Тахион - гипотетическая частица. Тахионы - частицы времени

Верхний предел скорости известен даже школьникам: связав массу и энергию знаменитой формулой E = mc 2 , еще в начале ХХ века указал на принципиальную невозможность ничему, обладающему массой, перемещаться в пространстве быстрее, чем скорость света в вакууме. Однако уже в этой формулировке содержатся лазейки, обойти которые вполне по силам некоторым физическим явлениям и частицам. По крайней мере, явлениям, существующим в теории.

Первая лазейка касается слова «масса»: на безмассовые частицы эйнштейновские ограничения не распространяются. Не касаются они и некоторых достаточно плотных сред, в которых скорость света может быть существенно меньше, чем в вакууме. Наконец, при приложении достаточной энергии само пространство может локально деформироваться, позволяя перемещаться так, что для наблюдателя со стороны, вне этой деформации, движение будет происходить словно быстрее скорости света.

Некоторые такие «сверхскоростные» явления и частицы физики регулярно фиксируют и воспроизводят в лабораториях, даже применяют на практике, в высокотехнологичных инструментах и приборах. Другие, предсказанные теоретически, ученые еще пытаются обнаружить в реальности, а на третьи у них большие планы: возможно, когда-нибудь эти явления позволят и нам перемещаться по Вселенной свободно, не ограничиваясь даже скоростью света.

Квантовая телепортация

Статус: активно развивается

Живого существа – хороший пример технологии, теоретически допустимой, но практически, видимо, неосуществимой никогда. Но если речь идет о телепортации, то есть мгновенном перемещении из одного места в другое небольших предметов, а тем более частиц, она вполне возможна. Чтобы упростить задачу, начнем с простого – частиц.

Кажется, нам понадобятся аппараты, которые (1) полностью пронаблюдают состояние частицы, (2) передадут это состояние быстрее скорости света, (3) восстановят оригинал.

Однако в такой схеме даже первый шаг полностью реализовать невозможно. Принцип неопределенности Гейзенберга накладывает непреодолимые ограничения на точность, с которой могут быть измерены «парные» параметры частицы. Например, чем лучше мы знаем ее импульс, тем хуже – координату, и наоборот. Однако важной особенностью квантовой телепортации является то, что, собственно, измерять частицы и не надо, как не надо ничего и восстанавливать – достаточно получить пару спутанных частиц.

Например, для приготовления таких спутанных фотонов нам понадобится осветить нелинейный кристалл лазерным излучением определенной волны. Тогда некоторые из входящих фотонов распадутся на два спутанных – необъяснимым образом связанных, так что любое изменение состояния одного моментально сказывается на состоянии другого. Эта связь действительно необъяснима: механизмы квантовой спутанности остаются неизвестны, хотя само явление демонстрировалось и демонстрируется постоянно. Но это такое явление, запутаться в котором в самом деле легко – достаточно добавить, что до измерения ни одна из этих частиц не имеет нужной характеристики, при этом какой бы результат мы ни получили, измерив первую, состояние второй странным образом будет коррелировать с нашим результатом.

Механизм квантовой телепортации, предложенный в 1993 году Чарльзом Беннеттом и Жилем Брассардом, требует добавить к паре запутанных частиц всего одного дополнительного участника – собственно, того, кого мы собираемся телепортировать. Отправителей и получателей принято называть Алисой и Бобом, и мы последуем этой традиции, вручив каждому из них по одному из спутанных фотонов. Как только они разойдутся на приличное расстояние и Алиса решит начать телепортацию, она берет нужный фотон и измеряет его состояние совместно с состоянием первого из спутанных фотонов. Неопределенная волновая функция этого фотона коллапсирует и моментально отзывается во втором спутанном фотоне Боба.

К сожалению, Боб не знает, как именно его фотон реагирует на поведение фотона Алисы: чтобы понять это, ему надо дождаться, пока она пришлет результаты своих измерений обычной почтой, не быстрее скорости света. Поэтому никакую информацию передать по такому каналу не получится, но факт останется фактом. Мы телепортировали состояние одного фотона. Чтобы перейти к человеку, остается масштабировать технологию, охватив каждую частицу из всего лишь 7000 триллионов триллионов атомов нашего тела, – думается, от этого прорыва нас отделяет не более, чем вечность.

Однако квантовая телепортация и спутанность остаются одними из самых «горячих» тем современной физики. Прежде всего потому, что использование таких каналов связи обещает невзламываемую защиту передаваемых данных: чтобы получить доступ к ним, злоумышленникам понадобится завладеть не только письмом от Алисы к Бобу, но и доступом к спутанной частице Боба, и даже если им удастся до нее добраться и проделать измерения, это навсегда изменит состояние фотона и будет сразу же раскрыто.

Эффект Вавилова – Черенкова

Статус: давно используется

Этот аспект путешествий быстрее скорости света – приятный повод вспомнить заслуги российских ученых. Явление было открыто в 1934 году Павлом Черенковым, работавшим под руководством Сергея Вавилова, три года спустя оно получило теоретическое обоснование в работах Игоря Тамма и Ильи Франка, а в 1958 г. все участники этих работ, кроме уже скончавшегося Вавилова, были награждены Нобелевской премией по физике.

В самом деле, говорит лишь о скорости света в вакууме. В других прозрачных средах свет замедляется, причем довольно заметно, в результате чего на их границе с воздухом можно наблюдать преломление. Коэффициент преломления стекла равен 1,49 – значит, фазовая скорость света в нем в 1,49 раза меньше, а, например, у алмаза коэффициент преломления уже 2,42, и скорость света в нем снижается более чем в два раза. Другим частицам ничто не мешает лететь и быстрее световых фотонов.

Именно это произошло с электронами, которые в экспериментах Черенкова были выбиты высокоэнергетическим гамма-излучением со своих мест в молекулах люминесцентной жидкости. Этот механизм часто сравнивают с образованием ударной звуковой волны при полете в атмосфере на сверхзвуковой скорости. Но можно представить и как бег в толпе: двигаясь быстрее света, электроны проносятся мимо других частиц, словно задевая их плечом – и на каждый сантиметр своего пути заставляя сердито излучать от нескольких до нескольких сотен фотонов.

Вскоре такое же поведение было обнаружено и у всех других достаточно чистых и прозрачных жидкостей, а впоследствии излучение Черенкова зарегистрировали даже глубоко в океанах. Конечно, фотоны света с поверхности сюда действительно не долетают. Зато сверхбыстрые частицы, которые вылетают от небольших количеств распадающихся радиоактивных частиц, время от времени создают свечение, возможно, худо-бедно позволяющее видеть местным жителям.

Излучение Черенкова – Вавилова нашло применение в науке, ядерной энергетике и смежных областях. Ярко светятся реакторы АЭС, битком набитые быстрыми частицами. Точно измеряя характеристики этого излучения и зная фазовую скорость в нашей рабочей среде, мы можем понять, что за частицы его вызвали. Черенковскими детекторами пользуются и астрономы, обнаруживая легкие и энергичные космические частицы: тяжелые невероятно трудно разогнать до нужной скорости, и излучения они не создают.

Пузыри и норы

Вот муравей ползет по листу бумаги. Скорость его невелика, и на то, чтобы добраться от левого края плоскости до правого, у бедняги уходит секунд 10. Но стоит нам сжалиться над ним и согнуть бумагу, соединив ее края, как он моментально «телепортируется» в нужную точку. Нечто подобное можно проделать и с нашим родным пространством-временем, с той лишь разницей, что изгиб требует участия других, невоспринимаемых нами измерений, образуя туннели пространства-времени, – знаменитые червоточины, или кротовые норы.

Кстати, согласно новым теориям, такие кротовые норы – это некий пространственно-временной эквивалент уже знакомого нам квантового феномена запутанности. Вообще, их существование не противоречит никаким важным представлениям современной физики, включая . Но вот для поддержания такого туннеля в ткани Вселенной потребуется нечто, мало похожее на настоящую науку, – гипотетическая «экзотическая материя», которая обладает отрицательной плотностью энергии. Иначе говоря, это должна быть такая материя, которая вызывает гравитационное... отталкивание. Трудно представить, что когда-нибудь эта экзотика будет найдена, а тем более приручена.

