Сверхсветовые скорости в природе
Введение
В середине прошлого года в журналах появилось
сенсационное сообщение. Группа американских исследователей обнаружила, что
очень короткий лазерный импульс движется в особым образом подобранной среде в
сотни раз быстрее, чем в вакууме. Это явление казалось совершенно невероятным
(скорость света в среде всегда меньше, чем в вакууме) и даже породило сомнения
в справедливости специальной теории относительности. Между тем сверхсветовой
физический объект - лазерный импульс в усиливающей среде - был впервые
обнаружен не в 2000 году, а на 35 лет раньше, в 1965 году, и возможность
сверхсветового движения широко обсуждалась до начала 70-х годов. Сегодня
дискуссия вокруг этого странного явления вспыхнула с новой силой.
Наверное, всем - даже людям, далёким 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 скорость света, 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 скорости света. 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.
1. Определение сверхсветовой скорости
материальной точки
В (локально) инерциальной системе отсчёта с
началом 
рассмотрим
материальную точку, которая в момент времени 
находится
в .
Скорость этой точки мы называем сверхсветовой в момент ,
если выполняется неравенство:
где 
,
-
это скорость света в вакууме, а время 
и
расстояние 
от точки до измеряются
в упомянутой системе отсчёта.
Специальная теория относительности (СТО)
накладывает жёсткие ограничения на возможность сверхсветового движения тел:
Если для разгона тела с ненулевой массой покоя
затрачена конечная энергия, то тело не сможет достичь сверхсветовой скорости.
Если все инерциальные наблюдатели равноправны
(то есть в отсутствие внешнего поля или искривления пространства),
существование частиц (а также волн или каких-то других объектов, способных
переносить информацию и энергию), движущихся со сверхсветовыми скоростями и
взаимодействующих обычным образом с «досветовой» материей (то есть таких, что
их можно по желанию испускать и принимать), влечёт за собой причинные парадоксы
(такие, например, как отправка наблюдателем сигнала в собственное прошлое).
Существует множество ситуаций (как среди
определенно реальных, так и среди гипотетических), которые не удовлетворяют
условиям данного определения, и на которые, следовательно, не распространяются
указанные ограничения.
1.1 Принцип причинности
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 каком-то
космическом чудо-корабле, движущемся быстрее света. Тогда мы постепенно
догоняли бы свет, испущенный источником во всё 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 ребёнка… 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!
Принцип причинности - один из самых общих
физических принципов, устанавливающий допустимые пределы влияния событий друг
на друга.
В классической физике это утверждение означает,
что любое событие 
произошедшее в
момент времени может повлиять на
событие 
произошедшее
в момент времени 
только при
условии: 
.
Таким образом классическая физика допускает произвольно большую скорость
переноса взаимодействий.
При учёте релятивистских эффектов принцип
причинности (ПП) должен быть модифицирован, поскольку время становится
относительным - взаимное расположение событий во времени может зависеть от
выбранной системы отсчёта. В специальной теории относительности ПП утверждает,
что любое событие 
произошедшее в
точке пространства-времени 
может повлиять на
событие 
произошедшее
в точке пространства-времени 
только при
условии: и
где
-
предельная скорость распространения взаимодействий, равная, согласно
современным представлениям, скорости света в вакууме. Иными словами, интервал
между событиями A и B должен быть времени-подобен (событие A предшествует
событию B в любой системе отсчёта). Таким образом, событие B причинно связано с
событием A (являясь его следствием), только если оно находится в области
абсолютно будущих событий светового конуса с вершиной в событии A - такое
определение принципа причинности переходит без изменений и в общую теорию
относительности. Если два события A и В разделены пространственноподобным
интервалом (то есть ни одно из них не находится внутри светового конуса с
вершиной в другом событии), то их последовательность может быть изменена на
противоположную простым выбором системы отсчёта (СО): если в одной СО 
,
то в другой СО может оказаться, что 
.
Это не противоречит принципу причинности, потому что ни одно из этих событий не
может влиять на другое.
Важно отметить, что даже при отсутствии
причинного влияния одного события A на другое B эти события могут быть
скоррелированными причинным влиянием на них третьего события C, находящегося в
пересечении областей абсолютного прошлого для А и B: при этом интервалы СА и СВ
времени подобны, АВ - пространственноподобен. Так, фазовая скорость
электромагнитной волны может превышать скорость света в вакууме, в результате
чего колебания поля в точках пространства-времени, разделённых
пространственноподобным интервалом, оказываются скоррелированными. В квантовой
механике состояния квантовых систем, разделённых пространственноподобным
интервалом, также не обязаны быть независимыми (см. Парадокс Эйнштейна -
Подольского - Розена). Однако эти примеры не противоречат ПП, поскольку
подобные эффекты невозможно использовать для сверхсветовой передачи
взаимодействия. Можно сказать, что ПП запрещает передачу информации со
сверхсветовой скоростью.
Принцип причинности - эмпирически установленный
принцип, универсальность которого неопровержима на сегодняшний день.
2. Простое сверхсветовое движение
.1 Солнечный зайчик, тени, ножницы
«Солнечный зайчик» или, например, точка
пересечения лезвий гильотинных ножниц может изменять положение со сверхсветовой
скоростью 
. Однако при этом
информация и энергия передаются в направлении, не совпадающем с направлением
движения «зайчика» (со скоростью меньшей или равной ),
а на ограничения,
упомянутые в разделе «Определение сверхсветовой скорости материальной точки»,
не распространяются.
Довольно интересно, что «зайчик», движущийся
быстрее света, возникает не только тогда, когда используется вращающийся
источник света с узким лучом и экран на очень большом расстоянии. Любая, в
частности плоская, световая волна с более или менее широким фронтом, падая на
экран под углом в принципе создает подобный зайчик (степень его выраженности,
впрочем, определяется тем, насколько резким является фронт волны), а отраженную
волну можно интерпретировать как черенковское излучение от зайчиков,
соответствующих каждому гребню падающей волны.
В этом смысле такие объекты, как световой
зайчик, вполне физичны. Их отличие от обычных только в том, что они не
переносят энергию или информацию с собой, то есть состояние зайчика в какой-то
момент и в каком-то месте не является причиной его состояния или вообще
появления затем в другом месте экрана.
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 её 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 несёт никакой информации о точке А.
Рис. 1 - Примеры сверхсветового движения
Подумайте, с какой скоростью может двигаться
тень? Если Вы создадите на далекой стене тень от своего пальца от близкой
лампы, а потом пальцем пошевелите, то тень задвигается гораздо быстрее пальца.
Если палец будет смещаться параллельно стене, то скорость тени будет в 
раз
больше скорости пальца, где 
- расстояние от
пальца до лампы, а 
- расстояние от
лампы до стены. А может получиться и еще большая скорость, если стена будет
расположена под углом. Если стена расположена очень далеко, то движение тени
будет отставать от движения пальца, так как свет должен будет еще долететь от
пальца до стены, но все равно скорость движения тени будет во столько же раз
больше. То есть, скорость движения тени не ограничена скоростью света.
