Cкорость распространения света равна 299 792 458 метров в секунду, но предельной величиной она давно уже не является. «Футурист» собрал 4 теории, где свет уже не Михаэль Шумахер.
Американский ученый японского происхождения, специалист в области теоретической физики Митио Каку уверен, что скорость света вполне может быть преодолена.
Большой взрыв
Самым известным примером, когда был преодолен световой барьер, Митио Каку называет Большой взрыв - сверхбыстрый «хлопок», ставший началом расширения Вселенной, до которого она находилась в сингулярном состоянии.
«Ни один материальный объект не может преодолеть световой барьер. Но пустое пространство, безусловно, может двигаться быстрее света. Ничто не может быть более пустым, чем вакуум, значит он может расширяться быстрее скорости света», -– уверен ученый.
Фонарик в ночном небе
Если светить фонарем в ночном небе, то в принципе луч, который идет из одной части Вселенной в другую, находящуюся на расстоянии многих световых лет, может двигаться быстрее скорости света. Проблема в том, что в этом случае не будет материального объекта, который действительно движется быстрее света. Представьте, что вы окружены гигантской сферой диаметром один световой год. Изображение луча света промчится по этой сфере за считанные секунды, несмотря на ее размеры. Но только изображение луча может двигаться по ночному небу быстрее света, а не информация или материальный объект.
Квантовая запутанность
Быстрее скорости света может быть не какой-то объект, а целое явление, а точнее взаимосвязь, которая называется квантовой запутанностью. Это квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или нескольких объектов взаимозависимы. Чтобы получить пару квантовозапутанных фотонов, можно посветить на нелинейный кристалл лазером с определенными частотой и интенсивностью. В результате рассеивания лазерного луча, возникнут фотоны в двух разных конусах поляризации, связь между которыми и будет называться квантовой запутанностью. Итак, квантовая запутанность - это один способов взаимодействия субатомных частиц, и процесс этой связи может происходить быстрее света.
«Если два электрона свести вместе, они будут вибрировать в унисон, в соответствии с квантовой теорией. Но если затем разделить эти электроны множеством световых лет, они все равно будут поддерживать связь друг с другом. Если покачнуть один электрон, другой почувствует эту вибрацию, причем произойдет это быстрее скорости света. Альберт Эйнштейн думал, что это явление опровергнет квантовую теорию, потому что ничто не может двигаться быстрее света, но на самом деле он ошибался», -– говорит Митио Каку.
Кротовые норы
Тема преодоления скорости света обыгрывается во многих научно-фантастических фильмах. Сейчас даже у тех, кто далек от астрофизики, на слуху словосочетание «кротовая нора», благодаря фильму «Интерстеллар». Это особое искривление в системе пространство-время, туннель в пространстве, позволяющий преодолевать огромные расстояния за ничтожно малое время.
О таких искривлениях говорят не только сценаристы фильмов, но и ученые. Митио Каку считает, что кротовая нора (wormhole), или, как ее еще называют, червоточина - один из двух наиболее реальных способов передавать информацию быстрее, чем со скоростью света.
Второй способ, связанный также с изменениями материи - сжатие пространства впереди вас и расширение позади. В этом деформированном пространстве возникает волна, которая движется быстрее скорости света, если управляется темной материей.
Таким образом, единственный реальный шанс для человека научиться преодолевать световой барьер может скрываться в общей теории относительности и искривлении пространства и времени. Однако все упирается в ту самую темную материю: никто так и не знает, существует ли она точно, и стабильны ли кротовые норы.
Очень важно примечание «в вакууме», о котором мы говорили в самом начале. Свет движется по оптоволокну не так быстро, как в вакууме. Проходя через любую известную нам среду, свет движется значительно медленнее, чем в «идеальных» условиях, о которых говорит константа. Воздух не особо мешает свету, но стекло - существенно. Показатель преломления для среды у света это значение скорости света в вакууме, деленное на скорость света в среде. Для стекла этот показатель равен 1,5, поэтому если вы поделите скорость света (300 000 км/с примерно) на 1,5, то получите 200 000 км/c - приблизительная скорость света, проходящего через стекло. Некоторое оптоволокно сделано из пластика, у которого еще больший показатель преломления света, а значит и скорость меньше.