Своеобразной альтернативой кротовым норам может служить еще более экзотическая деформация пространства-времени – движение внутри пузыря искривленной структуры этого континуума. Идею высказал в 1993 году физик Мигеле Алькубьерре, хотя в произведениях фантастов она звучала намного раньше. Это как космический корабль, который движется, сжимая и сминая пространство-время перед своим носом и снова разглаживая его позади. Сам корабль и его экипаж при этом остаются в локальной области, где пространство-время сохраняет обычную геометрию, и никаких неудобств не испытывают. Это прекрасно видно по популярному в среде мечтателей сериалу «Звездный путь», где такой «варп-двигатель» позволяет путешествовать, не скромничая, по всей Вселенной.

Статус: от фантастического до теоретического

Фотоны – частицы безмассовые, как и и некоторые другие: их масса в покое равна нулю, и чтобы не исчезнуть окончательно, они вынуждены всегда двигаться, и всегда – со скоростью света. Однако некоторые теории предполагают существование и куда более экзотических частиц – тахионов. Масса их, фигурирующая в нашей любимой формуле E = mc 2 , задается не простым, а мнимым числом, включающим особый математический компонент, квадрат которого дает отрицательное число. Это очень полезное свойство, и сценаристы любимого нами сериала «Звездный путь» объясняли работу своего фантастического двигателя именно «обузданием энергии тахионов».

В самом деле, мнимая масса делает невероятное: тахионы должны терять энергию, ускоряясь, поэтому для них все в жизни обстоит совсем не так, как мы привыкли думать. Сталкиваясь с атомами, они теряют энергию и ускоряются, так что следующее столкновение будет еще более сильным, которое отнимет еще больше энергии и снова ускорит тахионы вплоть до бесконечности. Понятно, что такое самоувлечение просто нарушает базовые причинно-следственные зависимости. Возможно, поэтому изучают тахионы пока лишь теоретики: ни единого примера распада причинно-следственных связей в природе пока никто не видел, а если вы увидите, ищите тахион, и Нобелевская премия вам обеспечена.

Однако теоретики все же показали, что тахионы, может, и не существуют, но в далеком прошлом вполне могли существовать, и, по некоторым представлениям, именно их бесконечные возможности сыграли важную роль в Большом взрыве. Присутствием тахионов объясняют крайне нестабильное состояние ложного вакуума, в котором могла находиться Вселенная до своего рождения. В такой картине мира движущиеся быстрее света тахионы – настоящая основа нашего существования, а появление Вселенной описывается как переход тахионного поля ложного вакуума в инфляционное поле истинного. Стоит добавить, что все это вполне уважаемые теории, несмотря на то, что главные нарушители законов Эйнштейна и даже причинно-следственной связи оказываются в ней родоначальниками всех причин и следствий.

Скорость тьмы

Статус: философический

Если рассуждать философски, тьма – это просто отсутствие света, и скорости у них должны быть одинаковые. Но стоит подумать тщательнее: тьма способна принимать форму, перемещающуюся куда быстрее. Имя этой формы – тень. Представьте, что вы показываете пальцами силуэт собаки на противоположной стене. Луч от фонаря расходится, и тень от вашей руки становится намного больше самой руки. Достаточно малейшего движения пальца, чтобы тень от него на стене сместилась на заметное расстояние. А если мы будем отбрасывать тень на Луну? Или на воображаемый экран еще дальше?..

Едва заметное мановение – и она перебежит с любой скоростью, которая задается лишь геометрией, так что никакой Эйнштейн ей не указ. Впрочем, с тенями лучше не заигрываться, ведь они легко обманывают нас. Стоит вернуться в начало и вспомнить, что тьма – это просто отсутствие света, поэтому никакой физический объект при таком движении не передается. Нет ни частиц, ни информации, ни деформаций пространства-времени, есть только наша иллюзия того, что это отдельное явление. В реальном же мире никакая тьма не сможет сравниться в скорости со светом.

Тахион – гипотетическая элементарная частица, обладающая корпускулярной или волновой природой, движущаяся со скоростью больше скорости света. Тахионы присутствуют в некоем абстрактном мире, в котором объекты обладают отрицательной массой и время идет в обратном направлении. Тахионная энергия используется, в том числе, для сканирования «подпространства» в научно-фантастической передаче Star Trek Voyager. До сих пор не найдены никакие эмпирические свидетельства существования тахионов. «Даже если бы тахионы и существовали, их использование было бы весьма сложно сочетать с представлениями современной физики» – считает ученый из NASA Том Бриджман. Несмотря на умозрительность тахионов, их проблематичную утилитарность и степень этой утилитарности, тахионы представляют собой основной ингридиент целого ряда товаров, предлагаемых представителями направления Нью Эйдж – от бус, поясов и обувных стелек до энергетических подушек, масел для массажа и пузырьков с тахионной водой. И разумеется, на эту тему написаны книги. Например, «Тахионная энергия: новая парадигма в холистическом лечении» Габриэла Казенса и Дэвида Вагнера.

Некоторые предприимчивые представители Нью Эйдж заявляют о своей уверенности в существовании тахиона и в том, что им удалось поставить себе на службу его энергию. Например, Фред Пулвер из Карбондейлского центра макробиотических исследований утверждает, что тахионное поле восполняет потребность всех живых организмов в энергии и способствует установлению баланса, после чего поле на время ослабляет свою силу, до тех пор пока оно вновь не понадобится. Когда происходит истощение и когда снова возникает необходимость в тахионном поле, оно приходит на выручку и снова устанавливается баланс. Однако, если природе не удается поддерживать ваш тахионный баланс, вы можете получить всю необходимую энергию, воспользовавшись продукцией Пулвера.

Пулвер делает неслыханные заявления. Например:

Построены двигатели, черпающие энергию из тахионного поля. Они ведут себя странным образом: например, чем дольше они запущены, тем выше их скорость, несмотря на то, что они не подключены ни к одному источнику энергии.

Где эти двигатели? Никто их не видел, но мы должны принять на веру эти заявления. Может быть, они используются в НЛО, прилетающих на Землю для увечий скота или проведения экспериментов над людьми.

Вот еще один пассаж:

За счет согласования полярности атомов улучшает естественную способность организма черпать недостающую энергию из тахионного поля. Спортсмены обнаружили, что благодаря тахионным изделиям они становятся проворнее, выносливее и тратят меньше времени на восстановление сил. Тахионные изделия проявили себя на спортивной арене в качестве проводников энергии поля.

Кто эти спортсмены? Те, которые носят обувь с магнитными стельками и надевают на себя кристаллы для защиты от враждебной энергии?

Что это за “Тахионное поле”?

Тахионное поле крайне плотно. Его плотность нельзя измерить, поскольку она представляет собой отрицательную величину, принадлежащую другому миру, который зеркален по отношению к миру положительной плотности. Теория отрицательной плотности подкрепляется явлением, поддающимся наблюдению – постоянным расширением Вселенной, которое происходит в силу давления, возникающего от расширения невидимой Вселенной. Давление, оказываемое тахионным полем на нашу Вселенную, свидетельствует о существовании невидимой Вселенной, обладающей высокой плотностью, такой Вселенной и является тахионное поле.

Тахионное поле может быть плотным, однако ему предстоят сложные преобразования, прежде чем оно будет соответствовать невнятной модели, предлагаемой «альтернативными» физиками. Его интерпретации явно чего-то недостает, а именно – фундаментального понимания действительности. Нам предлагают поверить в существование невидимой Вселенной, оказывающей давление на нас, которое нельзя зафиксировать современными приборами.

Но подождите, это еще не все!