Рис. 2 - Примеры сверхсветового движения: тень
Все это были примеры вещей, движущихся быстрее
света, но которые не являлись физическими телами. При помощи тени или зайчика
нельзя передать сверхсветовое сообщение, так что и общение быстрее света не
получается.
2.2 Фазовая скорость
Фазовая скорость - скорость перемещения точки,
обладающей постоянной фазой колебательного движения, в пространстве вдоль
заданного направления. Обычно рассматривают направление, совпадающее с
направлением волнового вектора, и фазовой называют скорость, измеренную именно
в этом направлении, если противное не указано явно (то есть если явно не
указано направление, отличное от направления волнового вектора). Фазовая
скорость по направлению волнового вектора совпадает со скоростью движения
фазового фронта (поверхности постоянной фазы). Ее можно рассматривать при
желании как векторную величину.
Наиболее употребительное обозначение: 
.
Строго говоря, понятие фазы применимо только при
описании гармонических или монохроматических (то есть синусоидальных 
или
являющихся мнимыми экспонентами 
) волн, а также -
приближенно - для волн близкой формы (например, почти монохроматических
волновых пакетов) или легко сводящихся к синусоидальным (например, сферических
волн вида 
), или, что менее
корректно, при описании периодических волн другой формы. Тем не менее, волну
(практически) любой формы с помощью преобразования Фурье можно представить как
сумму монохроматических волн, и тогда к каждой из этих волн понятие фазы и
фазовой скорости применимо вполне строго (впрочем, тогда у каждой
монохроматической волны в разложении будет, вообще говоря, своя фазовая
скорость, не совпадающая с другими; только в частных случаях они могут все
точно совпадать или быть близки).
Фазовая скорость 
вдоль
некоторого произвольно выбранного направления 
всегда
превышает фазовую скорость вдоль волнового вектора 
при
несовпадении направления с направлением
волнового вектора. А именно, если ось составляет
с волновым вектором угол 
, то
Поэтому, если 
(как,
например, у электромагнитных волн в вакууме), то оказывается
больше скорости света при любом ненулевом ,
меньшем 90 градусов (это часто реализуется при распространении волн в
волноводах, волновые векторы плоских волн, из которых они состоят, часто не
совпадают с осью волновода). И даже для любой волны (со сколь угодно малым
конечным 
)
можно в принципе подобрать α, столь
близкий к прямому, что фазовая скорость в таком направлении будет сколь угодно
большой, в том числе большей, чем .
Рис. 3 - Фазовая скорость вдоль направления,
отклонённого от волнового вектора на угол α
Кроме того, фазовая скорость и вдоль направления
волнового вектора нередко бывает больше .
Например, это верно для фазовой скорости волновой функции массивных частиц
(волн де Бройля). Фазовая скорость таких волн в соответствии с современными
представлениями не только не имеет отношения к скорости сигнала, который можно
передать с помощью данной частицы, но и вообще не соответствует никакому
принципиально наблюдаемому движению в пространстве. Скорости же частиц в этом
случае соответствует групповая скорость, которая у массивных частиц всегда
меньше .
Поскольку фазовая скорость является не более чем
математической величиной, характеризующей фазу чисто монохроматической волны
вдоль некоторого направления, движение фазы волны в общем случае не совпадает с
движением какого-то (причинно-связанного) материального объекта и не может быть
использована для передачи информации. В различных конкретных случаях аккуратный
анализ устанавливает этот факт. Скорость же передачи сигнала, способного
переносить информацию, как правило, определяется групповой скоростью.
2.3 Групповая скорость
Групповая скорость - это величина,
характеризующая скорость распространения «группы волн» - то есть более или
менее хорошо локализованной квазимонохроматической волны (волны с достаточно
узким спектром). Обычно интерпретируется как скорость перемещения максимума
амплитудной огибающей квазимонохроматического волнового пакета (или цуга волн).
В случае рассмотрения распространения волн в пространстве размерностью больше
единицы подразумевается как правило волновой пакет близкий по форме к плоской
волне.
Групповая скорость во многих важных случаях
определяет скорость переноса энергии и информации квазисинусоидальной волной.
Групповая скорость определяется динамикой
физической системы, в которой распространяется волна (конкретной среды,
конкретного поля). В большинстве случаев подразумевается линейность этой
системы (точно или приближенно).
Для одномерных волн групповая скорость
вычисляется из закона дисперсии:
,
где 
-
угловая частота, 
- волновое число.
Групповая скорость волн в пространстве
(например, трехмерном или двумерном) определяется градиентом частоты по
волновому вектору 
:
или (для трехмерного пространства):
,
,
.
Групповая скорость вообще говоря зависит от
волнового вектора (в одномерном случае - от волнового числа), то есть вообще
говоря различна для разной величины и для разных направлений волнового вектора.
В одномерных средах без дисперсии групповая
скорость формально совпадает с фазовой скоростью лишь в случае одномерных волн.
В диссипативных (поглощающих) средах групповая
скорость уменьшается с увеличением частоты в случае нормальной дисперсии
фазовой скорости и, наоборот, увеличивается в средах с аномальной дисперсией.
Если дисперсионные свойства среды таковы, что
волновой пакет распространяется в ней без существенных изменений формы своей
огибающей, групповая скорость обычно может быть интерпретирована как скорость
переноса «энергии» волны и скорость, с которой могут быть переданы с помощью
волнового пакета сигналы, несущие информацию, (то есть «скорость
распространения причинности»).
Идея групповой скорости, отличающейся от фазовой
скорости волны, впервые предложена Гамильтоном в 1839 году. Первое достаточно
полное рассмотрение сделано Рэлеем в его "Теории звука" в 1877.
2.4 Сверхсветовое движение в среде
Скорость света в среде всегда ниже скорости
света в вакууме. В то же время физические объекты могут двигаться в среде со
скоростью больше скорости света в среде, но меньше скорости света в вакууме.
Так происходит, например, в охлаждающей жидкости ядерного реактора, когда через
воду проходят электроны, выбитые гамма-квантами со своих орбит, со скоростью
больше скорости света в воде. При этом всегда возникает излучение Вавилова -
Черенкова.
В начале 30-х годов молодой аспирант Павел
Алексеевич Черенков начал изучать люминесценцию растворов солей урана,
облучаемых 
-квантами от
радиоактивного источника, содержащего несколько десятых долей грамма радия. Его
руководителем был известный в то время специалист по люминесценции Сергей
Иванович Вавилов. Люминесценция - это "холодное" свечение вещества
под действием внешнего облучения (например, ультрафиолетовыми или
рентгеновскими лучами), представляющее собой избыток над тепловым излучением и
имеющее длительность, значительно превышающую период световых колебаний.