Одной из причин уменьшения скорости является двойственная природа света. Он обладает признаками как частицы, так и волны. Да, свет состоит из фотонов, но они не двигаются по прямой линии, проходя через кабель. И поскольку фотоны сталкиваются с молекулами материала, они движутся в разных направлениях. Преломление света и поглощение среды, в конечном итоге, приводит к потере энергии и данных. Именно потому сигнал не может двигаться бесконечно, и его нужно постоянно усиливать для передачи на длинную дистанцию. Стоит отметить, что замедление света - это лишь малая толика плохих новостей. В оптоволоконный кабель иногда добавляются примеси, которые контролируют скорость света и позволяют транслировать сигнал эффективнее.
Оптоволоконный кабель, конечно, гораздо быстрее передает информацию, чем медный провод, и не так подвержен воздействию электромагнитных помех. Волокно позволяет достичь скорости передачи в несколько сотен Гб/с или даже Тб/с. Домашнее интернет-соединение не демонстрирует такой скорости хотя бы потому, что проводка везде разная. Даже если у вас стоит оптоволокно, возможно, на одном из участков передачи данных есть медный кусок. Но даже с таким оптоволокном информация будет идти к вам со скоростью 50-100 Мб/c, что получше, чем 1-6 Мб/с у DSL-линий. Скорость соединения зависит также от местоположения, провайдера и вашего тарифного плана.
Есть и другие вещи, которые вызывают задержки сигнала (так называемый delay - «дилэй»), когда вы пытаетесь зайти на страничку в Сети или играете в онлайн-игру. Ваш компьютер и сервер, который хранит данные, сообщаются, чтобы данные были синхронизированы и передавались эффективно, и именно это вызывает задержки. Также важна дистанция, которую проходят данные, а в некоторых местах могут быть «узкие проходы», которые задержат их еще больше. Система работает настолько быстро, насколько быстро работает самый медленный ее компонент.
Ученые работают над созданием системы передачи данных по воздуху. Представьте себе Wi-Fi-лампочки или Wi-Fi-напыление, о котором мы , или вообще лазерные лучи от здания к зданию. Но все равно свет может двигаться через воздух со скоростью, близкой к скорости света в вакууме, но не больше. Как обойти это ограничение?
Возможность сверхсветовой скорости передачи данных
Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) утверждают, что смогли передать квантовую информацию со сверхсветовой скоростью, благодаря так называемому четырехволновому смешению, которое, по сути, является проявлением одной из форм интерференции в оптоволокне. Эксперимент заключается в передаче короткого 200-наносекундного импульса сквозь нагретый рубидиевый пар и одновременную передачу второго пучка лучей на другой частоте, который должен усилить первый импульс. Фотоны из обоих лучей взаимодействуют с паром и рождают третий луч. Как показывают результаты, третий луч движется быстрее скорости света в вакууме. Примерно на 50-90 наносекунд быстрее. Ученые утверждают, что скорость импульса можно калибровать путем изменения вводных параметров.
Другой вариант сверхсветовой скорости передачи - это квантовая телепортация , один из , который основан на запутанных парах: две частицы, запутанные друг с другом, будут обладать одними и теми же характеристиками, вне зависимости от того, как далеко вы разведете их. Также требуется третья частица, которая будет содержать данные, которые вам нужно передать. С помощью лазера можно телепортировать, в буквальном смысле, одну из частиц куда угодно. Это не похоже на передачу фотона, скорее на замену одного фотона копией оригинала. Этот фотон можно сравнить с третьей частицей на предмет нахождения соответствий или различий, а эта информация уже может быть использована для сравнения двух частиц. Похоже на моментальную передачу данных, но не совсем. Лазерный луч может двигаться только со скоростью света. Однако его можно использовать для передачи зашифрованных данных на спутник, а также для создания квантовых компьютеров, если мы-таки до них доберемся. Такая технология зашла куда дальше, чем любые другие попытки передать информацию быстрее скорости света. На сегодняшний день она работает только в ограниченных пределах, а ученые постоянно работают над увеличением дистанции телепорта.
Ответа на вопрос, может ли значимая информация двигаться быстрее, чем свет, пока нет. Сейчас мы можем переместить лишь несколько частиц, и это хорошо, поскольку в дальнейшем может привести нас к желанной цели. На практике, вам нужно передать организованные биты информации, которые хоть что-то означают и не повреждены, на другую машину, которая сможет их прочитать. В противном случае самая быстрая в мире передача данных не будет стоить и ломаного гроша. Но можете быть уверены, если ученые все же превысят порог скорости света, ваш Интернет заработает быстрее. Намного быстрее, чем начнутся межзвездные перелеты.
