Нейтрино движется быстрее скорости света

Доктор технических наук А. ГОЛУБЕВ

Понятие скорости распространения волны оказывается простым только в отсутствии дисперсии.

Лин Вестергард Хэу возле установки, на которой был проведен уникальный эксперимент.

Весной прошлого года научные и научно-популярные журналы мира сообщили сенсационную новость. Американские физики провели уникальный эксперимент: они сумели понизить скорость света до 17 метров в секунду.

Все знают, что свет распространяется с огромной скоростью - почти 300 тысяч километров в секунду. Точное значение ее величины в вакууме = 299792458 м/с - фундаментальная физическая константа. Согласно теории относительности, это максимально возможная скорость передачи сигнала.

В любой прозрачной среде свет распространяется медленнее. Его скорость v зависит от показателя преломления среды n: v = с/n . Показатель преломления воздуха - 1,0003, воды - 1,33, различных сортов стекла - от 1,5 до 1,8. Одно из самых больших значений показателя преломления имеет алмаз - 2,42. Таким образом, скорость света в обычных веществах уменьшится не более чем в 2,5 раза.

В начале 1999 года группа физиков из Роуландовского института научных исследований при Гарвардском университете (штат Массачусетс, США) и из Стэнфордского университета (штат Калифорния) исследовала макроскопический квантовый эффект - так называемую самоиндуцированную прозрачность, пропуская лазерные импульсы через непрозрачную в обычных условиях среду. Этой средой были атомы натрия, находящиеся в особом состоянии, называемом бозе-эйнштейновским конденсатом. При облучении лазерным импульсом он приобретает оптические свойства, которые уменьшают групповую скорость импульса в 20 миллионов раз по сравнению со скоростью в вакууме. Экспериментаторам удалось довести скорость света до 17 м/с!

Прежде чем описывать сущность этого уникального эксперимента, напомним смысл некоторых физических понятий.

Групповая скорость. При распространении света в среде различают две скорости - фазовую и групповую. Фазовая скорость v ф характеризует перемещение фазы идеальной монохроматической волны - бесконечной синусоиды строго одной частоты и определяет направление распространения света. Фазовой скорости в среде соответствует фазовый показатель преломления - тот самый, значения которого измеряются для различных веществ. Фазовый показатель преломления, а следовательно, и фазовая скорость зависят от длины волны. Эта зависимость называется дисперсией; она приводит, в частности, к разложению белого света, проходящего через призму, в спектр.

Но реальная световая волна состоит из набора волн различных частот, группирующихся в некотором спектральном интервале. Такой набор называют группой волн, волновым пакетом или световым импульсом. Эти волны распространяются в среде с различными фазовыми скоростями из-за дисперсии. При этом импульс растягивается, а его форма меняется. Поэтому для описания движения импульса, группы волн как целого, вводят понятие групповой скорости. Оно имеет смысл только в случае узкого спектра и в среде со слабой дисперсией, когда различие фазовых скоростей отдельных составляющих невелико. Для лучшего уяснения ситуации можно привести наглядную аналогию.

Представим себе, что на линии старта выстроились семь спортсменов, одетых в разноцветные майки по цветам спектра: красную, оранжевую, желтую и т. д. По сигналу стартового пистолета они одновременно начинают бег, но "красный" спортсмен бежит быстрее, чем "оранжевый", "оранжевый" - быстрее, чем "желтый", и т. д., так что они растягиваются в цепочку, длина которой непрерывно увеличивается. А теперь представим, что мы смотрим на них сверху с такой высоты, что отдельных бегунов не различаем, а видим просто пестрое пятно. Можно ли говорить о скорости движения этого пятна как целого? Можно, но только в том случае, если оно не очень расплывается, когда разница в скоростях разноцветных бегунов невелика. В противном случае пятно может растянуться на всю длину трассы, и вопрос о его скорости потеряет смысл. Это соответствует сильной дисперсии - большому разбросу скоростей. Если бегунов одеть в майки почти одного цвета, различающиеся лишь оттенками (скажем, от темно-красного до светло-красного), это станет соответствовать случаю узкого спектра. Тогда и скорости бегунов будут различаться ненамного, группа при движении останется достаточно компактной и может быть охарактеризована вполне определенной величиной скорости, которая и называется групповой.