Механизм люминесценции заключается в возбуждении атомов вещества внешним
источником и испускании ими света при переходе в основное состояние. Время
жизни атома в возбужденном состоянии может быть очень малым (миллиардные доли
секунды) или очень большим (несколько часов), но оно всегда конечно. Ко времени
опытов Черенкова основные закономерности люминесценции были установлены. Они
сводились к следующему:
интенсивность и спектральный состав люминесценции
зависят от типа вещества, его чистоты и температуры;
излучение происходит изотропно (равномерно во
все стороны);
даже малые примеси некоторых веществ могут
заметно уменьшить интенсивность люминесценции (так называемый эффект
"тушения", связанный с конечным временем жизни атома в возбужденном
состоянии и возможностью передать за это время энергию возбуждения молекуле
примеси, а не излучить ее в виде фотона).
Рис. 4 - Излучение Вавилова-Черенкова
сверхсветовой скорость
относительность теория
интенсивность и спектр излучения почти не зависят
от типа вещества, его чистоты и температуры;
излучение связано с движением в среде электронов
(это было установлено в специальных опытах, в которых сосуд с исследуемой
жидкостью помещали в магнитное поле);
излучение поляризовано и направлено вдоль пучка
электронов;
излучение имеет сплошной спектр, максимум
интенсивности приходится на синюю часть спектра;
излучение имеет пороговый характер; оно не
вызывается, например, рентгеновскими лучами с максимальной энергией 30 КэВ.
Основные проблемы в исследованиях Черенкова были
связаны с тем, что новое свечение оказалось очень слабым. Это сейчас существуют
фото умножители, позволяющие регистрировать отдельные фотоны, а в 30-х годах
наиболее чувствительным детектором света был человеческий глаз. Чтобы заметить
свечение даже с очень мощным по тем временам радиоактивным источником, Черенков
по часу - полтора адаптировался в полной темноте. За это время чувствительность
глаз возрастала в десятки тысяч раз, и можно было наблюдать весьма слабое
свечение. Чтобы не вносить в результаты измерений ошибок, связанных с быстрым
утомлением глаз, приходилось часто отдыхать, так что общая продолжительность
измерений не превышала 2,5 часов в сутки. За три года Черенков провел десятки
тончайших опытов.
Обнаруженное Черенковым свечение носит
универсальный характер в том смысле, что под действием излучения с достаточной
энергией должны "светиться" все прозрачные тела, а не только
жидкости. До Черенкова с радиоактивными источниками таких излучений работало
довольно много физиков. Что же, никто из них не наблюдал нового излучения?
Оказывается, наблюдали. И первой из них, скорее всего, была знаменитая Мария
Кюри, лауреат двух Нобелевских премий (по физике и химии), которая заметила
голубое свечение бутылей с концентрированными растворами радия. В 1926 году
французский физик Малле обратил внимание на голубой цвет прозрачных веществ,
расположенных рядом с радиоактивными источниками. Он даже определил спектр
свечения и указал на некоторые его отличия от люминесценции. Но Малле не довел
своих исследований до конца, не попытался объяснить обнаруженное им излучение.
Поэтому его работам (возможно, незаслуженно) не придали особого значения.
Первую интерпретацию результатов опытов
Черенкова дал С.И. Вавилов в том же номере "Докладов Академии наук СССР",
где была опубликована первая статья П.А. Черенкова. С.И. Вавилов справедливо
считал, что обнаруженное излучение есть излучение движущегося в среде
электрона, а не атомов среды, но при этом полагал, что оно связано с
торможением электронов при их взаимодействии с атомами среды: ведь из
классической электродинамики было хорошо известно, что заряд, движущийся с
ускорением, излучает. Однако простая гипотеза С.И. Вавилова не могла объяснить
всей совокупности экспериментальных фактов, в частности интенсивности излучения
и его слабой зависимости от атомного номера атомов среды, и ее пришлось
отбросить.
Правильное объяснение оказалось еще проще и
очень красивым. Оно было дано только через три года после первой публикации
П.А. Черенкова и принадлежало Игорю Евгеньевичу Тамму и Илье Михайловичу
Франку, которые показали, что заряженная частица, движущаяся в среде равномерно
и прямолинейно со скоростью, превышающей скорость распространения света в
данной среде, порождает излучение Черенкова.
До публикации работы И.Е. Тамма и И.М. Франка в
1937 году считалось, что заряд, движущийся с постоянной скоростью, не может
излучать. Но при этом предполагалось, что скорость движения заряда не может
превышать скорость распространения света. Но последнее утверждение справедливо только
для вакуума. Действительно, в вакууме, согласно теории относительности,
скорость распространения света 
м/с является
максимальной скоростью, и всегда 
,
где 
-
скорость движения частицы. Другое дело - вещество. Как хорошо известно, в
веществе с показателем преломления 
скорость
света равна 
и возможно
выполнение условия 
без противоречия с
теорией относительности.
После работ Черенкова, Тамма и Франка начался
лавинообразный рост числа экспериментальных и теоретических исследований в этой
области. В частности, В.Л. Гинзбург создал квантовую теорию излучения
"сверхсветового" заряда. Были разработаны новые методы регистрации
элементарных частиц, использующие черенковское излучение. Признанием выдающейся
роли Черенкова, Тамма и Франка в обнаружении и объяснении излучения заряда,
движущегося в веществе с постоянной сверхсветовой скоростью, явилось
присуждение им в 1958 году Нобелевской премии - самой престижной научной премии
в мире.
Широкое практическое использование черенковского
излучения началось после создания высокочувствительных детекторов света -
фотоэлектронных умножителей (сокращенно ФЭУ). Оно применяется в основном для
регистрации релятивистских частиц в физике высоких энергий и космических лучах
при помощи черенковских счетчиков.
Рис. 5 - Излучение Вавилова - Черенкова в
охлаждающей жидкости ядерного реактора
3. Общая теория относительности
.1 Расширение Вселенной
Расширение Вселенной - явление, состоящее в
почти однородном и изотропном расширении космического пространства в масштабах
всей Вселенной. Экспериментально расширение Вселенной наблюдается в виде
выполнения закона Хаббла. Началом расширения Вселенной наука считает так
называемый Большой взрыв. Теоретически явление было предсказано и обосновано А.
Фридманом на раннем этапе разработки общей теорией относительности из
общефилософских соображений об однородности и изотропности Вселенной.
Звездное небо над головой долгое время было для
человека символом вечности. Лишь в Новое время люди осознали, что «неподвижные»
звезды на самом деле движутся, причем с огромными скоростями. В ХХ в.
человечество свыклось с еще более странным фактом: расстояния между звездными
системами - галактиками, не связанными друг с другом силами тяготения,
постоянно увеличиваются.
И дело здесь не в природе галактик: сама
Вселенная расширяется! Естествознанию пришлось расстаться с одним из своих
основополагающих принципов: все вещи меняются в этом мире, но мир в целом
всегда одинаков. Это можно считать важнейшим научным событием ХХ в.
Все началось, когда Альберт Эйнштейн создал
общую теорию относительности. В ее уроках описаны фундаментальные свойства
материи, пространства и времени.
Применив свою теорию ко Вселенной как целой
системе, Эйнштейн обнаружил, что такого решения, которому соответствовала бы не
меняющаяся со временем Вселенная, не получается.
