Содержание
Шумиха по поводу преодоления скорости света не имеет под собой научных оснований — ФПФЭ
На днях многие СМИ запестрели
заголовками: «Эйнштейн в очередной раз разоблачен», «Немецким
ученым удалось превзойти скорость света», «Теория Эйнштейна устарела»
и т. п. В этих заметках говорится о том, что в экспериментах двух
немецких физиков, Гюнтера Нимца (Gunter Nimtz,
он и является главным героем истории) и Альфонса Штальхофена, обнаружено
сверхсветовое движение и тем самым опровергнута теория относительности
Эйнштейна. Сообщение о «перевороте в физике» прошло даже по радио и телевидению.
Исходным материалом для этих сообщений явилась заметка
в New Scientist — научно-популярном журнале с информацией
невысокого качества.
Гюнтер Нимц считает, что простой эксперимент с нарушенным
полным внутренним отражением опровергает теорию относительности (адаптированное
изображение из обсуждаемой статьи).
Далекий от науки, пусть и привыкший не доверять СМИ читатель может
купиться на такое обилие сообщений и засомневаться — «а может
действительно опровергли эту непонятную теорию относительности?» Что ж, расскажем вначале, что скрывается за этой историей,
а затем немного поясним суть физической проблемы.
Откуда дровишки?
Бодрые заголовки в СМИ наводят на мысль, что авторам удалось поставить
эксперимент какого-то нового типа, который никогда раньше не ставили и
который впервые смог обнаружить сверхсветовое движение.
Но заглянем в статью (а точнее, препринт) немцев «Макроскопические нарушения
специальной теории относительности», с которой и началась шумиха. Это
текст на полторы страницы, в котором описание опыта занимает всего лишь
несколько строчек. Казалось бы, эксперименту, который должен путем прямого
измерения доказать, что импульс микроволнового излучения распространяется
быстрее скорости света, должно быть уделено больше места. Однако в статье
не приведено практически никаких существенных подробностей: ни параметров
импульса, ни характеристик детектора, ни каких-либо графиков. Даже человека,
не знакомого с научной литературой, это может удивить — разве так
принято описывать результаты сенсационных экспериментов?
Разгадка проста.
В этой работе вовсе и нет никакого нового
эксперимента. В ней очень кратко описан известный опыт, который в разных
вариациях многократно ставился в разных лабораториях — туннелирование
микроволн через барьеры (подробности см. ниже). Его ставил в том числе и сам
Нимц, именно поэтому он уже не вдается в детали при его описании. Если
пройтись по списку публикаций Нимца, то можно увидеть, что этот же самый
тип экспериментов он обсуждает уже свыше десятка лет. Впервые он его описывает в
статье 1992 года J. Phys. I., France 2, 1693–1698 (кстати, статья
находится в свободном доступе на сайте журнала), а затем повторяет это же
обсуждение в разных вариациях в 1997, в 2001, в 2006 году.
Таким образом, ни новых экспериментов, ни новых результатов, ни даже новых
выводов из известных результатов эта статья не содержит. В ней просто
автор еще раз повторяет то, что уже многократно говорил последние 15 лет.
Но если эти эксперименты действительно сенсационные, то почему о них
молчали все это время?
На самом деле, о них не молчали, но только никакой сенсацией они
не являются.
Эта тема активно исследовалась уже десятки лет и продолжает
изучаться сейчас. Достаточно сказать, что за последние десять лет появилось уже
несколько больших обзоров свежих результатов по этой тематике (см. ссылки
внизу) — ситуация, характерная для бурно развивающихся областей. Работы
Нимца тоже активно обсуждались — и не нашли никакой поддержки.
Поскольку его эксперименты очень простые и воспроизводимые, то выходит, дело
не в них самих, а в их интерпретации. Это особенно заметно в
тех случаях, когда Нимц придумывает интерпретации к чужим экспериментам, которые
однозначно демонстрируют, что даже в самых экзотических случаях информация
передается медленнее скорости света (см. статью
Nature 425, 695–698 (16 October 2003) и
последовавшую переписку Нимца с авторами статьи, опубликованную там же).
Получается, Нимц не предлагает каких новых опытов; он расходится с
остальными физиками в интерпретации всеми воспроизводимых физических
явлений.
А именно, он считает, что теория относительности нарушается там,
где остальные считают, что она не нарушается. (Такое положение вещей,
кстати, само по себе может показаться странным; так это отчасти и есть, см.
подробности ниже.)
Можно, конечно, попытаться представить ситуацию в том свете, что он прав,
а все остальные — нет, но гораздо естественнее другой вывод.
Не требуется быть большим ученым — достаточно хорошего
университетского курса физики, — чтобы, почитав статьи Нимца, понять, что
он просто плохо понимает физику. Несмотря на все свои регалии.
Суть проблемы
Теперь пояснение для тех, кто хочет немножко разобраться в том, почему эти
простые эксперименты вызывают такой спор. Но вначале стоит сказать
несколько слов по поводу теории относительности и ее якобы опровержения.
Во-первых, теория относительности основывается на постулате, что никакой
материальный предмет и никакая передача информации не может происходить
быстрее скорости света.
Воображаемое движение образов, не являющееся
перемещением материальных предметов и не передающее информацию, может
происходить с любой скоростью. Самый известный пример — пятно от быстро
вращающегося лазера на достаточно далекой стене.
