Superluminal sürət mümkündürmü? İşıq sürətinin düsturunun çıxarılması. Mənaları və anlayışı

1676-cı ildə Danimarka astronomu Ole Römer işığın sürətinin ilk təxmini təxminini etdi. Römer Yupiterin peyklərinin tutulma müddətində cüzi uyğunsuzluq müşahidə etdi və belə nəticəyə gəldi ki, Yerin Yupiterə yaxınlaşması və ya ondan uzaqlaşması nəticəsində peyklərdən əks olunan işığın qət etməli olduğu məsafə dəyişdi.

Römer bu uyğunsuzluğun böyüklüyünü ölçərək işığın sürətinin saniyədə 219.911 kilometr olduğunu hesablamışdır. Fransız fiziki Armand Fizeau 1849-cu ildə daha sonra apardığı təcrübədə işığın sürətinin saniyədə 312.873 kilometr olduğunu təsbit etdi.

Yuxarıdakı şəkildə göstərildiyi kimi, Fizeau-nun eksperimental qurğusu işıq mənbəyindən, üzərinə düşən işığın yalnız yarısını əks etdirən, qalan hissəsinin fırlanan dişli və sabit güzgüdən kənara keçməsinə imkan verən şəffaf güzgüdən ibarət idi. İşıq şəffaf güzgüyə dəydikdə o, işığı şüalara bölən dişli çarxda əks olundu. Fokuslama linzaları sistemindən keçdikdən sonra hər bir işıq şüası sabit güzgüdən əks olundu və dişli çarxına qayıtdı. Ötürücü çarxın əks olunan şüaları bağladığı sürətin dəqiq ölçülərini apararaq, Fizeau işığın sürətini hesablaya bildi. Onun həmkarı Jan Fuko bir il sonra bu üsulu təkmilləşdirərək işığın sürətinin saniyədə 297 878 ​​kilometr olduğunu müəyyən edib. Bu dəyər lazer şüalarının dalğa uzunluğunu və tezliyini vurmaqla hesablanan saniyədə 299 792 kilometr olan müasir qiymətdən çox az fərqlənir.

Fizeau təcrübəsi

Yuxarıdakı şəkillərdə göstərildiyi kimi, işıq yavaş fırlanırsa, təkərin dişləri arasındakı eyni boşluqdan irəli və geri hərəkət edir (aşağıdakı şəkil). Təkər sürətlə fırlanırsa (yuxarı şəkil), bitişik dişli dönən işığı bloklayır.

Fizeau nəticələri

Güzgünü dişli çarxdan 8,64 kilometr məsafədə yerləşdirərək Fizeau müəyyən etdi ki, geri qayıdan işıq şüasının qarşısını almaq üçün lazım olan dişli çarxın fırlanma sürəti saniyədə 12,6 dövrə təşkil edir. Bu rəqəmləri, eləcə də işığın qət etdiyi məsafəni və dişli çarxın işıq şüasını bağlamaq üçün qət etməli olduğu məsafəni (təkərin dişləri arasındakı boşluğun eninə bərabər) bilərək, o, işıq şüasını götürdüyünü hesabladı. Ötürücü təkərdən güzgüyə və arxaya qədər məsafə qət etmək üçün 0,000055 saniyə. İşığın qət etdiyi cəmi 17,28 kilometr məsafəni bu vaxta bölərək, Fizeau sürətinə görə saniyədə 312,873 kilometr dəyər əldə etdi.

Fuko təcrübəsi

1850-ci ildə fransız fiziki Jan Fuko dişli çarxı fırlanan güzgü ilə əvəz edərək Fizeau texnikasını təkmilləşdirdi. Mənbədən gələn işıq müşahidəçiyə yalnız işıq şüasının getməsi və qayıtması arasındakı vaxt intervalında güzgü 360° tam dönüş etdikdə çatırdı. Fuko bu üsuldan istifadə edərək işıq sürəti üçün saniyədə 297.878 kilometr dəyər əldə etdi.

İşıq sürətinin ölçülməsində son akkord.

Lazerlərin ixtirası fiziklərə işığın sürətini əvvəlkindən daha dəqiqliklə ölçməyə imkan verdi. 1972-ci ildə Milli Standartlar və Texnologiya İnstitutunun alimləri lazer şüasının dalğa uzunluğunu və tezliyini diqqətlə ölçdülər və bu iki dəyişənin məhsulu olan işığın sürətini saniyədə 299792458 metr (saniyədə 186282 mil) olaraq təyin etdilər. Bu yeni ölçmənin nəticələrindən biri Çəkilər və Ölçülər üzrə Baş Konfransın işığın saniyənin 1/299792458-də keçdiyi məsafəni istinad metri (3,3 fut) kimi qəbul etmək qərarı oldu. Beləliklə / fizikada ən mühüm fundamental sabit olan işığın sürəti indi çox yüksək dəqiqliklə hesablanır və istinad sayğacı əvvəlkindən daha dəqiq müəyyən edilə bilir.

Məktəb illərindən bəri biz bilirik ki, Eynşteyn qanunlarına görə işıq sürəti Kainatda keçilməz maksimumdur. İşıq Günəşdən Yerə 8 dəqiqəyə çatır ki, bu da təxminən 150.000.000 km-dir. Neptuna çatmaq üçün cəmi 6 saat vaxt lazımdır, lakin kosmik gəmilərin belə məsafələri qət etməsi onilliklər tələb edir. Ancaq hamı bilmir ki, sürətin dəyəri işığın keçdiyi mühitdən asılı olaraq əhəmiyyətli dərəcədə dəyişə bilər.

İşıq sürəti üçün formula

Vakuumda işığın sürətini (c ≈ 3 * 10 8 m / s) bilməklə, onu digər mühitlərdə onların sınma əmsalı n əsasında müəyyən edə bilərsiniz. İşıq sürətinin düsturunun özü fizikanın mexanika qanunlarına, daha doğrusu, zamandan və cismin sürətindən istifadə edərək məsafənin müəyyən edilməsinə bənzəyir.

Məsələn, sındırma indeksi 1,5 olan şüşəni götürək. İşığın sürəti düsturuna görə v = c \ n, bu mühitdə sürətin təxminən 200.000 km / s-ə bərabər olduğunu alırıq. Su kimi bir maye götürsək, onda fotonların (işığın hissəcikləri) yayılma sürəti 1,33 sındırma indeksi ilə 226.000 km / s-dir.