Теория тахионов целостна, поскольку допускает наличие двух взаимозависимых вселенных, которое представляет собой неделимое целое – видимая вселенная с досветовыми скоростями и невидимая со сверхсветовыми скоростями. Тахионная теория также подтверждает сугубо метафизическую концепцию Бога. Вездесущее может иметь место только на сверхсветовых скоростях, поскольку досветовые скорости требуют времени на перемещение в пространстве. Следовательно, вездесущее может быть атрибутом исключительно тахионной вселенной, где едины пространство и время.

Пулвер еще и “альтернативный” метафизик! Его рассуждения отдают бесконечностью. «Нервная система и мозг – это не что иное, как чрезвычайно сложная антенна и приемник, функция которых заключается в поглощении, обработке и преобразовании ресурсов тахионного поля». «Целители научились находить доступ к ресурсам тахионного поля, способствующим исцелению и справляются с этим лучше любого человека».

Кстати, приведенными выше фразами сопровождается сбыт тахионных изделий – в продаже есть тахионные бусы, 10 штук по 118 долларов, которые содержат антенну, фокусирующую тахионную энергию. Есть тахионный пояс ценой 268,95 долларов, который улучшает кровообращение и придает силы. Безупречно чистая тахионная вода продается по 27 долларов за маленький флакончик.

Еще одна компания, Advanced Tachyon Technologies (ATT), предлагает более широкий ассортимент изделий, включая изделия для кошек и собак. АТТ выпускает товары для улучшения ваших интимных отношений и ваших атлетических навыков. Вниманию покупателей предлагаются изделия, которые способны облегчить боль и улучшить ваши умственные способности. В ассортименте также комплект для балансировки чакр и тахионная шелковая шаль для медитаций, которая поможет вам «медитировать с вашим возлюбленным перед занятием сексом».

ТАХИОН - гипотетическая ЭЛЕМЕНТАРНАЯ ЧАСТИЦА, движущаяся быстрее скорости света. Может быть обнаружена с помощью испускаемого ею ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕНКОВА. Существование подобной частицы согласуется с теорией ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ. Для ее замедления требуется энергия, так что она не может преодолеть нижний предел своей скорости - скорость света.

Википедия:

Тахион (от греч. , «быстрый») - гипотетическая частица, в противоположность тардионам (предположительно их существование предложил физик Кравцов Арнольд Михайлович, эмигрант из России. Так же им был предоставлен ряд мнимых и ненадежных доказательств о их возможном существовании, но в силу отсутствия должной научности в данных теориях, существование тахионов было отвергнуто научной коллегией в Лондоне), движущаяся быстрее скорости света. Они не могут передавать информацию, иначе их наличие противоречило бы принципу причинности, который подразумевается в современной физике, хотя и не является обязательным (ни одна теория не содержит его в качестве постулата).

Визуализация тахиона. Из-за движения со скоростью больше световой, тахион невидим, когда он движется навстречу наблюдателю. Только когда тахион пройдет мимо, наблюдатель увидит два удаляющихся изображения тахиона. Черная линия соответствует фронту черенковского излучения. Объект слева соответствует изображению тахиона, пролетевшего мимо наблюдателя. Объект справа сформирован волнами, отраженными от тахиона и достигающими наблюдателя уже после встречи. В анимации тахион показан только в один момент времени, когда он достиг наблюдателя в вершине угла.

Тахионы в различных теориях:

В интерпретации специальной теории относительности, если считать энергию действительным числом, то согласно формуле, тахион описывается мнимой массой. Скорость тахиона не может стать меньше скорости света, так как при замедлении до скорости света его энергия бесконечно увеличивается.

В первоначальных вариантах теории струн в спектре масс частиц появлялся тахион, в качестве основного вакуумного состояния струны. И хотя с точки зрения физики это не является противоречием - просто вакуумное состояние нестабильно, его наличие является основанием для модификаций струнных теорий - см. историю теории струн.

Тахионы живут в странном мире, где все движется быстрее света. Теряя энергию, тахионы начинают двигаться быстрее - что, естественно, противоречит здравому смыслу. Мало того, тахион, полностью лишившийся энергии, движется с бесконечной скоростью. И наоборот, приобретая энергию, тахионы замедляются, пока не достигнут скорости света. Скорость света является нижним пределом скорости для тахионов, преодолеть её в обратном направлении, т.е. начать двигаться медленнее скорости света тахионы не могут.

Особенно странными тахионы делает тот факт, что они обладают мнимой массой. (Говоря «мнимой», мы имеем в виду, что их масса умножается на корень квадратный из минус единицы, или i.) Если взять знаменитые уравнения Эйнштейна и заменить в них т на im, произойдет чудо. Скорость частиц внезапно станет больше скорости света.

Из-за этого возникают странные ситуации. Когда тахион летит сквозь вещество, он теряет энергию, поскольку сталкивается с атомами. Но, теряя энергию, он ускоряется, отчего столкновения только усиливаются и происходят чаще. По идее эти столкновения должны вызывать дальнейшую потерю энергии и, следовательно, дальнейшее ускорение. Возникает замкнутый круг, и тахион сам по себе, естественным образом, набирает бесконечную скорость!

Частицы времени

Частицы времени находятся в постоянном движении. Какова же их скорость? По мнению проф. Н. Козырева время распространяется значительно быстрее света, почти мгновенно. Однако, согласно теории относительности А. Эйнштейна, скорость света в природе – предел всех возможных скоростей. Теория относительности А. Эйнштейна утверждает: по мере приближения скорости любой материальной частицы, имеющей положительную массу, к скорости света, масса этой частицы будет расти в такой степени, что один какой-нибудь атом может достичь массы целой планеты.

Скорость света возможна только для квантов света – фотонов, имеющих нулевую массу покоя. Поэтому двигаться со скоростью, большей скорости света, могут только частицы, имеющие отрицательную массу покоя. По мнению доктора физ. - мат. наук В. Барашенкова, теория относительности не только не запрещает существование частиц, движущихся со сверхсветовыми скоростями, но и оказывается без этих частиц неполной, односторонней. Такие частицы в теоретической физике получили название тахионы от греческого слова “тахис”–быстрый.

Тахионы обладают рядом особенностей. Досветовые частицы с ростом энергии увеличивают свою скорость. Тахионы как раз наоборот. Они тем быстрее, чем меньше энергии содержат. Попытка затормозить их, отнимая энергию, приведет к увеличению скорости. И наоборот, добавляя энергию, они будут тормозиться. Если тахионы будут иметь отрицательную кинетическую энергию, то всякое тело, имеющее тахионы и теряющее их, будет тем самым набирать энергию, черпая ее буквально из ничего.

Итак, частицы времени - это тахионы, имеющие отрицательную массу, что позволяет им двигаться со сверхсветовыми скоростями. Для частиц времени, движущихся со сверхсветовыми скоростями, прошлое и будущее не противостоят друг другу, их можно противопоставлять так же условно, как в обыденной жизни мы противопоставляем левое и правое. При взаимодействии с материальными частицами положительной массы тахионы – кванты времени, проявляют себя только в масштабах ультрамалых пространств и ультракоротких промежутков времени.

Теперь становятся понятными чудесные эффекты энергии пирамид, например эффект самозатачивания бритвенных лезвий. Объясняется эффект самозатачивания лезвий тем, что частицы времени сталкиваются с лезвием, непрерывно бомбардируя его. В результате такой бомбардировки происходит эрозия поверхности лезвия. Из-за чрезвычайно малых размеров частиц времени этот эффект заметно проявляется только на острой кромке лезвия, хотя износ идет по всей поверхности лезвия.

Аналогично объясняются бактерицидные свойства воздуха и воды при длительном воздействии на них частиц времени. Эти частицы быстро проникают в цитоплазматическую мембрану, нарушая функции клеточной оболочки и соответственно жизнеспособность бактерий и грибков. В результате достигается эффект уничтожения бактерий и грибков.