Во-вторых, надо понимать, что теория относительности была в свое время взята
не с потолка, а как бы угадана из сформулированных в конце
19 века свойств электричества и магнетизма. Если бы в этих опытах с
микроволнами нарушалась теория относительности, то это означало бы ни много ни
мало крах электродинамики — ведь Нимц утверждает, что обнаружил
сверхсветовое перемещение сигнала в опытах с классическими (т. е.
не-квантовыми) электромагнитными волнами.
Впрочем, за электромагнетизм можно не бояться. Свойства классических
электрических и магнитных полей проверены и перепроверены уже миллионократно, во
всевозможных ситуациях и экзотических устройствах. В том числе, они
многократно проверялись и с микроволнами в таких радиотехнических устройствах,
как резонаторы и волноводы.
И никогда не было намека на то, что
уравнения Максвелла — описывающие электрические и магнитные поля —
хоть в чем-то нарушались.
В-третьих, часто можно услышать «а почему вы считаете, что теория
относительности абсолютно верна?» с дальнейшим развитием в том направлении,
что-де закостенелые официальные физики боятся даже подумать о возможности
нарушения теории относительности.
На самом деле это не так. Активно изучаются варианты устройства нашего
мира, в которых теория относительности слегка нарушается.
Слегка — это потому что, нарушив ее сильно, тут же приходишь к противоречию
с многочисленными экспериментальными фактами. Один из примеров такой теории
обсуждался в заметке Ну
очень специальная теория относительности, но есть и немало других
примеров.
Так что «подправлять» теорию относительности никто не запрещает,
но осмысленно это делать лишь в той области, где она еще не проверена.
А в микроволновой радиотехнике она, еще раз повторюсь, перепроверена вдоль
и поперек.
Теперь перейдем к сути проблемы. В этих экспериментах изучается процесс
туннелирования волн через область, в которой они не могут свободно
распространяться. Слово «туннелирование» навевает мысли о квантовой механике,
но на самом деле это совершенно общее свойство всех волн — будь то
микрочастицы, световые волны, микроволновое излучение или звуковые волны.
Во всех этих случаях можно сконструировать такое устройство, в котором
два «проводника волн» разделены зазором, в котором волны затухают,
т. е. неспособны распространяться бесконечно далеко. Для электрона это
может быть потенциальный барьер, для света — нарушенное полное внутреннее
отражение (см. например заметку Даже серебро можно сделать прозрачным), для микроволн —
специальная узкая секция в волноводе. Несмотря на это волна может протиснуться
через эту область на небольшое конечное расстояние, и значит, может проникнуть
(туннелировать) из первого во второй «проводник волн».
Вопрос, который мучает физиков уже свыше полувека, заключается в следующем:
каково время туннелирования? Этот безобидно выглядящий вопрос стал
предметом долгих споров, поскольку ряд вычислений привел к странному выводу: это
время может быть меньше, чем время, за которое свет пересек бы эту область.
В вольной интерпретации это значит, что при туннелировании происходит
сверхсветовое движение, со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Вся загвоздка состоит в том, что именно считать временем
туннелирования. Если бы речь шла о движении точечной частицы, то все было бы
предельно ясно. Но речь идет о движении волны, которая как-то распределена
в пространстве и может менять свою форму. Что в этом случае считать «начальным»
и «конечным» временем? На скорость чего в этом случае надо смотреть?
Тут есть несколько вариантов. Можно смотреть на гребни волны — тогда
получится фазовая скорость. Это наименее физически осмысленное
понятие — давно известно, что с ней не связан никакой перенос энергии
или информации, и в некоторых случаях (например, в тех же волноводах) она
безболезненно превышает скорость света.
| Иллюстрация волнового пакета — в обычных средах именно с движением максимума волнового пакета связано перемещение энергии |
Можно вместо этого приготовить волновой пакет (сгусток волн, как на рисунке)
и смотреть на движение его максимума.
С этим движением связана групповая
скорость волны. В обычных средах это «хорошее» понятие, поскольку с
групповой скоростью ассоциируется перемещение энергии волнового пакета.
Однако есть экзотические случаи, например, прохождение через специально
приготовленные активные области, в которых скорость движения максимума
может превышать скорость света (см. подробное объяснение). На самом деле в этих случаях
максимум вовсе не движется со сверхсветовой скоростью. Просто получается
так, что импульс сам «вырастает» на выходе из области, будучи «инициированным»
передним фронтом сигнала. Энергия при этом не переносится со сверхсветовой
скоростью — она была запасена в активной среде и лишь высвобождается на
выходе по сигналу переднего фронта падающего импульса.
Наконец, есть и еще время распространения информации, которое
расшифровывается буквально — если мы в какой-то пролетающий мимо импульс
закодируем бит информации, то спустя какое время детектор его сможет уловить.
Это время распространения резких привнесенных искажений в импульс,
в противоположность регулярному периодическому процессу, с которым
ассоциируется, например, фазовая скорость.
Специально поставленные эксперименты (см. ссылку на Nature выше)
показали, что даже импульсы со сверхсветовыми максимумами переносят информацию
медленнее скорости света. Таким образом, те сверхсветовые скорости,
которые получались при описанных выше определениях времени, не имеют
прямого физического смысла, по крайней мере в отношении теории относительности.
