Възможна ли е скорост, по-голяма от скоростта на светлината? В търсене на тахионите

Фундаменталната константа с

Скоростта на светлината, която във физиката се бележи с буквата с, е почти 300 000м/сек. или по-точно с = 299 792 458 м / сек. Скоростта на светлината във вакуум е фундаментална физична константа.

ПРОЧЕТЕТЕ ПРЕДИ ТОВА:

Специалната теория на относителността

Лоренцовите трансформации – сърцето на релативизма

Ефектът забавяне на времето и скъсяване на дължините

Релативистично увеличаване на масата. Енергията: E = m.c2

Обща теория на относителността

Тахионите – акушерите на Вселената

Като следствие от специалната теория на относителността (СТО) на Айнщайн скоростта на светлината не може да бъде надхвърлена. Ако някой опровергае това, теорията на относителността ще отпадне като валидна теория. Досега това не се е случило, въпреки многобройните опити. През последните години експериментални проучвания показаха много интересни явления, които показват, че при специално създадени условия може да се наблюдават свръхсветлинни скорости без да се нарушават принципите на теорията на относителността.

Важни уточнения: материя, сигнали, вакуум

Всеки знае, че максималната скорост е тази на светлината, но понякога се забравят три важни момента: става въпрос за движение на материални обекти или на разпространение на сигнали и сравнението е със скоростта на светлината във вакуум.

...във вакуум

Ефект (лъчение) на Черенков

Скоростта на светлината в някаква среда е винаги по-ниска от скоростта на светлината във вакуум. Например в стъкло или вода, светлината се движи със скорост от 60-70% от скоростта на светлината във вакуум и нищо не пречи на бързи частици като електроните да се движат по-бързо от нея в същата среда..

Анимация на лъчението на Черенков. Източник: wikimedia

Това се случва, например, в охлаждащата течност на ядрен реактор, когато през водата преминават електрони с висока енергия, избити от орбитите си от гама лъчите. Те се движат със скорост, по-голяма от скоростта на светлината във вода.

Ефектът на Черенков е оптичният еквивалент на ударната вълна, която причинява свръхзвуков самолет във въздуха.

... движение на материя или сигнали

Скоростта на обекти, чието движение не е свързано с пренос на информация, може да бъде произволно висока. Такава скорост може да имат сянката или слънчевото зайче, а също и фазовата скорост. Условието "да може да се пренася информация" е много важно да не се забравя преди да ни се поднесе поредната сензация за надхвърляне на скоростта на светлината.

Фазова скорост

Свръхсветлинното движение може да е само илюзия, която се дължи на неправилното измерване на скоростта. Ние неправомерно използваме за това часовници, които отмерват времето по продължение на нашия вектор на времето. Времето, измервано с часовник, движещ се по наклонена времева траектория, тече по-бавно, защото хипотенузата е винаги по-малка от катета.

По продължение на своите траектории и двете времена текат еднакво, но ако се отчитат от часовник, който се движи по другата траектория, те изглеждат разтеглени или компресирани, в зависимост от посоката на движението на часовника по траекторията. С подобен ефект сме се срещали в теорията на относителността на Айнщайн, времето там също зависи от часовника, който го измерва.

Ножица и зайче

В много случаи е възможно движение с каквато и да е свръхскорост, но без да се движат материални обекти и сигнали.

Ако поставим едно въртящо се огледало на достатъчно разстояние от стените, е възможно светлото петно да се движи върху стените по-бързо от светлината. Това не е парадокс, защото в случая се пренася сигнал само от огледалото до съответната точка на стената. От една светла точка на стената до следващата точка върху стената не се пренася никаква информация - те не са по никакъв начин причинно свързани.

Илюстрация: de.wikipedia

Има един популярен пример с ножица - скоростта на среза (т.1) в зависимост от дължината на остриетата може да се движи със скорост, дори и по-голяма от скоростта на светлината, но това ще е случаят на фазова скорост, при който не се получава информация и разгледахме по-горе. Нека поставим нещо материално в т.1 и го заклиним между остриетата; така наблюдател в т.2 ще получи сигнал, дошъл при него по-бързо от светлината, че нещо се е случило. В момента, когато движението спре в т.1, краищата (т.2) още ще бъдат неподвижни и остриетата на ножицата ще се огънат. Не можем, спирайки острието в т.1, да го спрем изведнъж и в т.2, защото остриетата не са идеално твърди тела. На практика, сигналът за деформация стига до т.2 със скоростта на звука, която зависи от еластичността и плътността на материала и винаги е по-малка от скоростта на светлината

Защо да сме сигурни, че няма вещество, в което тези ограничения могат да бъдат нарушени? Защото всички вещества са съставена от частици, които си взаимодействат помежду си по стандартния модел на физиката на елементарните частици и никакви свръхсветлинни взаимодействия в този модел не са възможни.