Статистика Бозе-Эйнштейна. Это один из видов так называемой квантовой статистики - теории, описывающей состояние систем, содержащих очень большое число частиц, подчиняющихся законам квантовой механики.

Все частицы - как заключенные в атоме, так и свободные - делятся на два класса. Для одного из них справедлив принцип запрета Паули, в соответствии с которым на каждом энергетическом уровне не может находиться более одной частицы. Частицы этого класса называются фермионами (это электроны, протоны и нейтроны; в этот же класс входят частицы, состоящие из нечетного числа фермионов), а закон их распределения называется статистикой Ферми-Дирака. Частицы другого класса называются бозонами и не подчиняются принципу Паули: на одном энергетическом уровне может скапливаться неограниченное число бозонов. В этом случае говорят о статистике Бозе-Эйнштейна. К бозонам относятся фотоны, некоторые короткоживущие элементарные частицы (например, пи-мезоны), а также атомы, состоящие из четного числа фермионов. При очень низких температурах бозоны собираются на самом низком - основном - энергетическом уровне; тогда говорят, что происходит бозе-эйнштейновская конденсация. Атомы конденсата теряют свои индивидуальные свойства, и несколько миллионов их начинают вести себя как одно целое, их волновые функции сливаются, а поведение описывается одним уравнением. Это дает возможность говорить, что атомы конденсата стали когерентными, подобно фотонам в лазерном излучении. Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий использовали это свойство конденсата Бозе-Эйнштейна для создания "атомного лазера" (см. "Наука и жизнь" № 10, 1997 г.).

Самоиндуцированная прозрачность. Это один из эффектов нелинейной оптики - оптики мощных световых полей. Он заключается в том, что очень короткий и мощный световой импульс проходит без ослабления через среду, которая поглощает непрерывное излучение или длинные импульсы: непрозрачная среда становится для него прозрачной. Самоиндуцированая прозрачность наблюдается в разреженных газах при длительности импульса порядка 10 -7 - 10 -8 с и в конденсированных средах - менее 10 -11 c. При этом возникает запаздывание импульса - его групповая скорость сильно уменьшается. Впервые этот эффект был продемонстрирован Мак-Коллом и Ханом в 1967 году на рубине при температуре 4 К. В 1970 году в парах рубидия были получены задержки, соответствующие скоростям импульса, на три порядка (в 1000 раз) меньшим скорости света в вакууме.

Обратимся теперь к уникальному эксперименту 1999 года. Его осуществили Лен Вестергард Хэу, Захари Даттон, Сайрус Берузи (Роуландовский институт) и Стив Харрис (Стэнфордский университет). Они охладили плотное, удерживаемое магнитным полем облако атомов натрия до перехода их в основное состояние - на уровень с наименьшей энергией. При этом выделяли только те атомы, у которых магнитный дипольный момент был направлен противоположно направлению магнитного поля. Затем исследователи охладили облако до температуры менее 435 нК (нанокельвинов, т.е. 0,000000435 К, почти до абсолютного нуля).

После этого конденсат осветили "связующим пучком" линейно поляризованного лазерного света с частотой, соответствующей энергии его слабого возбуждения. Атомы перешли на более высокий энергетический уровень и перестали поглощать свет. В результате конденсат стал прозрачным для идущего следом лазерного излучения. И вот здесь появились очень странные и необычные эффекты. Измерения показали, что при определенных условиях импульс, проходящий через бозе-эйнштейновский конденсат, испытывает задержку, соответствующую замедлению света более чем на семь порядков - в 20 миллионов раз. Скорость светового импульса замедлилась до 17 м/с, а его длина уменьшилась в несколько раз - до 43 микрометров.