İşığın havada sürətinin düsturu

Hava da bir mühitdir. Nəticə etibarilə, o, sözdə var, əgər bir vakuumda fotonlar yollarında maneələrlə qarşılaşmırlarsa, bir mühitdə atom hissəciklərinin həyəcanlanmasına bir müddət sərf edirlər. Ətraf mühit nə qədər sıx olarsa, bu həyəcan üçün bir o qədər çox vaxt lazımdır. Havada sındırma indeksi (n) 1,000292-dir. Bu isə 299 792 458 m/s həddindən çox da kənara çıxmır.

Amerikalı alimlər işığın sürətini demək olar ki, sıfıra endirməyə nail olublar. 1/299,792,458 saniyədən çox. işıq sürəti aşa bilmir. İş ondadır ki, işıq rentgen şüaları, radio dalğaları və ya istiliklə eyni elektromaqnit dalğasıdır. Yeganə fərq dalğa uzunluğu və tezlik arasındakı fərqdir.

Maraqlı bir fakt fotonda kütlənin olmamasıdır və bu, bu hissəcik üçün vaxtın olmadığını göstərir. Sadə dillə desək, bir neçə milyon, hətta milyardlarla il əvvəl yaranan bir foton üçün bir saniyə belə keçməmişdir.

Texnika elmləri doktoru A. QOLUBEV.

Ötən ilin ortalarında jurnallarda sensasiyalı xəbər çıxdı. Bir qrup amerikalı tədqiqatçı aşkar ediblər ki, çox qısa lazer nəbzi xüsusi seçilmiş mühitdə vakuumdakından yüz dəfələrlə tez yayılır. Bu fenomen tamamilə inanılmaz görünürdü (mühitdə işığın sürəti həmişə vakuumdakından daha azdır) və hətta xüsusi nisbilik nəzəriyyəsinin etibarlılığına dair şübhələrə səbəb oldu. Bu arada, superluminal fiziki obyekt - gücləndirici mühitdə lazer impulsu - ilk dəfə 2000-ci ildə deyil, 35 il əvvəl, 1965-ci ildə kəşf edildi və superlüminal hərəkətin mümkünlüyü 70-ci illərin əvvəllərinə qədər geniş müzakirə edildi. Bu gün bu qəribə fenomen ətrafında müzakirələr yeni güclə alovlandı.

"Superluminal" hərəkət nümunələri.

1960-cı illərin əvvəllərində lazer flaşının kvant gücləndiricisindən (tərs populyasiyaya malik mühit) keçirilməsi yolu ilə yüksək güclü qısa işıq impulsları alınmağa başlandı.

Gücləndirici mühitdə işıq impulsunun başlanğıc bölgəsi gücləndirici mühitdə atomların stimullaşdırılmış emissiyasına səbəb olur və onun son bölgəsi onlar tərəfindən enerjinin udulmasına səbəb olur. Nəticədə müşahidəçiyə elə görünəcək ki, nəbz işıqdan daha sürətli hərəkət edir.

Lijun Wong təcrübəsi.

Şəffaf bir materialın (məsələn, şüşə) prizmasından keçən işıq şüası sınır, yəni dispersiyaya məruz qalır.

İşıq nəbzi müxtəlif tezliklərin salınımları toplusudur.

Yəqin ki, hər kəs - hətta fizikadan uzaq insanlar - maddi cisimlərin hərəkətinin və ya hər hansı bir siqnalın yayılmasının maksimal mümkün sürətinin vakuumda işığın sürəti olduğunu bilir. Hərflə qeyd olunur ilə və demək olar ki, saniyədə 300 min kilometrdir; dəqiq qiymət ilə= 299 792 458 m/s. Vakuumda işığın sürəti əsas fiziki sabitlərdən biridir. Həddindən artıq sürət əldə etməyin mümkünsüzlüyü ilə, Eynşteynin xüsusi nisbilik nəzəriyyəsindən (SRT) irəli gəlir. Siqnalların superluminal sürətlə ötürülməsinin mümkün olduğunu sübut etmək mümkün olsaydı, nisbilik nəzəriyyəsi çökərdi. Daha yüksək sürətlərin mövcudluğu ilə bağlı qadağanı təkzib etmək üçün çoxsaylı cəhdlərə baxmayaraq, bu günə qədər bu baş verməyib. ilə. Bununla belə, son eksperimental tədqiqatlar xüsusi yaradılmış şəraitdə nisbilik nəzəriyyəsinin prinsiplərini pozmadan fövqəllüminal sürətləri müşahidə etməyin mümkün olduğunu göstərən çox maraqlı hadisələri üzə çıxarmışdır.

Başlamaq üçün, işıq sürəti problemi ilə bağlı əsas cəhətləri xatırlayaq. Əvvəla: işıq həddini aşmaq niyə mümkün deyil (normal şəraitdə)? Çünki o zaman dünyamızın əsas qanunu pozulur - səbəbiyyət qanunu, ona görə nəticə səbəbdən üstün ola bilməz. Heç kim müşahidə etməyib ki, məsələn, ayı əvvəlcə yıxılıb ölüb, sonra isə ovçu güllələyib. Həddindən artıq sürətlərdə ilə, hadisələrin ardıcıllığı tərsinə çevrilir, zaman lenti geri çəkilir. Bunu aşağıdakı sadə mülahizədən asanlıqla görmək olar.

Fərz edək ki, biz işıqdan daha sürətli hərəkət edən müəyyən bir kosmik möcüzə gəmisindəyik. Sonra mənbənin vaxtından əvvəl və daha erkən nöqtələrdə buraxdığı işığı yavaş-yavaş tutacaqdıq. Əvvəlcə, deyək ki, dünən, sonra - dünəndən bir gün əvvəl, sonra - bir həftə, bir ay, bir il əvvəl və s. Əgər işıq mənbəyi həyatı əks etdirən güzgü olsaydı, onda biz əvvəlcə dünənki hadisələri, sonra dünənki hadisələri və s. Görə bilərdik, deyək ki, get-gedə orta yaşlı adama, sonra gəncə, gəncliyə, uşağa çevrilən qoca... Yəni, zaman geri dönərdi, indidən indiki vaxta keçirdik. keçmiş. Səbəb və nəticə sonra tərsinə çevriləcək.