Реальная скорость передачи информации (что подразумевает гораздо более тонкий
эксперимент, чем проделан Нимцем) во всех, даже самых экзотических случаях
получалась меньше скорости света.
Итак, по сути Нимц не признает того, что скорость передачи информации в
особых ситуациях может сильно отличаться от групповой скорости волны. Он
считает, что они всегда совпадают, — хотя есть прямые опыты,
демонстрирующие различие.
Именно в этом он расходится с остальными.
Несмотря на то что уже показано, что теория относительности тут
не нарушается, исследования этого вопроса продолжаются. Было введено еще
несколько определений времени, и сейчас до конца непонятно, что именно описывает
каждое из них. Особенно интересной ситуация становится в квантовй механике, где
начинают работать особенности, связанные с детектированием квантовых частиц.
См. также недавние обзоры:
1) А.Б. Шварцбург, Туннелирование электромагнитных волн — парадоксы и
перспективы // УФН, т.177, вып.1, стр. 43 (январь 2007).
2) Herbert
G. Winful, Tunneling
time, the Hartman effect, and superluminality: A proposed resolution of an old
paradox // Physics Reports, 436, Issues 1-2, December 2006, Pages 1-69.
Статья
Игоря
Иванова на «Элементах»
Ученые смогли разогнать фотоны до скорости выше скорости света
Ученые смогли разогнать фотоны до скорости выше скорости света — Газета.
Ru
СБУ возбудила 50 уголовных дел против священников УПЦ
17:09
Подозреваемых мошенников, продававших путевки в лжепансионат в Абхазии…
17:08
В Красноярске мальчик пропал по дороге в школу
17:07
Глава Минобороны Турции Акар обвинил Грецию в нарушении базовых принципов НАТО
17:07
Червиченко: должен ли Роналду поздравить Месси? Да он черт, если поздравит, то не от души
17:05
Шойгу анонсировал создание в 2023 году трех военных ремонтных заводов
17:02
Tez Tour: около 4 тысяч российских туристов возвращены из Египта после задержки…
17:02
Семья цыган разбилась в аварии в Свердловской области
17:01
Der Spiegel: объемы «теневого» сектора экономики Германии вырастет до €360,3…
17:00
В Туапсе конфликт на парковке закончился стрельбой
16:57
Наука
Ученым удалось провести отдельные фотоны через прозрачную пластину с кажущейся сверхсветовой скоростью.
Возможность превышения скорости света ― универсальной константы в рамках существующей физической модели ― будоражит умы не только писателей-фантастов, но и ученых. Так, например, существуют гипотезы, что в так называемой квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Также обсуждался так называемый парадокс Хартмана ― сверхсветовая скорость при туннельном эффекте. Однако эти опыты, как показал их детальный анализ, принципиально не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо сигнала или перемещения вещества.
Квантовая скорость запутала Эйнштейна
Физики измерили скорость передачи информации между запутанными квантовым образом частицами. Она должна во…
19 августа 16:09
Однако неудачи предшественников не останавливают ученых. Группа американских физиков сообщила, что им удалось разогнать фотоны ― элементарные частицы нулевой массы, которые можно назвать «частицами света», до скорости, при наблюдении кажущейся больше скорости света.
Это исследование опубликовано в Optics Express.
Фотоны пропустили через «стопку» слоев материалов различной природы. Этот экспериментальный опыт подтверждает теоретические предсказания квантовых физиков: время пути света через сложный многослойный материал не зависит от толщины слоев, как это происходит в случае простых материалов, например стекла. Это время определяется порядком расположения слоев из разного материала. Это первое опубликованное экспериментальное исследование такой зависимости для отдельных фотонов.
Строго говоря, свет способен достичь своей максимальной скорости лишь в вакууме ― собственно, константа 299 792 458 м/с и представляет собой именно скорость света в вакууме.
В прозрачных средах скорость света падает: отношение скорости света в вакууме к скорости света в среде представляет собой показатель преломления среды, причем эта величина больше единицы. Это верно для сред типа стекла или воды, а также для более сложных сред ― например, многослойных диэлектриков.
Они обладают изолирующими свойствами и могут использоваться для создания высокоотражающих материалов ― оптических покрытий, зеркал и оптических волокон.
В ходе работы по изучению скорости света физики разработали опытный материал, состоящий из тонких диэлектрических слоев. Всего таких слоев было 30, каждый толщиной около 80 нм ― это в четыре раза меньше длины волны света, проходящего через материал. Слои не были одинаковыми: половина имела высокий (Н) показатель преломления, а половина ― низкий (L), причем такие слои чередовались. Такой механизм менял направление света и степень его отражения в разной степени. Каждый фотон, попадавший на границу слоев H и L, таким образом, с некоторой долей вероятности отражался либо проходил сквозь материал к следующему слою.
close
100%
Когда свет падает на такую тридцатислойную чередующуюся «стопку», вероятность фотонов пройти сквозь все слои весьма мала ― лишь небольшая часть частиц проникает через препятствие. На это частицам требуется 12,84 фс (фемтосекунд, 10―15 с).