Воздействие частиц времени на воду вызывает ее структурирование вследствие замедления интенсивности броуновского движения молекул воды из-за сталкивания молекул с множеством быстро движущихся частиц времени. Структурирование воды делает ее целебной, улучшается вкус воды, она лучше усваивается организмом. Эффект оздоровления и омоложения организма человека в процессе его пребывания внутри пирамиды объясняется тем, что встречные потоки частиц времени, сталкиваясь в центре пирамиды, отталкиваются друг от друга, так как частицы времени имеют отрицательные одинаковые массы.

Как известно из физики, электрически заряженные частицы, имеющие одноименные заряды, отталкиваются, а имеющие противоположные заряды, положительный и отрицательный, притягиваются. Аналогично ведут себя и частицы времени, которые отталкиваются друг от друга вследствие отрицательного одноименного заряда массы.

Тахион= гравитон?
(По-Лаплассу, скорость гравитационного воздействия должна быть в семь миллионов раз
больше скорости... света -А.Скачинский,"Макро и Микро", Нью-Йорк,1984, стр.11-12)

Природа гравитации неясна учёным, это не электромагнитные волны света, не поток электронов тока, не магнитное взаимодействие тел...
Возможно, сохранившееся с первых мгновений Взрыва, а может и заложенные до него, свой-
ства проматерии...

Из интернета
Статья: Тахионы
ЧАСТИЦЫ, ДВИЖУЩИЕСЯ БЫСТРЕЕ СВЕТА
Попытки обнаружить такие частицы, названные тахионами, дали лишь
отрицательные результаты. Однако, вопреки существующему всеобщему
заблуждению, их существование не противоречило бы теории
относительности.
Со времени формулировки Эйнштейном специальной теории относительности в 1905 г.
и ее последующего подтверждения многочисленными экспериментами физики почти
поголовно убеждены в том, что скорость света в вакууме (около 300000
км/сек) - это максимальная скорость, с которой энергия или информация могут
распространяться в пространстве. Действительно, первая работа Эйнштейна по
теории относительности содержит утверждение: «скорости, превышающие скорость
света, существовать не могут».
В основе этого вывода Эйнштейна лежало заключение, согласно которому уравнения
теории относительности подразумевают возрастание массы объекта с увеличением
его скорости. В конце концов при достижении скорости света (которую обычно
обозначают с) масса становится бесконечной. Поскольку масса тела
является мерой его сопротивления изменению скорости в случае ее приближения к
бесконечному значению, дальнейшее ускорение тела становится невозможным. С
другой стороны, установленное соотношение между энергией и скоростью, имеющее
место в теории относительности, таково, что когда скорость тела приближается к
значению с, его энергия стремится к бесконечности. Поскольку эта энергия должна
быть сообщена каким-то образом телу в процессе ускорения, для ускорения тела от
какой-нибудь малой скорости до скорости света был бы необходим бесконечный
источник энергии. Подобные бесконечные источники энергии существовать не могут,
и поэтому никоим образом нельзя заставить тело увеличивать скорость от
величины, меньшей с вплоть до самой с.
Кроме того, если бы тело смогло хоть как-то перейти от скорости меньше c к
скорости больше с, в силу тех же уравнений теории относительности, его
энергия и импульс превратились бы в чисто мнимые числа, т. е. в числа,
содержащие квадратный корень из отрицательного числа. Подобная ситуация
кажется не имеющей никакого физического смысла. Дело в том, что объекты с
мнимой энергией, очевидно, не в состоянии обмениваться энергией с объектами,
имеющими реальную энергию, и в силу этого не могут на них воздействовать. По
этой причине подобные объекты нельзя обнаружить с помощью реальных приборов.
Поэтому вполне можно сказать, что они не существуют. В рамках теории,
разработанной Эйнштейном, в которой свойства объектов изменялись непрерывно,
а рождение новых объектов не рассматривалось, по этой причине казалось вполне
логичным допустить, что ни одна форма энергии, а тем самым, ни одна форма
вещества не в состоянии перемещаться быстрее света.
Однако с развитием субъядерной физики точка зрения на природу значительно
изменилась. Как мы теперь знаем, субъядерные частицы могут без труда
рождаться и уничтожаться и в результате взаимодействия их энергия и другие
свойства меняются скачками, а не непрерывным образом, типичным для
классической физики. Тем самым, можно представить себе ситуацию, когда
рождаются частицы, уже обладающие скоростью больше скорости света. Это
позволило бы обойти необходимость ускорения их через «световой барьер», что
должно сопровождаться бесконечным расходом энергии.
Далее можно потребовать, чтобы такие частицы всегда двигались со скоростями,
превышающими с, что, очевидно, невозможно предположить для известных частиц.
Если предположить выполнение этих условий, то без особого труда можно будет
удовлетворить требованию, согласно которому данные частицы должны переносить
вещественную энергию и импульс. Математически этого можно добиться, допустив,
чтобы определенная константа, входящая в соотношение между энергией и
скоростью, была бы чисто мнимой величиной, а не вещественной, как это имеет
место для обычных частиц. Эту константу обычно называют массой покоя,
поскольку для обычных тел, которые могут быть замедлены до состояния покоя,
она действительно дает значение массы покоя этого тела.
Соотношение между энергией и скоростью, которое должно выполняться для любого
объекта, подчиняющегося специальной теории относительности, имеет вид
(а)
где Е - энергия объекта, v - его скорость и с - скорость света.
Величину т принято называть массой покоя объекта, и она связана с
энергией покоя объекта Е0 формулой
(б)
Для тела, движущегося со скоростью, превышающей скорость света, отношение V
2/с2 больше единицы. Поэтому величина под знаком
квадратного корня в формуле (а) оказывается отрицательной, а знаменатель
величины, обозначенной в той же формуле через Е, оказывается чисто
мнимым числом (т. е. числом, содержащим квадратный корень из отрицательного
числа). Чтобы в этом случае сделать величину Е вещественной, следует
выбрать в качестве т чисто мнимое число
. Поскольку такой объект всегда перемещается со скоростью, превышающей скорость
света, его энергия, которую можно представить формулой
(в)
будет вещественной, поскольку величина (v2/c2 - 1) будет в
этом случае положительной. Импульс р любого тела, подчиняющегося
специальной теории относительности, можно выразить через его скорость формулой
(г)
в которой т не зависит от v. Как это следует из комбинации этой
формулы с формулой (а), величина, представленная формулой
E2 – p2c2 = m2c4 (д)
не зависит от v. Поэтому она будет одной и той же для всех наблюдателей.
Величина m2 (называемая квадратом массы покоя) в силу этого является
постоянной для всякого объекта, даже для частиц, подобных фотонам (световым
квантам) или тахионам, которые никогда не бывают покоящимися. Из этих
соотношений можно также вывести формулу
(е)
из которой следует, что если отношение V/с меньше единицы (как это имеет
место для обычных объектов), то рс/Е меньше единицы, Е2
- р2с2 больше нуля и, тем самым, m2 -
положительная величина. С другой стороны, для объектов, которые движутся
быстрее света, V/с больше единицы, E2 - р2
c2 меньше нуля и поэтому т2 - отрицательная
величина. В любом случае квадрат массы покоя для данного объекта имеет всегда
неизменное значение и может быть вычислен, если известны из опыта энергия и
импульс этого объекта.
Итак, для гипотетических частиц, движущихся быстрее света, которые в принципе
нельзя перевести в состояние покоя, масса покоя не является непосредственно
измеримой, и поэтому она не обязана быть вещественной. Однако квадрат массы
покоя можно выразить через измеримые величины - энергию и импульс частицы,- и,
тем самым, непосредственно измерить. Для обычных объектов квадрат массы покоя
является положительным вещественным числом. Для сверхсветовых частиц он должен
быть отрицательным числом; в действительности на этом обстоятельстве основаны
все попытки обнаружить эти частицы. Следует также упомянуть, что существует еще
и третий класс частиц, включающий фотоны (световые кванты) и нейтрино, для
которых масса покоя равна нулю, так что они всегда движутся со скоростью с.
Поэтому вполне реальной кажется возможность существования объектов природы
нового типа: они должны всегда двигаться быстрее света. Последнее утверждение
инвариантно в том смысле, что если тело движется быстрее света относительно
одного наблюдателя, оно должно двигаться быстрее света и относительно любого
другого наблюдателя, движущегося относительно первого наблюдателя со
скоростью, меньшей скорости света. Такие наблюдатели - единственные, о
которых мы что-нибудь знаем. Следует подчеркнуть, что все рассуждения,
приведенные здесь и ниже, совместимы со специальной теорией относительности и
исходят из справедливости ее формул для движущихся частиц, даже если эти
частицы движутся быстрее света.
В предвидении возможного открытия сверхсветовых частиц я назвал их
«тахионами» от греческого слова «тахис», что означает «быстрый». Чтобы
показать, как физики подходят к исследованию тахионов, я опишу ряд свойств,
благодаря которым можно было бы отличить их от обычных частиц.
Одно такое свойство следует непосредственно из соотношения между энергией и
скоростью в теории относительности. Мы видели, что для обычных частиц с
увеличением скорости их энергия также возрастает. Для тахионов же наоборот:
увеличение скорости приводит к убыванию энергии. Тем самым, тахион, который
потерял энергию за счет взаимодействия с обычной материей или за счет
испускания света, должен увеличить свою скорость. В то же время тахион,
получивший энергию от некоего источника, должен замедлиться и его скорость
должна стремиться к с сверху, а не снизу. Таким образом, скорость света
с играет роль предельной скорости и для тахионов, но для них - это нижний
предел, тогда как для обычных тел она является верхним пределом их скорости.
В предельном случае тахиона, движущегося с бесконечной скоростью, его полная
энергия должна равняться нулю, хотя его импульс остается конечным. Следует
подчеркнуть, что для тахиона, движущегося с бесконечной скоростью, в нуль
обращается именно полная энергия, а не просто кинетическая энергия. Для
обычных частиц с ненулевой массой покоя полная энергия никогда не может
обратиться в нуль.
Однако условие бесконечности скорости тахиона не инвариантно, а зависит от
наблюдателя. Если тахион движется с бесконечной скоростью с точки зрения одного
наблюдателя, то его скорость, измеренная другим наблюдателем, движущимся
относительно первого, не должна быть бесконечной, а должна быть некой конечной
величиной между с и бесконечностью. Это есть другая интерпретация
открытия Эйнштейном того, что понятие одновременности событий в различных
точках пространства имеет лишь относительный, а не абсолютный смысл.
Второе свойство тахионов, которое серьезно отличает их от обычных частиц,
связано с зависимостью значений энергии и последовательности событий во
времени от относительного движения наблюдателей. Для обычных частиц энергия -
это число, которое изменяется при переходе от наблюдателя к наблюдателю, но
остается всегда положительным. В то же время, если энергия тахиона
положительна для одного наблюдателя, она может быть отрицательной для другого
наблюдателя, движущегося относительно первого. Вследствие законов теории
относительности для тахионов справедливо следующее утверждение: энергия
тахиона всегда меньше произведения его импульса на скорость света с; это
замечание не имеет места для обычных частиц. Если тахионы отрицательной
энергии испускаются невозбуждаемыми атомами обычной материи, то испускающие
атомы должны быть нестабильными, и, тем самым, существование таких тахионов
находится в противоречии с установленной на опыте стабильностью обычной
материи.
Изменение знака энергии тахиона при переходе от наблюдателя к наблюдателю
связано с другим странным свойством тахионов. Если один наблюдатель видит, что
обычная частица была испущена (скажем, атомом А) в некоторый момент
времени и поглощена где-то (атомом Б) в последующий момент времени, то
всякий другой наблюдатель, движущийся относительно первого, увидит этот процесс
в той же хронологической последовательности - испускание атомом А
предшествует во времени поглощению атомом Б - хотя временной интервал и
будет меняться от наблюдателя к наблюдателю. В то же время тахионы из-за того,
что они движутся быстрее света, могут двигаться между точками в «пространстве -
времени», хронологическая последовательность которых может меняться от
наблюдателя к наблюдателю. Следовательно, если один из наблюдателей увидел
тахион, испущенный атомом А в момент времени t1 и
поглощенный атомом Б в последующий момент времени t2,
то другой наблюдатель может найти, что момент времени t1"
который соответствует t1, является более поздним, чем момент
времени t2, который соответствует t2"
. Если это имеет место, то второй наблюдатель естественно должен
интерпретировать эту цепочку событий следующим образом: тахион испускается
атомом Б поглощение должны взаимно превращаться друг в друга в случае
изменения скорости наблюдателя. Это означает, что между этими двумя процессами
в данном случае существует более тесная связь, чем для обычных частиц.
Это означает также, что число тахионов, находящихся в некоторой области
пространства, должно меняться от наблюдателя к наблюдателю (рис. 7.2).
Предположим, что один из наблюдателей видит процесс испускания тахиона атомом
с последующим удалением тахиона на бесконечность. Другой наблюдатель может
наблюдать тот же процесс так, как будто тахион прилетает из окружающего
пространства и поглощается атомом. Поэтому между этими двумя наблюдателями
будут разногласия относительно числа тахионов, присутствующих в системе в
прошлом и в будущем. Такая ситуация опять-таки не похожа на ситуацию с
обычными частицами, когда число частиц, имеющихся в произвольный момент
времени,

