssnelheid, die de voortplanting van de bovengenoemde groep golven als geheel kenmerkt (zie Science and Life nr. 2, 2000). Onder normale omstandigheden is de groepssnelheid, en dus de signaalsnelheid, lager dan de lichtsnelheid in vacuüm. Het is niet toevallig dat de uitdrukking "onder normale omstandigheden" wordt gebruikt, omdat in sommige gevallen de groepssnelheid ook c kan overschrijden of zelfs zijn betekenis kan verliezen, maar dan is het niet van toepassing op signaalvoortplanting. In de SRT is vastgesteld dat het onmogelijk is om een signaal met een snelheid groter dan s uit te zenden. Het wordt gemoduleerd en bestaat uit een reeks eenvoudige sinusgolven met verschillende amplitudes, frequenties en beginfasen - een groep golven. De snelheid waarmee het merkteken beweegt in de gemoduleerde golf is de snelheid van het signaal. Bij voortplanting in een medium valt deze snelheid meestal samen met de groepssnelheid, die de voortplanting van de bovengenoemde groep golven als geheel kenmerkt (zie Science and Life nr. 2, 2000). Onder normale omstandigheden is de groepssnelheid, en dus de signaalsnelheid, lager dan de lichtsnelheid in vacuüm. Het is niet toevallig dat de uitdrukking "onder normale omstandigheden" wordt gebruikt, omdat in sommige gevallen de groepssnelheid ook c kan overschrijden of zelfs zijn betekenis kan verliezen, maar dan is het niet van toepassing op signaalvoortplanting. In de SRT is vastgesteld dat het onmogelijk is om een signaal met een snelheid groter dan s uit te zenden.bestaande uit een reeks eenvoudige sinusvormige golven met verschillende amplitudes, frequenties en beginfasen - een groep golven. De snelheid waarmee het merkteken beweegt in de gemoduleerde golf is de snelheid van het signaal. Bij voortplanting in een medium valt deze snelheid meestal samen met de groepssnelheid, die de voortplanting van de bovengenoemde groep golven als geheel kenmerkt (zie Science and Life nr. 2, 2000). Onder normale omstandigheden is de groepssnelheid, en dus de signaalsnelheid, lager dan de lichtsnelheid in vacuüm. Het is niet toevallig dat de uitdrukking "onder normale omstandigheden" wordt gebruikt, omdat in sommige gevallen de groepssnelheid ook c kan overschrijden of zelfs zijn betekenis kan verliezen, maar dan is het niet van toepassing op signaalvoortplanting. In de SRT is vastgesteld dat het onmogelijk is om een signaal met een snelheid groter dan s uit te zenden.bestaande uit een reeks eenvoudige sinusvormige golven met verschillende amplitudes, frequenties en beginfasen - een groep golven. De snelheid waarmee het merkteken beweegt in de gemoduleerde golf is de signaalsnelheid. Bij voortplanting in een medium valt deze snelheid meestal samen met de groepssnelheid, die de voortplanting van de bovengenoemde groep golven als geheel kenmerkt (zie Science and Life nr. 2, 2000). Onder normale omstandigheden is de groepssnelheid, en dus de signaalsnelheid, lager dan de lichtsnelheid in vacuüm. Het is niet toevallig dat de uitdrukking "onder normale omstandigheden" wordt gebruikt, omdat in sommige gevallen de groepssnelheid ook c kan overschrijden of zelfs zijn betekenis kan verliezen, maar dan is het niet van toepassing op signaalvoortplanting. In de SRT is vastgesteld dat het onmogelijk is om een signaal met een snelheid groter dan s uit te zenden.frequenties en beginfasen - groepen golven. De snelheid waarmee het merkteken beweegt in de gemoduleerde golf is de signaalsnelheid. Bij voortplanting in een medium valt deze snelheid meestal samen met de groepssnelheid, die de voortplanting van de bovengenoemde groep golven als geheel kenmerkt (zie Science and Life nr. 2, 2000). Onder normale omstandigheden is de groepssnelheid, en dus de signaalsnelheid, lager dan de lichtsnelheid in vacuüm. Het is niet toevallig dat de uitdrukking "onder normale omstandigheden" wordt gebruikt, omdat in sommige gevallen de groepssnelheid ook c kan overschrijden of zelfs zijn betekenis kan verliezen, maar