Чтобы добиться стационарного решения своих
уравнений, Эйнштейн ввел в них дополнительное слагаемое - так называемый
лямбда-член. Однако до сих пор никто не смог найти какого-либо физического
обоснования этого дополнительного члена.
В начале 20-х годов советский математик А. А.
Фридман решил для Вселенной уравнения общей теории относительности, не
накладывая условия стационарности. Он доказал, что могут существовать два состояния
для Вселенной: расширяющийся мир и сжимающийся мир.
Все эти теоретические рассуждения никак не
связывались учеными с реальным миром, пока в 1929 г. американский астроном
Эдвин Хаббл не подтвердил расширения видимой части Вселенной. Он использовал при
этом эффект Доплера. Линии в спектре движущегося источника смещаются на
величину, пропорциональную скорости его приближения или удаления, поэтому
скорость галактики всегда можно вычислить по изменению положения ее
спектральных линий.
Еще во втором десятилетии ХХ в. американский
астроном Весто Слайфер, исследовав спектры нескольких галактик, заметил, что у
большинства из них спектральные линии смещены в красную сторону. Это означало,
что они удаляются от нашей Галактики со скоростями в сотни километров в
секунду.
Хаббл определил расстояние до небольшого числа
галактик и их скорости. Из его наблюдений следовало, что чем дальше находится
галактика, тем с большей скоростью она от нас удаляется. Закон, по которому
скорость удаления пропорциональна расстоянию, получил название закона Хаббла.
Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания
галактик) - эмпирический закон, связывающий красное смещение галактик и
расстояние до них линейным образом:
,
где 
-
красное смещение галактики, - расстояние до
неё, 
-
коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла. При малом
значении выполняется
приближённое равенство 
, где 
-
скорость галактики вдоль луча зрения наблюдателя, -
скорость света. В этом случае закон принимает классический вид:
.
С помощью этого закона можно рассчитать так
называемый Хаббловский возраст Вселенной:
.
Этот возраст является характерным временем
расширения Вселенной на данный момент и с точностью до множителя 2 соответствует
возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели
Фридмана.
История открытия закона.
В 1913-1914 годах американский астроном Весто
Слайфер установил, что Туманность Андромеды и ещё более десятка небесных
объектов движутся относительно Солнечной системы с огромными скоростями
(порядка 1000 км/сек). Это означало, что все они находится за пределами
Галактики (ранее многие астрономы полагали, что туманности представляют собой
формирующиеся в нашей Галактике планетные системы). Другой важный результат:
все исследованные Слайфером туманности, кроме 3, удалялись от Солнечной
системы. В 1917-1922 годах Слайфер получил дополнительные данные,
подтвердившие, что скорость почти всех внегалактических туманностей направлена
прочь от Солнца. Артур Эддингтон на основе обсуждавшихся в те годы
космологических моделей Общей теории относительности предположил, что этот факт
отражает общий природный закон: Вселенная расширяется, и чем дальше от нас
астрономический объект, тем больше его относительная скорость.
Вид закона для расширения Вселенной был
установлен экспериментально для галактик бельгийским учёным Жоржем Леметром в
1927, а позже - Э. Хабблом в 1929 с помощью 100-дюймового телескопа, который
разрешает ближайшие галактики на звезды. Среди них были цефеиды, используя
зависимость «период-светимость» которых, Хаббл измерил расстояние до них, а
также красное смещение галактик, позволяющее определить их радиальную скорость.
Полученный Хабблом коэффициент
пропорциональности составлял около 500 км/с на мегапарсек. Современное значение
составляет 74,2 ± 3,6 км/с на мегапарсек. Столь существенную разницу
обеспечивают два фактора: отсутствие поправки нуль-пункта зависимости
«период-светимость» на поглощение (которое тогда ещё не было открыто) и
существенный вклад собственных скоростей в общую скорость для местной группы
галактик.
С точки зрения классической механики, закон
Хаббла можно наглядно объяснить следующим образом. Когда-то давно Вселенная
образовалась в результате Большого взрыва. В момент взрыва различные частицы
материи (осколки) получили различные скорости. Те из них, которые получили
большие скорости, соответственно успели к настоящему моменту улететь дальше,
чем те, которые получили меньшие скорости. Если провести численный расчёт, то
окажется, что зависимость расстояния от скорости оказывается линейной. Кроме
того, получается, что эта зависимость одна и та же для всех точек пространства,
то есть, по наблюдениям за разлетающимися осколками нельзя найти точку взрыва:
с точки зрения каждого осколка, именно он находится в центре. Однако, несмотря
на такую наглядность, следует помнить, что расширение Вселенной должно
описываться не классической механикой, а общей теорией относительности.
Первое замечание касается того, учитывается ли
при наблюдениях тот факт, что из-за того, что свет идёт от галактик миллионы
лет, мы наблюдаем их в прошлом. В результате, поскольку они удаляются от нас, в
настоящий момент они должны находиться уже дальше. Из графика Хаббла видно, что
наибольшие скорости галактик, рассмотренных Хабблом, составили до 1000 км/с. В
принципе это большая скорость, но за время движения света от них до Земли они
всё равно успели сдвинуться лишь на незначительный процент общего расстояния.
Рис. 6 - График из оригинальной работы Хаббла
1929 года
Второе замечание заключается в том, что
расширение Вселенной не является простым разлётом галактик в пустом
пространстве. Оно заключается в динамическом изменении самого пространства.
Непонимание этого факта часто заставляет делать неверные заключения авторов
даже серьёзной литературы. Например, часто говорят, что скорость убегания
галактик не должна превышать скорость света и потому на тех расстояниях, где
это должно наблюдаться, должны наблюдаться и отклонения от закона Хаббла. Это
не так: согласно общей теории относительности, должны существовать и
наблюдаться галактики, убегающие быстрее света.
В процессе расширения, если оно происходит
равномерно, постоянная Хаббла должна уменьшаться, и индекс «0» при её
обозначении указывает на то, что величина относится
к современной эпохе. Величина, обратная постоянной Хаббла, должна быть в таком
случае равна времени, прошедшему с момента начала расширения, то есть возрасту
Вселенной.
Значение определяется
по наблюдениям галактик, расстояния до которых измерены без помощи красного
смещения (прежде всего, по ярчайшим звёздам или цефеидам). Большинство
независимых оценок дают для этого
параметра значение 70-80 км/с на мегапарсек. Это означает, что галактики,
находящиеся на расстоянии 100 мегапарсек, удаляются от нас со скоростью
7000-8000 км/с. В настоящее время наиболее надёжной (хотя и модельно зависимой)
считается оценка =(74,2 ± 3,6)
км/с/Мпк.
Проблема оценки осложняется
тем, что, помимо космологических скоростей, обусловленных расширением
Вселенной, галактики ещё обладают собственными (пекулярными) скоростями,
которые могут составлять несколько сотен км/с (для членов массивных скоплений
галактик - более 1000 км/с). Это приводит к тому, что закон Хаббла плохо
выполняется или совсем не выполняется для объектов, находящихся на расстоянии
ближе 10-15 млн св. лет, то есть как раз для тех галактик, расстояния до
которых наиболее надёжно определяются без красного смещения.