Однако при добавлении в самом конце дополнительного слоя с низким показателем преломления время пути фотонов резко и непропорционально возрастало до 16,36 фс ― на 3,52 фс! Если принять время пути зависимым только от толщины слоя и показателя преломления, время пути через один дополнительный слой должно составлять всего 0,58 фс. При добавлении одного слоя с высоким показателем преломления, напротив, время пути резко сокращается ― до 5,34 фс.
Чёрная дыра пустила в струю
Грандиозные космические струи, бьющие из окрестности чёрных дыр, удалось разглядеть в мельчайших…
11 июня 14:33
Получается, что отдельные фотоны проходят сквозь пластину толщиной 2,5 микрона со скоростью, кажущейся сверхсветовой.
Ученые считают, что это явление объясняется с позиций корпускулярно-волновой природы света (свет представляет собой и волну, и поток частиц ― фотонов ― одновременно). В проведенном эксперименте свет и начинает, и заканчивает свой путь как частица ― фотон. Однако, когда один из этих фотонов пересекает границу между слоями материала, на каждой поверхности он создает волну.
Эти волны взаимодействуют друг с другом, создавая интерференционную картину (интенсивности волн перераспределяются, создавая картину из четких максимумов и минимумов подобно тому, как при встречных волнах в океане образуется приливной сулой ― взброс воды). При определенном расположении H- и L-слоев интерференция волн вызывает эффект «раннего прибытия» части фотонов. При этом другие фотоны, напротив, прибывают заметно позже «обычного» из-за возникновения интерференционных минимумов на картине.
Темная история
Анонсированного неделю назад открытия темной материи не произошло: частицы темной материи, возможно, и были…
18 декабря 21:01
В сущности же, превышения скорости света не происходит, наблюдаемая скорость является некоторой иллюзией.
Для правильного детектирования скорости нужно регистрировать все фотоны, проходящие через слои, а не только «ранних пташек». В таком случае усреднение даст обычную скорость света.
Подписывайтесь на «Газету.Ru» в Новостях, Дзен и Telegram.
Чтобы сообщить об ошибке, выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
Новости
Дзен
Telegram
Картина дня
Военная операция РФ на Украине. День 301-й
Онлайн-трансляция специальной военной операции на Украине — 301-й день
«Говорю абсолютно искренне». Матвиенко пообещала, что второй волны мобилизации не будет
Матвиенко сообщила, что тема новой волны мобилизации не стоит на повестке дня
Медведев прилетел в Китай с письмом Си Цзиньпину от Путина
Медведев передал Си Цзиньпину послание от Путина и обсудил с лидером КНР спецоперацию
Путин заявил, что у Украины кроме «подачек» скоро ничего не будет
Глава Минобороны Шойгу призвал увеличить возраст призыва россиян в армию с 18 до 21 года
В Роспотребнадзоре рассказали, ждать ли в России вспышек загадочной болезни из Афганистана
Законопроект об эксперименте по внедрению исламского банкинга в РФ принят в первом чтении
Новости и материалы
СБУ возбудила 50 уголовных дел против священников УПЦ
Подозреваемых мошенников, продававших путевки в лжепансионат в Абхазии, задержали в Перми
В Красноярске мальчик пропал по дороге в школу
Глава Минобороны Турции Акар обвинил Грецию в нарушении базовых принципов НАТО
Червиченко: должен ли Роналду поздравить Месси? Да он черт, если поздравит, то не от души
Шойгу анонсировал создание в 2023 году трех военных ремонтных заводов
Tez Tour: около 4 тысяч российских туристов возвращены из Египта после задержки рейсов
Семья цыган разбилась в аварии в Свердловской области
Der Spiegel: объемы «теневого» сектора экономики Германии вырастет до €360,3 млрд по итогам года
В Туапсе конфликт на парковке закончился стрельбой
Украинские СМИ сообщили о взрывах в Киевской области
Путин назвал ядерную триаду, ВКС и ВМФ сильными сторонами России
Каждый третий россиянин счел рациональным забрать деньги из банка в 2022 году
Байден заявил, что ему нужно многое обсудить с Зеленским
Премьер Венгрии Виктор Орбан не намерен ехать на Украину в 2023 году
Путин: в борьбе с Россией не гнушаются использовать неонацистов
Губернатор Голубев: в Ростовской области введен запрет на использование беспилотников
Шойгу приказал сформировать новые дивизии и армейский корпус
Все новости
Конец «гаданиям на кофейной гуще».
Послания Федеральному собранию в этом году не будет
Песков подтвердил перенос послания Путина Федеральному собранию на 2023 год
«Для семьи космос не расстояние». Интервью с режиссером Дмитрием Киселевым о фильме «Мира»
Режиссер фильма «Мира» Киселев объяснил, почему не хотел бы снимать кино в космосе
«Таких Смешариков вы еще не видели». Как культовый мультсериал отметит 20-летие
Интервью с продюсером «Смешариков» Юлией Николаевой к 20-летию проекта
Россия и Белоруссия применили тактику США и НАТО в ядерной сфере
«Коммерсант»: Москва переняла практику НАТО в ядерной сфере, которую раньше критиковала
«Пытаются сохранить себе жизнь»: в ЛНР сообщили о дезертирстве украинских военных
Представитель ЛНР Марочко: мобилизованные бойцы ВСУ бегут с позиций у Соледара
«Я оказалась врагом для папы на много лет»: как взрослые дети переживают развод родителей
Читательницы «Газеты.