Bu arqument işığın müşahidəsi prosesinin texniki təfərrüatlarına tamamilə məhəl qoymasa da, fundamental nöqteyi-nəzərdən superluminal sürətlə hərəkətin bizim dünyamızda qeyri-mümkün olan vəziyyətə gətirib çıxardığını açıq şəkildə nümayiş etdirir. Bununla belə, təbiət daha da sərt şərtlər qoyub: hərəkət təkcə superluminal sürətlə deyil, həm də işıq sürətinə bərabər sürətlə mümkün deyil - yalnız ona yaxınlaşa bilərsiniz. Nisbilik nəzəriyyəsindən belə çıxır ki, hərəkət sürətinin artması ilə üç hal yaranır: hərəkət edən cismin kütləsi artır, ölçüsü hərəkət istiqamətində azalır və bu cismin üzərində zamanın keçməsi yavaşlayır (dan xarici "istirahət edən" müşahidəçinin baxışı). Adi sürətlərdə bu dəyişikliklər əhəmiyyətsizdir, lakin işıq sürətinə yaxınlaşdıqca, onlar getdikcə nəzərə çarpır və limitdə - bərabər sürətlə ilə, - kütlə sonsuz böyük olur, cisim hərəkət istiqamətində öz ölçüsünü tamamilə itirir və zaman onun üzərində dayanır. Buna görə də heç bir maddi cisim işıq sürətinə çata bilməz. Yalnız işığın özündə belə sürət var! (Həmçinin "hər şeyə nüfuz edən" hissəcik - neytrino, foton kimi, daha az sürətlə hərəkət edə bilməz. ilə.)

İndi siqnal ötürmə sürəti haqqında. Burada işığın elektromaqnit dalğaları şəklində təsvirindən istifadə etmək məqsədəuyğundur. Bir siqnal nədir? Bu, ötürüləcək bəzi məlumatlardır. İdeal bir elektromaqnit dalğası ciddi bir tezlikli sonsuz sinusoiddir və heç bir məlumat daşıya bilməz, çünki belə bir sinusoidin hər dövrü əvvəlkini tam olaraq təkrarlayır. Sinus dalğasının fazasının hərəkət etdiyi sürət - sözdə faza sürəti - müəyyən şərtlər altında vakuumda işığın sürətini keçə bilər. Burada heç bir məhdudiyyət yoxdur, çünki faza sürəti siqnalın sürəti deyil - hələ mövcud deyil. Bir siqnal yaratmaq üçün dalğada bir növ "işarə" etmək lazımdır. Belə bir işarə, məsələn, dalğa parametrlərinin hər hansı birində dəyişiklik ola bilər - amplituda, tezlik və ya başlanğıc faza. Lakin işarə qoyulan kimi dalğa sinusoidallığını itirir. O, müxtəlif amplitudaları, tezlikləri və ilkin fazaları olan sadə sinusoidal dalğalar toplusundan - dalğalar qrupundan ibarət modullaşdırılır. Modulyasiya edilmiş dalğada işarənin hərəkət sürəti siqnalın sürətidir. Mühitdə yayılarkən bu sürət adətən yuxarıda göstərilən dalğalar qrupunun bütövlükdə yayılmasını xarakterizə edən qrup sürəti ilə üst-üstə düşür (bax: “Elm və Həyat” № 2, 2000). Normal şəraitdə qrup sürəti və deməli siqnalın sürəti vakuumda işığın sürətindən azdır. Təsadüfi deyil ki, burada “normal şəraitdə” ifadəsi işlədilir, çünki bəzi hallarda qrup sürəti də çox ola bilər. ilə və ya hətta mənasını itirir, lakin sonra siqnalın yayılmasına aid deyil. SRT-də müəyyən edilmişdir ki, siqnalın daha yüksək sürətlə ötürülməsi mümkün deyil ilə.

Niyə belədir? Çünki hər hansı bir siqnalın ötürülməsinə mane olan sürətdən daha böyükdür ilə eyni səbəbiyyət qanunu tətbiq edilir. Belə bir vəziyyəti təsəvvür edək. A nöqtəsində işıq işığı (1-ci hadisə) müəyyən bir radio siqnalı göndərən cihazı işə salır və uzaq B nöqtəsində bu radio siqnalının təsiri altında partlayış baş verir (hadisə 2). Aydındır ki, 1-ci hadisə (flaş) səbəb, 2-ci hadisə (partlayış) isə səbəbdən gec baş verən təsirdir. Ancaq radio siqnalı superluminal sürətlə yayılarsa, B nöqtəsinin yaxınlığında müşahidəçi əvvəlcə partlayış görəcək və yalnız bundan sonra ona sürətlə çatacaq. ilə işıq çaxması, partlayışın səbəbi. Başqa sözlə desək, bu müşahidəçi üçün hadisə 2-ci hadisə 1-ci hadisədən əvvəl, yəni təsir səbəbdən əvvəl baş vermiş olardı.

Nisbilik nəzəriyyəsinin “superluminal qadağası”nın yalnız maddi cisimlərin hərəkətinə və siqnalların ötürülməsinə qoyulduğunu vurğulamaq yerinə düşər. Bir çox hallarda istənilən sürətlə hərəkət etmək mümkündür, lakin bu, qeyri-maddi obyektlərin və siqnalların hərəkəti olacaqdır. Məsələn, eyni müstəvidə uzanan iki kifayət qədər uzun hökmdarı təsəvvür edin, onlardan biri üfüqi vəziyyətdə yerləşir, digəri isə kiçik bir açı ilə kəsişir. Birinci sətir yüksək sürətlə aşağı (oxla göstərilən istiqamətə) hərəkət edərsə, xətlərin kəsişmə nöqtəsi ixtiyari sürətlə hərəkət etmək üçün edilə bilər, lakin bu nöqtə maddi bədən deyil. Başqa bir misal: bir fənər götürsəniz (və ya, məsələn, dar bir şüa verən bir lazer) və havada bir qövsü tez təsvir etsəniz, işıq nöqtəsinin xətti sürəti məsafə ilə artacaq və kifayət qədər böyük bir məsafədə, aşacaq ilə.İşıq nöqtəsi A və B nöqtələri arasında superlüminal sürətlə hərəkət edəcək, lakin bu, A-dan B-yə siqnal ötürülməsi olmayacaq, çünki belə işıq nöqtəsi A nöqtəsi haqqında heç bir məlumat daşımır.