В некоторых своих текстах мне приходилось упоминать о возможной скорости материи, выше скорости света в вакууме, но без каких-либо доказательств, что вызывало у некоторых читателей протест и даже негодование, потому что наука категорически отрицает такую возможность у материи. Так у меня появился повод для более подробного разговора на эту тему.
Сразу замечу, что Эйнштейн с помощью своих теорий, накладывая табу на сверхсветовые скорости, безусловно, прав, однако - в своих координатах, впрочем, как и, например, Ньютон прав в своих. Каждый из них, авторитетам это дозволено, абсолютизировал свою правоту, распространял ее на всю материю, но это, мягко говоря, недальновидно, так как свойства материи бесконечны по разнообразию, и остановить эту бесконечность несколькими законами или теориями невозможно. Это касается и теорий относительности. Просто, как механики Ньютона в своих трудах отрицали возможность появления физики Эйнштейна, так и поклонники теории относительности не предполагают сверхсветовые скорости у материи.
Так происходит из-за стробоскопического взгляда на движение, в котором стробоскоп – это свойство органов зрения человека, недостаток знаний или невежество. Дети в зрительном зале ничего не знают о том, как оживают отдельные кадры в фильме, наши древние предки не догадывались о движении Земли, ньютоновцы… Теперь в двусмысленное положение себя выставляют приверженцы теорий относительности, отрицающие возможность скорости выше скорости света у материи, и те, кто эксплуатируют эти теории для построения своих версий мира инобытия. У последних инобытие - это уже не материя, а ее противоположность – дух, полный покой, эфир, вакуум, ничто и им подобное. Из ничто появилась наша вселенная, и в ничто все мы возвращаемся – самый распространенный философский вывод из теорий относительности. На самом деле, любой покой – эфирный, вакуумный, информационный, пустотный – это смерть материи, значит, нонсенс.
В своем движении материя принимает различные формы. Многие из них разнятся между собой, например, духовные формы явно отличаются от вещественных. На основании известных различий духовные формы и все, что невозможно пощупать руками или увидеть при помощи приборов, многими исследователями материей не признаются. Среди них и ученые-атеисты, которые в академических словарях, наперекор самим себе, мол, дух – это не материя, пишут, что материя есть все и вся во Вселенной.
В этой заметке материя представляется в соответствии со словарями, согласно которым в мире нет ничего, кроме материи и ее проявлений.
Футурологические теории, в том или ином виде опирающиеся на выводы теорий относительности априорно ошибочны. Это все равно, что ссылаясь на законы Ньютона выводить теории Эйнштейна. В результате, инобытие действительно представляется полным покоем, вакуумом или ничто. Но материя – это бесконечное движение, остановить которое можно только иллюзорно, как в кино, поэтому всякие гипотезы об абсолютном покое материи или ее содержании в тюрьме из досветовых скоростей, на мой взгляд, являются заблуждениями.
Чтобы с помощью теорий Эйнштейна превратить материю в какую-то пустоту без времени, пространства и движения, ее все-таки нужно разогнать до сверхсветовых скоростей, и немалых, то есть нарушить основной постулат теории относительности и, вообще, познания. Однако новое состояние материи нельзя увидеть, опровергая старое. Познание строится по принципу матрешки, в более расширенное входят все более малые «матрешки», поэтому если теория относительности корректна, то ее отрицание сверхсветовых скоростей тоже непогрешимо, но в своих пределах, то есть в границах досветовых скоростей.
В своем движении материя преодолевает известные барьеры. По дороге к ним каждому скоростному отрезку соответствуют свои физические законы. В общей, потому грубой, классификации законы Ньютона действуют при движении материи от покоя до скорости звука, теории относительности – в пространстве от сверхзвуковых скоростей до скорости света, а материя, преодолевшая световой барьер, выводит нас в мир инобытия, в котором эта квалификация как-то продолжается. Вполне естественно, что материю инобытия невозможно зафиксировать никакими физическими приборами, так как она выходит из-под границ досветовых скоростей.