Ru» — о болезненных разводах родителей
«Не переживай, и тебе позвоню»: Макрону — 45
Пелоси настоятельно попросила конгрессменов прийти на встречу с Зеленским
Зеленский едет в Вашингтон, чтобы выступить перед конгрессом и встретиться с Байденом
Тест: угадайте героиню советского мультфильма по одежде
Вспомните мультфильмы по женской моде времен СССР
Антивещество из вакуума и тайна молний: какие задачи поставили перед российскими физиками
Академик РАН Александр Сергеев рассказал о новых целях российской науки
Шахтерам — субсидии, Донецку – усиление ПВО. О чем Путин говорил с руководителями Донбасса
Путин заявил, что ситуация в ЛНР остается «весьма сложной», а в ДНР — «даже поострее»
«Не надо подбадривать Киев». Во Франции решили, что победить Россию невозможно
La Tribune: Украина не сможет победить Россию при текущем уровне потерь
«Детище великой Алексеевой не пожалели». Минюст подал иск о ликвидации МХГ
Минюст попросил ликвидировать Московскую Хельсинкскую группу
Марина Ярдаева
Верните ребенка в семью
О том, зачем нужна школа после школы
Андрей Колесников
Свеча в темноте
О декабре, Хануке и Исааке Зингере
Георгий Бовт
Он просто отстал от времени
Вспоминая время дорогого Леонида Ильича
Алена Солнцева
Важнейшее из искусств
О новогоднем кинопрокате и о перспективе для кинотеатров
Дмитрий Воденников
Золотая труба неудачи
О тяжелой судьбе вундеркиндов
—>
Читайте также
Найдена ошибка?
Закрыть
Спасибо за ваше сообщение, мы скоро все поправим.
Продолжить чтение
Есть только один способ превзойти скорость света
Здесь кристалл кальцита поражается лазером, работающим на длине волны 445 нанометров, флуоресцирующим и … [+] проявляющим свойства двойного лучепреломления. В отличие от стандартной картины разделения света на отдельные компоненты из-за разных длин волн, составляющих свет, свет лазера имеет одну и ту же частоту, но, тем не менее, разные поляризации разделяются.
Ян Павелка/European Science Photo Competition 2015
В нашей Вселенной есть несколько правил, которым все должно подчиняться. Энергия, импульс и угловой момент всегда сохраняются, когда взаимодействуют любые два кванта. Физика любой системы частиц, движущихся вперед во времени, идентична физике той же системы, отраженной в зеркале, с заменой частиц на античастицы, где направление времени меняется на противоположное. И есть окончательный предел космической скорости, применимый к каждому объекту: ничто не может превысить скорость света, и ничто, имеющее массу, никогда не может достичь этой хваленой скорости.
На протяжении многих лет люди разрабатывали очень хитрые схемы, чтобы попытаться обойти этот последний предел. Теоретически они представили тахионы как гипотетические частицы, которые могут превышать скорость света, но тахионы должны иметь воображаемую массу и физически не существуют. В рамках общей теории относительности достаточно искривленное пространство могло бы создать альтернативные, укороченные пути, по которым должен проходить свет, но в нашей физической Вселенной нет известных червоточин.
И хотя квантовая запутанность может создавать «жуткие» действия на расстоянии, никакая информация никогда не передается быстрее света.
Но есть один способ превзойти скорость света: войти в любую среду, кроме идеального вакуума. Вот физика того, как это работает.
Свет — это не что иное, как электромагнитная волна с синфазными колебаниями электрического и магнитного … [+] полей, перпендикулярных направлению распространения света. Чем короче длина волны, тем более энергичен фотон, но тем более он восприимчив к изменениям скорости света в среде.
And1mu / Wikimedia Commons
Свет, вы должны помнить, это электромагнитная волна. Конечно, она тоже ведет себя как частица, но когда мы говорим о скорости ее распространения, гораздо полезнее думать о ней не только как о волне, но и как о волне осциллирующих, синфазных электрического и магнитного полей. Когда он движется через космический вакуум, ничто не мешает этим полям двигаться с амплитудой, которую они выбирают естественным образом, определяемой энергией, частотой и длиной волны волны.
(Все они связаны между собой.)
Но когда свет проходит через среду — то есть любую область, где присутствуют электрические заряды (и, возможно, электрические токи), — эти электрические и магнитные поля сталкиваются с определенным уровнем сопротивления их свободному распространению. Из всех вещей, которые могут изменяться или оставаться неизменными, свойством света оставаться постоянным является его частота, когда он движется из вакуума в среду, из среды в вакуум или из одной среды в другую.
БОЛЬШЕ ОТ FORBES ADVISOR
Однако, если частота остается неизменной, это означает, что длина волны должна измениться, а поскольку частота, умноженная на длину волны, равняется скорости, это означает, что скорость света должна изменяться по мере изменения среды, через которую вы распространяетесь.
Схематическая анимация непрерывного луча света, рассеиваемого призмой. Обратите внимание, как волновая … [+] природа света согласуется с более глубоким объяснением того факта, что белый свет можно разбить на разные цвета.