dan is het niet van toepassing op signaalvoortplanting. In de SRT is vastgesteld dat het onmogelijk is om een signaal met een snelheid groter dan s uit te zenden.frequenties en beginfasen - groepen golven. De snelheid waarmee het merkteken beweegt in de gemoduleerde golf is de snelheid van het signaal. Bij voortplanting in een medium valt deze snelheid gewoonlijk samen met de groepssnelheid, die de voortplanting van de bovengenoemde groep golven als geheel kenmerkt (zie Science and Life nr. 2, 2000). Onder normale omstandigheden is de groepssnelheid, en dus de signaalsnelheid, lager dan de lichtsnelheid in vacuüm. Het is geen toeval dat de uitdrukking "onder normale omstandigheden" wordt gebruikt, want in sommige gevallen kan de groepssnelheid ook hoger zijn dan c of zelfs zijn betekenis verliezen, maar dan is het niet van toepassing op signaalvoortplanting. De SRT stelt vast dat het onmogelijk is om een signaal uit te zenden met een snelheid groter dan s. Bij voortplanting in een medium valt deze snelheid gewoonlijk samen met de groepssnelheid, die de voortplanting van de bovengenoemde groep golven als geheel kenmerkt (zie Science and Life nr. 2, 2000). Onder normale omstandigheden is de groepssnelheid, en dus de signaalsnelheid, lager dan de lichtsnelheid in vacuüm. Het is geen toeval dat de uitdrukking "onder normale omstandigheden" wordt gebruikt, want in sommige gevallen kan de groepssnelheid ook hoger zijn dan c of zelfs zijn betekenis verliezen, maar dan is het niet van toepassing op signaalvoortplanting. De SRT stelt vast dat het onmogelijk is om een signaal uit te zenden met een snelheid groter dan s. Bij voortplanting in een medium valt deze snelheid gewoonlijk samen met de groepssnelheid, die de voortplanting van de bovengenoemde groep golven als geheel kenmerkt (zie Science and Life nr. 2, 2000). Onder normale omstandigheden is de groepssnelheid, en dus de signaalsnelheid, lager dan de lichtsnelheid in vacuüm. Het is geen toeval dat de uitdrukking "onder normale omstandigheden" wordt gebruikt, want in sommige gevallen kan de groepssnelheid ook hoger zijn dan c of zelfs zijn betekenis verliezen, maar dan is het niet van toepassing op signaalvoortplanting. In de SRT is vastgesteld dat het onmogelijk is om een signaal met een snelheid groter dan s uit te zenden. Het is geen toeval dat de uitdrukking "onder normale omstandigheden" wordt gebruikt, want in sommige gevallen kan de groepssnelheid ook hoger zijn dan c of zelfs zijn betekenis verliezen, maar dan is het niet van toepassing op signaalvoortplanting. In de SRT is vastgesteld dat het onmogelijk is om een signaal met een snelheid groter dan s uit te zenden. Het is geen toeval dat de uitdrukking "onder normale omstandigheden" wordt gebruikt, want in sommige gevallen kan de groepssnelheid ook hoger zijn dan c of zelfs zijn betekenis verliezen, maar dan is het niet van toepassing op signaalvoortplanting. In de SRT is vastgesteld dat het onmogelijk is om een signaal met een snelheid groter dan s uit te zenden.
Promotie video:
Waarom is dit zo? Omdat dezelfde causaliteitswet een obstakel vormt voor de overdracht van elk signaal met een snelheid groter dan c. Laten we ons de volgende situatie voorstellen. Op een bepaald punt A schakelt een lichtflits (gebeurtenis 1) een apparaat in dat een bepaald radiosignaal uitzendt, en op een afgelegen punt B vindt er een explosie plaats onder invloed van dit radiosignaal (gebeurtenis 2). Het is duidelijk dat gebeurtenis 1 (flits) een oorzaak is, en gebeurtenis 2 (explosie) een gevolg is dat later optreedt dan de oorzaak. Maar als het radiosignaal zich voortplant met een superluminale snelheid, zou een waarnemer nabij punt B eerst een explosie zien, en pas daarna - een flits die hem bereikte met een snelheid van een lichtflits, de oorzaak van de explosie. Met andere woorden, voor deze waarnemer zou gebeurtenis 2 eerder plaatsvinden dan gebeurtenis 1, dat wil zeggen dat het effect voor de oorzaak zou liggen.
