Надсвітлова швидкість.

У середині минулого року в журналах з'явилося сенсаційне повідомлення про досягнення сверхсветовой швидкості. Група американських дослідників виявила, що дуже короткий лазерний імпульс рухається в особливим чином підібраною середовищі в сотні разів швидше, ніж у вакуумі. Це явище здавалося абсолютно неймовірним (швидкість світла в середовищі завжди менше, ніж у вакуумі) і навіть породило сумніви в справедливості спеціальної теорії відносності.

У середині минулого року в журналах з'явилося сенсаційне повідомлення про досягнення сверхсветовой швидкості. Група американських дослідників виявила, що дуже короткий лазерний імпульс рухається в особливим чином підібраною середовищі в сотні разів швидше, ніж у вакуумі. Це явище здавалося абсолютно неймовірним (швидкість світла в середовищі завжди менше, ніж у вакуумі) і навіть породило сумніви в справедливості спеціальної теорії відносності. Між тим сверхсветовой фізичний об'єкт - лазерний імпульс у підсилює середовищі - був вперше виявлений не у 2000 році, а на 35 років раніше, в 1965 році, і можливість сверхсветовом руху широко обговорювалася до початку 70-х років. Сьогодні дискусія навколо цього дивного явища спалахнула з новою силою. Незабаром після відкриття лазерів - на початку 60-х років - виникла проблема отримання коротких (тривалістю близько 1 нс = 10-9 секунди) імпульсів світла великої потужності. Для цього короткий лазерний імпульс пропускався через оптичний квантовий підсилювач. Імпульс розщеплювався светоделітельним дзеркалом на дві частини. Одна з них, більш потужна, спрямовувалася в підсилювач, а інша поширювалася в повітрі і служила опорним імпульсом, з яким можна було порівнювати імпульс, що пройшов через підсилювач. Обидва імпульсу подавалися на фотоприймачі, а їх вихідні сигнали могли візуально спостерігатися на екрані осцилографа. Очікувалося, що світловий імпульс, що проходить через підсилювач, зазнає в ньому деяку затримку, порівняно з опорним імпульсом, тобто швидкість розповсюдження світла в підсилювачі буде менше, ніж у повітрі. Яке ж було здивування дослідників, коли вони виявили, що імпульс поширювався через підсилювач зі швидкістю не тільки більшою, ніж у повітрі, а й перевищує швидкість світла у вакуумі в кілька разів! Напевно, всім відомо, що гранично можливою швидкістю руху матеріальних об'єктів або розповсюдження будь-яких сигналів є швидкість світла у вакуумі. Вона позначається буквою с і становить майже 300 тисяч кілометрів на секунду; точна величина з = 299 792 458 м/с. Швидкість світла у вакуумі - одна з фундаментальних фізичних констант. Неможливість досягнення швидкостей, що перевищують с, випливає зі спеціальної теорії відносності (СТО) Ейнштейна. Якщо б вдалося довести, що можлива передача сигналів з надсвітовою швидкістю, теорія відносності лягла б. Однак в експериментальних дослідженнях останнього часу виявилися деякі вельми цікаві явища, які свідчать про те, що при спеціально створених умовах можна спостерігати сверхсветовие швидкості і при цьому принципи теорії відносності не порушуються. Оговтавшись від першого шоку, фізики стали шукати причину такого несподіваного результату. Ні в кого не виникло навіть найменшого сумніву в принципах спеціальної теорії відносності, і саме це допомогло знайти правильне пояснення: якщо принципи СТО зберігаються, то відповідь слід шукати у властивостях підсилює середовища. Не вдаючись тут у деталі, зазначимо лише, що докладний аналіз механізму дії підсилює середовища повністю прояснив ситуацію. Справа полягала в зміні концентрації фотонів при поширенні імпульсу - зміні, обумовленій зміною коефіцієнта посилення середовища аж до від'ємного значення при проходженні задньої частини імпульсу, коли середовище вже поглинає енергію, бо її власний запас вже витрачено внаслідок передачі її світловому імпульсу. Поглинання викликає не посилення, а ослаблення імпульсу, і, таким чином, імпульс виявляється посиленим в передній і ослабленим в задній його частині. Уявімо собі, що ми спостерігаємо за імпульсом за допомогою приладу, що рухається зі швидкістю світла в