Пользователь Wikimedia Commons LucasVB
Одной из впечатляющих демонстраций этого явления является преломление света при прохождении через призму. Белый свет, как и солнечный свет, состоит из непрерывного света самых разных длин волн. Более длинные волны, такие как красный свет, имеют меньшие частоты, а более короткие длины волн, такие как синий свет, имеют более высокие частоты. В вакууме все длины волн распространяются с одинаковой скоростью: частота, умноженная на длину волны, равна скорости света. Более синие длины волн обладают большей энергией, поэтому их электрические и магнитные поля сильнее, чем у более красных длин волн.
Когда вы пропускаете этот свет через дисперсионную среду, такую как призма, все разные длины волн реагируют немного по-разному. Чем больше энергии содержится в ваших электрических и магнитных полях, тем больший эффект они испытывают при прохождении через среду. Частота всего света остается неизменной, но длина волны света с более высокой энергией сокращается в большей степени, чем длина волны света с более низкой энергией.
В результате, несмотря на то, что весь свет распространяется в среде медленнее, чем вакуум, более красный свет замедляется немного меньше, чем синий свет, что приводит ко многим захватывающим оптическим явлениям, таким как существование радуги, когда солнечный свет разбивается на разные длины волн, он проходит через водяные капли и капельки.
Когда свет переходит из вакуума (или воздуха) в каплю воды, он сначала преломляется, затем отражается … [+] от спины и, наконец, снова преломляется в вакуум (или воздух). Угол, который входящий свет составляет с исходящим светом, всегда достигает максимума под углом 42 градуса, что объясняет, почему радуга всегда образует один и тот же угол на небе.
KES47 / Wikimedia Commons / Public Domain
Однако в космическом вакууме у света нет другого выбора — независимо от его длины волны или частоты — кроме как двигаться с одной скоростью и только с одной скоростью: со скоростью света в вакууме. Это также скорость, с которой должна двигаться любая форма чистого излучения, такая как гравитационное излучение, а также скорость, согласно законам относительности, с которой должна двигаться любая безмассовая частица.
Но у большинства частиц во Вселенной есть масса, и поэтому они должны подчиняться немного другим правилам. Если у вас есть масса, скорость света в вакууме по-прежнему является вашим максимальным пределом скорости, но вместо того, чтобы быть вынужденным двигаться с этой скоростью, это предел, которого вы никогда не сможете достичь; вы можете только приблизиться к нему.
Чем больше энергии вы вкладываете в свою массивную частицу, тем ближе она может двигаться к скорости света, но она всегда должна двигаться медленнее. Самые энергичные частицы, когда-либо созданные на Земле, а именно протоны на Большом адронном коллайдере, могут двигаться в вакууме со скоростью, невероятно близкой к скорости света: 299 792 455 метров в секунду, или 99,999999% скорости света.
Замедление времени (слева) и сокращение длины (справа) показывают, что время течет медленнее, а расстояния … [+] кажутся тем меньше, чем ближе вы приближаетесь к скорости света. По мере того, как вы приближаетесь к скорости света, часы замедляются в сторону того, что время вообще не течет, а расстояния сокращаются до бесконечно малых величин.
ПОЛЬЗОВАТЕЛИ WIKIMEDIA COMMONS ZAYANI (слева) и JROBBINS59 (справа)
Независимо от того, сколько энергии мы вкладываем в эти частицы, мы можем добавить только больше»9s” справа от этого десятичного знака, однако. Мы никогда не сможем достичь скорости света.
Или, точнее, мы никогда не сможем достичь скорости света в вакууме . То есть предельная космическая скорость 299 792 458 м/с недостижима для массивных частиц и одновременно является скоростью, с которой должны двигаться все безмассовые частицы.
Но что произойдет, если мы будем путешествовать не через вакуум, а через среду? Как оказалось, когда свет проходит через среду, его электрические и магнитные поля испытывают воздействие материи, через которую они проходят. Это приводит к тому, что когда свет входит в среду, немедленно изменяется скорость, с которой распространяется свет. Вот почему, когда вы наблюдаете, как свет входит в среду или выходит из нее, или переходит из одной среды в другую, кажется, что он изгибается.
Свет, хотя и может свободно распространяться в вакууме, имеет скорость распространения и длину волны, которые сильно зависят от свойств среды, через которую он проходит.
Свет, проходящий из незначительной среды через плотную среду, проявляющий преломление. Свет входит … [+] снизу справа, падает на призму и частично отражается (вверху), а остальная часть проходит через призму (в центре). Свет, проходящий через призму, кажется искривленным, так как он движется с меньшей скоростью, чем раньше свет, проходящий через воздух. Когда он снова появился из призмы, он снова преломился, вернувшись к своей первоначальной скорости.
Пользователь Wikimedia Commons Spigget
Однако у частиц другая судьба. Если высокоэнергетическая частица, первоначально проходившая через вакуум, вдруг окажется в среде, ее поведение будет отличаться от поведения света.
Во-первых, он не испытает немедленного изменения импульса или энергии, поскольку действующие на него электрические и магнитные силы, которые изменяют его импульс с течением времени, пренебрежимо малы по сравнению с количеством импульса, которым он уже обладает.
Вместо того, чтобы искривляться мгновенно, как кажется свету, изменения его траектории могут происходить только постепенно. Когда частицы впервые попадают в среду, они продолжают двигаться примерно с теми же свойствами, в том числе с той же скоростью, что и до входа.