Закон Хаббла плохо выполняется и для галактик на
очень больших расстояниях (в миллиарды св. лет), которым соответствует величина
z > 1. Расстояния до объектов с таким большим красным смещением теряют
однозначность, поскольку зависят от принимаемой модели Вселенной и от того, к
какому моменту времени они отнесены. В качестве меры расстояния в этом случае
обычно используется только красное смещение.
В наше время наблюдениями, говорящими в пользу
существования тёмной энергии, были, по-видимому, обнаружены отклонения от
линейного закона Хаббла (как связи наблюдаемого красного смещения с
расстоянием). Было обнаружено, что, по-видимому, наша Вселенная расширяется с
ускорением. Этот факт не отменяет закона Хаббла, если его понимать как
зависимость от расстояния в данный конкретный момент времени, то есть если
учесть, что далёкие объекты мы наблюдаем в прошлом.
3.2 Двигатель Алькубьерре
Мало найдется таких научно-фантастических
романов о путешествиях в Космосе, где звездолет не был бы снабжен
"гиперпространственным двигателем". Двигатель каким-то образом так
искривляет пространство, что далекие звезды оказываются близко и долететь до
них можно за пару часов. До недавних пор считалось, что такие трюки
несовместимы с фундаментальными законами физики, однако сейчас, кажется, все
меняется.
В майском номере за 1994 год научного журнала
"Классическая и квантовая гравитация" английский физик испанского
происхождения Мигель Алькубьерре (сам, по его признанию, большой любитель
фантастики) описал принцип сверхскоростного полета, сильно напоминающий выдумки
фантастов. Реализовав его на практике, можно сколь угодно быстро попасть в
любую точку Вселенной.
Создание двигателя Алькубьерре становится
возможным благодаря некоторым тонкостям общей теории относительности Эйнштейна,
Согласно Эйнштейну, пространство-время ("сплав" трех измерений
пространства с четвертым измерением - временем) является не инертным, а
довольно динамичным образованием. Под влиянием концентраций энергии
пространство-время может сжиматься и искривляться. Как предполагает
Алькубьерре, это его свойство можно использовать для межзвездных полетов со
скоростью выше скорости света. Для этого достаточно создать в
пространстве-времени такое нарушение, при котором оно будет перед звездолетом
сжиматься, а позади него расширяться. Такое искажение будет на самом деле
толкать звездолет вперед.
На первый взгляд, такой вывод противоречит
специальной теории относительности, по которой ничто материальное не может
двигаться быстрее света. Иначе возникал бы парадокс причинности, при котором
человек мог бы изменить свое прошлое. Но Алькубьерре уверен, что его двигатель
не ведет к таким нарушениям. Дело в том, что свет тоже движется в
пространстве-времени, и это пространство-время так же несет его вперед, как оно
несет корабль. По отношению к кораблю луч света продолжает лететь со скоростью
света, а корабль не ускоряется по отношению к тому участку
пространства-времени, который непосредственно его окружает.
Хотя двигатель Алькубьерре не приводит к
нарушению принципа причинности, все же может возникнуть опасение за здоровье
пилота и пассажиров корабля. Чтобы за несколько мгновений попасть к отдаленной
звезде и вернуться обратно, путешественникам пришлось бы подвергнуться очень
большим ускорениям. Но вспомним, что в общей теории относительности ускорение
относительно. Хотя для наблюдателя на Земле ускорение такого корабля будет
огромным, для самих космических путешественников оно окажется нулевым!
Путешественники при этом будут находиться в невесомости, как космонавты на
околоземной орбите.
Алькубьерре доказывает, что путешествующие на
его космическом корабле не претерпят растяжения времени. Согласно одному из
следствий специальной теории относительности Эйнштейна, время течет с разной
скоростью для наблюдателей, движущихся по отношению друг к другу. Возьмем двух
космонавтов, А и В, отправляющихся в туманность Андромеды - огромную галактику,
удаленную примерно на два миллиона световых лет от нас, Космонавт А летит на
звездолете с двигателем Алькубьерре, а космонавт В - на старомодном звездолете,
который будет всю дорогу развивать ускорение, равное земному ускорению
свободного падения. Скорость В почти всю дорогу будет около световой. Благодаря
растяжению времени космонавт В переживет весь полет, состарившись на 60 лет. Но
так как галактика удалена от Земли на 2 миллиона световых лет, то на Земле за
это время пройдет более 4 миллионов лет. Космонавт А проделает весь путь туда и
обратно за один день.
Чего же не хватает для создания такого
двигателя? Так называемой экзотической материи. Это же, пока лишь теоретически
обоснованное, но никогда не наблюдавшееся в природе вещество необходимо и для
создания машины времени. Экзотическая материя, в отличие от нормальной,
окружающей нас, обладает отрицательной плотностью энергии. Два тела из обычной
материи, с энергетической плотностью одинакового знака, притягиваются одно к
другому силой гравитации. Так же ведут себя и два тела из экзотической материи,
а два тела из материи с разными знаками энергетической плотности будут
отталкиваться одно от другого. Именно отрицательная энергетическая плотность
экзотической материи и движет звездолет.
Отрицательное вещество должно обладать очень
необычными свойствами; к примеру, оно должно быть легче пустоты. Более того,
оно должно летать. Если отрицательное вещество существовало в начале времен, то
при рождении Вселенной оно должно было уйти в глубины пространства. В отличие
от метеоритов, которые при случае обрушиваются на планеты под действием сил
притяжения, отрицательное вещество должно убегать от планет. Его должны
отталкивать, а не притягивать любые крупные тела, такие как звезды или планеты.
Поэтому, хотя отрицательное вещество вполне может существовать в
действительности, обнаружить его можно, скорее всего, только в глубоком космосе
- и уж точно не на Земле.
В одном из проектов поиска отрицательного
вещества в открытом космосе предлагается воспользоваться явлением, известным
как линза Эйнштейна. Когда свет проходит мимо звезды или галактики, его
траектория искажается под действием гравитационных сил в соответствии с общей
теорией относительности. В 1912 г. Эйнштейн предсказал, что галактика может
работать как линза телескопа. Свет отдаленного объекта, огибая близлежащую
галактику, как если бы это была линза, собирается за ней в пучок и образует
характерную интерференционную картину из концентрических окружностей. В таком
виде он доходит и до Земли. В настоящее время подобные явления называют
кольцами Эйнштейна.
Первая линза Эйнштейна была обнаружена
астрономами в космосе в 1979 г. С тех пор подобные объекты успели стать для
астрономов незаменимым инструментом. Вот лишь один пример. Когда-то считалось,
что невозможно обнаружить в космосе скрытую массу (скрытая масса, известная
также как темная материя - загадочная невидимая, но вполне массивная
субстанция. Она окружает галактики и, возможно, во Вселенной ее раз в десять
больше, чем обычной видимой материи). Но ученые NASA сумели составить карты
распределения в пространстве скрытой массы, так как она отклоняет свет при
прохождении через нее точно так же, как стекло искривляет свет.