Belə görünür ki, superluminal sürətlər məsələsi həll olunub. Lakin XX əsrin 60-cı illərində nəzəri fiziklər takyonlar adlanan superluminal hissəciklərin mövcudluğu fərziyyəsini irəli sürdülər. Bunlar çox qəribə hissəciklərdir: nəzəri cəhətdən mümkündür, lakin nisbilik nəzəriyyəsi ilə ziddiyyətlərdən qaçmaq üçün onlara xəyali istirahət kütləsi təyin edilməli idi. Fiziki olaraq xəyali kütlə mövcud deyil, sırf riyazi abstraksiyadır. Ancaq bu, çox narahatlığa səbəb olmadı, çünki taxionlar istirahətdə ola bilməzlər - onlar (əgər varsa!) yalnız vakuumda işıq sürətini aşan sürətlə mövcuddurlar və bu halda taxyonun kütləsi real olur. Burada fotonlarla bir bənzətmə var: fotonun istirahət kütləsi sıfırdır, lakin bu, sadəcə olaraq o deməkdir ki, foton istirahətdə ola bilməz - işığı dayandırmaq olmaz.

Ən çətini, gözlənildiyi kimi, takyon fərziyyəsini səbəbiyyət qanunu ilə uzlaşdırmaq idi. Bu istiqamətdə edilən cəhdlər kifayət qədər dahiyanə olsa da, aşkar uğura gətirib çıxarmadı. Heç kim eksperimental olaraq taxionları da qeyd edə bilməyib. Nəticədə, superluminal elementar hissəciklər kimi taxionlara maraq tədricən yox oldu.

Ancaq 60-cı illərdə eksperimental olaraq bir fenomen kəşf edildi ki, bu da əvvəlcə fizikləri çaşqınlığa sürüklədi. Bu, A. N. Oraevskinin "Gücləndirici mühitdə superluminal dalğalar" (UFN No 12, 1998) məqaləsində ətraflı təsvir edilmişdir. Burada təfərrüatlarla maraqlanan oxucunu sözügedən məqaləyə istinad edərək, məsələnin mahiyyətini qısaca yekunlaşdırırıq.

Lazerlərin kəşfindən qısa müddət sonra, 1960-cı illərin əvvəllərində qısa (1 ns = 10 -9 s ardıcıllıqla) yüksək güclü işıq impulslarının alınması problemi yarandı. Bunun üçün optik kvant gücləndiricisindən qısa bir lazer impulsu keçirildi. Nəbz şüa ayıran güzgü ilə iki hissəyə bölündü. Onlardan biri, daha güclü, gücləndiriciyə göndərildi, digəri isə havada yayıldı və gücləndiricidən keçən nəbzi müqayisə etmək mümkün olan istinad impulsu kimi xidmət etdi. Hər iki impuls fotodetektorlara verilirdi və onların çıxış siqnalları osiloskop ekranında vizual olaraq müşahidə oluna bilirdi. Gücləndiricidən keçən işıq impulsunun istinad impulsu ilə müqayisədə bir qədər gecikmə yaşayacağı, yəni gücləndiricidə işığın yayılma sürətinin havadan daha az olacağı gözlənilirdi. Nəbzin gücləndirici vasitəsilə təkcə havadan deyil, həm də vakuumda işığın sürətindən bir neçə dəfə böyük sürətlə yayıldığını aşkar edəndə tədqiqatçılar nə heyrətə gəldilər!

İlk sarsıntıdan qurtulan fiziklər belə gözlənilməz nəticənin səbəbini axtarmağa başlayıblar. Xüsusi nisbilik nəzəriyyəsinin prinsiplərinə heç kimin zərrə qədər də şübhəsi yox idi və bu, düzgün izahat tapmağa kömək etdi: SRT prinsipləri qorunub saxlanılırsa, cavabı gücləndirici mühitin xüsusiyyətlərində axtarmaq lazımdır. .

Burada təfərrüatlara varmadan, yalnız onu qeyd edirik ki, gücləndirici mühitin təsir mexanizminin ətraflı təhlili vəziyyəti tamamilə aydınlaşdırdı. Məsələ, nəbzin yayılması zamanı fotonların konsentrasiyasının dəyişməsi idi - nəbzin arxa hissəsinin keçidi zamanı mühitin qazancının mənfi dəyərə qədər dəyişməsi ilə əlaqədar dəyişiklik, mühit artıq olduqda. enerji udmaq, çünki işıq impulsuna keçməsi səbəbindən öz ehtiyatı artıq istifadə edilmişdir. Absorbsiya impulsun artmasına deyil, azalmasına səbəb olur və beləliklə impuls onun ön hissəsində güclənir, arxada isə zəifləyir. Təsəvvür edək ki, gücləndirici mühitdə işıq sürəti ilə hərəkət edən alətin köməyi ilə nəbzi müşahidə edirik. Əgər mühit şəffaf olsaydı, biz hərəkətsizlikdə donmuş bir impuls görərdik. Yuxarıda qeyd olunan prosesin baş verdiyi mühitdə nəbzin ön kənarının güclənməsi və arxa kənarının zəifləməsi müşahidəçiyə elə görünəcək ki, mühit, sanki, nəbzi irəli aparıb. . Amma cihaz (müşahidəçi) işıq sürəti ilə hərəkət etdiyinə və impuls onu ötdüyünə görə impulsun sürəti işıq sürətini üstələyir! Təcrübəçilər tərəfindən qeydə alınan bu təsirdir. Və burada həqiqətən nisbilik nəzəriyyəsi ilə heç bir ziddiyyət yoxdur: sadəcə gücləndirmə prosesi elədir ki, əvvəllər çıxan fotonların konsentrasiyası sonradan çıxanlardan daha çox olur. Superluminal sürətlə hərəkət edən fotonlar deyil, osiloskopda müşahidə olunan nəbzin zərfi, xüsusən də maksimumdur.