Не зависит от наблюдателя. Детальная теория взаимодействия тахионов с обычной
материей, которая пока еще не разработана, должна учитывать отмеченные
особенности.
Убедившись в том, что существование частиц, движущихся быстрее света, не
влечет за собой каких-либо противоречий с теорией относительности, следует,
тем не менее, предоставить решение вопроса о реальном существовании таких
объектов в природе физикам-экспериментаторам. При существующем уровне
развития теоретической физики имеется немного аргументов, в силу которых
теория категорически предсказывает существование каких-то новых объектов.
Напротив, известные теории, вообще говоря, лишь представляют возможность для
описания различных гипотетических объектов, и нам следует придумать
эксперименты, в которых эти объекты можно было бы реально обнаружить.
Например, имеющиеся теории не запрещают существования частиц с электрическим
зарядом, равным половине заряда электрона, и с массой, равной шести
электронным массам. Однако проведенные до сих пор эксперименты довольно
убедительно свидетельствуют о том, что такие объекты в природе не
встречаются. Мы не знаем, однако, почему это имеет место, и не сможем узнать
об этом до тех пор, пока не будет создана более фундаментальная теория
элементарных частиц, чем имеется сейчас.
В проблеме тахионов ситуация совершенно аналогична; окончательное решение..
вопроса об их существовании может принадлежать только экспериментаторам. Это
не значит, однако, что они должны надеяться лишь на то, что им удастся
наткнуться на тахионы где-то во Вселенной. Одной из особенностей всех теорий
элементарных частиц, использующих теорию относительности, является следующее
обстоятельство. В них подразумевается, что если частицы определенного типа
вообще существуют, то они могут быть рождены другими частицами, если
последние обладают достаточной энергией. Для тахионов условие, связанное с
достаточностью энергии, удовлетворить особенно легко: быстрые тахионы
обладают очень низкой энергией. Поэтому нетрудно представить себе условия
эксперимента, в котором тахионы, если они вообще существуют, могли бы
порождаться другими частицами. Единственный неизвестный фактор, кроме самой
гипотезы существования тахионов,- это вероятность, с какой они могли бы
рождаться. Среди известных частиц вероятности рождения при столкновениях
различаются по величине на много порядков. Пионы, например, рождаются
довольно легко, тогда как нейтрино - очень трудно. В силу этих обстоятельств
положительный результат эксперимента, конечно, подтвердит существование
тахионов. Однако отрицательный результат может в лучшем случае установить
лишь верхний предел вероятности, с которой тахионы могут быть рождены
обычными частицами. Только установление того факта, что эта вероятность во
всех изученных процессах оказывается намного меньше вероятности рождения
любой другой частицы, могло бы привести к выводу, что тахионы, вероятно,
вообще не существуют.
До сих пор были предприняты две попытки экспериментального рождения и
обнаружения тахионов. Эти эксперименты были чувствительны к столь различным
типам тахионов и в них были использованы столь разные методы обсуждения
последних, что имеет смысл обсудить их по отдельности. Первый эксперимент,
который был поставлен два года назад в Принстонском университете Торстеном
Альвагером и Майклом Н. Крайслером, ставил перед собой целью поиск
электрически заряженных тахионов. Как известно, около 35 лет назад было
установлено, что электрически заряженные частицы могут рождаться парами при
прохождении через вещество ***-квантов (фотонов) высокой энергии. Многие
известные сейчас заряженные элементарные частицы были впервые воспроизведены
именно таким путем. Отсюда следует, что если электрически заряженные тахионы
существуют, то их в принципе можно породить с помощью фотонов. Как отмечалось
выше, поскольку тахионы могут иметь нулевую полную энергию, пара заряженных
тахионов может быть рождена фотоном любой энергии. В то же время пара обычных
заряженных частиц может быть рождена только таким фотоном, который обладает
энергией, более чем вдвое превышающей энергию покоя каждой из заряженных
частиц.
Допустим теперь, что нам удалось породить заряженные тахионы. Возникает
вопрос: как в этом случае можно было бы их обнаружить и отличить от других
заряженных частиц, которые могут быть рождены тем же способом, например от
электрон-позитронной пары? Самый подходящий способ обнаружения - это
использование того факта, что заряженные тахионы должны непрерывно излучать
фотоны даже при движении через пустое пространство. Это явление, названное
излучением Черенкова по имени русского физика, впервые наблюдавшего его при
движении электронов в 1934 г., имеет место тогда, когда заряженный объект
движется через вещество со скоростью, превышающей скорость света в данном
веществе. Таким образом, электрон, движущийся в стекле со скоростью большей
чем 0,7с, будет испускать излучение Черенкова, поскольку скорость света в
стекле составляет около 0,7 от ее значения в пустоте. Поскольку скорость
тахиона больше скорости света в пустоте, следует ожидать, что тахион должен
испускать черенковское излучение даже в вакууме.
Расчеты подтверждают это предположение: свет должен испускаться под
характеристическим углом, зависящим только от скорости тахиона (рис. 7.3).
Вычисления также показывают, что тахион с зарядом, равным заряду электрона,
должен терять энергию за счет излучения Черенкова невероятно быстро. Даже если
он рождается с очень высокой энергией, она уменьшается до величины менее 1
эв при прохождении всего 1 мм пути. Если такое произойдет, то
излучение Черенкова не будет более представлять собой видимый свет, энергия
фотонов которого превышает 2 эв. В этом случае это излучение содержит
фотоны инфракрасного и более длинноволновых участков спектра, которые
фиксировать гораздо труднее. Чтобы