середовищі підсилювача. Якби середовище було прозорою, ми бачили б застиглий в нерухомості імпульс. У середовищі ж, в якій відбувається згаданий вище процес, посилення переднього і ослаблення заднього фронту імпульсу буде представлятися спостерігачеві так, що середовище як би посунула імпульс вперед. Але раз прилад (спостерігач) рухається зі швидкістю світла, а імпульс обганяє його, то швидкість імпульсу перевищує швидкість світла! Саме цей ефект і був зареєстрований експериментаторами. І тут дійсно немає протиріччя з теорією відносності: просто процес посилення такий, що концентрація фотонів, що вийшли раніше, виявляється більше, ніж вийшли пізніше. Зі сверхсветовой швидкістю переміщаються не фотони, а огинаюча імпульсу, зокрема його максимум, який і спостерігається на осцилографі. Таким чином, у той час як у звичайних середовищах завжди відбувається послаблення світла і зменшення його швидкості, яке визначається показником заломлення, в активних лазерних середовищах спостерігається не тільки посилення світла, а й поширення імпульсу з надсвітовою швидкістю. Деякі фізики намагалися експериментально довести наявність сверхсветовом руху при тунельному ефекті - одному з найбільш дивних явищ у квантовій механіці. Цей ефект полягає в тому, що мікрочастинка (точніше кажучи, мікрооб'єкт, в різних умовах виявляє як властивості частинки, так і властивості хвилі) здатна проникати через так званий потенційний бар'єр - явище, абсолютно неможливе в класичній механіці (у якій аналогом була б така ситуація : кинутий в стіну м'яч опинився б за іншу сторону стіни або ж хвилеподібний рух, придане прив'язаною до стіни мотузці, передавалося б мотузці, прив'язаною до стіни з іншого боку). Сутність тунельного ефекту в квантової механіки полягає в наступному. Якщо мікрооб'єкт, що володіє певною енергією, зустрічає на своєму шляху область з потенційною енергією, що перевищує енергію мікрооб'єктів, ця область є для нього бар'єром, висота якого визначається різницею енергій. Але мікрооб'єкт "просочується" через бар'єр! Таку можливість дає йому відоме співвідношення невизначеностей Гейзенберга, записане для енергії та часу взаємодії. Якщо взаємодія мікрооб'єктів з бар'єром відбувається протягом досить певного часу, то енергія мікрооб'єкт буде, навпаки, характеризуватися невизначеністю, і якщо ця невизначеність буде порядку висоти бар'єру, то останній перестає бути для мікрооб'єктів непереборною перешкодою. Ось швидкість проникнення через потенційний бар'єр і стала предметом досліджень ряду фізиків, які вважають, що вона може перевищувати швидкість світла .. У червні 1998 року в Кельні відбувся міжнародний симпозіум з проблем сверхсветових рухів, де обговорювалися результати, отримані в чотирьох лабораторіях - в Берклі, Відні, Кельні і у Флоренції. І, нарешті, в 2000 році з'явилися повідомлення про двох нових експериментах, в яких виявилися ефекти сверхсветовом розповсюдження. Один з них виконав Ліджун Вонг з співробітниками в дослідницькому інституті в Прінстоні (США). Його результат полягає в тому, що світловий імпульс, що входить в камеру, наповнену парами цезію, збільшує свою швидкість в 300 разів. Виходило, що головна частина імпульсу виходить з дальньої стінки камери навіть раніше, ніж імпульс входить у камеру через передню стінку. Така ситуація суперечить не тільки здоровому глузду, але, по суті, і теорії відносності. Повідомлення Л. Вонга викликало інтенсивне обговорення в колі фізиків, більшість яких не схильні бачити в отриманих результатах порушення принципів відносності. Завдання полягає в тому, вважають вони, щоб правильно пояснити цей експеримент. Експеримент Ліджуна Вонга полягав у наступному. Крізь камеру довжиною 6 сантиметрів, наповнену парами цезію, лазерний імпульс проходить зі швидкістю в 310 разів більшою за швидкість світла. Хто приходить імпульс ще не встиг підійти до ближньої стінці камери, як пройшов крізь неї пішов на 19 метрів! Час проходження імпульсу крізь камеру виявляється "негативним". В експерименті Л. Вонга світловий імпульс, що входить в камеру з парами цезію, мав тривалість близько 3 мкс.