Beləliklə, adi mühitlərdə işığın zəifləməsi və onun sürətinin sınma əmsalı ilə müəyyən edilən azalması həmişə olduğu halda, aktiv lazer mühitlərində yalnız işığın gücləndirilməsi deyil, həm də impulsun superlüminal sürətlə yayılması müşahidə olunur.

Bəzi fiziklər kvant mexanikasında ən heyrətamiz hadisələrdən biri olan tunel effektində superlüminal hərəkətin mövcudluğunu eksperimental olaraq sübut etməyə çalışıblar. Bu təsir ondan ibarətdir ki, mikrohissəcik (daha dəqiq desək, həm zərrəciyin xassələrini, həm də müxtəlif şəraitdə dalğanın xassələrini nümayiş etdirən mikroobyekt) potensial maneə deyilən şeyi - tamamilə qeyri-mümkün olan fenomeni keçə bilir. klassik mexanikada (belə bir vəziyyət analoji ola bilərdi: divara atılan top divarın o biri tərəfində bitər və ya divara bağlanmış bir ipin verdiyi dalğalı hərəkət, bağlanmış kəndirə ötürülərdi. digər tərəfdən divar). Kvant mexanikasında tunel effektinin mahiyyəti aşağıdakı kimidir. Müəyyən enerjiyə malik olan mikro cisim yolda potensial enerjisi mikro obyektin enerjisindən artıq olan sahə ilə qarşılaşırsa, bu sahə onun üçün hündürlüyü enerji fərqi ilə müəyyən edilən maneədir. Lakin mikro-obyekt baryerdən “sızır”! Bu imkanı ona enerji və qarşılıqlı təsir vaxtı üçün yazılmış məşhur Heisenberg qeyri-müəyyənlik əlaqəsi verir. Əgər mikroobyektin maneə ilə qarşılıqlı əlaqəsi kifayət qədər müəyyən vaxt ərzində baş verərsə, o zaman mikroobyektin enerjisi, əksinə, qeyri-müəyyənliklə xarakterizə olunacaq və bu qeyri-müəyyənlik maneənin hündürlüyü səviyyəsindədirsə, onda sonuncu dayanır. mikroobyekt üçün keçilməz maneə olmaq. Məhz potensial maneədən keçmə sürəti onun həddən artıq ola biləcəyinə inanan bir sıra fiziklərin tədqiqat obyektinə çevrilmişdir. ilə.

1998-ci ilin iyununda Kölndə superluminal hərəkətlərin problemlərinə dair beynəlxalq simpozium keçirildi, burada dörd laboratoriyada - Berkli, Vyana, Köln və Florensiyada əldə edilən nəticələr müzakirə edildi.

Və nəhayət, 2000-ci ildə superluminal yayılmanın təsirlərinin ortaya çıxdığı iki yeni təcrübə bildirildi. Onlardan biri Lijun Vonq və Prinstondakı (ABŞ) tədqiqat institutunun əməkdaşları tərəfindən həyata keçirilib. Onun nəticəsidir ki, sezium buxarı ilə dolu kameraya daxil olan işıq impulsu onun sürətini 300 dəfə artırır. Məlum oldu ki, nəbz ön divardan kameraya daxil olmamışdan əvvəl də nəbzin əsas hissəsi kameranın uzaq divarını tərk edir. Belə bir vəziyyət təkcə sağlam düşüncəyə deyil, mahiyyət etibarilə nisbilik nəzəriyyəsinə də ziddir.

L. Vonqun məruzəsi fiziklər arasında gərgin müzakirələrə səbəb oldu, onların əksəriyyəti əldə edilən nəticələrdə nisbilik prinsiplərinin pozulmasını görməyə meylli deyillər. Onların fikrincə, problem bu təcrübəni düzgün izah etməkdir.

L. Wong təcrübəsində sezium buxarı ilə kameraya daxil olan işıq impulsunun müddəti təxminən 3 μs idi. Sezium atomları on altı mümkün kvant mexaniki vəziyyətdə ola bilər, "əsas vəziyyət hiper incə maqnit alt səviyyələri". Optik lazer nasosunun köməyi ilə demək olar ki, bütün atomlar Kelvin şkalası üzrə demək olar ki, mütləq sıfır temperatura (-273,15 o C) uyğun gələn bu on altı vəziyyətdən yalnız birinə gətirildi. Sezium kamerasının uzunluğu 6 santimetr idi. Vakuumda işıq 0,2 ns-də 6 santimetr məsafəni qət edir. Ölçmələrin göstərdiyi kimi, işıq impulsu sezium ilə kameradan vakuumdakından 62 ns qısa müddətdə keçdi. Başqa sözlə, nəbzin sezium mühitindən keçmə vaxtı "mənfi" işarəsinə malikdir! Həqiqətən, 0,2 ns-dən 62 ns-i çıxarsaq, "mənfi" vaxt alırıq. Mühitdəki bu "mənfi gecikmə" - anlaşılmaz bir zaman sıçrayışı - nəbzin vakuumda kameradan 310 keçid edəcəyi vaxta bərabərdir. Bu “zamanın tərsinə çevrilməsi”nin nəticəsi o oldu ki, kameradan çıxan impuls, gələn impuls kameranın yaxın divarına çatana qədər ondan 19 metr uzaqlaşa bildi. Belə bir inanılmaz vəziyyəti necə izah etmək olar (təcrübənin təmizliyinə şübhə yoxdursa)?

Aparılan müzakirələrə görə, hələ ki, dəqiq izahat tapılmamışdır, lakin burada mühitin qeyri-adi dispersiya xüsusiyyətlərinin rol oynadığına şübhə yoxdur: lazer işığı ilə həyəcanlanan atomlardan ibarət sezium buxarı bir mühitdir. anomal dispersiya. Bunun nə olduğunu qısaca xatırlayaq.