Во-вторых, крупные события, которые могут изменить траекторию частицы в среде, почти всегда являются прямыми взаимодействиями: столкновениями с другими частицами. Эти события рассеяния чрезвычайно важны в экспериментах по физике элементарных частиц, поскольку продукты этих столкновений позволяют нам реконструировать то, что произошло в точке столкновения. Когда быстро движущаяся частица сталкивается с рядом стационарных частиц, мы называем это экспериментами с «фиксированной мишенью», и они используются во всем: от создания пучков нейтрино до создания частиц антивещества, которые имеют решающее значение для изучения определенных свойств природы.
Здесь протонный пучок попадает в дейтериевую мишень в эксперименте LUNA.
Скорость ядерного синтеза … [+] при различных температурах помогла выявить поперечное сечение дейтерия-протона, которое было наиболее неопределенным членом в уравнениях, используемых для вычисления и понимания чистых содержаний, которые возникнут в конце Большого взрыва. Нуклеосинтез. Эксперименты с фиксированной целью имеют множество применений в физике элементарных частиц.
LUNA Collaboration/Gran Sasso
Но самый интересный факт заключается в следующем: частицы, которые движутся медленнее света в вакууме, но быстрее света в среде, в которую они входят, на самом деле превышают скорость света. Это единственный реальный физический способ, которым частицы могут превысить скорость света. Они никогда не могут превысить скорость света в вакууме, но могут превысить ее в среде. И когда они это делают, происходит нечто захватывающее: испускается особый тип излучения — черенковское излучение.
Названный в честь первооткрывателя Павла Черенкова, это один из тех физических эффектов, который впервые был обнаружен экспериментально, прежде чем его предсказали.
Черенков изучал приготовленные радиоактивные образцы, некоторые из которых хранились в воде. Радиоактивные препараты, по-видимому, излучали слабый голубоватый свет, и хотя Черенков изучал люминесценцию, при которой гамма-лучи возбуждали бы эти растворы, а затем испускали бы видимый свет, когда девозбуждались, он быстро пришел к заключению, что этот свет имел предпочтительное направление. Это было не флуоресцентное явление, а что-то совсем другое.
Сегодня такое же голубое свечение можно увидеть в резервуарах с водой вокруг ядерных реакторов: черенковское излучение.
Экспериментальный ядерный реактор РА-6 (Республика Аргентина 6), ан марча, демонстрирующий характерное … [+] Черенковское излучение от испускаемых в воде частиц со скоростью, превышающей скорость света. Поскольку эти частицы движутся в этой среде со скоростью, превышающей скорость света, они испускают излучение, чтобы терять энергию и импульс, и они будут продолжать делать это до тех пор, пока их скорость не упадет ниже скорости света.
Centro Atomico Bariloche, via Pieck Darío
Откуда исходит это излучение?
Если через среду движется очень быстрая частица, эта частица обычно заряжена, а сама среда состоит из положительного (атомные ядра) и отрицательного (электроны) зарядов. Заряженная частица, путешествуя через эту среду, имеет шанс столкнуться с одной из находящихся там частиц, но, поскольку атомы в основном представляют собой пустое пространство, вероятность столкновения на коротких расстояниях относительно невелика.
Вместо этого частица воздействует на среду, через которую она проходит: она заставляет частицы в среде поляризоваться, когда одноименные заряды отталкиваются, а противоположные притягиваются, в ответ на прохождение заряженной частицы. Однако, как только заряженная частица уходит с пути, эти электроны возвращаются обратно в свое основное состояние, и эти переходы вызывают излучение света. В частности, они вызывают излучение синего света в форме конуса, где геометрия конуса зависит от скорости частицы и скорости света в этой конкретной среде.
Эта анимация демонстрирует, что происходит, когда релятивистская заряженная частица движется быстрее скорости света … [+] в среде. Взаимодействия заставляют частицу испускать конус излучения, известный как черенковское излучение, которое зависит от скорости и энергии падающей частицы. Обнаружение свойств этого излучения — чрезвычайно полезный и широко распространенный метод в экспериментальной физике элементарных частиц.
vlastni dilo / H. Seldon / public domain
Это чрезвычайно важное свойство в физике элементарных частиц, поскольку именно этот процесс позволяет нам вообще обнаружить неуловимое нейтрино. Нейтрино почти никогда не взаимодействуют с материей. Однако в тех редких случаях, когда они это делают, они передают свою энергию только одной другой частице.
Итак, что мы можем сделать, так это построить огромный резервуар с очень чистой жидкостью: жидкостью, которая не распадается радиоактивно и не испускает другие высокоэнергетические частицы.
Мы можем очень хорошо защитить его от космических лучей, естественной радиоактивности и всевозможных других загрязняющих источников. А затем мы можем выложить снаружи этого резервуара так называемые фотоумножители: трубки, которые могут обнаруживать одиночный фотон, запуская каскад электронных реакций, позволяющих нам узнать, откуда, когда и в каком направлении пришел фотон.
С достаточно большими детекторами мы можем определить множество свойств каждого нейтрино, взаимодействующего с частицей в этих резервуарах. Возникающее в результате черенковское излучение, создаваемое до тех пор, пока частица, «выталкиваемая» нейтрино, превышает скорость света в этой жидкости, является невероятно полезным инструментом для измерения свойств этих призрачных космических частиц.