Атоми цезію можуть перебувати в шістнадцяти можливих квантовомеханічний станах, які називаються "надтонкі магнітні підрівні основного стану". За допомогою оптичної лазерної накачування майже всі атоми наводилися лише в одне з цих шістнадцяти станів, відповідне майже абсолютного нуля температури за шкалою Кельвіна (-273,15 оC). Довжина цезієвий камери становила 6 сантиметрів. У вакуумі світло проходить 6 сантиметрів за 0,2 нс. Через камеру ж з цезієм, як показали виконані вимірювання, світловий імпульс проходив за час на 62 нс менше, ніж у вакуумі. Іншими словами, час проходження імпульсу через цезієвий середу має знак "мінус"! Дійсно, якщо з 0,2 нс відняти 62 нс, отримаємо "негативне" час. Ця "негативна затримка" в середовищі - незбагненний тимчасової стрибок - дорівнює часу, протягом якого імпульс вчинив би 310 проходів через камеру у вакуумі. Наслідком цього "тимчасового перевороту" стало те, що виходить з камери імпульс встиг втекти від неї на 19 метрів, перш ніж приходить імпульс досяг ближньої стінки камери. Як же можна пояснити таку неймовірну ситуацію (якщо, звичайно, не сумніватися у чистоті експерименту)? Судячи з розгорнутої дискусії, точне пояснення ще не знайдено. Недарма, оглядаючи на своєму семінарі останню фізичну літературу, академіку Гінзбургу довелося констатувати, що після 75 років незліченних застосувань квантової теорії, її по-справжньому ще не зрозуміли. Але краще прочитайте про це самі. Однак повернемося до експерименту Л. Вонга. Безсумнівно, що тут грають роль незвичайні дисперсійні властивості середовища: пари цезію, що складаються з порушених лазерним світлом атомів, представляють собою середовище з аномальною дисперсією. Нагадаємо коротко, що це таке. Дисперсією речовини називається залежність фазового (звичайного) показника заломлення n від довжини хвилі світла l. При нормальній дисперсії показник заломлення збільшується зі зменшенням довжини хвилі, і це має місце у склі, воді, повітрі і всіх інших прозорих для світла речовинах. У речовинах ж, сильно поглинають світло, хід показника заломлення зі зміною довжини хвилі змінюється на зворотний і стає набагато крутіше: при зменшенні l (збільшенні частоти w) показник заломлення різко зменшується і в деякій області довжин хвиль стає менше одиниці (фазова швидкість Vф> з ). Це і є аномальна дисперсія, при якій картина поширення світла в речовині змінюється радикально. Групова швидкість Vгр стає більше фазової швидкості хвиль і може перевищити швидкість світла у вакуумі (а також стати негативною). Л. Вонг вказує на цю обставину як на причину, що лежить в основі можливості пояснення результатів його експерименту. Слід, однак, зауважити, що умова Vгр> з є суто формальним, так як поняття групової швидкості введено для випадку малої (нормальної) дисперсії, для прозорих середовищ, коли група хвиль при розповсюдженні майже не змінює своєї форми. В областях же аномальної дисперсії світловий імпульс швидко деформується і поняття групової швидкості втрачає сенс; в цьому випадку вводяться поняття швидкості сигналу і швидкості поширення енергії, які в прозорих середовищах збігаються з груповою швидкістю, а в середовищах з поглинанням залишаються менше швидкості світла у вакуумі. Але ось що цікаво в експерименті Вонга: світловий імпульс, пройшовши через середовище з аномальною дисперсією, не деформується - він в точності зберігає свою форму! А це відповідає допущенню про поширення імпульсу з груповою швидкістю. Але якщо так, то виходить, що в середовищі відсутній поглинання, хоча аномальна дисперсія середовища зумовлена ??