Maddənin dispersiyası fazanın (adi) sınma göstəricisindən asılılıqdır n işığın dalğa uzunluğuna görə l. Normal dispersiya ilə sındırma indeksi dalğa uzunluğunun azalması ilə artır və bu şüşə, su, hava və işığa şəffaf olan bütün digər maddələrdə belədir. İşığı güclü şəkildə udan maddələrdə, dalğa uzunluğunun dəyişməsi ilə sındırma göstəricisinin kursu tərsinə çevrilir və daha dik olur: l-nin azalması (w tezliyinin artması) ilə sındırma göstəricisi kəskin şəkildə azalır və müəyyən dalğa uzunluqlarında daha az olur. birlikdən (faza sürəti V f > ilə). Bu, maddədə işığın yayılma sxeminin köklü şəkildə dəyişdiyi anomal dispersiyadır. qrup sürəti V cp dalğaların faza sürətindən böyük olur və vakuumda işığın sürətini keçə bilər (həmçinin mənfi olur). L.Vonq öz eksperimentinin nəticələrini izah etmək imkanının altında yatan səbəb kimi bu vəziyyəti göstərir. Ancaq qeyd etmək lazımdır ki, şərt V gr > ilə sırf formaldır, çünki qrup sürəti anlayışı kiçik (normal) dispersiya halında, şəffaf mühit üçün, dalğalar qrupu yayılma zamanı demək olar ki, öz formasını dəyişmədikdə tətbiq edilmişdir. Anormal dispersiyanın bölgələrində isə işıq nəbzi sürətlə deformasiya olunur və qrup sürəti anlayışı öz mənasını itirir; bu zaman siqnalın sürəti və enerjinin yayılma sürəti anlayışları təqdim edilir ki, bunlar şəffaf mühitdə qrup sürəti ilə üst-üstə düşür, udulmalı mühitdə isə vakuumda işığın sürətindən az qalır. Ancaq Vonqun eksperimentində maraqlı olan budur: anomal dispersiyaya malik mühitdən keçən yüngül nəbz deformasiya etmir - o, öz formasını tam olaraq saxlayır! Və bu, impulsun qrup sürəti ilə yayıldığı fərziyyəsinə uyğundur. Amma belədirsə, onda belə çıxır ki, mühitdə udma yoxdur, baxmayaraq ki, mühitin anomal dispersiyası məhz udma ilə bağlıdır! Vonq özü çox şeyin qeyri-müəyyən qaldığını qəbul edərək hesab edir ki, onun eksperimental qurğusunda baş verənləri ilk yaxınlaşma kimi aydın şəkildə izah etmək olar.

İşıq impulsu müxtəlif dalğa uzunluqlarına (tezliklərə) malik bir çox komponentdən ibarətdir. Şəkildə bu komponentlərdən üçü göstərilir (dalğalar 1-3). Bir nöqtədə hər üç dalğa fazadadır (onların maksimumları üst-üstə düşür); burada onlar birləşərək bir-birini gücləndirir və impuls əmələ gətirirlər. Dalğalar kosmosda daha da yayıldıqca fazadan kənarda qalır və beləliklə də bir-birini “söndürür”.

Anormal dispersiya bölgəsində (sezium hüceyrəsinin daxilində) daha qısa olan dalğa (dalğa 1) daha uzun olur. Əksinə, üçünün ən uzunu olan dalğa (3-cü dalğa) ən qısası olur.

Nəticədə dalğaların fazaları da müvafiq olaraq dəyişir. Dalğalar sezium hüceyrəsindən keçdikdə onların dalğa cəbhələri bərpa olunur. Anormal dispersiyaya malik bir maddədə qeyri-adi faza modulyasiyasına məruz qalaraq, nəzərdən keçirilən üç dalğa müəyyən bir nöqtədə yenidən fazada olur. Burada onlar yenidən toplanır və sezium mühitinə daxil olan eyni formada nəbz əmələ gətirirlər.

Tipik olaraq havada və həqiqətən də hər hansı normal dispersiyalı şəffaf mühitdə işıq impulsu uzaq məsafədə yayılarkən öz formasını dəqiq saxlaya bilmir, yəni onun bütün komponentləri yayılma yolu boyunca hər hansı uzaq nöqtədə fazada ola bilməz. Və normal şəraitdə belə bir uzaq nöqtədə bir işıq nəbzi bir müddət sonra görünür. Lakin təcrübədə istifadə olunan mühitin anomal xüsusiyyətlərinə görə, uzaq nöqtədəki nəbzin bu mühitə daxil olan zaman olduğu kimi mərhələli olduğu ortaya çıxdı. Beləliklə, işıq nəbzi uzaq bir nöqtəyə gedən yolda mənfi vaxt gecikməsi olan kimi davranır, yəni ona gec deyil, mühiti keçəndən tez çatacaqdı!

Əksər fiziklər bu nəticəni kameranın dispersiya mühitində aşağı intensivlikli prekursorun görünüşü ilə əlaqələndirməyə meyllidirlər. Fakt budur ki, nəbzin spektral parçalanması zamanı spektrdə nəbzin "əsas hissəsindən" qabaqda gedən sözdə prekursor, əhəmiyyətsiz amplituda olan ixtiyari yüksək tezliklərin komponentləri var. Qurulmanın xarakteri və prekursorun forması mühitdə dispersiya qanunundan asılıdır. Bunu nəzərə alaraq, Vonqun təcrübəsində hadisələrin ardıcıllığının aşağıdakı kimi şərh edilməsi təklif olunur. Qarşısındakı xəbərçini “uzan” gələn dalğa kameraya yaxınlaşır. Daxil olan dalğanın pik nöqtəsi kameranın yaxın divarına dəyməzdən əvvəl, prekursor kamerada nəbzin görünüşünü başlayır, o, uzaq divara çatır və ondan əks olunur və "əks dalğa" əmələ gətirir. Bu dalğa 300 dəfə daha sürətli yayılır ilə, yaxın divara çatır və gələn dalğa ilə qarşılaşır. Bir dalğanın zirvələri digərinin çökəkliyi ilə qarşılaşır ki, onlar bir-birini ləğv etsinlər və heç nə qalmasın. Belə çıxır ki, gələn dalğa kameranın o biri ucunda ona enerji “borc almış” sezium atomlarına “borcu qaytarır”. Təcrübənin yalnız başlanğıcını və sonunu izləyən bir insan, yalnız zamanda irəli "sıçrayan", daha sürətli hərəkət edən bir işıq nəbzini görərdi. ilə.