Обойти эту трудность, экспериментаторы из Принстона использовали остроумную
схему, которая позволяла каждому рожденному тахиону двигаться сквозь область,
свободную от вещества, но содержащую электрическое поле. Электрическое поле
передает энергию заряженным частицам, но в случае обычных частиц этот факт не
приводит к излучению заметных количеств света. В то же время для тахиона,
проходящего участок пути с включенным электрическим полем, за счет получаемой
от него энергии достигается равновесие между этой энергией и энергией,
теряемой на излучение. В силу этого он будет продолжать излучать фотоны
примерно одинаковой равновесной энергии. Меняя значение напряженности поля,
экспериментаторы могли выбрать эту равновесную энергию так, чтобы она
соответствовала излучению фотонов видимого света. Это должно было позволить
без труда наблюдать это излучение.
В своих экспериментах Альвагер и Крайслер использовали;-кванты от
радиоактивного цезиевого источника. Эти фотоны высокой энергии попадали в
свинцовый экран, который препятствовал попаданию их непосредственно в
детектор. За экраном находилась область высокого вакуума, содержавшая две
параллельные пластины, между которыми создавалось электрическое поле (рис.
7.4). Пары заряженных тахионов могли порождаться фотонами при прохождении
последних через свинец, и некоторые из них должны были проникнуть (поскольку
при ускорении они теряют энергию) в область между пластинами. Для обнаружения
фотонов, излучаемых тахионами, пересекающими эту область, использовался
фотоумножитель.
В проведенных экспериментах не было зарегистрировано излучение Черенкова и
поэтому не были получены данные, свидетельствующие о рождении тахионов.
Точнее говоря, было установлено, что вероятность рождения тахионных пар
составляет менее одной десятитысячной от известной вероятности рождения
электрон-позитронных пар фотонами несколько более высокой энергии.
Соотношение между массой и энергией тахионов делает в высшей степени
маловероятным предположение, что эта вероятность может сильно зависеть либо
от энергии фотона, либо от массы тахиона. Следовательно, если отбросить пока
одно уточнение, которое обсуждается ниже, можно сказать, что тахионы с
зарядом, близким по величине к заряду электрона, просто не существуют.
Тахионы с зарядами, отличающимися от заряда электрона более чем в два раза в
большую сторону или в десять раз в меньшую сторону, в данном случае,
вероятно, вообще нельзя обнаружить. Конечно, незаряженные тахионы, не
испускающие излучения Черенкова, вовсе не могли наблюдаться в этих
экспериментах.

Уточнение, которое следует сделать в этих выводах, связано с тем, что
тахионы, быть может, способны терять энергию за счет других процессов, помимо
излучения Черенкова. Одна из таких возможностей - распад отдельного тахиона
на несколько тахионов, каждый из которых обладает меньшей энергией. Если
существуют и другие механизмы энергетических потерь, то интенсивность реально
испущенного излучения Черенкова может быть меньше предполагаемой. Поэтому
значение верхнего предела для вероятности рождения тахионов может оказаться
слишком заниженным. По этой причине, а также потому, что мы, вообще говоря,
находимся в неведении относительно возможных типов взаимодействия тахионов с
обычным веществом, было бы желательно исследовать тахионы так, чтобы
результаты исследования не зависели от того, какие взаимодействия испытывают
тахионы после рождения.
Такой эксперимент был выполнен недавно группой сотрудников Колумбийского
университета, в которую входили Чарльз Балтэй, Ральф Линскер, Ноэль К. Иех и
Дж. Фейнберг.
Исследования этой группы, выполненные на примере аннигиляции антипротонов с
протонами, не дали ни одного примера рождения тахионов и привели к столь же
низкому пределу вероятности рождения их в этой реакции. В каждом из
экспериментов одиночные тахионы могли бы родиться, только если квадрат их
массы оказался бы в определенной области его значений. Поэтому данные
эксперименты могут служить проверкой возможности рождения отдельных тахионов
только для частиц со значениями квадрата массы в этой определенной области.
Однако есть некоторые основания утверждать, что рождение одиночных тахионов
вообще запрещено, точно так же как запрещено рождение одиночных электронов
без появления других сходных с ним частиц. Вместе с тем рождение двух
тахионов или тахион - антитахионной пары не является столь же запрещенным
процессом. Подобные случаи рождения двух частиц могут происходить в любом
эксперименте, независимо от того, чему равен квадрат массы отдельного
тахиона. Поэтому из выполненных экспериментов в действительности следует
довольно резкое ограничение на рождение одиночных тахионов любой массы, за
исключением таких значений масс, которые столь близки к нулю, что их можно в
пределах ошибок эксперимента считать положительными.
Таким образом, оба прямых экспериментальных исследования по обнаружению
тахионов, проведенные до сих пор, дали отрицательные результаты. Косвенные
соображения также имеют тенденцию к дальнейшему ограничению возможных
взаимодействий тахионов. Согласно одному из этих соображений, если заряженные
тахионы существуют, то фотон должен быть нестабильным и распадаться через
некоторое время на пару заряженных тахионов.
Между тем, как известно, фотоны миллиарды лет путешествуют в межгалактическом
пространстве и при этом не распадаются. Это означает, что если заряженные
тахионы вообще существуют, то либо их заряд по величине на много порядков
меньше заряда электрона, в силу чего они взаимодействуют с фотонами очень
слабо, либо квадрат их массы очень близок к нулю, что делает задачу
распознавания их среди обычных частиц очень трудной. Аналогичные выводы,
исходя из косвенных аргументов, можно сделать относительно весьма слабых
взаимодействий нейтральных тахионов.
Возможность того, что тахионы существуют, но совсем не взаимодействуют с
обычными частицами, не должна нас интересовать. Если они не взаимодействуют с
объектами, входящими в состав нашей измерительной аппаратуры, у нас не будет
никакой возможности обнаружить их, и с нашей точки зрения это означает то же
самое, как если бы они вообще не существовали.
Весьма правдоподобная интерпретация описанных выше результатов состоит в том,
что тахионы вообще не могут рождаться при столкновениях обычных частиц. Тогда
остаются две возможности. Одна маловероятная возможность связана с
допущением, что тахионы взаимодействуют с обычными частицами и могут
обмениваться с ними энергией, но не могут ими порождаться. Такая ситуация
находилась бы в очень сильном противоречии со всем нашим пониманием
релятивистской квантовой теории фундаментальных частиц, так что она
маловероятна, но не невозможна. Эту гипотезу можно было бы проверить,
исследуя тахионы в естественных условиях, например, в космических лучах.
Трудности в проведении таких исследований обусловлены тем, что тахионы быстро
теряют энергию, и их становится трудно обнаружить. Вторая возможность состоит
в том, что тахионы просто не существуют, и, тем самым, природа вообще не
заполнила эту нишу, дозволенную теорией относительности. Если это так, а
теперь это кажется наиболее вероятным, то мы не сможем разобраться, почему
это так, пока не достигнем гораздо более глубокого уровня понимания природы
элементарных частиц, чем это имеет место в настоящее время.
Автор: Дж. Фейнберг
Перевод с английского: В.П. Павлов, А.А. Славнов