Теоретически, линзы Эйнштейна должны помочь
ученым в поисках отрицательного вещества и кротовых нор. Они должны
определенным образом искажать траекторию света - и космический телескоп имени
Хаббла должен быть в состоянии зарегистрировать такие искажения. До сих пор не
удалось обнаружить ни отрицательного вещества, ни кротовых нор, но поиски
продолжаются.
На рисунке, смотрите в низу, выполненном самим
Мигелем Алькубьерре, показано возмущение пространства-времени, которое будет
создавать его двигатель. На гребне этого возмущения корабль движется в
направлении, указанном стрелкой. Перед кораблем пространство сжимается, делая
доступными самые дальние звезды, позади расширяется, унося корабль все дальше
от Земли.
Рис. 7 - Возмущение пространства-времени,
которое будет создавать двигатель Алькубьерре
Возможность существования вещества с таким
свойством предсказал еще в 1948 году голландский физик Хендрик Казимир. Он же
рассчитал, что если отрицательная плотность энергии возможна, то две
параллельные пластины из проводящего материала, помещенные в вакуум, должны
чуть-чуть притягиваться друг к другу В 1958 году это явление было обнаружено в
лаборатории и названо эффектом Казимира. Возможность существования экзотической
материи предусматривается и в современной теории расширения Вселенной.
4. Гипотезы
.1 Сверхсветовые частицы
Частицы, движущиеся со скоростями, большими, чем
скорость света, принято сейчас называть тахионами - от греческого слова
«тахис», что означает «быстрый», «стремительный». Досконально изучить свойства
таких частиц можно будет, конечно, лишь после того, как их откроют в
эксперименте. Однако некоторые особенности этих частиц можно предсказать
теоретически, на основе уже известных нам физических законов. Один из таких
законов - взаимозависимость массы и скорости частиц.
Рис. 8 - Так выглядит объект сферической формы,
движущийся быстрее света (то есть так мог бы выглядеть тахион или тело,
состоящее из тахионов, если бы он/оно могли бы излучать или отражать свет)
При обычных условиях этот эффект чрезвычайно
мал, и мы просто не замечаем, однако если скорость тела становится сравнимой со
скоростью света, то масса тела начинает расти, и дальнейшее увеличение скорости
требует затрат все большей и большей энергии. Образно говоря, приближаться к
световому барьеру частице так же трудно, как трудно подниматься на крутую гору
путнику, у которого за плечами рюкзак, тяжелеющий с каждым метром подъема.
Чтобы достичь скорости света, разгоняя, например, легкие электроны, пришлось бы
затратить бесконечно большое количество энергии.
Это, казалось бы, исключает надежды на открытие
сверхсветовых частиц, но в действительности отсюда следует лишь невозможность
превращения обычных, до световых частиц в тахионы путем непрерывного увеличения
скорости. Подобно тому, как нейтрино и кванты света, фотоны, уже при самом их
рождении обладают скоростью света, тахионы должны иметь сверхсветовую скорость
с самого момента рождения. Это означает, что тахионы - частицы совершенно
нового типа, они никогда не переходят через световой барьер на нашу до световую
(по скорости) сторону. Они рождаются, живут и исчезают в процессах распада и
поглощения, всегда имея скорость больше скорости света.
Если электрон, протон или какая-либо другая
заряженная частица движется в среде со скоростью больше так называемой фазовой
скорости света (равной С, поделенному на показатель преломления среды), то в
этой среде возникает своеобразное электромагнитное излучение, названное
излучением Вавилова-Черенкова. Тахионы, видимо, должны вызывать такое излучение
всегда - не только в любой среде, но и в вакууме, поскольку скорость тахиона
всегда больше скорости света.
Черенковское излучение уменьшает энергию тахиона
и, следовательно, увеличивает его скорость. Другими словами, тахионы обладают
способностью самоускоряться. Расчеты показывают, что тахионы должны терять
почти всю свою энергию и становиться безынерционными объектами с практически
бесконечной скоростью, пройдя от точки своего рождения всего лишь сотые доли
миллиметра.
Правда, не все физики согласны с этим выводом.
Некоторые из них, основываясь на теории относительности, доказывают, что
черенковского излучения в вакууме тахионы все же не должны возбуждать. Однако
не известно, насколько правомочны постулаты теории относительности при
сверхсветовых скоростях.
Одна из основных проблем, связанных с тахионами
- это нарушение причинности, появляющееся, по крайней мере, при наивном
рассмотрении (когда тахион уподобляется обычному «шарику», движущемуся быстрее
света, который мы в принципе можем по своему желанию испускать, передавая с ним
быстрее света энергию и информацию (направленные сигналы)).
Вторая проблема - это свойство нестабильности
тахионных полей ((гипотетические поля, соответствующие описанной частице,
называются тахионными полями), (необычный знак массового члена приводит к
неограниченному - экспоненциальному росту мод тахионного поля с небольшими
пространственными частотами, что приводит к хаосу или вообще к ситуации,
маскирующей ожидаемые эффекты (например, распространение волновых пакетов)),
что, с другой стороны, может способствовать устранению проблемы нарушения
причинности).
Часто утверждалось, что тахионы вообще не могут
передавать информацию, иначе их наличие противоречило бы принципу причинности.
Предпринимались попытки по-разному обосновать невозможность передачи информации
тахионами, например, принципиальной нелокализуемостью тахиона, или невозможностью
отличить его воздействие, вызванное намеренно возбужденной волной от его
спонтанной случайной флуктуации, связанной с его неустойчивостью. Чтобы
тахионное поле вообще не могло передавать информацию для этого следует
потребовать лишь невозможности передавать информацию быстрее света: то есть,
возможно, у тахионного поля могут существовать как типы возбуждений,
двигающиеся быстрее света (и они не могут переносить с собой информацию), так и
двигающиеся не быстрее света (последние переносить информацию могут).
В современной физике как трудности, связанные с
гипотетическими тахионными полями, так и возможные преимущества, которые можно
было бы извлечь из использования тахионных полей, уже вряд ли выглядят
связанными с возможностью нарушения причинности или передачи информации быстрее
света. Практически все поля, у которых происходит спонтанное нарушение
симметрии, являются в некотором смысле тахионными. Конечно, они несколько
отличаются от простейшего тахионного поля в чистом виде (отличаются тем, что
кроме массового члена, порождающего неустойчивость, они содержат, так или
иначе, нелинейный член, ограничивающий беспредельный рост поля. Из-за этой
неустойчивости, приводящей к наличию, кроме неустойчивого - дополнительных
устойчивых равновесных состояний).