L.Vonq hesab edir ki, onun təcrübəsi nisbilik nəzəriyyəsi ilə uyğun gəlmir. Fövqəllüminal sürətin əlçatmazlığı haqqında bəyanat, o hesab edir ki, yalnız istirahət kütləsi olan cisimlərə aiddir. İşıq ya kütlə anlayışının ümumiyyətlə tətbiq olunmadığı dalğalar şəklində, ya da məlum olduğu kimi sıfıra bərabər olan istirahət kütləsi olan fotonlar şəklində təmsil oluna bilər. Buna görə də, Vonqun fikrincə, vakuumda işığın sürəti hədd deyil. Bununla belə, Vonq etiraf edir ki, onun kəşf etdiyi effekt məlumatı daha yüksək sürətlə ötürməyə imkan vermir. ilə.

Amerika Birləşmiş Ştatlarının Los Alamos Milli Laboratoriyasının fizikası P. Milonni deyir: "Buradakı məlumatlar artıq impulsun qabaqcıl kənarındadır".

Əksər fiziklər hesab edir ki, yeni iş fundamental prinsiplərə sarsıdıcı zərbə vurmur. Lakin bütün fiziklər problemin həll olunduğuna inanmırlar. 2000-ci ildə başqa bir maraqlı təcrübə həyata keçirən İtalyan tədqiqat qrupundan professor A. Ranfagni deyir ki, sual hələ də açıqdır. Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni və Rocco Ruggeri tərəfindən həyata keçirilən bu təcrübə santimetr dalğalı radio dalğalarının adi havada həddindən artıq sürətlə yayıldığını təsbit etdi. ilə 25% ilə.

Ümumiləşdirərək aşağıdakıları deyə bilərik. Son illərin işləri göstərir ki, müəyyən şərtlər altında superlüminal sürət həqiqətən də baş verə bilər. Bəs superluminal sürətlə hərəkət edən nədir? Nisbilik nəzəriyyəsi, artıq qeyd edildiyi kimi, maddi cisimlər və məlumat daşıyan siqnallar üçün belə bir sürəti qadağan edir. Buna baxmayaraq, bəzi tədqiqatçılar xüsusi olaraq siqnallar üçün işıq maneəsinin aşılmasını nümayiş etdirmək cəhdlərində çox israrlıdırlar. Bunun səbəbi odur ki, xüsusi nisbilik nəzəriyyəsində siqnalların yüksək sürətlə ötürülməsinin qeyri-mümkünlüyünə dair ciddi riyazi əsaslandırma (məsələn, elektromaqnit sahəsi üçün Maksvell tənliklərinə əsaslanaraq) yoxdur. ilə. SRT-də belə bir qeyri-mümkünlük, demək olar ki, sırf arifmetik olaraq, Eynşteynin sürətlərin əlavə edilməsi düsturuna əsaslanır, lakin bu, əsaslı şəkildə səbəbiyyət prinsipi ilə təsdiqlənir. Eynşteyn özü superluminal siqnal ötürülməsi məsələsini nəzərdən keçirərək yazırdı ki, bu halda "... biz siqnal ötürülməsi mexanizmini mümkün hesab etmək məcburiyyətindəyik, ondan istifadə edərkən əldə edilən hərəkət səbəbdən əvvəl olur. Lakin bu, sırf məntiqi bir nəticə olsa da. nöqteyi-nəzərdən özündə, fikrimcə, heç bir ziddiyyət yoxdur, bununla belə, bütün təcrübəmizin xarakterinə o qədər ziddir ki, ehtimal etmək qeyri-mümkündür. V > c kifayət qədər sübuta yetirildiyi görünür." Səbəbiyyət prinsipi superluminal siqnal ötürülməsinin qeyri-mümkünlüyünün əsasını təşkil edən təməl daşıdır. Və bu daş, görünür, istisnasız olaraq, eksperimentlər nə qədər aşkar etmək istəsələr də, superluminal siqnallar üçün bütün axtarışları büdrəyəcək. siqnal verir, çünki bu, dünyamızın təbiətidir.

Sonda vurğulamaq lazımdır ki, yuxarıda qeyd olunanların hamısı xüsusi olaraq dünyamıza, Kainatımıza aiddir. Belə bir rezervasiya ona görə edilib ki, son vaxtlar astrofizika və kosmologiyada bizdən gizlədilən, topoloji tunellər - tullananlarla birləşən çoxlu Kainatların mövcudluğuna imkan verən yeni fərziyyələr yaranıb. Bu fikri, məsələn, tanınmış astrofizik N. S. Kardaşev bölüşür. Kənar bir müşahidəçi üçün bu tunellərin girişləri qara dəliklərə bənzər anomal cazibə sahələri ilə işarələnir. Bu cür tunellərdəki hərəkətlər, fərziyyələrin müəlliflərinin irəli sürdüyü kimi, adi kosmosda işıq sürəti ilə qoyulan hərəkət sürətinin məhdudiyyətindən yan keçməyə və deməli, bir cisim yaratmaq ideyasını həyata keçirməyə imkan verəcəkdir. zaman maşını... şeylər. İndiyə qədər bu cür fərziyyələr elmi fantastika süjetlərini çox xatırlatsa da, maddi dünyanın quruluşunun çox elementli modelinin fundamental imkanlarını qəti şəkildə rədd etmək çətindir. Başqa bir şey budur ki, bütün bu digər Kainatlar, çox güman ki, Kainatımızda yaşayan və düşüncələrinin gücü ilə bizə bağlı dünyaları tapmağa çalışan nəzəri fiziklərin sırf riyazi konstruksiyaları olaraq qalacaq ...

Eyni mövzuda bir otaqda baxın

İnsan həmişə işığın təbiəti ilə maraqlanıb, bunu bizə gəlib çatan miflər, əfsanələr, fəlsəfi mübahisələr və elmi müşahidələr sübut edir. İşıq həmişə qədim filosofların müzakirələri üçün bir fürsət olmuşdur və onu öyrənmək cəhdləri hətta Evklid həndəsəsinin meydana çıxdığı dövrdə - eramızdan əvvəl 300 il əvvəl edilmişdir. Hələ o zaman işığın düzxətli yayılması, düşmə və əks olunma bucaqlarının bərabərliyi, işığın sınması hadisəsi, göy qurşağının yaranma səbəbləri haqqında danışılırdı. Aristotel hesab edirdi ki, işığın sürəti sonsuz böyükdür və buna görə də məntiqlə düşünərək, işıq müzakirə mövzusu deyil. Problemin cavabı dərindən dərk etmək dövrünü qabaqladığı tipik bir hal.