March 25th, 2017

Путешествие на сверхсветовой скорости — одна из основ космической научной фантастики. Однако наверное, всем - даже людям, далеким от физики, - известно, что предельно возможной скоростью движения материальных объектов или распространения любых сигналов является скорость света в вакууме. Она обозначается буквой с и составляет почти 300 тысяч километров в секунду; точная величина с = 299 792 458 м/с.

Скорость света в вакууме - одна из фундаментальных физических констант. Невозможность достижения скоростей, превышающих с, вытекает из специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна. Если бы удалось доказать, что возможна передача сигналов со сверхсветовой скоростью, теория относительности пала бы. Пока что этого не случилось, несмотря на многочисленные попытки опровергнуть запрет на существование скоростей, больших с. Однако в экспериментальных исследованиях последнего времени обнаружились некоторые весьма интересные явления, свидетельствующие о том, что при специально созданных условиях можно наблюдать сверхсветовые скорости и при этом принципы теории относительности не нарушаются.

Для начала напомним основные аспекты, относящиеся к проблеме скорости света.

Прежде всего: почему нельзя (при обычных условиях) превысить световой предел? Потому, что тогда нарушается фундаментальный закон нашего мира - закон причинности, в соответствии с которым следствие не может опережать причину. Никто никогда не наблюдал, чтобы, например, сначала замертво упал медведь, а потом выстрелил охотник. При скоростях же, превышающих с, последовательность событий становится обратной, лента времени отматывается назад. В этом легко убедиться из следующего простого рассуждения.

Предположим, что мы находимся на неком космическом чудо-корабле, движущемся быстрее света. Тогда мы постепенно догоняли бы свет, испущенный источником во все более и более ранние моменты времени. Сначала мы догнали бы фотоны, испущенные, скажем, вчера, затем - испущенные позавчера, потом - неделю, месяц, год назад и так далее. Если бы источником света было зеркало, отражающее жизнь, то мы сначала увидели бы события вчерашнего дня, затем позавчерашнего и так далее. Мы могли бы увидеть, скажем, старика, который постепенно превращается в человека средних лет, затем в молодого, в юношу, в ребенка... То есть время повернуло бы вспять, мы двигались бы из настоящего в прошлое. Причины и следствия при этом поменялись бы местами.

Хотя в этом рассуждении полностью игнорируются технические детали процесса наблюдения за светом, с принципиальной точки зрения оно наглядно демонстрирует, что движение со сверхсветовой скоростью приводит к невозможной в нашем мире ситуации. Однако природа поставила еще более жесткие условия: недостижимо движение не только со сверхсветовой скоростью, но и со скоростью, равной скорости света, - к ней можно только приближаться. Из теории относительности следует, что при увеличении скорости движения возникают три обстоятельства: возрастает масса движущегося объекта, уменьшается его размер в направлении движения и замедляется течение времени на этом объекте (с точки зрения внешнего "покоящегося" наблюдателя). При обычных скоростях эти изменения ничтожно малы, но по мере приближения к скорости света они становятся все ощутимее, а в пределе - при скорости, равной с, - масса становится бесконечно большой, объект полностью теряет размер в направлении движения и время на нем останавливается. Поэтому никакое материальное тело не может достичь скорости света. Такой скоростью обладает только сам свет! (А также "всепроникающая" частица - нейтрино, которая, как и фотон, не может двигаться со скоростью, меньшей с.)

Теперь о скорости передачи сигнала. Здесь уместно воспользоваться представлением света в виде электромагнитных волн. Что такое сигнал? Это некая информация, подлежащая передаче. Идеальная электромагнитная волна - это бесконечная синусоида строго одной частоты, и она не может нести никакой информации, ибо каждый период такой синусоиды в точности повторяет предыдущий. Cкорость перемещения фазы cинусоидальной волны - так называемая фазовая скорость - может в среде при определенных условиях превышать скорость света в вакууме. Здесь ограничения отсутствуют, так как фазовая скорость не является скоростью сигнала - его еще нет. Чтобы создать сигнал, надо сделать какую-то "отметку" на волне. Такой отметкой может быть, например, изменение любого из параметров волны - амплитуды, частоты или начальной фазы. Но как только отметка сделана, волна теряет синусоидальность. Она становится модулированной, состоящей из набора простых синусоидальных волн с различными амплитудами, частотами и начальными фазами - группы волн. Скорость перемещения отметки в модулированной волне и является скоростью сигнала. При распространении в среде эта скорость обычно совпадает с групповой скоростью, характеризующей распространение вышеупомянутой группы волн как целого (см. "Наука и жизнь" № 2, 2000 г.). При обычных условиях групповая скорость, а следовательно, и скорость сигнала меньше скорости света в вакууме. Здесь не случайно употреблено выражение "при обычных условиях", ибо в некоторых случаях и групповая скорость может превышать с или вообще терять смысл, но тогда она не относится к распространению сигнала. В СТО устанавливается, что невозможна передача сигнала со скоростью, большей с.

Почему это так? Потому, что препятствием для передачи любого сигнала со скоростью больше с служит все тот же закон причинности. Представим себе такую ситуацию. В некоторой точке А световая вспышка (событие 1) включает устройство, посылающее некий радиосигнал, а в удаленной точке В под действием этого радиосигнала происходит взрыв (событие 2). Понятно, что событие 1 (вспышка) - причина, а событие 2 (взрыв) - следствие, наступающее позже причины. Но если бы радиосигнал распространялся со сверхсветовой скоростью, наблюдатель вблизи точки В увидел бы сначала взрыв, а уже потом - дошедшую до него со скоростью с световую вспышку, причину взрыва. Другими словами, для этого наблюдателя событие 2 совершилось бы раньше, чем событие 1, то есть следствие опередило бы причину.