Могут ли вообще частицы со столь необычными
свойствами взаимодействовать с обычным, до световым веществом? Некоторые физики
считают, что не могут. Если это так, то тахионы представляют собой
ненаблюдаемые объекты, а до световой и сверхсветовой миры оказываются оторванными
один от другого - у них просто нет точек соприкосновения.
Если же допустить, что между тахионами и обычным
веществом возможно взаимодействие, то тахионы, как и античастицы, должны
рождаться в реакциях, происходящих при столкновениях до световых частиц. И если
так, то можно попытаться зафиксировать их с помощью приборов.
В двух недавних экспериментах удалось заметить
эффекты, которые можно приписать сверхсветовым частицам.
Английские физики Р. Клай и П. Кроух изучали
распространение ливней вторичных частиц, образуемых в земной атмосфере
высокоэнергетическими частицами космического излучения. Исследовали 1307 ливней
- наиболее интенсивных, которые образованы космическими частицами с энергией,
по крайней мере, в десять тысяч раз больше той, которую можно получить с
помощью самых мощных современных ускорителей. Лавина частиц, образующих фронт
такого ливня, движется со скоростью, близкой к скорости света, и дает
отчетливый импульс в регистрирующих приборах на поверхности Земли.
Во время этой работы детектирующие устройства
зафиксировали частицы, значительно опережающие фронтальный импульс. Число таких
частиц оказалось намного больше возможных статистических погрешностей
эксперимента.
Результаты этого опыта проще всего объяснимы,
если допустить, что среди ливневых частиц были частицы, движущиеся со
сверхсветовыми скоростями. Они опережают лавину ливневых частиц и первыми
попадают в регистрирующие устройства. Можно, конечно, предложить и другие
объяснения наблюдаемого эффекта, но во всех других объяснениях количество
дополнительных допущений и предположений оказалось намного больше.
Совсем иной метод применили для поиска тахионов
американские физики А. Глисон, М. Гундцик и Е. Сударман. Они предположили, что
тахионы сильно взаимодействуют с протонами, мезонами и другими частицами, но
время жизни тахионов чрезвычайно мало. Поэтому тахионы могут лишь на очень
короткое время появляться в процессах взаимодействия до световых частиц и сразу
же поглощаться этими частицами (или же исчезать в результате распада).
Теория допускает, что появление тахионов при
взаимодействии до световых частиц приведет к определенным и характерным
искажениям в спектрах распределения ядерных частиц по импульсам и углам
разлета. Более того, положение и форма этих искажений зависят от времени жизни,
массы, электрического заряда и других характеристик тахионов.
При изучении экспериментальных распределений
рассеянных частиц в ядерных реакциях действительно были обнаружены аномалии,
которые хорошо объясняются, если допустить, что сталкивающиеся частицы
обмениваются заряженными и нейтральными тахионами с массой, несколько
превышающей массу протона, и временем жизни около 
сек.
Эти аномалии не зависят от энергии сталкивающихся частиц и наблюдаются во
многих реакциях. Интерпретировать их в рамках современной теории, не
учитывающей тахионы, довольно сложно.
Конечно, и опыты Клая с Кроухом, и результаты,
полученные американскими физиками, еще нельзя считать доказательством
существования сверхсветовых частиц. Для однозначного ответа нужны значительно
более полные экспериментальные данные и их всесторонний теоретический анализ.
Так, в одном из опытов регистрировали случаи
поглощения тахиона протоном или электроном. Первоначально покоившиеся частицы
должны были получить от тахионов импульсы. Опыты проводили глубоко под землей,
при практически полном отсутствии фона космических лучей. Точность измерений
была очень высокой. Тем не менее, не удалось обнаружить ни одного случая
поглощения тахионов. Последовал вывод о том, что если тахионы существуют, то их
взаимодействие с до световым веществом исключительно слабо - приблизительно в 
раз
слабее, чем взаимодействие протона с электроном. Но возможна другая, более
логичная интерпретация результатов: если нет специальных источников тахионов,
плотность их очень мала, как мала, например, плотность световых квантов в
темной комнате.
Таким образом, ответ на вопрос, существуют ли в
природе тахионы, пока не получен.
4.2 Эффект Шарнхорста
Эффект Шарнхорста - гипотетический опыт, в
котором световой сигнал может двигаться между двумя близко расположенными
пластинами быстрее скорости света. Явление предсказано Клаусом Шарнхорстом из
Гумбольдтского университета (Германия) и Гэбриэлом Бартоном из университета Сассекса
(Англия).
В соответствии с принципом неопределённости
Гейзенберга пустое пространство, считающееся полным вакуумом, на самом деле
заполнено виртуальными субатомными частицами, называемыми вакуумными
флуктуациями. Когда фотон движется в вакууме, он взаимодействует с этими
виртуальными частицами и при поглощении может породить пару электрон-позитрон.
Эта пара нестабильна и быстро аннигилирует (аннигиляция - реакция превращения
частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные
от исходных) с испусканием фотона, аналогичного поглощённому. По оценке время
существования энергии фотона в виде пары электрон-позитрон заметно снижает
наблюдаемую скорость фотона в вакууме, так как фотон превращается в частицы с
до световой скоростью. На основе этого вывода было сделано предположение, что
скорость фотона увеличится при движении между пластинами Казимира. Из-за
ограниченного пространства между пластинами некоторые виртуальные частицы,
существующие в вакууме, будут иметь длины волн, превышающие расстояние между
пластинами. Вследствие этого плотность виртуальных частиц между пластинами
будет меньше, чем плотность виртуальных частиц снаружи. Таким образом, фотон,
движущийся между пластинами, будет тратить меньше времени на взаимодействие с
виртуальными частицами, снижающими его скорость. Конечным результатом станет
увеличение скорости фотона, и чем ближе будут располагаться пластины, тем выше
будет скорость света. Однако предсказанный эффект будет минимальным. Фотон,
проходящий между двумя пластинами, расположенными на расстоянии 1 мкм, увеличит
скорость на 
. Такое изменение
скорости слишком мало для обнаружения существующими приборами, что не позволяет
обнаружить эффект Шарнхорста в настоящее время.
Существование фотонов, движущихся быстрее
скорости света, поставлено под сомнение, так как это может нарушить
причинно-следственные связи, так как при этом информация распространяется
быстрее скорости света. Однако несколько авторов указывают, что эффект Шарнхорста
не может привести к причинно-следственным парадоксам.
5. Эксперименты
.1 Коллаборация OPERA
(Oscillation Project with Emulsion-tRacking
Apparatus) - эксперимент по изучению нейтринных осцилляций (нейтринные
осцилляции - превращения нейтрино (электронного, мюонного или тау-онного) в
нейтрино другого сорта (поколения), или же в антинейтрино.). Он направлен на
доказательство гипотезы превращения одних типов нейтрино (электронные, мюонные
и тау-нейтрино) в другие. Нейтрино - нейтральная фундаментальная частица с
полуцелым спином, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях,
и относящаяся к классу лептонов. В 2010 году в рамках эксперимента были
получены прямые доказательства того, что мюонные нейтрино могут превращаться в
тау-нейтрино.
Для эксперимента используется пучок мюонных
нейтрино, создаваемый протонным суперсинхротроном (SPS) ЦЕРН в Женеве
направленный в подземную лабораторию Гран-Сассо (LNGS), где находится детектор
OPERA, использующийся в первую очередь для выявления тау-нейтрино появляющихся
от осцилляций мюонных нейтрино. Путь в 732 километра от ЦЕРН до лаборатории
Гран-Сассо занимает у частиц 3 миллисекунды. Детектор проекта OPERA состоит из
примерно 150 тысяч элементов общей массой 1300 тонн: свинцовых пластин
прослоенных эмульсионной плёнкой весом 8,3 кг каждая. Кроме них аппарат
комплектуется электронными детекторами и другой вспомогательной
инфраструктурой. Его сооружение было начато в 2003 году и завершено
весной-летом 2008 года. В данный момент эксперимент в своей активной фазе.
В проекте OPERA принимают участие примерно 200
физиков из 36 институтов и 13 стран, в том числе и из России.
Рис. 9 - Детектор OPERA
сентября 2011 года в архиве электронных
препринтов появился препринт статьи, в которой авторами анализируются возможные
причины, приводящие к сверхсветовой скорости перемещения нейтрино от источника
до детектора. Однозначной трактовки полученных результатов нет. За несколько
недель было опубликовано несколько десятков работ, посвященных данному
наблюдению. Например, в одной из работ высказано предположение, что
«сверхсветовая скорость» была вызвана неучтенными релятивистскими эффектами
движения спутников GPS относительно пучка нейтрино.
Позднее эксперимент был повторен тем же проектом
на той же установке с измененной методикой: нейтрино отправлялись короткими
импульсами длительностью 3 нс с интервалом в 524 нс, в результате чего было
достоверно зарегистрировано 20 нейтрино. Измерение их скорости подтвердило
первоначальные предположения об их движении со сверхсветовой скоростью.
В феврале 2012 года удалось выявить некоторые
предполагаемые аппаратные ошибки в работе использованного нейтринного детектора
OPERA. Однако, это не прояснило ситуацию окончательно, поскольку у этих
погрешностей было разноимённое (в плюс и минус) влияние, а их точная величина -
не установлена. Первый возможный источник погрешности - осциллятор, который
используется для получения метки времени для синхронизации с GPS, что может
привести к переоценке времени полёта нейтрино. Второй - оптический разъём
волокна, которое передаёт сигнал GPS на часы OPERA. Его неправильная работа,
вероятно, приводит к недооценке времени полёта нейтрино.
Повторные опыты были проведены в рамках
эксперимента ICARUS. Этот детектор нейтрино также расположен в лаборатории
Гран-Сассо и также способен ловить частицы, посылаемые из ЦЕРНа. Результаты
опытов с короткими пучками частиц на ICARUS показали, что нейтрино достигли
детектора в точном соответствии с теорией, то есть они не двигались быстрее
света в вакууме.
Рис. 10 - Схема эксперимента, система
синхронизации и карта, на которой показаны расположение ЦЕРН, Гран-Сассо и
траектория движения нейтрино
В марте 2012 года в том же тоннеле были
проведены независимые измерения, и сверхсветовых скоростей нейтрино они не
обнаружили. Семь нейтринных событий были зарегистрированы 31 октября, 1, 2 и 4
ноября. По анализу коллаборации ICARUS среднее отклонение по этим семи событиям
составляло всего +0,3 нс от расчётного прибытия света. ICARUS оборудован
независимым от OPERA инструментом для замера времени.
Информация же, изложенная в различных СМИ,
получилась излишне сенсационной и упрощённой, а результаты искажёнными и
отрывочными. В частности, в результате политизации ситуации и давления со
стороны СМИ, некоторым учёным, как к примеру руководителю коллаборации OPERA
Антонио Эредитато, пришлось подать в отставку, несмотря на то, что большая
часть коллаборации в ходе голосования выступила против отставки. Помимо этого руководители
ЦЕРНа неоднократно подчёркивали, что с точки зрения научной этики коллаборация
действовала безупречно.
Заключение
Работы последних лет показывают, что при
определённых 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 продемонстрировать преодоление светового барьера именно для сигналов.
Причина этого кроется в том, что в специальной теории относительности нет
строгого математического обоснования невозможности передачи сигналов со
скоростью больше скорости света. Такая невозможность в СТО устанавливается,
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.
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.
В заключение следует подчеркнуть, что всё
вышеизложенное относится именно к нашему миру, к нашей Вселенной. Такая
оговорка сделана потому, что в последнее время в астрофизике и космологии
появляются новые гипотезы, допускающие существование множества скрытых от нас
Вселенных, соединённых топологическими туннелями-перемычками. Для внешнего
наблюдателя входы в эти туннели обозначаются аномальными полями тяготения,
подобно чёрным дырам. Перемещения в таких туннелях, как предполагают авторы
гипотез, позволят обойти ограничение скорости движения, накладываемое в обычном
пространстве скоростью света, и, следовательно, реализовать идею о создании
машины времени… Не исключено, что в подобных Вселенных действительно могут
происходить необычные для нас вещи. И хотя пока что такие гипотезы слишком уж
напоминают сюжеты из научной фантастики, вряд ли следует категорически отвергать
принципиальную возможность многоэлементной модели устройства материального
мира. Другое дело, что все эти другие Вселенные, скорее всего, останутся чисто
математическими построениями физиков-теоретиков.
Список литературы
1. Статья
из физической энциклопедии «Сверхсветовая скорость», т.4 - М. :Большая
Российская Энциклопедия.
2. А.
Голубев «Возможна ли сверхсветовая скорость?» (Наука и жизнь, № 2, 2001).
. В.С.
Барашенков «И снова: свет быстрее света» («ЗС» № 4/1997).
. Дж.
Фейнберг «Частицы со скоростью, большей скорости света» (англ.) // Scientific
American : науч.-поп.. - февраль 1970.
. Дж.
А. Бенфорд, Д. Л. Бука и У. А. Ньюком «Тахионный антителефон» (англ.) //
Physical Review D : научная. - American Physical Society, 1972. - Т. 2.
. С.
В. Красников «Сверхсветовые перемещения в (полу)классической ОТО».
. Эффект
Черенкова - Вавилова - статья из Физической энциклопедии.
. Мамедов
Дж.М., Является ли c=const доказанным? // Журнал "Современные наукоемкие
технологии". № 11. 2010.
. Причинности
принцип Физическая энциклопедия. - Т. IV. - С. 119-121.
. «Нейтрино»,
Физическая энциклопедия, т.3 - М.:Большая Российская Энциклопедия.
. Уизем
Дж. Б. Линейные и нелинейные волны. - М.: Мир. - 1977.
12. Rabinovich
M.I., Trubetskov D.I. Oscillations and waves in linear and nonlinear systems. -
Kewver-Academic Publ., Amsterdam. - 1989.
. http://Сверхсветовое_движение/ОТО/Двигатель%20Алькубьерре.