Təxminən 900 il əvvəl İbn Sina təklif edirdi ki, işığın sürəti nə qədər böyük olsa da, yenə də sonlu bir dəyərə malikdir. Bu fikir təkcə o deyildi, heç kim bunu eksperimental olaraq sübut edə bilmədi. Parlaq Galileo Galilei problemin mexaniki şəkildə dərk edilməsi təcrübəsini təklif etdi: bir-birindən bir neçə kilometr aralıda dayanan iki nəfər fənərin qapağını açaraq siqnal verir. İkinci iştirakçı birinci lampanın işığını görən kimi deklanşörünü açır və birinci iştirakçı cavab işığı siqnalının qəbul olunma vaxtını təyin edir. Sonra məsafə artır və hər şey təkrarlanır. Gecikmə artımını düzəltmək və bunun əsasında işıq sürətinin hesabını aparmaq gözlənilirdi. Təcrübə heç bir nəticə vermədi, çünki "hər şey qəfil deyil, son dərəcə sürətli idi".

İlk dəfə 1676-cı ildə vakuumda işığın sürətini ölçən astronom Ole Remer oldu - o, Qalileonun kəşfindən istifadə etdi: o, 1609-cu ildə dörd peyk tutulması kəşf etdi ki, bu zaman yarım il ərzində iki peyk tutulması arasında vaxt fərqi 1320 saniyə idi. Dövrünün astronomik məlumatlarından istifadə edərək Römer işıq sürətinin saniyədə 222.000 km-ə bərabər qiymətini əldə etdi. Ölçmə metodunun özünün inanılmaz dərəcədə dəqiq olması heyrətamiz oldu - Yupiterin diametri və peykin tündləşməsinin gecikmə vaxtı haqqında indi məlum olan məlumatlardan istifadə edərək, müasir səviyyədə vakuumda işığın sürətini verir. digər üsullarla əldə edilən dəyərlər.

Əvvəlcə Römerin təcrübələrinə yalnız bir iddia var idi - yer üzündəki vasitələrlə ölçmə aparmaq lazım idi. Demək olar ki, 200 il keçdi və Lui Fizeau 8 km-dən çox məsafədə güzgüdən əks olunan işıq şüasının geri qayıtdığı dahiyanə bir qurğu qurdu. İncəlik ondan ibarət idi ki, o, yol boyu dişli çarxın boşluqlarından irəli-geri keçirdi və təkərin fırlanma sürəti artırılsa, o an gələcək ki, işıq daha görünməyəcək. Qalanı texnika məsələsidir. Ölçmə nəticəsi saniyədə 312.000 km-dir. İndi görürük ki, Fizeau həqiqətə daha da yaxın idi.

İşıq sürətinin ölçülməsində növbəti addım dişli çarxı əvəz edən Fuko tərəfindən atıldı.Bu, quraşdırmanın ölçülərini azaltmağa və ölçmə dəqiqliyini saniyədə 288.000 km-ə çatdırmağa imkan verdi. Foucault-nun bir mühitdə işığın sürətini təyin etdiyi təcrübə də bundan az əhəmiyyətli deyildi. Bunu etmək üçün quraşdırmanın güzgüləri arasında su ilə bir boru yerləşdirildi. Bu təcrübədə işığın sınma əmsalından asılı olaraq mühitdə yayılması zamanı sürətinin azalması müəyyən edilmişdir.

19-cu əsrin ikinci yarısında ömrünün 40 ilini işıq sahəsində ölçmələrə həsr edən Mişelsonun vaxtı gəldi. Onun işinin kulminasiya nöqtəsi uzunluğu bir yarım kilometrdən çox olan boşaldılmış metal borudan istifadə edərək vakuumda işığın sürətini ölçdüyü qurğu idi. Michelsonun digər fundamental nailiyyəti istənilən dalğa uzunluğu üçün işığın vakuumdakı sürətinin eyni olduğunu və müasir standart olaraq 299792458+/- 1,2 m/s olduğunu sübut etməsi idi. Bu cür ölçmələr, tərifi 1983-cü ildən beynəlxalq standart kimi təsdiq edilmiş istinad sayğacının yenilənmiş dəyərləri əsasında həyata keçirilmişdir.

Müdrik Aristotel yanıldı, amma bunu sübut etmək üçün təxminən 2000 il lazım oldu.

İşıq sürəti bu günə qədər məlum olan ən qeyri-adi ölçüdür. İşığın yayılması fenomenini izah etməyə çalışan ilk şəxs Albert Eynşteyn olmuşdur. Məhz o, məlum düsturu çıxardı E = mc² , harada E bədənin ümumi enerjisidir, m kütlədir və c işığın vakuumdakı sürətidir.

Formula ilk dəfə 1905-ci ildə Annalen der Physik jurnalında dərc edilmişdir. Təxminən eyni zamanda Eynşteyn mütləq sürətlə hərəkət edən bir cismin nə olacağına dair bir nəzəriyyə irəli sürdü. İşıq sürətinin sabit dəyər olduğuna əsaslanaraq, o qənaətə gəlib ki, məkan və zaman dəyişməlidir.

Beləliklə, işıq sürəti ilə cisim qeyri-müəyyən müddətə daralacaq, kütləsi qeyri-müəyyən olaraq artacaq və zaman praktiki olaraq dayanacaq.

1977-ci ildə işığın sürətini hesablamaq mümkün oldu, saniyədə 299,792,458 ± 1,2 metr rəqəm adlandırıldı. Daha kobud hesablamalar üçün həmişə 300.000 km/s dəyər götürülür. Məhz bu dəyərdən bütün digər kosmik ölçülər dəf edilir. “İşıq ili” və “parsek” (3,26 işıq ili) anlayışı belə yarandı.

Nə işıq sürəti ilə hərəkət etmək, nə də üstəlik, onu aşmaq mümkün deyil. Ən azından insan inkişafının bu mərhələsində. Digər tərəfdən, fantastika yazıçıları 100 ilə yaxındır ki, romanlarının səhifələrində bu problemi həll etməyə çalışırlar. Bəlkə bir gün fantaziya reallığa çevriləcək, çünki hələ 19-cu əsrdə Jül Vern helikopterin, təyyarənin və elektrik stulunun görünəcəyini proqnozlaşdırmışdı, sonra isə bu, saf fantaziya idi!