Релативистичната ракета

Нека наблюдател на Земята гледа космически кораб, който се отдалечава със скорост 0.8c. В съответствие с теорията на относителността той ще види, че часовникът на космически кораб върви по-бавно 3/5 пъти. Ако се раздели разстоянието до кораба на времето по бордовия часовник, ще получим скорост 4/3c. Наблюдателят ще заключи, че с помощта на своя часовник на борда пилотът на кораба също ще констатира, че лети по-бързо от светлината. От гледна точка на пилота неговия часовник върви нормално, а междузвездното пространство се е свило 5/3 пъти. И затова той ще прелети разстоянията между звездите по-бързо, със скорост 4/3c.

Забавянето на времето е реален ефект, който по принцип може да се използва в космическите пътешествия, за да се преодоляват дълги разстояния за кратко време от гледна точка на астронавтите. При постоянно ускорение 1g астронавтите ще имат не само удобна изкуствена гравитация, но и ще могат да пресекат галактиката само за 12 години по собствено време. По време на пътуването те ще остареят с 12 години.

Парадоксът АПР

През 1935 г. Айнщайн, Подолски и Розен предлагат мисловен експеримент, довел до парадокс, който трябваше да покаже непълнотата на квантовата механика. Доказано е, че между свързаните частици не се предава информация. 

Защо да не може да се преодолее светлинната бариера?

Аргументът за безкрайна енергия

Според теорията на Айнщайн не е възможно да се придвижваш в пространството със скорост, по-голяма от тази на светлината (300 000км / сек), защото това ще изисква безкрайно голямо количество енергия, която да премести безкрайно голяма маса.

Прочутата формула на Айнщайн E=mc2, може да се запише в по-усложнен вариант E = γ m c2, където е факторът на Лоренц v е скоростта на тялото, а c е скоростта на светлината.

Изводът е, че колко по-бързо се движи един обект, енергия му расте експоненциално, което означава, че за пътуване със скоростта на светлината е необходимо безкрайно (невъзможно) количество енергия. Само фотоните или други частици без собствена маса, могат да се движат със скоростта на светлината.

Причинност и скорост на светлината

Основният аргумент за непреодолимостта на светлинната скорост е, че тогава би се нарушил основният закон на нашия свят - законът на причинно-следствената връзка, според който следствието не може да бъде преди причината. Допускането на свръхсветлинни скорости означава да се допусне и обръщане на течението на времето. А обръщането на времето и нарушаването на причинността е едно и също - за тези неща си говорихме в "Стрелата на времето".

Ще се опитам да поясня с един мисловен експеримент как скоростта на светлината се свързва с хода на времето и причинно-следствените връзки

Да предположим, че сме в някакъв космически кораб, движещ се по-бързо от светлината. Тогава ще догонваме светлината, излъчена от някакъв източник във все по-ранни и по-ранни времена. Първо ще догоним фотоните, излъчени преди час, ден, седмица, месец, година и т. н. Ако източникът на светлина е огледало, ще видим в него събитията от предишния час, ден, седмица, месец, година и т. н. Можем да видим, да речем, как счупената чаша става отново цяла, или как един старец постепенно се превръща в мъж на средна възраст, после младеж, дете ... Това означава, че времето може да се обърне назад, а причината и следствието да разменят местата си.

Един от най-известните парадокси при пътешествията във времето: Ако отидете в миналото и убиете дядо си, тогава вие не бихте се родил, тогава кой е убил дядо ви? Измислен е от френския фантаст Рене Баржавел.

В търсене на свъхбързите

Парадоксалните свойства на тахионите (имагинерна маса и свръхсветлинна скорост), обаче все още не може да служат за основание да решим, че не могат да съществуват в природата.

Засега пряко все още не са регистрирани тахиони. Физиците ги търсят косвено в някои ускорители като Големият адронен колайдер. Ако съществуват частици със свръхсветлинна скорост, те биха могли да се сблъскват с тардиони (т.е. всички елементарни частици и античастици), а при тези сблъсъци тардионите би трябвало да променят траекториите си без някакви видими причини, от което учените биха предположили съществуването на мистериозните тахиони. Търсенето е започнало отскоро и все още няма резултат.

Дали неутриното е тахион?

Някои теоретични физици твърдят, че може би тахионите съществуват и Вселената е пълна с тях, но те толкова слабо си взаимодействат с обикновената материя, че ние просто не ги забелязваме. Най-подходящият кандидат е частицата неутрино (името й означава "неутронче"), която почти не взаимодейства с други частици, има почти незабележима маса (доскоро се смяташе, че е нулеваа) , скорост, близка до светлинната и почти не може да бъде спряна - нужен е пласт вода, дебел 100 светлинни години.

Още през1985 г. физиците Alan Chodos, Avi I. Hauser и V. Alan Kostelecky в статията си "The Neutrino as a Tachyon" предлагат да се разглежда неутриното като тахион.

Какво би направило неутриното тахион? Ако се открие, че има имагинерна маса или че се движи със надсветлинна скорост.

При бета разпад на тритий е установена имагинерна маса на неутриното

Интересът към тахионите се засили през последните години във връзка с трудностите за обяснение на някои експериментални резултати за ядрени процеси, съпровождани с излъчване на неутрино. При бета разпада на тритий се изследва на енергийния спектър на получените електрони, което позволява да се съди за масата на неутриното.