Что это за материя со сверхсветовыми скоростями, и какими свойствами она обладает?
Интуитивно чувствуя наличие в мире сверхсветовых скоростей, некоторые физики наперекор теории относительности настойчиво ищут ее и находят какие-то тоннели со сверхсветовыми скоростями, кроличьи норы и прочие каналы, прорытые в мире досветовых скоростей. Очевидно, что они ищут не с той стороны. Скорость материи имеет массовое распространение в мироздании, а не норковое. Законы Ньютона действительны не только на Земле, но и на всех остальных планетах и звездах вселенной. Вдобавок, преодоление какого-либо скоростного барьера увеличивает, а не сужает число носителей. Чем выше скорость, тем ее естественных носителей должно быть больше. Не считая по штукам, видно, что фотонов и иных обладателей скорости света во вселенной несравненно больше, чем звезд и планет в ней же. Ньютон ничего не знал о теориях относительности, но днем и ночью существовал пронизываемый пучками электромагнитного и прочих космических излучений, а иногда буквально купался в солнечных лучах. Он смотрел на свет стробоскопически, поэтому не замечал его огромных скоростей. То же самое относится и к Эйнштейну, который отрицал существование сверхсветовых скоростей у материи, на основании своего стробоскопа. Однако вокруг этого или подобного теоретика обязательно должно быть нечто, обладающее сверхсветовой скоростью, хотя бы потому, что для передачи информации между галактиками, а тем более вселенными, скорость света оказывается недостаточно быстрой, значит, неактуальной. Кроме этого, носителей сверхсветовой скорости должно быть много. Очень много, больше, чем всех фотонов во Вселенной. Ничего, кроме идей, на эту роль не подходит.
Итак, мы полагаем, что инобытие состоит из идей, двигающихся со скоростями выше скорости света. Построим на этом фундаменте схематичную модель мироздания, и посмотрим, что из этого получилось.
Согласно теории относительности информация, двигающаяся со скоростью выше скорости света, нарушает причинно-следственные связи в мире. Это так, но в координатах материи, двигающейся с досветовыми скоростями. При скоростях выше скорости света исчезает время и пространство в нашем понимании, и вместе с ними - нарушение причинно-следственных связей. То есть, если мы оставляем текущее состояние материи неизменным и вносим в него сверхскоростной элемент, то он, безусловно, окажется чужеродным элементом в нем, однако в мире сверхсветовых скоростей никакого нарушения причин этот чужак не вызовет.
Идея, теряя свою сверхсветовую скорость, быть может, из-за какой-то флуктуации, изливается, словно сжатый воздух из проколотой камеры, из инобытия и строит пространство Эйнштейна, точнее, Минковского. Утрачивая свою фантастическую скорость, идея объективируется. Большой Взрыв – это объективация величайшей идеи, идеи нашей вселенной.
Внутри этого объекта скорость информации, в том числе наши банальные мысли, не может превышать скорость света, но при объективации какой-то новой, даже сравнительно малой по содержанию идеи, допустим, связанной с каким-то открытием ученого, она появляется в голове новатора мгновенно. По своей сути, творческое озарение - это Малый Взрыв в точке сингулярности. И если представить, что вселенных в мире множество и еще больше в нем творцов нового, то определение понятия точки сингулярности должно расходиться с общепризнанным. Точка сингулярности, на мой взгляд, всего лишь одно из бесчисленных мест бесконечного пространства, где произошел творческий акт.
Как так, ведь согласно теории относительности в мире сверхсветовых скоростей пространство и время должны исчезнуть? Они и исчезают, математические. Пространство и время в мире сверхсветовых скоростей из бесконечности математической получают противоположную ей бесконечность - качественную. Как это может примерно происходить, рассмотрим на феномене времени.
В инобытии нет времени, но оно духовными актами непрерывно порождает его, во вселенной (бытии), наоборот, нет вечности, но она своим существованием творит ее.
Время есть результат творчества нового. Изменения, происходящие от активности и творчества нового в инобытии, овременяют существование бытия. Небывшее становится бывающим во времени. Первичный акт миротворения не предполагает ни времени, ни пространства, но он порождает их. Изменения, происходящие от творческой активности в бытии, наоборот, убивают время. Для нашей вселенной это означает, что в результате творческих актов в ней время ее текущего состояния неумолимо сокращается.