саме поглинанням! Сам Вонг, визнаючи, що багато чого ще залишається неясним, вважає, що відбувається в його експериментальній установці можна в першому наближенні наочно пояснити наступним чином. Світловий імпульс складається з безлічі складових з різними довжинами хвиль (частотами). На малюнку показані три з цих складових (хвилі 1-3). В деякій точці всі три хвилі знаходяться у фазі (їх максимуми співпадають); тут вони, складаючись, підсилюють одна одну і утворюють імпульс. У міру подальшого розповсюдження в просторі хвилі расфазіруются і тим самим "гасять" один одного. В області аномальної дисперсії (всередині цезієвий осередки) хвиля, яка була коротшою (хвиля 1), стає довшим. І навпаки, хвиля, колишня найдовшою з трьох (хвиля 3), стає найкоротшою. Отже, відповідно змінюються і фази хвиль. Коли хвилі пройшли через цезієвий клітинку, їх хвильові фронти відновлюються. Зазнавши незвичайну фазову модуляцію в речовині з аномальною дисперсією, три аналізовані хвилі знову опиняються в фазі в деякій точці. Тут вони знову складаються і утворюють імпульс точно такої ж форми, як і входить до цезієвий середу. Зазвичай в повітрі і фактично в будь-прозорою середовищі з нормальною дисперсією світловий імпульс не може точно зберігати свою форму при поширенні на віддалене відстань, тобто всі його складові не можуть бути сфазіровани в якій-небудь віддаленій точці вздовж шляху розповсюдження. І в звичайних умовах світловий імпульс у такій віддаленій точці з'являється через деякий час. Однак внаслідок аномальних властивостей використаних в експерименті середовища імпульс у віддаленій точці виявився сфазірован так само, як і при вході в цю середу. Таким чином, світловий імпульс веде себе так, як якщо б він мав негативну тимчасову затримку на шляху до віддаленої точки, тобто прийшов би в неї не пізніше, а раніше, ніж пройшов середу! Велика частина фізиків схильна пов'язувати цей результат з виникненням низькоінтенсивного передвісника в диспергуючих середовищі камери. Справа в тому, що при спектральному розкладанні імпульсу в спектрі присутні складові як завгодно високих частот з мізерно малою амплітудою, так званий провісник, що йде попереду "головної частини" імпульсу. Характер встановлення і форма передвісника залежать від закону дисперсії в середовищі. Маючи це на увазі, послідовність подій в експерименті Вонга пропонується інтерпретувати в такий спосіб. Прихожа хвиля, "простягаючи" провісник попереду себе, наближається до камери. Перш ніж пік прийдешньої хвилі потрапить на ближню стінку камери, провісник ініціює виникнення імпульсу в камері, який доходить до дальньої стінки і відбивається від неї, утворюючи "зворотну хвилю". Ця хвиля, розповсюджуючись в 300 разів швидше с, сягає ближньої стінки і зустрічається з приходить хвилею. Піки однієї хвилі зустрічаються зі западинами іншої, так що вони знищують один одного і в результаті нічого не залишається. Виходить, що приходить хвиля "повертає борг" атомам цезію, які "позичали" їй енергію на іншому кінці камери. Той, хто спостерігав би тільки початок і кінець експерименту, побачив би лише імпульс світла, який "стрибнув" вперед у часі, рухаючись швидше с. Л. Вонг вважає, що його експеримент не узгоджується з теорією відносності. Твердження про недосяжність сверхсветовой швидкості, вважає він, застосовується лише до об'єктів, які мають масу спокою. Світло може бути представлений або у вигляді хвиль, до яких взагалі не застосовується поняття маси, або у вигляді фотонів з масою спокою, як відомо, дорівнює нулю. Тому швидкість світла у вакуумі, вважає Вонг, не межа. Тим не менш Вонг визнає, що виявлений ним ефект не дає можливості передавати інформацію зі швидкістю більше с. Хоча: 1. "Інформація тут вже укладена в передньому краї імпульсу, - каже П. Мілон, фізик з Лос-Аламоської національної лабораторії США. - І може скластися враження про сверхсветовой посилці інформації, навіть коли ви її не посилаєте ". 2. Більшість фізиків вважають, що нова робота не завдає нищівного удару по фундаментальним принципам. Надсвітлова радіохвиля Але не всі фізики вважають, що проблема залагоджено. Професор А. Ранфагні з італійської дослідницької групи, що здійснила ще один цікавий експеримент 2000 року, вважає, що питання ще залишається відкритим. Цей експеримент, проведений Даніелом Мугнаі, Анедіо Ранфагні і Рокко Руггері, виявив, що радіохвилі сантиметрового діапазону в звичайному повітрі поширюються зі швидкістю, що перевищує з на 25%. Це просто.