Исследователи считают, что, избежав лазерного нагрева конденсата, им удастся еще сильнее замедлить свет - возможно, до скорости нескольких сантиметров в секунду.

Система с такими необычными характеристиками позволит исследовать квантово-оптические свойства вещества, а также создавать различные устройства для квантовых компьютеров будущего, скажем, однофотонные переключатели.

Чтобы определить скорость (пройденное расстояние / затраченное время) мы должны выбрать стандарты расстояния и времени. Разные стандарты могут дать разные результаты измерения скорости.

Постоянна ли скорость света?

[На самом деле постоянная тонкой структуры зависит от масштаба энергии, но здесь мы имеем в виду её низкоэнергетический предел.]

Специальная теория относительности

Определение метра в системе СИ также основано на допущении о корректности теории относительности. Скорость света константа в соответствии с основным постулатом теории относительности. Это постулат содержит две идеи:

• Скорость света не зависит от движения наблюдателя.
• Скорость света не зависит от координат во времени и пространстве.

Идея о независимости скорости света от скорости наблюдателя противоречит интуиции. Некоторые люди даже не могут согласиться, что эта идея логична. В 1905 году Эйнштейн показал, что эта идея логически корректна, если отказаться от предположения об абсолютной природе пространства и времени.

В 1879 году считалось, что свет должен распространяться по некоторой среде в пространстве, как звук распространяется по воздуху и другим веществам. Майкельсон и Морли поставили эксперимент по обнаружению эфира путём наблюдения изменения скорости света при изменении направления движения Земли относительно Солнца в течение года. К их удивлению изменение скорости света не было обнаружено.

Физики обнаружили, что частицы света (фотоны) могут жить около 1 триллиона лет, а после распада выделяют в свою очередь очень легкие частицы, которые могут двигаться быстрее света! С течением времени многие частицы подвержены естественному распаду. Например, неустойчивые радиоактивные атомы в определенный момент распадаются на мелкие частицы и выделяют всплеск энергии.

Буквально недавно ученые были уверены, что фотоны не распадаются, поскольку считалось, что они не имеют массы. Тем не менее, в настоящее время ученые предполагают, что фотоны обладают массой, просто она настолько мала, что не может быть измерена с помощью современных приборов.

Нынешний верхний предел массы фотона настолько мал, что составляет менее одной миллиардной, миллиардной, миллиардной доли массы протона. На основании этого показателя ученые подсчитали, что фотон в видимом спектре может жить около 1 триллиона лет. Однако этот чрезвычайно длительный срок жизни распространен не на все фотоны, он рассчитан в среднем. Существует вероятность того, что некоторые фотоны живут очень мало. Нашей Вселенной, появившейся в результате Большого Взрыва, в настоящее время около 13,7 миллиарда лет. И проводимые в настоящее время научные проекты предназначены не только для измерения послесвечения Большого Взрыва, но и для возможного обнаружения признаков раннего распада фотонов.

Если фотон сломать, в результате распада должны выделиться еще более легкие частицы, те, которые способны путешествовать в нашей Вселенной быстрее скорости света. Эти призрачные частицы (нейтрино) очень редко взаимодействуют с обычной материей. Бесчисленные потоки нейтрино мчатся каждую долю секунды не только сквозь космические просторы, звезды и тела, но и через каждого живущего на Земле человека, при этом не влияя на нашу материю.

При распаде каждый фотон выделяет два легких нейтрино, которые, будучи легче, чем свет, двигаются быстрее фотонов. Открытие нейтрино, казалось бы, нарушает закон теории относительности Эйнштейна о том, что ничто не может двигаться быстрее света, однако это не так, поскольку теория основана на том, что фотон не имеет массы тела. А в теории говорится, что никакая частица не может двигаться быстрее, чем безмассовая частица.

Кроме того, теория относительности Эйнштейна предполагает, что частицы движутся чрезвычайно быстро, находясь в искаженном временном пространстве. То есть, если бы они обладали сознанием, у них бы сложилось впечатление, что все происходящие вокруг них находится в режиме очень «замедленной съемки». Это означает, что в нашем временном пространстве фотоны должны жить около 1 триллиона лет, а в их временном потоке — всего лишь около трех лет.