Время есть лишь состояние отдельных вещей. Иное состояние вещей приводит к угасанию времени. Для удобства жизни люди договариваются между собой об эталонах времени, на самом деле у каждой вещи свое собственное время. Счастливые часов не наблюдают, в несчастье время тянется бесконечно долго. Тот же, самый точный, квантовый эталон времени в разных условиях будет показывать различное время.
Время тесно связано с познанием. Познание реализуется в творчестве. Оно доступно не только человеку, но и природе, а также всем остальным вещам во вселенной. Познание ускоряет скорость жизни общества и всей вселенной. Ускорение в нашей вселенной нарастает через Малые Взрывы, когда объективируются идеи новых звезд, галактик и новаторские идеи ученых, изобретателей. Мимоходом совет всяким экстрасенсам: вместо того, чтобы предсказывать будущее, лучше его изобретать.
Наша вселенная пока не законченный объект, утверждал Бердяев, она продолжает твориться с помощью познания. Эволюционные изменения мира вторичны. Эти изменения всегда детерминированы. Эволюция принадлежит к миру объективации, тогда как мир идей знает творчество, а не эволюцию, знает свободу, а не детерминацию, акты духа, а не причинность природных ресурсов. Эволюция происходит во времени и находится во власти времени.
Во вселенском творческом процессе реализуется идея, которая возвратит вселенную в инобытие. Только тогда закончится ее творение. От течения времени останется вечность – качественная бесконечность мира. Быть может, существование материи в форме активного полного знания тождественного чистой нравственности, одним словом, любви и есть вечность.
Импульс энергии идеи, двигающейся со сверхсветовой скоростью, переходящий при замедлении ее движения и объективации к вещи, можно назвать силой ее жизни. Эта энергия неуловима, но так велика, что, наверняка, влияет на многие взаимодействия тел во вселенной. Если допустить, что инобытие есть информационное поле, то все фундаментальные взаимодействия вещества, а также не очень фундаментальные, вытекают из него, то есть взаимодействие вещества с информационным полем является самым фундаментальным или, что более правильно, единственно фундаментальным.
По закону сохранения энергии силу жизни, как и любую иную, невозможно получить из вакуума, покоя или ничто. Конечно, мы можем с помощью своего стробоскопа превратить любую энергию в покой, физический вакуум или ничто, но это превращение в лучшем случае окажется мифом. Миф – это правда незнайки. Она реальна, но скрыта в многозначных символах, однако подтвердить эту реальность может только знание.
В инобытии творчество - единственный способ существования, поэтому вселенных в мире бесконечно много. Для творческого акта не требуется время, озарение мгновенно. Бесконечная и свободная череда творческих озарений составляет жизнь инобытия. Огромная история нашей вселенной от Большого Взрыва до ее предполагаемого исчезновения в точке при взгляде с инобытия протянется мгновение.
Итак, мир досветовых скоростей, бытие появляется при резком замедлении движения в мире сверхсветовых скоростей, инобытия. В инобытии и бытии ничего, кроме идей (информации) нет, только во вселенной идеи проявлены (объективированы), а в инобытии находятся в естественном состоянии. Бытие и инобытие неотделимы друг от друга и занимают один и тот же объем. Чего? Бытия. Вселенные появляются и исчезают, но их бесчисленно много, поэтому бытие наличествует всегда. Если эта гипотеза подтвердится, то бесчисленные мифы первобытных людей вокруг вечной тверди земной из правды невежд, пережив критику и глумления, превратятся в непререкаемую истину. То же самое можно сказать и об инобытии – оно вечно.
Увидеть идеи небытия, познакомиться с ними реально, быть может, подружиться и так далее можно единственным способом – путем своей деобъективации. Для реальной деобъективации, необходимо овладеть скоростью, выше скорости света, а для иллюзорной достаточно включить известными практиками свой стробоскоп. Сверхсветовую скорость невозможно достигнуть в одиночку, в секте-кружке и даже всем человечеством за миллионы лет, так как все люди-идеи гармонично, значит, неотъемлемо, входят (впрессованы) в одну общую идею-вселенную, которая, как говорят, была объективирована более 13 млрд. лет назад. Ее цель вернуться домой, назад в инобытие. Для этого ее жизнь должна ускоряться. Энергия ее ускорения находится в инобытии, она перетекает в бытие при творческих актах. Очевидно, что творческие акты разумных существ более продуктивны, чем косной материи, отсюда очевиден и смысл их появления во вселенной, смысл их жизни и желательные принципы их существования. Перед дверью в инобытие наша вселенная, в том числе, быть может, нашими усилиями, превратится в громадную черную дыру, чтобы штопором ввернуться в инобытие. Все эти смыслы недостижимы сидя под деревом в нирване или в иной отрешенности от бытия, и они теряются, если в инобытии пустота, покой, так как их можно легко достигнуть без творческих усилий с помощью намыленной веревки, вина или кокаина.