Нейтринное событие, идентифицируемое по кольцам черенковского излучения, которые появляются вдоль … [+] фотоумножителей вдоль стенок детектора, демонстрирует успешную методологию нейтринной астрономии и использование черенковского излучения.
Это изображение показывает несколько событий и является частью набора экспериментов, прокладывающих наш путь к лучшему пониманию нейтрино.
Коллаборация Super Kamiokande
Открытие и понимание излучения Черенкова было революционным во многих отношениях, но оно также привело к пугающему применению в первые дни лабораторных экспериментов по физике элементарных частиц. Пучок энергичных частиц не оставляет оптических следов при прохождении через воздух, но вызывает излучение этого синего света, если он проходит через среду, где он движется быстрее, чем свет в этой среде. Физики привыкли закрывать один глаз и совать голову на пути луча; если бы луч был включен, они увидели бы «вспышку» света из-за излучения Черенкова, генерируемого в их глазу, подтверждая, что луч был включен. (Излишне говорить, что этот процесс был прекращен с появлением обучения радиационной безопасности.)
Тем не менее, несмотря на все достижения физики за прошедшие поколения, единственный известный нам способ превзойти скорость света — это найти среду, в которой можно замедлить этот свет.
Мы можем превысить эту скорость только в среде, и если мы это сделаем, это контрольное голубое свечение, которое предоставляет огромное количество информации о взаимодействии, которое его породило, станет нашей богатой данными наградой. Пока варп-двигатель или тахионы не станут реальностью, черенковское свечение — это путь №1!
Может ли что-нибудь двигаться быстрее скорости света?
Предоставлено НАСА
Может ли что-нибудь двигаться быстрее скорости света? «Нет», — вот что, вероятно, сказал бы Альберт Эйнштейн, если бы он был жив сегодня, и он был бы тем человеком, у которого можно спросить, потому что ученые верят ему на слово с начала 20-го века.
Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, опубликованной в 1905 году, ничто не может превышать скорость света. Эта скорость, как объяснил Эйнштейн, является фундаментальной константой природы: она кажется одинаковой для всех наблюдателей в любом месте пространства.
Та же теория утверждает, что объекты набирают массу по мере увеличения скорости, а для ускорения требуется энергия.
Чем больше масса, тем больше энергии требуется. К тому времени, когда объект достигнет скорости света, подсчитал Эйнштейн, его масса будет бесконечной, как и количество энергии, необходимое для увеличения его скорости. Выйти за пределы бесконечности невозможно.
Сто лет испытаний только подтвердили то, что написал Эйнштейн, сказал Дональд Шнайдер, профессор астрономии и астрофизики в Университете штата Пенсильвания. «Нет эксперимента, который бы противоречил специальной теории относительности. Мы ускорили субатомные частицы до более чем 99 процентов скорости света, но не равной или превышающей скорость света.
«Теоретически, когда вы превышаете скорость света, происходят странные вещи», — добавил Шнайдер. Во-первых, путешествие во времени и разделение причин и следствий. Шнайдер приводит пример поражения цели из пистолета, который стреляет пулями со скоростью, превышающей скорость света. «Некоторые наблюдатели увидят, как пуля попала в цель, прежде чем они увидят, как стрелок выстрелил из пистолета», — сказал он.
«Поскольку один из руководящих принципов теории относительности состоит в том, что все физические законы одинаковы для всех наблюдателей, это нарушение причинно-следственной связи было бы большой проблемой».
Еще одна странность: тахионы. В 1967 году Джеральд Файнберг, физик из Колумбийского университета, предположил существование этих частиц со скоростью, превышающей скорость света. В своем зеркальном мире над барьером скорости света тахионам потребуется бесконечная энергия, чтобы замедлиться до скорости света.
Среди других появившихся концепций — «червоточины» — короткие пути сквозь пространство-время, позволяющие перемещаться из точки в точку со скоростью, превышающей скорость света, — и «варп-двигатели», своего рода пузырь, созданный в пространстве, в котором теория относительности не применяется.
Несмотря на то, что тахионы, червоточины и варп-двигатели стали основой научной фантастики, они остаются спекуляциями, и многие физики игнорируют их значение. Однако есть по крайней мере один реальный пример сверхсветового (то есть сверхсветового) путешествия.
Это происходит, когда свет проходит через воду.
В этой плотной среде, объяснил Шнайдер, свет замедляется до трех четвертей своей скорости в вакууме. В ядерном реакторе заряженные частицы, слетающие с радиоактивных стержней через воду, в которой они погружены, превышают эту приведенную скорость.
Поскольку эти частицы содержат электрический заряд, они излучают энергию, называемую черенковским излучением. Любые частицы, с которыми они сталкиваются, становятся радиоактивными, придавая воде характерное голубое свечение.
«Это совсем не экзотика», сказал Шнайдер. «Каждый раз, когда вы смотрите на воду в ядерном реакторе, голубоватое свечение, которое вы видите, — это излучение, создаваемое заряженными частицами, движущимися в воде со скоростью, превышающей скорость света».
Тем не менее, замедление света для того, чтобы превзойти его, является жульничеством, признал Шнайдер. И хотя он не отказывается от возможности того, что в один прекрасный день в теорию относительности будут внесены поправки, на данный момент, по его словам, последнее слово за теорией Эйнштейна.