Het is gepast om te benadrukken dat het "superluminale verbod" van de relativiteitstheorie alleen wordt opgelegd aan de beweging van materiële lichamen en de overdracht van signalen. In veel situaties is beweging met elke snelheid mogelijk, maar het zal geen beweging zijn van materiële objecten of signalen. Stel je bijvoorbeeld twee vrij lange linialen voor die in hetzelfde vlak liggen, waarvan de ene horizontaal is en de andere het onder een kleine hoek snijdt. Als de eerste liniaal met hoge snelheid naar beneden wordt bewogen (in de richting aangegeven door de pijl), kan het snijpunt van de linialen zo snel worden uitgevoerd als je wilt, maar dit punt is geen materieel lichaam. Nog een voorbeeld: als je een zaklamp (of bijvoorbeeld een laser die een smalle straal geeft) neemt en snel een boog in de lucht beschrijft, dan zal de lineaire snelheid van de lichtvlek toenemen met de afstand en op voldoende grote afstand c. De lichtvlek zal met een superluminale snelheid tussen punten A en B bewegen, maar dit zal geen signaaloverdracht zijn van A naar B, aangezien zo'n lichtvlek geen informatie over punt A draagt.
Het lijkt erop dat de kwestie van superluminale snelheden is opgelost. Maar in de jaren 60 van de twintigste eeuw kwamen theoretische natuurkundigen met een hypothese naar voren over het bestaan van superluminale deeltjes die tachyons worden genoemd. Dit zijn heel vreemde deeltjes: theoretisch zijn ze mogelijk, maar om tegenstrijdigheden met de relativiteitstheorie te vermijden, moesten ze een denkbeeldige rustmassa toekennen. Fysiek denkbeeldige massa bestaat niet, het is een puur wiskundige abstractie. Dit veroorzaakte echter niet veel alarm, omdat tachyons niet in rust kunnen zijn - ze bestaan (als ze bestaan!) Alleen bij snelheden die de lichtsnelheid in een vacuüm overschrijden, en in dit geval blijkt de massa van de tachyon echt te zijn. Er is hier enige analogie met fotonen: een foton heeft een rustmassa van nul, maar dit betekent simpelweg dat een foton niet in rust kan zijn - licht kan niet worden gestopt.
Het moeilijkste was, zoals verwacht, om de tachyon-hypothese te verzoenen met de wet van causaliteit. Pogingen in deze richting, hoewel ze behoorlijk ingenieus waren, leidden niet tot duidelijk succes. Het lukte ook niemand om tachyons experimenteel te registreren. Als gevolg daarvan vervaagde de interesse in tachyons als superluminale elementaire deeltjes geleidelijk.
In de jaren 60 werd echter experimenteel een fenomeen ontdekt dat natuurkundigen aanvankelijk in verwarring bracht. Dit wordt in detail beschreven in het artikel van A. N. Oraevsky "Superluminal waves in amplifying media" (Phys. Phys. No. 12, 1998). Hier zullen we de kwestie kort samenvatten, waarbij we de in details geïnteresseerde lezer verwijzen naar het gespecificeerde artikel.
Kort na de ontdekking van lasers - begin jaren 60 - ontstond het probleem om korte (ongeveer 1 ns = 10-9 s) krachtige lichtpulsen te verkrijgen. Hiervoor werd een korte laserpuls door een optische kwantumversterker geleid. De puls werd in twee delen gesplitst door een straal-splitsende spiegel. Een van hen, krachtiger, werd naar de versterker gestuurd, terwijl de andere zich voortplantte in de lucht en diende als een referentiepuls waarmee men de puls die door de versterker ging, kon vergelijken. Beide pulsen werden naar fotodetectoren gevoerd en hun uitgangssignalen konden visueel worden waargenomen op het oscilloscoopscherm. Verwacht werd dat de lichtpuls die door de versterker gaat een zekere vertraging zal ondervinden in vergelijking met de referentiepuls, dat wil zeggen dat de voortplantingssnelheid van licht in de versterker minder zal zijn dan in lucht. Stel je de verrassing van de onderzoekers voor toen ze ontdekten dat de puls zich door de versterker voortplant met een snelheid die niet alleen groter is dan in de lucht, maar ook meerdere keren de lichtsnelheid in een vacuüm overtreft!
Na bekomen te zijn van de eerste schok, begonnen natuurkundigen te zoeken naar de reden voor zo'n onverwacht resultaat. Niemand had zelfs maar de minste twijfel over de principes van de speciale relativiteitstheorie, en dit heeft geholpen om de juiste verklaring te vinden: als de principes van de speciale relativiteitstheorie bewaard blijven, moet het antwoord worden gezocht in de eigenschappen van het versterkende medium.