Илюстрация: fzk.de

Серия експерименти са проведени в Института по ядрени изследвания в Троицк в периода 1994-1996 г., ръководени от В.М. Лобашев, а резултатите, публикувани  2001 г. в "Direct Search for mass of neutrino and Anomaly in the Tritium Beta spectrum" са отрицателен квадрат на масата на неутиното: mν2= -10 ÷ -20eV2, т.е. масата е имагинерна, а това е свойство на тахионите.

По същото време в Университета на Майнц в Германия са направени аналогични експерименти и също са получени отрицателни квадрати на масата. На 2005 г. резултатите са изложени в статията Final Results from phase II of the Mainz Neutrino Mass Search in Tritium $β$ Decay. Резултатите от различни експерименти са обобщени в статията: "Neutrino Properties":

Сега се подготвя експеримента KATRIN в Карлсруе.за измерване на масата на неутриното. Новият спектрометър ще постигне точност 0,2eV.

Опера за скоростта на неутриното При обработката на данните от експеримента OPERA, събрани 2008-2011 в лабораторията Гран Сасо съвместно с CERN, са установени "статистически значими индикации", че мюонното неутрино може да се движи със скорост по-голяма от скоростта на светлината. Съобщението е прието от експертите скептично. През март 2012 г., в същия тунел са направени независими измервания и свръхсветлинни скорости на неутрино не са установени. През май 2012 г. OPERA проведоха серия от контролни експерименти и са стигнали до окончателното заключение, че причината за погрешното предположение за свръхсветлинни скорости е технически дефект - лошо поставен конектор на оптичен кабел. Първата проверка на тази хипотеза станала през 1987 г. при колапса на свръхновата SN1987A от Големия магеланов облак. Около три часа преди видимата светлина от избухването на свръхнова да достигне до Земята, три обсерватории за неутрино отбелязват значително повишение на обичайния фонов поток, което се интерпретира като регистрация на неутрино, произведено при колапса на ядрото на свръхновата. Ако неутриното от SN1987A се движи със същата разлика в скоростите, определена в експеримента Opera, то би трябвало да достигне Земята 4 години преди експлозията на свръхновата. Наистина, по-късно е решено, че тези неутрино нямат нищо общо с SN1987A. SN 1987A Снимка: Hubble Space Telescope Свръхсветлинни скорости в космоса В края на 2009г. в списание "Astrophysical Journal" излиза съобщение на астрофизици от Университета на Тексас в Браунсвил, че докато са изследвали сигнали от пулсар, регистрирали импулси с определена честота, движещи по-бързо от светлината. Когато единичен фотон минава през редуващи се слоеве с нисък (син) и висок (зелен) коефициент на пречупване, може да се движи по-бавно (горе) или по-бързо (долу) в зависимост от реда на слоевете. Aко се наредят подходящо тези слоеве, това може значително да намали времето за преминаване фотона и така да се отчете по-висока скорост. Илюстрация:  JQI С помощта на радиотелескопа Arecibo, учените са наблюдавали излъчването от пулсара PSR B1937 +21, на разстояние около 10 милиона светлинни години от Земята. Пулсарът е неутронна звезда, която се върти бързо, като изпраща радиовълни. За тяхна изненада, части от всеки радиоимпулс, чийто път минава през облак от неутрален водород, пристигали по различно време. Тези вълни, чиято честота резонирала с водородния облак, пристигали по-рано от другите, което си обяснявали само с възможността за свръхсветлинна скорост на сигнала. Авторите обясняват смущението в радиоизлъчването на пулсар и надвишаването на скоростта на светлината от груповата скорост, е в резултат на "взаимодействието между времевата скала, представена в импулса и времевата скала, представена в пространството." Груповата скорост Червена точка се движи с фазова скорост, а зелените точки се разпространяват с групова скорост. Илюстрация: de.wikipedia.org Трябва да се подчертае, че става въпрос за групова скорост, чията скорост на разпространение се определя от скоростта на гребена на импулса. Подобни явления като описаните от астрофизиците, може да възникнат от анормална дисперсия (разсейване), когато коефициента на пречупване се нараства с увеличаването на дължината на вълната, преминаваща през него. В този случай, груповата скорост на импулса, състояща се от сноп с различни дължини на вълните, може да превишава скоростта на всяка отделна вълна в този сноп. Но тъй като енергията на импулса, се разпространява със скоростта на светлината, както и всеки фотон в лъча, това явление не противоречи на теорията на Айнщайн. Източник: Is Faster-Than-Light Travel or Communication Possible? , Philip Gibbs Возможен ли сверхсветовой полёт?, Philip Gibbs Überlichtgeschwindigkeit Vitesse supraluminique Velocità superluminale Faster-than-light Возможна ли сверхсветовая скорость?, доктор технических наук А. Голубев Сверхсветовое движение Cherenkov radiation Быстрее света, livejournal Эксперимент OPERA сообщает о наблюдении сверхсветовой скорости нейтрино, Игорь Иванов Breaking the Universal Speed Limit: Single Photons Observed at Seemingly Faster-Than-Light Speeds at Joint Quantum Institute Gruppengeschwindigkeit