Уместно подчеркнуть, что "сверхсветовой запрет" теории относительности накладывается только на движение материальных тел и передачу сигналов. Во многих ситуациях возможно движение с любой скоростью, но это будет движение не материальных объектов и не сигналов. Например, представим себе две лежащие в одной плоскости достаточно длинные линейки, одна из которых расположена горизонтально, а другая пересекает ее под малым углом. Если первую линейку двигать вниз (в направлении, указанном стрелкой) с большой скоростью, точку пересечения линеек можно заставить бежать сколь угодно быстро, но эта точка - не материальное тело. Другой пример: если взять фонарик (или, скажем, лазер, дающий узкий луч) и быстро описать им в воздухе дугу, то линейная скорость светового зайчика будет увеличиваться с расстоянием и на достаточно большом удалении превысит с. Световое пятно переместится между точками А и В со сверхсветовой скоростью, но это не будет передачей сигнала из А в В, так как такой световой зайчик не несет никакой информации о точке А.

Казалось бы, вопрос о сверхсветовых скоростях решен. Но в 60-х годах двадцатого столетия физиками-теоретиками была выдвинута гипотеза существования сверхсветовых частиц, названных тахионами. Это очень странные частицы: теоретически они возможны, но во избежание противоречий с теорией относительности им пришлось приписать мнимую массу покоя. Физически мнимая масса не существует, это чисто математическая абстракция. Однако это не вызвало особой тревоги, поскольку тахионы не могут находиться в покое - они существуют (если существуют!) только при скоростях, превышающих скорость света в вакууме, а в этом случае масса тахиона оказывается вещественной. Здесь есть некоторая аналогия с фотонами: у фотона масса покоя равна нулю, но это просто означает, что фотон не может находиться в покое - свет нельзя остановить.

Наиболее сложным оказалось, как и следовало ожидать, примирить тахионную гипотезу с законом причинности. Попытки, предпринимавшиеся в этом направлении, хотя и были достаточно остроумными, не привели к явному успеху. Экспериментально зарегистриро вать тахионы также никому не удалось. В итоге интерес к тахионам как к сверхсветовым элементарным частицам постепенно сошел на нет.

Однако в 60-х же годах было экспериментально обнаружено явление, поначалу приведшее физиков в замешательство. Об этом подробно рассказано в статье А. Н. Ораевского "Сверхсветовые волны в усиливающих средах" (УФН № 12, 1998 г.). Здесь мы кратко приведем суть дела, отсылая читателя, интересующегося подробностями, к указанной статье.

Вскоре после открытия лазеров - в начале 60-х годов - возникла проблема получения коротких (длительностью порядка 1 нс = 10-9 с) импульсов света большой мощности. Для этого короткий лазерный импульс пропускался через оптический квантовый усилитель. Импульс расщеплялся светодели тельным зеркалом на две части. Одна из них, более мощная, направлялась в усилитель, а другая распространялась в воздухе и служила опорным импульсом, с которым можно было сравнивать импульс, прошедший через усилитель. Оба импульса подавались на фотоприемники, а их выходные сигналы могли визуально наблюдаться на экране осциллографа. Ожидалось, что световой импульс, проходящий через усилитель, испытает в нем некоторую задержку по сравнению с опорным импульсом, то есть скорость распространения света в усилителе будет меньше, чем в воздухе. Каково же было изумление исследователей, когда они обнаружили, что импульс распространялся через усилитель со скоростью не только большей, чем в воздухе, но и превышающей скорость света в вакууме в несколько раз!

Оправившись от первого шока, физики стали искать причину столь неожиданного результата. Ни у кого не возникло даже малейшего сомнения в принципах специальной теории относительности, и именно это помогло найти правильное объяснение: если принципы СТО сохраняются, то ответ следует искать в свойствах усиливающей среды.

Не вдаваясь здесь в детали, укажем лишь, что подробный анализ механизма действия усиливающей среды полностью прояснил ситуацию. Дело заключалось в изменении концентрации фотонов при распространении импульса - изменении, обусловленном изменением коэффициента усиления среды вплоть до отрицательного значения при прохождении задней части импульса, когда среда уже поглощает энергию, ибо ее собственный запас уже израсходован вследствие передачи ее световому импульсу. Поглощение вызывает не усиление, а ослабление импульса, и, таким образом, импульс оказывается усиленным в передней и ослабленным в задней его части. Представим себе, что мы наблюдаем за импульсом при помощи прибора, движущегося со скоростью света в среде усилителя. Если бы среда была прозрачной, мы видели бы застывший в неподвижности импульс. В среде же, в которой происходит упомянутый выше процесс, усиление переднего и ослабление заднего фронта импульса будет представляться наблюдателю так, что среда как бы подвинула импульс вперед. Но раз прибор (наблюдатель) движется со скоростью света, а импульс обгоняет его, то скорость импульса превышает скорость света! Именно этот эффект и был зарегистрирован экспериментаторами. И здесь действительно нет противоречия с теорией относительности: просто процесс усиления таков, что концентрация фотонов, вышедших раньше, оказывается больше, чем вышедших позже. Со сверхсветовой скоростью перемещаются не фотоны, а огибающая импульса, в частности его максимум, который и наблюдается на осциллографе.

Таким образом, в то время как в обычных средах всегда происходит ослабление света и уменьшение его скорости, определяемое показателем преломления, в активных лазерных средах наблюдается не только усиление света, но и распространение импульса со сверхсветовой скоростью.

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 или же волнообразное движение, приданное привязанной к стене веревке, передавалось бы веревке, привязанной к стене с другой стороны). 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 КЈльне состоялся международный симпозиум по проблемам сверхсветовых движений, где обсуждались результаты, полученные в четырех лабораториях - в Беркли, Вене, КЈльне 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 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 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.

Но все же давайте представим, что математика относительности будет по-прежнему работать на сверхсветовых скоростях. Это означает, что теоретически мы все-таки можем узнать, что произошло бы, случись телу превысить скорость света.

Представим себе два космических корабля, направляющихся от Земли в сторону звезды, которая отстоит от нашей планеты на расстоянии в 100 световых лет. Первый корабль покидает Землю со скоростью в 50% от скорости света, так что на весь путь у него уйдет 200 лет. Второй корабль, оснащенный гипотетическим варп-двигателем, отправится со скоростью в 200% от скорости света, но спустя 100 лет после первого. Что же произойдет?

Согласно теории относительности, правильный ответ во многом зависит от перспективы наблюдателя. С Земли будет казаться, что первый корабль уже прошел значительное расстояние, прежде чем его обогнал второй корабль, который движется вчетверо быстрее. А вот с точки зрения людей, находящихся на первом корабле, все немного не так.

Корабль №2 движется быстрее света, а значит может обогнать даже свет, который сам же и испускает. Это приводит к своего рода «световой волне» (аналог звуковой, только вместо вибраций воздуха здесь вибрируют световые волны), которая порождает несколько интересных эффектов. Напомним, что свет от корабля №2 движется медленнее, чем сам корабль. В результате произойдет визуальное удвоение. Иными словами, сначала экипаж корабля №1 увидит, что второй корабль возник рядом с ним словно из ниоткуда. Затем, свет от второго корабля с небольшим опозданием достигнет первого, и в результате получится видимая копия, которая будет двигаться в том же направлении с небольшим отставанием.

Нечто подобное можно увидеть в компьютерных играх, когда в результате системного сбоя движок прогружает модель и ее алгоритмы в конечной точке движения быстрее, чем заканчивается сама анимация движения, так что возникают множественные дубли. Вероятно, именно поэтому наше сознание и не воспринимает тот гипотетический аспект Вселенной, в котором тела движутся на сверхсветовой скорости — быть может, это и к лучшему.

П.С. ... а вот в последнем примере я что то не понял, почему реальное положение корабля связывается с "испускаемым им светом"? Ну и пусть что видеть его будут как то не там, но реально то он обгонит первый корабль!

источники