Zonder hier in details te treden, wijzen we er alleen op dat een gedetailleerde analyse van het werkingsmechanisme van het versterkende medium de situatie volledig heeft opgehelderd. De materie bestond uit een verandering in de concentratie van fotonen tijdens pulsvoortplanting - een verandering als gevolg van een verandering in de versterking van het medium tot een negatieve waarde tijdens het passeren van de achterkant van de puls, wanneer het medium al energie absorbeert, omdat zijn eigen reserve al is opgebruikt vanwege zijn transmissie naar de lichtpuls. Absorptie veroorzaakt geen versterking, maar een verzwakking van de impuls, en dus wordt de impuls versterkt aan de voorkant en verzwakt aan de achterkant. Laten we ons voorstellen dat we een puls waarnemen met behulp van een apparaat dat beweegt met de snelheid van het licht in een versterkermedium. Als het medium transparant was, zouden we de impuls bevroren zien in onbeweeglijkheid. In de leefomgeving,waarbij het hierboven genoemde proces plaatsvindt, zal de versterking van de voorflank en de verzwakking van de achterflank van de puls zo voor de waarnemer verschijnen dat het medium de puls als het ware naar voren heeft verplaatst. Maar aangezien het apparaat (waarnemer) met de lichtsnelheid beweegt en de puls deze inhaalt, overschrijdt de snelheid van de puls de lichtsnelheid! Het is dit effect dat werd geregistreerd door de onderzoekers. En hier is er echt geen tegenspraak met de relativiteitstheorie: alleen het versterkingsproces is zodanig dat de concentratie van fotonen die eerder uitkwam, hoger blijkt te zijn dan degene die later uitkwamen. Het zijn niet fotonen die met superluminale snelheid bewegen, maar met name de pulsomhullende, zijn maximum, die wordt waargenomen op de oscilloscoop. Maar aangezien het apparaat (waarnemer) met de lichtsnelheid beweegt en de puls deze inhaalt, overschrijdt de snelheid van de puls de lichtsnelheid! Het is dit effect dat werd geregistreerd door de onderzoekers. En hier is er echt geen tegenspraak met de relativiteitstheorie: alleen het versterkingsproces is zodanig dat de concentratie van fotonen die eerder uitkwam, hoger blijkt te zijn dan die die er later uitkwamen. Het zijn niet fotonen die met superluminale snelheid bewegen, maar met name de pulsomhullende, zijn maximum, die wordt waargenomen op de oscilloscoop. Maar aangezien het apparaat (waarnemer) met de lichtsnelheid beweegt en de puls deze inhaalt, overschrijdt de snelheid van de puls de lichtsnelheid! Het is dit effect dat werd geregistreerd door de onderzoekers. En hier is er echt geen tegenspraak met de relativiteitstheorie: alleen het versterkingsproces is zodanig dat de concentratie van fotonen die eerder uitkwam, hoger blijkt te zijn dan die die er later uitkwamen. Het zijn niet fotonen die met superluminale snelheid bewegen, maar met name de pulsomhullende, zijn maximum, die wordt waargenomen op de oscilloscoop. Het zijn niet fotonen die met superluminale snelheid bewegen, maar met name de pulsomhullende, zijn maximum, die wordt waargenomen op de oscilloscoop. Het zijn niet fotonen die met superluminale snelheid bewegen, maar met name de pulsomhullende, zijn maximum, die wordt waargenomen op de oscilloscoop.
Dus hoewel er in gewone media altijd een verzwakking van licht en een afname van de snelheid ervan is, bepaald door de brekingsindex, wordt in actieve lasermedia niet alleen lichtversterking waargenomen, maar ook pulsvoortplanting met superluminale snelheid.
Sommige natuurkundigen hebben geprobeerd experimenteel het bestaan van superluminale beweging in het tunneleffect te bewijzen - een van de meest verbazingwekkende verschijnselen in de kwantummechanica. Dit effect bestaat erin dat een microdeeltje (meer bepaald een microobject, dat zowel de eigenschappen van een deeltje als de eigenschappen van een golf onder verschillende omstandigheden vertoont) door de zogenaamde potentiaalbarrière kan dringen - een fenomeen dat in de klassieke mechanica volstrekt onmogelijk is (waarin het analoog zo'n situatie zou zijn): Een bal die in de muur wordt gegooid, bevindt zich aan de andere kant van de muur, of de golvende beweging die wordt uitgeoefend op het touw dat aan de muur is vastgemaakt, wordt doorgegeven aan het touw dat aan de andere kant aan de muur is vastgemaakt). De essentie van het tunneleffect in de kwantummechanica is als volgt. Als een micro-object met een bepaalde energie onderweg een gebied ontmoet met potentiële energie,groter dan de energie van het micro-object, is dit gebied voor hem een barrière, waarvan de hoogte wordt bepaald door het energieverschil. Maar het micro-object "sijpelt" door de barrière! Deze mogelijkheid wordt hem gegeven door de bekende Heisenberg onzekerheidsrelatie, geschreven voor de energie- en interactietijd. Als de interactie van het micro-object met de barrière gedurende een voldoende bepaalde tijd plaatsvindt, zal de energie van het micro-object daarentegen worden gekenmerkt door onzekerheid, en als deze onzekerheid in de orde van grootte van de barrière ligt, dan is deze laatste niet langer een onoverkomelijk obstakel voor het micro-object. Hier is de snelheid van penetratie door een potentiële barrière het onderwerp van onderzoek geworden door een aantal natuurkundigen, die geloven dat deze hoger kan zijn dan s. Maar het micro-object "sijpelt" door de barrière! Deze mogelijkheid wordt hem gegeven door de bekende Heisenberg onzekerheidsrelatie, geschreven voor de energie- en interactietijd. Als de interactie van het micro-object met de barrière gedurende een voldoende bepaalde tijd plaatsvindt, zal de energie van het micro-object daarentegen worden gekenmerkt door onzekerheid, en als deze onzekerheid in de orde van grootte van de barrière ligt, dan is deze laatste niet langer een onoverkomelijk obstakel voor het micro-object. Hier is de snelheid van penetratie door een potentiële barrière het onderwerp van onderzoek geworden door een aantal natuurkundigen, die geloven dat deze hoger kan zijn dan s. Maar het micro-object "sijpelt" door de barrière! Deze mogelijkheid wordt hem gegeven door de bekende Heisenberg onzekerheidsrelatie, geschreven voor de energie- en interactietijd. Als de interactie van het micro-object met de barrière gedurende een voldoende bepaalde tijd plaatsvindt, zal de energie van het micro-object daarentegen worden gekenmerkt door onzekerheid, en als deze onzekerheid in de orde van grootte van de barrière ligt, dan is deze laatste niet langer een onoverkomelijk obstakel voor het micro-object. Hier is de snelheid van penetratie door een potentiële barrière het onderwerp van onderzoek geworden door een aantal natuurkundigen, die geloven dat deze hoger kan zijn dan s. Als de interactie van het micro-object met de barrière gedurende een voldoende bepaalde tijd plaatsvindt, zal de energie van het micro-object daarentegen worden gekenmerkt door onzekerheid, en als deze onzekerheid in de orde van grootte van de barrière ligt, dan is deze laatste niet langer een onoverkomelijk obstakel voor het micro-object. Hier is de snelheid van penetratie door een potentiële barrière het onderwerp van onderzoek geworden door een aantal natuurkundigen, die geloven dat deze hoger kan zijn dan s. Als de interactie van het micro-object met de barrière gedurende een voldoende bepaalde tijd plaatsvindt, zal de energie van het micro-object daarentegen worden gekenmerkt door onzekerheid, en als deze onzekerheid in de orde van grootte van de barrière ligt, dan is deze laatste niet langer een onoverkomelijk obstakel voor het micro-object. Hier is de snelheid van penetratie door een potentiële barrière het onderwerp van onderzoek geworden door een aantal natuurkundigen, die geloven dat deze hoger kan zijn dan s.
In juni 1998 werd in Keulen een internationaal symposium over FTL-problemen gehouden, waar de resultaten van vier laboratoria werden besproken - in Berkeley, Wenen, Keulen en in Florence.
En tot slot, in 2000, waren er rapporten van twee nieuwe experimenten waarin de effecten van superluminale voortplanting verschenen. Een ervan werd uitgevoerd door Lijun Wong en medewerkers van een onderzoeksinstituut in Princeton (VS). Het resultaat is dat de lichtpuls die de kamer gevuld met cesiumdamp binnenkomt, 300 keer sneller gaat. Het bleek dat het grootste deel van de puls de verre wand van de kamer nog eerder verlaat dan de puls via de voorwand de kamer binnenkomt. Deze situatie is niet alleen in tegenspraak met het gezond verstand, maar in wezen met de relativiteitstheorie.
De boodschap van L. Wong veroorzaakte een intense discussie onder natuurkundigen, van wie de meesten niet geneigd zijn om in de verkregen resultaten een schending van de relativiteitsbeginselen te zien. De uitdaging is volgens hen om dit experiment correct uit te leggen.
In het experiment van L. Wong had de lichtpuls die de kamer met cesiumdamp binnenging een duur van ongeveer 3 μs. Cesiumatomen kunnen zich in zestien mogelijke kwantummechanische toestanden bevinden, die "magnetische hyperfijne grondtoestand-subniveaus" worden genoemd. Met behulp van optische laserpompen werden bijna alle atomen in slechts één van deze zestien toestanden gebracht, wat overeenkomt met een bijna absolute nultemperatuur op de Kelvin-schaal (-273,15 ° C). De cesiumkamer was 6 centimeter lang. In een vacuüm reist licht 6 centimeter in 0,2 ns. Uit de metingen bleek dat de lichtpuls met cesium in 62 ns minder tijd door de kamer ging dan in vacuüm. Met andere woorden, de looptijd van de puls door het cesiummedium heeft een minteken! Inderdaad, als 62 ns wordt afgetrokken van 0,2 ns, krijgen we een "negatieve" tijd. Deze "negatieve vertraging" in het medium - een onbegrijpelijke tijdsprong - is gelijk aan de tijd gedurende welke de puls zou hebben gemaakt. 310 gaat in een vacuüm door de kamer. Het gevolg van deze "tijdelijke omverwerping" was dat de impuls die de kamer verliet de tijd had om er 19 meter van af te bewegen voordat de inkomende impuls de nabije wand van de kamer bereikte. Hoe kan zo'n ongelooflijke situatie worden verklaard (als er natuurlijk geen twijfel bestaat over de zuiverheid van het experiment)?om niet te twijfelen aan de zuiverheid van het experiment)?om niet te twijfelen aan de zuiverheid van het experiment)?
Afgaande op de zich ontvouwende discussie is er nog geen exacte verklaring gevonden, maar het lijdt geen twijfel dat ongebruikelijke dispersie-eigenschappen van het medium hier een rol spelen: cesiumdampen, bestaande uit atomen aangeslagen door laserlicht, zijn een medium met een abnormale dispersie. Laten we in het kort herinneren wat het is.
De verspreiding van een stof is de afhankelijkheid van de fase (conventionele) brekingsindex n van de golflengte van licht l. Bij normale dispersie neemt de brekingsindex toe met afnemende golflengte, en dit gebeurt in glas, water, lucht en alle andere stoffen die transparant zijn voor licht. In stoffen die licht sterk absorberen, verandert het verloop van de brekingsindex naar het tegenovergestelde met een verandering van de golflengte en wordt veel steiler: met een afname van l (een toename van de frequentie w), neemt de brekingsindex sterk af en in een bepaald golflengtegebied wordt het minder dan één (de fasesnelheid Vph> s). Dit is de afwijkende verstrooiing, waarin het beeld van de voortplanting van licht in materie radicaal verandert. De groepssnelheid Vgr wordt groter dan de fasesnelheid van de golven en kan de lichtsnelheid in vacuüm overschrijden (en ook negatief worden). L. Wong wijst op deze omstandigheid als de reden die ten grondslag ligt aan de mogelijkheid om de resultaten van zijn experiment uit te leggen. Opgemerkt moet echter worden dat de voorwaarde Vgr> c puur formeel is, aangezien het concept van groepssnelheid werd geïntroduceerd voor het geval van lage (normale) verspreiding, voor transparante media, wanneer een groep golven bijna niet van vorm verandert tijdens de voortplanting. In gebieden met een abnormale verstrooiing daarentegen wordt de lichtpuls snel vervormd en verliest het concept van groepssnelheid zijn betekenis; in dit geval worden de begrippen signaalsnelheid en energievoortplantingssnelheid geïntroduceerd, die in transparante media samenvallen met de groepssnelheid, en in media met absorptie lager blijven dan de lichtsnelheid in vacuüm. Maar hier is wat interessant is in het experiment van Wong: een lichtpuls die door een medium met een abnormale verstrooiing is gegaan, wordt niet vervormd - hij behoudt precies zijn vorm!En dit komt overeen met de aanname over de voortplanting van de puls met de groepssnelheid. Maar als dat zo is, dan blijkt dat er geen opname in het medium is, hoewel de abnormale verspreiding van het medium juist het gevolg is van absorptie! Wong zelf, die toegeeft dat er nog veel onduidelijk is, is van mening dat wat er in zijn experimentele opstelling gebeurt, in eerste benadering duidelijk als volgt kan worden uitgelegd.
Een lichtpuls bestaat uit veel componenten met verschillende golflengtes (frequenties). De afbeelding toont drie van deze componenten (golven 1-3). Op een gegeven moment zijn alle drie de golven in fase (hun maxima vallen samen); hier versterken ze elkaar bij elkaar en vormen ze een impuls. Naarmate de golven zich verder in de ruimte voortplanten, zijn de golven uit fase en daardoor "dempen" ze elkaar.
In het gebied van abnormale dispersie (in de cesiumcel), wordt de golf die korter was (golf 1) langer. Omgekeerd wordt de golf die de langste van de drie was (golf 3) de kortste.