Сергей Василенков

Скорость света - абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как [цэ]). Скорость света в вакууме - фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела, а свойства пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме - предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий. Также важен тот факт, что эта величина абсолютна. Это один из постулатов СТО.

В вакууме (пустоте)

В 1977 году удалось вычислить приблизительную скорость света, равную 299 792 458 ± 1,2 м/с рассчитанную исходя из эталонного метра 1960 года. На данный момент считают, что скорость света в вакууме - фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или примерно 1 079 252 848,8 км/ч. Точное значение связано с тем, что с 1983 года за эталон метра принято расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды. Скорость света обозначается буквой c.

Основополагающий для СТО опыт Майкельсона показал, что скорость света в вакууме не зависит ни от скорости движения источника света, ни от скорости движения наблюдателя. В природе со скоростью света распространяются:

собственно видимый свет

другие виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи и др.)

Из специальной теории относительности следует, что ускорение частиц, имеющих массу покоя, до скорости света невозможно, так как это событие нарушило бы фундаментальный принцип причинности. То есть, исключается превышение скорости света сигналом, или движение массы с такой скоростью. Однако теория не исключает движение частиц в пространстве-времени со сверхсветовой скоростью. Гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью, называются тахионами. Математически, тахионы легко укладываются в преобразование Лоренца - это частицы с мнимой массой. Чем выше скорость этих частиц, тем меньше энергии они несут, и наоборот, чем ближе их скорость к скорости света, тем больше их энергия - так же, как и энергия обычных частиц, энергия тахионов стремится к бесконечности при приближении к скорости света. Это самое очевидное следствие преобразования Лоренца, не позволяющее частице ускориться до скорости света - сообщить частице бесконечное количество энергии просто невозможно. Следует понимать, что, во-первых, тахионы - это класс частиц, а не один вид частиц, и, во-вторых никакое физическое взаимодействие не может распространяться быстрее скорости света. Из этого следует, что тахионы не нарушают принцип причинности - с обычными частицами они никак не взаимодействуют, а между собой разность их скоростей также не бывает равной скорости света.

Обычные частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами. Тардионы не могут достичь скорости света, а только лишь сколь угодно близко подойти к ней, так как при этом их энергия становится неограниченно большой. Все тардионы обладают массой покоя, в отличие от безмассовых фотонов и гравитонов, которые всегда движутся со скоростью света.

В планковских единицах скорость света в вакууме равна 1, то есть свет проходит 1 единицу планковской длины за единицу планковского времени.

В прозрачной среде

Скорость света в прозрачной среде - скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.

Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде (λ=c/ν). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше c. Отношение фазовой скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления среды. Групповая скорость света в равновесной среде всегда меньше c. Однако в неравновесных средах она может превышать c. При этом, однако, передний фронт импульса все равно двигается со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме.

Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча так же способно влиять на скорость распространения света в этой среде.

Отрицание постулата о максимальности скорости света

В последние годы нередко появляются сообщения о том, что в так называемой квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Например, 15 августа 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесенные на 18 км в пространстве связанные фотонные состояния, якобы показала, что «взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света». Ранее также обсуждался так называемый парадокс Хартмана - сверхсветовая скорость при туннельном эффекте.

Научный анализ значимости этих и подобных результатов показывает, что они принципиально не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо сигнала или перемещения вещества.

История измерений скорости света

Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной . В Новое время этот вопрос стал предметом дискуссий. Галилей и Гук допускали, что она конечна, хотя и очень велика, в то время как Кеплер, Декарт и Ферма по-прежнему отстаивали бесконечность скорости света.

Первую оценку скорости света дал Олаф Рёмер (1676). Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца, затмения спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты. Отсюда он получил значение для скорости света около 220000 км/сек - неточное, но близкое к истинному. Спустя полвека открытие аберрации позволило подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку.