Дали е можна суперлуминална брзина? Изведување на формулата за брзината на светлината. Значења и концепт

Во 1676 година, данскиот астроном Оле Ремер ја направил првата груба проценка на брзината на светлината. Ромер забележал мало несовпаѓање во времетраењето на затемнувањата на месечините на Јупитер и заклучил дека движењето на Земјата, било приближување или оддалечување од Јупитер, го променило растојанието што светлината што се рефлектира од месечините треба да ја помине.

Со мерење на големината на ова несовпаѓање, Ромер пресметал дека брзината на светлината е 219.911 километри во секунда. Во еден подоцнежен експеримент во 1849 година, францускиот физичар Арман Физо открил дека брзината на светлината е 312.873 километри во секунда.

Како што е прикажано на сликата погоре, експерименталното поставување на Физо се состоеше од извор на светлина, проѕирно огледало што рефлектира само половина од светлината што паѓа на него, дозволувајќи му на остатокот да помине низ ротирачка опрема и неподвижно огледало. Кога светлината удрила во проѕирното огледало, таа се рефлектирала на менувачот, што ја поделило светлината на греди. По минување низ системот на леќи за фокусирање, секој светлосен зрак се рефлектираше од стационарното огледало и се враќаше назад во менувачот. Со правење прецизни мерења на брзината со која запчаникот ги блокира рефлектираните зраци, Физо успеал да ја пресмета брзината на светлината. Неговиот колега Жан Фуко го подобрил овој метод една година подоцна и открил дека брзината на светлината е 297.878 километри во секунда. Оваа вредност малку се разликува од модерната вредност од 299.792 километри во секунда, која се пресметува со множење на брановата должина и фреквенцијата на ласерското зрачење.

Експериментот на Физо

Како што е прикажано на сликите погоре, светлината патува напред и се враќа назад низ истиот јаз меѓу забите на тркалото кога тркалото полека се ротира (долу слика). Ако тркалото брзо се врти (горната слика), соседниот запчаник го блокира повратното светло.

Резултатите на Физо

Со поставување на огледалото на 8,64 километри од запчаникот, Физо утврди дека брзината на ротација на запчаникот потребна за блокирање на повратниот светлосен зрак е 12,6 вртежи во секунда. Знаејќи ги овие бројки, како и растојанието поминато од светлината и растојанието што опремата требаше да ја помине за да го блокира светлосниот зрак (еднаква на ширината на јазот помеѓу забите на тркалото), тој пресмета дека светлосниот зрак го земал 0,000055 секунди за да помине растојание од менувачот до ретровизорот и назад. Поделувајќи го со ова време вкупното растојание од 17,28 километри поминато од светлината, Физо добил вредност за неговата брзина од 312873 километри во секунда.

Експериментот на Фуко

Во 1850 година, францускиот физичар Жан Фуко ја подобрил техниката на Физо со замена на менувачот со ротирачко огледало. Светлината од изворот стигнала до набљудувачот само кога огледалото завршило целосна ротација од 360° во временскиот интервал помеѓу поаѓањето и враќањето на светлосниот зрак. Користејќи го овој метод, Фуко добил вредност за брзината на светлината од 297878 километри во секунда.

Конечниот акорд во мерењето на брзината на светлината.

Пронајдокот на ласерите им овозможи на физичарите да ја измерат брзината на светлината со многу поголема точност од кога било досега. Во 1972 година, научниците од Националниот институт за стандарди и технологија внимателно ја измериле брановата должина и фреквенцијата на ласерскиот зрак и ја забележале брзината на светлината, производ на овие две променливи, да биде 299.792.458 метри во секунда (186.282 милји во секунда). Една од последиците на ова ново мерење беше одлуката на Генералната конференција за тежини и мерки да се усвои како стандарден метар (3,3 стапки) растојанието што светлината го поминува за 1/299.792.458 од секундата. Така / брзината на светлината, најважната фундаментална константа во физиката, сега се пресметува со многу голема сигурност, а референтниот метар може да се одреди многу попрецизно од кога било досега.

Уште од нашите училишни денови, знаеме дека брзината на светлината, според законите на Ајнштајн, е непремостлив максимум во Универзумот. Светлината го поминува растојанието од Сонцето до Земјата за 8 минути, што е приближно 150.000.000 km. Потребни се само 6 часа за да се стигне до Нептун, но на вселенските летала им требаат децении за да поминат такви растојанија. Но, не секој знае дека вредноста на брзината може значително да варира во зависност од медиумот низ кој поминува светлината.

Формула за брзина на светлината

Знаејќи ја брзината на светлината во вакуум (c ≈ 3*10 8 m/s), можеме да ја одредиме во други медиуми врз основа на нивниот индекс на рефракција n. Самата формула за брзината на светлината наликува на законите на механиката од физиката, или поточно, одредувањето на растојанието со помош на времето и брзината на објектот.

На пример, земаме стакло чиј индекс на рефракција е 1,5. Користејќи ја формулата за брзината на светлината v = c \ n, откриваме дека брзината во оваа средина е приближно 200.000 km/s. Ако земеме течност како што е водата, тогаш брзината на ширење на фотоните (честичките на светлината) во неа е еднаква на 226.000 km/s со индекс на прекршување 1,33.

Формула за брзината на светлината во воздухот

Воздухот е исто така медиум. Следствено, го има т.н. Ако во вакуум фотоните не наидат на пречки на нивниот пат, тогаш во медиумот поминуваат одредено време возбудувајќи ги атомските честички. Колку е погуста околината, толку повеќе време е потребно за оваа возбуда. Индексот на рефракција (n) во воздухот е 1,000292. И ова не е далеку од границата од 299.792.458 m/s.

Американските научници успеаја да ја забават брзината на светлината на речиси нула. Повеќе од 1/299,792,458 сек. светлината не може да ја надмине брзината. Работата е во тоа што светлината е истиот електромагнетен бран како рендгенските зраци, радио брановите или топлината. Единствената разлика е разликата помеѓу брановата должина и фреквенцијата.

Интересен факт е дека фотонот нема маса, а тоа укажува на отсуство на време за оваа честичка. Едноставно кажано, за фотон кој е роден пред неколку милиони, па дури и милијарди години, не поминало ниту секунда време.

Доктор на технички науки А.ГОЛУБЕВ.

Во средината на минатата година во списанијата се појави сензационална порака. Група американски истражувачи открија дека многу краток ласерски пулс се движи во специјално избрана средина стотици пати побрзо отколку во вакуум. Овој феномен изгледаше потполно неверојатен (брзината на светлината во медиум е секогаш помала отколку во вакуум) и дури поттикна сомнеж за валидноста на специјалната теорија на релативноста. Во меѓувреме, суперлуминален физички објект - ласерски пулс во медиум за засилување - првпат беше откриен не во 2000 година, туку 35 години порано, во 1965 година, а можноста за суперлуминално движење беше нашироко дискутирана до раните 70-ти. Денес, дискусијата околу овој чуден феномен се разгоре со нова енергија.

Примери за „суперлуминално“ движење.

Во раните 60-ти, кратки светлосни импулси со висока моќност почнаа да се добиваат со поминување на ласерски блиц низ квантен засилувач (медиум со превртена популација).

Во медиумот за засилување, почетната област на светлосниот пулс предизвикува стимулирана емисија на атоми во медиумот за засилувач, а нејзиниот последен регион предизвикува нивна апсорпција на енергија. Како резултат на тоа, на набљудувачот ќе му се чини дека пулсот се движи побрзо од светлината.

Експериментот на Лиџун Вонг.

Зрак светлина што минува низ призма направена од проѕирен материјал (на пример, стакло) се прекршува, односно доживува дисперзија.

Светлосен пулс е збир на осцилации со различни фреквенции.

Веројатно сите - дури и луѓето далеку од физиката - знаат дека максималната можна брзина на движење на материјалните предмети или ширењето на какви било сигнали е брзината на светлината во вакуум. Се означува со буквата Сои е речиси 300 илјади километри во секунда; точна вредност Со= 299.792.458 m/s. Брзината на светлината во вакуум е една од основните физички константи. Неможност да се постигнат брзини кои надминуваат Со, следи од Ајнштајновата специјална теорија на релативност (STR). Кога би можело да се докаже дека преносот на сигнали со суперлуминални брзини е возможен, би паднала теоријата на релативност. Досега тоа не се случи, и покрај бројните обиди да се побие забраната за постоење на брзини поголеми од Со. Сепак, неодамнешните експериментални студии открија некои многу интересни феномени, што укажува дека под специјално создадени услови суперлуминалните брзини може да се набљудуваат без да се нарушат принципите на теоријата на релативност.

За почеток, да се потсетиме на главните аспекти поврзани со проблемот со брзината на светлината. Прво: зошто е невозможно (во нормални услови) да се надмине границата на светлина? Затоа што тогаш се прекршува основниот закон на нашиот свет - законот за каузалност, според кој ефектот не може да ѝ претходи на причината. Никој никогаш не забележал дека, на пример, мечка прво паднала мртва, а потоа ловецот пукал. При брзини што надминуваат Со, редоследот на настаните станува обратен, временската лента се враќа назад. Ова е лесно да се потврди од следново едноставно расудување.

Да претпоставиме дека сме на некој вид вселенски чудо брод, кој се движи побрзо од светлината. Потоа постепено ќе ја достигнеме светлината што ја емитува изворот во претходните и претходните времиња. Прво, ќе ги достигнеме фотоните што се емитуваат, да речеме, вчера, потоа оние што се емитирани завчера, потоа една недела, еден месец, една година, итн. Ако изворот на светлина беше огледало што го рефлектира животот, тогаш прво ќе ги видиме настаните од вчера, потоа завчера итн. Можевме да видиме, да речеме, старец кој постепено се претвора во средовечен човек, па во млад човек, во младост, во дете... Односно, времето би се вратило назад, би се преселиле од сегашноста во минатото. Причините и последиците потоа би ги смениле местата.

Иако оваа дискусија целосно ги игнорира техничките детали за процесот на набљудување на светлината, од фундаментална гледна точка јасно покажува дека движењето со суперлуминални брзини води до ситуација која е невозможна во нашиот свет. Меѓутоа, природата поставила уште построги услови: движењето не само со суперлуминална брзина е недостижно, туку и со брзина еднаква на брзината на светлината - може само да му се приближи. Од теоријата на релативност произлегува дека кога брзината на движење се зголемува, се јавуваат три околности: се зголемува масата на предметот што се движи, неговата големина во насока на движење се намалува и текот на времето на овој објект се забавува (од точка поглед на надворешен набљудувач кој „одмара“). При обични брзини овие промени се занемарливи, но како што се приближуваат до брзината на светлината тие стануваат сè позабележливи, а во граница - со брзина еднаква на Со, - масата станува бескрајно голема, предметот целосно ја губи големината во насока на движење и времето застанува на него. Затоа, ниту едно материјално тело не може да ја достигне брзината на светлината. Само самата светлина има таква брзина! (И, исто така, „сепробивачка“ честичка - неутрино, кое, како фотон, не може да се движи со брзина помала од Со.)

Сега за брзината на пренос на сигналот. Овде е соодветно да се користи претставата на светлината во форма на електромагнетни бранови. Што е сигнал? Ова се некои информации што треба да се пренесат. Идеален електромагнетен бран е бесконечен синусоид со строго една фреквенција и не може да носи никакви информации, бидејќи секој период од таков синусоид точно го повторува претходниот. Брзината на движење на фазата на синусен бран - таканаречена фазна брзина - може во медиум под одредени услови да ја надмине брзината на светлината во вакуум. Овде нема ограничувања, бидејќи фазната брзина не е брзината на сигналот - сè уште не постои. За да создадете сигнал, треба да направите некој вид „ознака“ на бранот. Таквата ознака може да биде, на пример, промена на кој било од параметрите на бранот - амплитуда, фреквенција или почетна фаза. Но, штом ќе се направи ознаката, бранот ја губи синусоидноста. Станува модулиран, кој се состои од збир на едноставни синусни бранови со различни амплитуди, фреквенции и почетни фази - група бранови. Брзината со која се движи ознаката во модулираниот бран е брзината на сигналот. Кога се шири во медиум, оваа брзина обично се совпаѓа со групната брзина, која го карактеризира ширењето на гореспоменатата група бранови како целина (види „Наука и живот“ бр. 2, 2000 година). Во нормални услови, брзината на групата, а со тоа и брзината на сигналот, е помала од брзината на светлината во вакуум. Не случајно овде е употребен изразот „под нормални услови“, бидејќи во некои случаи брзината на групата може да надмине Соили дури и го губи своето значење, но тогаш тоа не се однесува на ширење на сигналот. Сервисната станица утврдува дека е невозможно да се пренесе сигнал со брзина поголема од Со.

Зошто е ова така? Бидејќи постои пречка за пренос на кој било сигнал со брзина поголема од СоИстиот закон за каузалност служи. Ајде да замислиме таква ситуација. Во одреден момент А, светлосен блиц (настан 1) вклучува уред кој испраќа одреден радио сигнал, а во оддалечената точка Б, под влијание на овој радио сигнал, се случува експлозија (настан 2). Јасно е дека настанот 1 (блесокот) е причината, а настанот 2 (експлозијата) е последицата, што се случува подоцна од причината. Но, ако радио сигналот се ширел со суперлуминална брзина, набљудувачот во близина на точката Б прво би видел експлозија и дури тогаш би го достигнал со брзина Соблесок светлина, причина за експлозијата. Со други зборови, за овој набљудувач, настанот 2 би се случил порано од настанот 1, односно ефектот би претходел на причината.

Соодветно е да се нагласи дека „суперлуминалната забрана“ на теоријата на релативноста се наметнува само на движењето на материјалните тела и преносот на сигнали. Во многу ситуации, движењето со која било брзина е можно, но тоа нема да биде движење на материјални предмети или сигнали. На пример, замислете два прилично долги линијари кои лежат во иста рамнина, од кои едниот се наоѓа хоризонтално, а другиот го пресекува под мал агол. Ако првиот линијар се помести надолу (во насоката означена со стрелката) со голема брзина, точката на вкрстување на линијарите може да се направи да работи толку брзо колку што сакате, но оваа точка не е материјално тело. Друг пример: ако земете фенерче (или, да речеме, ласер што дава тесен зрак) и брзо опишете лак во воздухот со него, тогаш линеарната брзина на светлосната точка ќе се зголемува со растојанието и на доволно големо растојание ќе надмине Со.Светлосната точка ќе се движи помеѓу точките А и Б со суперлуминална брзина, но тоа нема да биде пренос на сигнал од А до Б, бидејќи такво светлосно место не носи никакви информации за точката А.

Се чини дека прашањето за суперлуминалните брзини е решено. Но, во 60-тите години на дваесеттиот век, теоретските физичари ја изнесоа хипотезата за постоење на суперлуминални честички наречени тахиони. Ова се многу чудни честички: теоретски тие се можни, но за да се избегнат противречности со теоријата на релативноста, мораше да им се додели имагинарна маса на одмор. Физички, имагинарната маса не постои, таа е чисто математичка апстракција. Сепак, ова не предизвика многу аларм, бидејќи тахионите не можат да мируваат - тие постојат (ако постојат!) само со брзини што ја надминуваат брзината на светлината во вакуум, а во овој случај тахионската маса се покажува како реална. Има некоја аналогија овде со фотоните: фотонот има нулта маса на мирување, но тоа едноставно значи дека фотонот не може да биде во мирување - светлината не може да се запре.

Најтешкото нешто се покажа, како што се очекува, да се усогласи хипотезата за тахион со законот за каузалност. Обидите направени во оваа насока, иако доста генијални, не доведоа до очигледен успех. Никој не успеал експериментално да регистрира ниту тахиони. Како резултат на тоа, интересот за тахиони како суперлуминални елементарни честички постепено исчезна.

Сепак, во 60-тите, експериментално беше откриен феномен што првично ги збуни физичарите. Ова е детално опишано во написот на А. Н. Ораевски „Суперлуминални бранови во медиум за засилување“ (UFN бр. 12, 1998). Овде накратко ќе ја сумираме суштината на предметот, упатувајќи го читателот заинтересиран за детали до наведениот напис.

Набргу по откривањето на ласерите - во раните 60-ти - се појави проблемот со добивање на кратки (времетраење околу 1 ns = 10 -9 s) светлосни импулси со висока моќност. За да го направите ова, краток ласерски пулс беше пренесен преку оптички квантен засилувач. Пулсот беше поделен на два дела со огледало што го разделува зракот. Еден од нив, помоќен, беше испратен до засилувачот, а другиот се ширеше во воздухот и служеше како референтен пулс со кој може да се спореди пулсот што минува низ засилувачот. И двата импулси беа напојувани со фотодетектори, а нивните излезни сигнали можеа визуелно да се набљудуваат на екранот на осцилоскопот. Се очекуваше дека светлосниот пулс што минува низ засилувачот ќе доживее одредено доцнење во него во споредба со референтниот пулс, односно брзината на ширење на светлината во засилувачот ќе биде помала отколку во воздухот. Замислете го чудењето на истражувачите кога открија дека пулсот се шири низ засилувачот со брзина не само поголема од воздухот, туку и неколку пати поголема од брзината на светлината во вакуум!

Откако се опоравија од првиот шок, физичарите почнаа да ја бараат причината за таков неочекуван резултат. Никој немаше ни најмал сомнеж за принципите на специјалната теорија на релативноста, и тоа е она што помогна да се најде точното објаснување: ако принципите на SRT се зачувани, тогаш одговорот треба да се бара во својствата на медиумот за засилување.

Без да навлегуваме овде во детали, само ќе укажеме дека деталната анализа на механизмот на дејство на медиумот за засилување целосно ја разјасни ситуацијата. Поентата беше промена во концентрацијата на фотоните за време на ширењето на пулсот - промена предизвикана од промена на засилувањето на медиумот до негативна вредност за време на поминувањето на задниот дел од пулсот, кога медиумот веќе апсорбира енергија, бидејќи сопствената резерва е веќе потрошена поради нејзиното пренесување на светлосниот пулс. Апсорпцијата не предизвикува зголемување, туку слабеење на импулсот и на тој начин импулсот се зајакнува во предниот дел и ослабува во задниот дел. Да замислиме дека набљудуваме пулс користејќи уред кој се движи со брзина на светлината во медиумот на засилувачот. Кога медиумот би бил проѕирен, би го виделе импулсот замрзнат во неподвижноста. Во средината во која се случува горенаведениот процес, зајакнувањето на предниот раб и слабеењето на задниот раб на пулсот ќе му се појават на набљудувачот на таков начин што медиумот се чини дека го придвижил пулсот напред. Но, бидејќи уредот (набљудувачот) се движи со брзина на светлината, а импулсот го престигнува, тогаш брзината на импулсот ја надминува брзината на светлината! Токму овој ефект го забележаа експериментаторите. И овде навистина нема противречност со теоријата на релативност: процесот на засилување е едноставно таков што концентрацијата на фотоните што излегле порано се покажува дека е поголема од оние што излегле подоцна. Не се фотоните што се движат со суперлуминална брзина, туку обвивката на пулсот, особено нејзиниот максимум, што се забележува на осцилоскоп.

Така, додека во обичните медиуми секогаш има слабеење на светлината и намалување на нејзината брзина, определено со индексот на рефракција, во активните ласерски медиуми не постои само засилување на светлината, туку и ширење на пулсот со суперлуминална брзина.

Некои физичари се обидоа експериментално да докажат присуство на суперлуминално движење за време на ефектот на тунелот - еден од најневеројатните феномени во квантната механика. Овој ефект се состои во тоа што микрочестичката (поточно, микрообјектот кој под различни услови покажува и својства на честичка и својства на бран) е способна да навлезе низ таканаречената потенцијална бариера - феномен кој е целосно невозможно во класичната механика (во која таквата ситуација би била аналогна: топката фрлена на ѕид ќе заврши на другата страна од ѕидот, или движењето слично на бранови дадено на јаже врзано за ѕидот ќе се пренесе на јаже врзано за ѕидот од другата страна). Суштината на ефектот на тунелот во квантната механика е како што следува. Ако микро-објект со одредена енергија на својот пат наиде на област со потенцијална енергија што ја надминува енергијата на микро-објектот, оваа област е бариера за него, чија висина се одредува со енергетската разлика. Но, микро-објектот „протекува“ низ бариерата! Оваа можност му ја дава добро познатата релација на несигурност Хајзенберг, напишана за енергијата и времето на интеракција. Ако интеракцијата на микрообјектот со бариерата се случи во текот на прилично одредено време, тогаш енергијата на микрообјектот, напротив, ќе се карактеризира со несигурност, а ако оваа несигурност е од редот на висината на бариерата, тогаш вториот престанува да биде непремостлива пречка за микрообјектот. Брзината на пенетрација низ потенцијална бариера стана предмет на истражување на голем број физичари, кои веруваат дека може да надмине Со.

Во јуни 1998 година, во Келн се одржа меѓународен симпозиум за проблемите на суперлуминалното движење, каде што се дискутираше за резултатите добиени во четири лаборатории - во Беркли, Виена, Келн и Фиренца.

И, конечно, во 2000 година, се појавија извештаи за два нови експерименти во кои се појавија ефектите од суперлуминалното ширење. Еден од нив беше изведен од Лиџун Вонг и неговите колеги од Истражувачкиот институт Принстон (САД). Неговиот резултат е дека светлосниот пулс кој влегува во комора исполнета со цезиумска пареа ја зголемува неговата брзина за 300 пати. Се испостави дека главниот дел од пулсот излезе од далечниот ѕид на комората уште порано отколку што пулсот влезе во комората преку предниот ѕид. Оваа ситуација е во спротивност не само со здравиот разум, туку, во суштина, со теоријата на релативноста.

Пораката на Л. Вонг предизвика интензивна дискусија меѓу физичарите, од кои повеќето не беа склони да видат повреда на принципите на релативноста во добиените резултати. Предизвикот, сметаат тие, е правилно да се објасни овој експеримент.

Во експериментот на L. Wong, светлосниот пулс кој влегува во комората со цезиумска пареа имал времетраење од околу 3 μs. Атомите на цезиум можат да постојат во шеснаесет можни квантни механички состојби, наречени „хиперфини магнетни поднивоа на основната состојба“. Со користење на оптичко ласерско пумпање, речиси сите атоми беа доведени во само една од овие шеснаесет состојби, што одговара на речиси апсолутна нула температура на Келвиновата скала (-273,15 o C). Должината на цезиумската комора беше 6 сантиметри. Во вакуум, светлината патува 6 сантиметри за 0,2 ns. Како што покажаа мерењата, светлосниот пулс помина низ комората со цезиум во време кое беше 62 ns помалку отколку во вакуум. Со други зборови, времето потребно за пулсот да помине низ цезиумска средина има знак минус! Навистина, ако одземеме 62 ns од 0,2 ns, ќе добиеме „негативно“ време. Ова „негативно доцнење“ во медиумот - неразбирлив временски скок - е еднаков на времето во кое пулсот би направил 310 поминувања низ комората во вакуум. Последица на овој „временски пресврт“ беше тоа што пулсот што ја напушта комората успеа да се оддалечи 19 метри од неа пред влезниот пулс да стигне до блискиот ѕид на комората. Како може да се објасни таквата неверојатна ситуација (освен, се разбира, ако не се сомневаме во чистотата на експериментот)?

Судејќи според тековната дискусија, сè уште не е пронајдено точно објаснување, но нема сомнеж дека необичните дисперзивни својства на медиумот играат улога тука: пареата на цезиумот, која се состои од атоми возбудени од ласерската светлина, е медиум со аномална дисперзија. . Накратко да се потсетиме што е тоа.

Дисперзијата на супстанцијата е зависност од фазата (обичен) индекс на рефракција nна светлосната бранова должина l. Со нормална дисперзија, индексот на прекршување се зголемува со намалување на брановата должина, а тоа е случај кај стаклото, водата, воздухот и сите други супстанции проѕирни на светлина. Кај супстанциите кои силно ја апсорбираат светлината, текот на индексот на рефракција со промена на брановата должина е обратен и станува многу поостри: со намалување на l (зголемување на фреквенцијата w), индексот на рефракција нагло се намалува и во одреден регион на бранова должина станува помал од единството. (фазна брзина В f > Со). Ова е аномална дисперзија, во која шемата на ширење на светлината во супстанцијата радикално се менува. Групна брзина В gr станува поголема од фазната брзина на брановите и може да ја надмине брзината на светлината во вакуум (и исто така да стане негативна). Л. Вонг укажува на оваа околност како причина за можноста за објаснување на резултатите од неговиот експеримент. Треба да се напомене дека, сепак, состојбата В gr > Сое чисто формален, бидејќи концептот на групна брзина беше воведен за случај на мала (нормална) дисперзија, за транспарентни медиуми, кога група бранови речиси не ја менуваат својата форма за време на ширење. Во регионите на аномална дисперзија, светлосниот пулс брзо се деформира и концептот на групна брзина го губи своето значење; во овој случај, се воведуваат концептите на брзина на сигналот и брзина на ширење на енергијата, кои во проѕирните медиуми се совпаѓаат со брзината на групата, а во медиумот со апсорпција остануваат помали од брзината на светлината во вакуум. Но, еве што е интересно за експериментот на Вонг: светлосниот пулс, кој минува низ медиум со аномална дисперзија, не е деформиран - тој точно ја задржува својата форма! И ова одговара на претпоставката дека импулсот се шири со групна брзина. Но, ако е така, тогаш излегува дека нема апсорпција во медиумот, иако аномалната дисперзија на медиумот се должи токму на апсорпцијата! Самиот Вонг, иако признава дека многу останува нејасно, верува дека она што се случува во неговата експериментална поставеност може, до прво приближување, јасно да се објасни на следниов начин.

Светлосниот пулс се состои од многу компоненти со различни бранови должини (фреквенции). Сликата покажува три од овие компоненти (бранови 1-3). Во одреден момент, сите три бранови се во фаза (нивните максимални се совпаѓаат); овде тие, собирајќи се, меѓусебно се зајакнуваат и формираат импулс. Како што понатаму се шират во вселената, брановите стануваат дефазни и на тој начин се „поништуваат“ еден со друг.

Во регионот на аномална дисперзија (во внатрешноста на цезиумската клетка), бранот што бил пократок (бран 1) станува подолг. Спротивно на тоа, бранот кој беше најдолг од трите (бран 3) станува најкраток.

Следствено, фазите на брановите се менуваат соодветно. Откако брановите ќе поминат низ цезиумската клетка, нивните бранови фронтови се обновуваат. Преку невообичаена фазна модулација во супстанција со аномална дисперзија, трите бранови за кои станува збор повторно се наоѓаат во фаза во одреден момент. Овде тие повторно се собираат и формираат пулс со иста форма како оној што влегува во цезиумската средина.

Вообичаено во воздухот, а всушност во која било проѕирна средина со нормална дисперзија, светлосниот пулс не може точно да ја одржи својата форма кога се шири на далечина, односно, сите негови компоненти не можат да се истурат во која било далечна точка долж патеката на ширење. И во нормални услови, светлосниот пулс се појавува во толку далечна точка по некое време. Сепак, поради аномалните својства на медиумот користен во експериментот, се покажа дека пулсот на оддалечена точка е фазен на ист начин како и при влегувањето во овој медиум. Така, светлосниот пулс се однесува како да има негативно временско задоцнување на пат до далечна точка, односно до него ќе стигне не подоцна, туку порано отколку што поминал низ медиумот!

Повеќето физичари се склони да го поврзат овој резултат со појавата на прекурсор со низок интензитет во дисперзивниот медиум на комората. Факт е дека за време на спектралното распаѓање на пулсот, спектарот содржи компоненти на произволно високи фреквенции со занемарливо мала амплитуда, таканаречениот претходник, кој оди пред „главниот дел“ на пулсот. Природата на воспоставување и обликот на претходникот зависат од законот за дисперзија во медиумот. Имајќи го ова на ум, секвенцата на настани во експериментот на Вонг се предлага да се толкува на следниов начин. Дојдовниот бран, „истегнувајќи го“ предвесникот пред себе, се приближува до камерата. Пред врвот на влезниот бран да го погоди блискиот ѕид на комората, претходникот иницира појава на пулс во комората, кој допира до далечниот ѕид и се рефлектира од него, формирајќи „обратен бран“. Овој бран се шири 300 пати побрзо Со, стигнува до блискиот ѕид и се среќава со влезниот бран. Врвовите на еден бран се среќаваат со коритата на друг, така што меѓусебно се уништуваат и како резултат не останува ништо. Излегува дека дојдовниот бран „го враќа долгот“ на атомите на цезиум, кои му „позајмиле“ енергија на другиот крај на комората. Секој што го гледал само почетокот и крајот на експериментот би видел само пулс на светлина што „скокнува“ напред во времето, движејќи се побрзо Со.

Л. Вонг верува дека неговиот експеримент не е во согласност со теоријата на релативноста. Изјавата за недостижноста на суперлуминалната брзина, смета тој, се однесува само на предмети со маса на мирување. Светлината може да се претстави или во форма на бранови, на кои концептот на маса е генерално неприменлив, или во форма на фотони со маса на мирување, како што е познато, еднаква на нула. Затоа, брзината на светлината во вакуум, според Вонг, не е граница. Сепак, Вонг признава дека ефектот што го открил не овозможува пренос на информации со брзина поголема од Со.

„Информациите овде веќе се содржани во предниот раб на пулсот“, вели П. Милони, физичар во Националната лабораторија во Лос Аламос во Соединетите Држави „И може да остави впечаток дека испраќа информации побрзо од светлината, дури и кога вие не го испраќаат“.

Повеќето физичари веруваат дека новото дело не им задава кршен удар на основните принципи. Но, не сите физичари веруваат дека проблемот е решен. Професорот А. Ранфањи, од италијанската истражувачка група која изврши уште еден интересен експеримент во 2000 година, смета дека прашањето е сè уште отворено. Овој експеримент, спроведен од Даниел Мугнаи, Анедио Ранфањи и Роко Руџери, откри дека радио брановите со сантиметар при нормално воздушно патување со брзина поголема од Соза 25%.

Да резимираме, можеме да го кажеме следново. Работата во последните години покажува дека, под одредени услови, всушност може да се појави суперлуминална брзина. Но, што точно се движи со суперлуминални брзини? Теоријата на релативност, како што веќе беше споменато, забранува таква брзина за материјалните тела и за сигналите што носат информации. Сепак, некои истражувачи многу упорно се обидуваат да покажат надминување на светлосната бариера специјално за сигнали. Причината за ова лежи во фактот што во специјалната теорија на релативноста не постои строго математичко оправдување (засновано, да речеме, на Максвеловите равенки за електромагнетното поле) за неможноста да се пренесуваат сигнали со брзини поголеми од Со. Таквата неможност во STR е утврдена, може да се каже, чисто аритметички, врз основа на формулата на Ајнштајн за собирање брзини, но тоа е фундаментално потврдено со принципот на каузалност. Самиот Ајнштајн, со оглед на прашањето за пренос на суперлуминален сигнал, напишал дека во овој случај „...ние сме принудени да разгледаме можен механизам за пренос на сигнал, во кој постигнатото дејство и претходи на причината, но, иако ова е резултат од чисто логична точка гледиштето не се содржи, според мое мислење, нема противречности, сепак е толку контрадикторно со природата на целото наше искуство што неможноста да се претпостави V > ссе чини дека е доволно докажан.“ Принципот на каузалност е камен-темелникот што лежи во основата на неможноста за пренос на суперлуминален сигнал. сигнали, зашто таква е природата на нашиот свет.

Како заклучок, треба да се нагласи дека сето горенаведено се однесува конкретно за нашиот свет, за нашиот Универзум. Оваа резервација е направена затоа што неодамна се појавија нови хипотези во астрофизиката и космологијата, кои овозможуваат постоење на многу универзуми скриени од нас, поврзани со тополошки тунели - скокачи. Ова гледиште го дели, на пример, познатиот астрофизичар Н.С. За надворешен набљудувач, влезовите во овие тунели се означени со аномални гравитациони полиња, како црни дупки. Движењата во таквите тунели, како што сугерираат авторите на хипотезите, ќе овозможат да се заобиколи ограничувањето на брзината на движење наметнато во обичниот простор од брзината на светлината и, според тоа, да се реализира идејата за создавање временска машина... Можно е во таквите Универзуми да се случи нешто невообичаено за нас. И иако засега ваквите хипотези премногу потсетуваат на приказни од научна фантастика, тешко дека треба категорично да се отфрли основната можност за повеќеелементен модел на структурата на материјалниот свет. Друга работа е што сите овие други Универзуми, најверојатно, ќе останат чисто математички конструкции на теоретски физичари кои живеат во нашиот Универзум и, со моќта на нивните мисли, ќе се обидуваат да најдат светови затворени за нас...

Видете го изданието на истата тема

Човекот отсекогаш бил заинтересиран за природата на светлината, за што сведочат митовите, легендите, филозофските спорови и научните набљудувања што стигнале до нас. Светлината отсекогаш била причина за дискусија меѓу античките филозофи, а обидите за нејзино проучување биле направени уште во времето на појавата на Евклидовата геометрија - 300 години п.н.е. Уште тогаш се знаеше за исправноста на ширењето на светлината, за еднаквоста на аглите на падот и рефлексијата, за феноменот на прекршување на светлината и за причините за појавата на виножитото. Аристотел верувал дека брзината на светлината е бескрајно голема, што значи, логично кажано, светлината не е предмет на дискусија. Типичен случај кога длабочината на проблемот е пред ерата на разбирање на одговорот.

Пред околу 900 години, Авицена сугерираше дека без разлика колку е голема брзината на светлината, таа сепак има конечна вредност. Не само што тој го имаше ова мислење, туку и никој не можеше да го докаже експериментално. Генијалниот Галилео Галилеј предложи експеримент за механистичко разбирање на проблемот: двајца луѓе кои стојат неколку километри оддалечени даваат сигнали со отворање на затворачот на фенер. Штом вториот учесник ќе ја види светлината од првиот фенер, тој ја отвора својата бленда и првиот учесник го снима времето на примање на светлосниот сигнал за одговор. Тогаш растојанието се зголемува и сè се повторува. Се очекуваше да се забележи зголемувањето на доцнењето и, врз основа на тоа, да се пресмета брзината на светлината. Експериментот заврши без ништо, бидејќи „сè не беше ненадејно, туку исклучително брзо“.

Првиот што ја измери брзината на светлината во вакуум беше астрономот Оле Ромер во 1676 година - тој го искористи откритието на Галилео: во 1609 година откри четири во кои, во рок од шест месеци, временската разлика помеѓу две сателитски затемнувања беше 1320 секунди. Користејќи ги астрономските информации од неговото време, Ромер добил вредност за брзината на светлината еднаква на 222.000 км во секунда. Она што беше неверојатно е тоа што самиот метод на мерење беше неверојатно точен - користејќи ги сега познатите податоци за дијаметарот на Јупитер и времето на одложување на затемнувањето на сателитот ја дава брзината на светлината во вакуум, на ниво на современи вредности. добиени со други методи.

Отпрвин, имаше само една жалба за експериментите на Ромер - беше неопходно да се спроведат мерења со помош на земни средства. Поминаа речиси 200 години, а Луис Физо изгради генијална инсталација во која зрак светлина се рефлектираше од огледало на растојание од повеќе од 8 километри и се враќаше назад. Суптилноста беше во тоа што поминуваше напред-назад по патот низ шуплините на менувачот, и ако се зголеми брзината на вртење на тркалото, ќе дојдеше момент кога светлината повеќе нема да се гледа. Останатото е прашање на техника. Резултатот од мерењето е 312.000 км во секунда. Сега гледаме дека Физо беше уште поблиску до вистината.

Следниот чекор во мерењето на брзината на светлината го направи Фуко, кој го замени тркалото на менувачот Ова овозможи да се намалат димензиите на инсталацијата и да се зголеми точноста на мерењето на 288.000 км во секунда. Не помалку важен беше експериментот што го спроведе Фуко, во кој тој ја одреди брзината на светлината во медиум. За да го направите ова, цевка со вода беше поставена помеѓу огледалата на инсталацијата. Во овој експеримент, беше утврдено дека брзината на светлината се намалува додека се шири во медиум во зависност од индексот на рефракција.

Во втората половина на 19 век, дојде времето на Мајкелсон, кој посвети 40 години од својот живот на мерења во полето на светлината. Кулминација на неговата работа била инсталацијата во која ја мери брзината на светлината во вакуум користејќи евакуирана метална цевка долга повеќе од еден и пол километар. Друго фундаментално достигнување на Мајкелсон беше доказот за фактот дека за која било бранова должина брзината на светлината во вакуум е иста и, како модерен стандард, е 299792458+/- 1,2 m/s. Ваквите мерења беа извршени врз основа на ажурирани вредности на референтниот метар, чија дефиниција е одобрена од 1983 година како меѓународен стандард.

Мудриот Аристотел згрешил, но биле потребни речиси 2000 години за да се докаже.

Брзината на светлината е најнеобичното мерно количество познато досега. Првиот човек кој се обиде да го објасни феноменот на ширење на светлината беше Алберт Ајнштајн. Токму тој ја смислил добро познатата формула Е = mc² , Каде Ее вкупната енергија на телото, м- маса, и в- брзина на светлината во вакуум.

Формулата за прв пат беше објавена во списанието Annalen der Physik во 1905 година. Отприлика во исто време, Ајнштајн изнесе теорија за тоа што би се случило со тело што се движи со апсолутна брзина. Врз основа на фактот дека брзината на светлината е константна големина, тој дошол до заклучок дека просторот и времето мора да се менуваат.

Така, со брзина на светлината, објектот бескрајно ќе се собира, неговата маса бескрајно ќе се зголемува, а времето практично ќе запре.

Во 1977 година, беше можно да се пресмета брзината на светлината како 299.792.458 ± 1,2 метри во секунда. За погруби пресметки, секогаш се претпоставува вредност од 300.000 km/s. Од оваа вредност се засноваат сите други космички димензии. Така се појави концептот на „светлосна година“ и „парсек“ (3,26 светлосни години).

Невозможно е да се движите со брзина на светлината, а уште помалку да ја надминете. Барем во оваа фаза од човековиот развој. Од друга страна, писателите на научна фантастика се обидуваат да го решат овој проблем на страниците на нивните романи околу 100 години. Можеби еден ден научната фантастика ќе стане реалност, бидејќи уште во 19 век Жил Верн предвиде појава на хеликоптер, авион и електрична столица, а тогаш тоа беше чиста научна фантастика!