Bijgevolg veranderen de fasen van de golven dienovereenkomstig. Wanneer de golven door de cesiumcel zijn gegaan, worden hun golffronten hersteld. Na een ongebruikelijke fasemodulatie te hebben ondergaan in een stof met een abnormale dispersie, zijn de drie beschouwde golven op een bepaald punt weer in fase. Hier vouwen ze weer en vormen een puls van precies dezelfde vorm als het cesiummedium binnenkomen.
Gewoonlijk kan een lichtpuls in lucht en in vrijwel elk transparant medium met normale verstrooiing zijn vorm niet nauwkeurig behouden wanneer hij zich voortplant over een verre afstand, dat wil zeggen dat al zijn componenten niet kunnen worden gefaseerd op een ver punt langs het voortplantingspad. En onder normale omstandigheden verschijnt na enige tijd een lichtpuls op zo'n ver punt. Vanwege de afwijkende eigenschappen van het medium dat in het experiment werd gebruikt, bleek de puls op een ver punt echter op dezelfde manier gefaseerd te zijn als bij het betreden van dit medium. De lichtpuls gedraagt zich dus alsof hij een negatieve tijdsvertraging had op weg naar een ver punt, dat wil zeggen dat hij er niet later maar eerder zou aankomen dan dat hij de omgeving is gepasseerd!
De meeste natuurkundigen zijn geneigd dit resultaat te associëren met het verschijnen van een precursor met lage intensiteit in het verspreidende medium van de kamer. Feit is dat bij de spectrale ontleding van een puls het spectrum componenten bevat van willekeurig hoge frequenties met een verwaarloosbare amplitude, de zogenaamde precursor, die voorloopt op het "hoofdgedeelte" van de puls. De aard van de vestiging en de vorm van de voorloper hangen af van de verspreidingswet in het medium. Met dit in gedachten wordt voorgesteld de opeenvolging van gebeurtenissen in het experiment van Wong als volgt te interpreteren. De inkomende golf, die de voorbode voor zichzelf 'uitrekt', nadert de camera. Voordat de piek van de binnenkomende golf de nabije wand van de kamer raakt, initieert de precursor een impuls in de kamer, die de verre wand bereikt en daaruit wordt gereflecteerd, waardoor een "achterwaartse golf" wordt gevormd. Deze golfspreidt zich 300 keer sneller dan c, bereikt de nabijgelegen muur en ontmoet de inkomende golf. De toppen van de ene golf ontmoeten de dieptepunten van een andere, dus ze vernietigen elkaar en er blijft niets over. Het blijkt dat de binnenkomende golf "de schuld teruggeeft" aan de cesiumatomen, die er energie aan "leenden" aan de andere kant van de kamer. Iedereen die alleen het begin en het einde van het experiment zou observeren, zou alleen een lichtpuls zien die vooruit in de tijd "sprong", sneller met. Ik zou alleen een lichtpuls zien die naar voren in de tijd "sprong", sneller met. Ik zou alleen een lichtpuls zien die naar voren in de tijd "sprong", sneller met.
L. Wong gelooft dat zijn experiment niet in overeenstemming is met de relativiteitstheorie. De uitspraak over de onbereikbaarheid van superluminale snelheid is volgens hem alleen van toepassing op objecten met rustmassa. Licht kan worden weergegeven in de vorm van golven, waarop het begrip massa in het algemeen niet van toepassing is, of in de vorm van fotonen met een rustmassa, zoals bekend, gelijk aan nul. Daarom is de lichtsnelheid in een vacuüm, gelooft Wong, niet de limiet. Desalniettemin geeft Wong toe dat het effect dat hij ontdekte het niet mogelijk maakt om informatie met een hogere snelheid dan s over te dragen.
"De informatie hier bevindt zich al in de voorste rand van de pols", zegt P. Milonny, een natuurkundige bij het Los Alamos National Laboratory in de VS. "En u kunt de indruk krijgen dat u informatie sneller dan licht verzendt, zelfs als u deze niet verzendt."
De meeste natuurkundigen zijn van mening dat het nieuwe werk geen verpletterende slag toebrengt aan de fundamentele principes. Maar niet alle natuurkundigen geloven dat het probleem is opgelost. Professor A. Ranfagni van de Italiaanse onderzoeksgroep, die in 2000 een ander interessant experiment uitvoerde, vindt dat de vraag nog niet is opgelost. Dit experiment, uitgevoerd door Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni en Rocco Ruggeri, ontdekte dat radiogolven met een centimeter-band in gewone vliegreizen met een snelheid van 25% hoger zijn dan c.
Samenvattend kunnen we het volgende zeggen
Werk van de afgelopen jaren heeft aangetoond dat onder bepaalde omstandigheden ook daadwerkelijk superluminale snelheid kan plaatsvinden. Maar wat is reizen met superluminale snelheid precies? De relativiteitstheorie, zoals reeds vermeld, verbiedt een dergelijke snelheid voor materiële lichamen en voor signalen die informatie dragen. Toch proberen sommige onderzoekers heel hardnekkig aan te tonen hoe ze de lichtbarrière voor signalen kunnen overwinnen. De reden hiervoor ligt in het feit dat er in de speciale relativiteitstheorie geen rigoureuze wiskundige rechtvaardiging is (bijvoorbeeld gebaseerd op Maxwell's vergelijkingen voor het elektromagnetische veld) voor de onmogelijkheid om signalen met een snelheid groter dan s te verzenden. Een dergelijke onmogelijkheid in SRT is vastgesteld, zou je puur rekenkundig kunnen zeggen, uitgaande van de Einstein-formule voor de toevoeging van snelheden,maar dit wordt fundamenteel bevestigd door het causaliteitsbeginsel. Einstein zelf schreef, gezien de kwestie van superluminale signaaloverdracht, dat in dit geval "… we gedwongen zijn om een signaaloverdrachtmechanisme te overwegen, waarbij de bereikte actie voorafgaat aan de oorzaak. Maar, hoewel dit resultaat vanuit een puur logisch oogpunt niet bevat, naar mijn mening geen tegenstrijdigheden, het is nog steeds zozeer in tegenspraak met het karakter van onze hele ervaring dat de onmogelijkheid van de aanname V> c voldoende bewezen lijkt te zijn. " Het causaliteitsbeginsel is de hoeksteen die ten grondslag ligt aan de onmogelijkheid van FTL-signaaloverdracht. En deze steen zal blijkbaar allemaal, zonder uitzondering, op zoek gaan naar superluminale signalen, ongeacht hoeveel de onderzoekers dergelijke signalen zouden willen vinden,want dit is de aard van onze wereld.
Maar toch, laten we ons voorstellen dat de relativiteitswiskunde nog steeds sneller werkt dan het licht. Dit betekent dat we theoretisch nog kunnen achterhalen wat er zou gebeuren als het lichaam de lichtsnelheid zou overschrijden.
Stel je voor dat twee ruimtevaartuigen van de aarde naar een ster gaan die 100 lichtjaar van onze planeet verwijderd is. Het eerste schip verlaat de aarde met 50% de lichtsnelheid, dus de hele reis duurt 200 jaar. Het tweede schip, uitgerust met een hypothetische warpaandrijving, zal met 200% de lichtsnelheid varen, maar 100 jaar na het eerste. Wat zal er gebeuren?
Volgens de relativiteitstheorie hangt het juiste antwoord grotendeels af van het perspectief van de waarnemer. Vanaf de aarde zal blijken dat het eerste schip al een behoorlijke afstand heeft afgelegd voordat het wordt ingehaald door het tweede schip, dat vier keer sneller vaart. Maar vanuit het oogpunt van de mensen op het eerste schip is alles een beetje anders.
Schip # 2 beweegt sneller dan het licht, wat betekent dat het zelfs het licht dat het zelf uitstraalt, kan inhalen. Dit leidt tot een soort "lichtgolf" (analoog aan geluid, alleen in plaats van trillingen van lucht trillen hier lichtgolven), die verschillende interessante effecten genereert. Bedenk dat het licht van schip # 2 langzamer beweegt dan het schip zelf. Als resultaat zal een visuele verdubbeling optreden. Met andere woorden, de bemanning van schip # 1 zal eerst zien dat het tweede schip ernaast verscheen alsof het uit het niets kwam. Dan zal het licht van het tweede schip het eerste bereiken met een kleine vertraging, en het resultaat is een zichtbare kopie die met een kleine vertraging in dezelfde richting zal bewegen.
Iets soortgelijks is te zien in computerspellen, wanneer, als gevolg van een systeemstoring, de engine het model en zijn algoritmen sneller laadt aan het eindpunt van de beweging dan de animatie zelf eindigt, zodat er meerdere takes plaatsvinden. Dit is waarschijnlijk de reden waarom ons bewustzijn het hypothetische aspect van het universum niet waarneemt, waarin lichamen met superluminale snelheid bewegen - misschien is dit het beste.
PS … maar in het laatste voorbeeld begreep ik iets niet, waarom wordt de werkelijke positie van het schip geassocieerd met het "licht dat erdoor wordt uitgestraald"? Nou, laat ze hem zien als iets dat er niet is, maar in werkelijkheid zal hij het eerste schip inhalen!