Из-за иллюзорного различия между духовным и вещественным появилось противостояние между атеистами и креационалистами. На самом деле, для атеиста, знает он это или нет, материя – это Бог с акцентом на вещественных формах, для религиозного человека материя – это Бог с акцентом на ее духовных формах, для меня материя и Бог – синонимы, поэтому в начале этого предложения слова Бог и материя можно переставлять по своему желанию.
В аспекте движения Бог – это вибрация материи с наивысшей скоростью. Она гораздо выше скорости света и ее, то есть Бога, религиозным людям не достичь никакими молитвами и религиозными обрядами, а атеистам – тупо отрицая ее.
Очевидно, что овладение человеком скорости света стало бы значительной вехой в раскрытии тайн материи, и одновременно важным рациональным шагом на пути к Богу, удовлетворяющим как атеистов, так и религиозных людей. С этой платформы появились бы научные доказательства существования сверхсветовых скоростей, вместе с ними, быть может, стартовала ускоренная деобъективация вселенной для ее скорого возвращения в инобытие. А это может означать, что остаток жизни нашей вселенной не так длинен (очень короток), как кажется профессиональным модельерам вселенной.
Пока же нам приходится удовлетворяться косвенными признаками наличия сверхсветовых скоростей в мире и умозрительными выводами от их существования.
Наверное, всем – даже людям, далеким от физики, – известно, что предельно возможной скоростью движения материальных объектов или распространения любых сигналов является скорость света в вакууме .
Она обозначается буквой c и составляет почти 300 тысяч километров в секунду; точная величина с = 299 792 458 м/с.
Скорость света в вакууме – одна из фундаментальных физических констант.
Невозможность достижения скоростей, превышающих с, вытекает из специальной теории относительности (СТО) Эйнштейна.
Если бы удалось доказать, что возможна передача сигналов со сверхсветовой скоростью, теория относительности пала бы. Пока что этого не случилось, несмотря на многочисленные попытки опровергнуть запрет на существование скоростей, больших с.
Однако в экспериментальных исследованиях последнего времени обнаружились некоторые весьма интересные явления, свидетельствующие о том, что при специально созданных условиях можно наблюдать сверхсветовые скорости и при этом принципы теории относительности не нарушаются.
Для начала напомним основные аспекты, относящиеся к проблеме скорости света. Прежде всего: почему нельзя (при обычных условиях) превысить световой предел?
Потому, что тогда нарушается фундаментальный закон нашего мира – закон причинности, в соответствии с которым следствие не может опережать причину.
Никто никогда не наблюдал, чтобы, например, сначала замертво упал медведь, а потом выстрелил охотник. При скоростях же, превышающих с, последовательность событий становится обратной, лента времени отматывается назад. В этом легко убедиться из следующего простого рассуждения.
Предположим, что мы находимся на неком космическом чудо-корабле, движущемся быстрее света. Тогда мы постепенно догоняли бы свет, испущенный источником во все более и более ранние моменты времени.
Сначала мы догнали бы фотоны, испущенные, скажем, вчера, затем – испущенные позавчера, потом – неделю, месяц, год назад и так далее. Если бы источником света было зеркало, отражающее жизнь, то мы сначала увидели бы события вчерашнего дня, затем позавчерашнего и так далее. Мы могли бы увидеть, скажем, старика, который постепенно превращается в человека средних лет, затем в молодого, в юношу, в ребенка...
То есть время повернуло бы вспять, мы двигались бы из настоящего в прошлое. Причины и следствия при этом поменялись бы местами.
Хотя в этом рассуждении полностью игнорируются технические детали процесса наблюдения за светом, с принципиальной точки зрения оно наглядно демонстрирует, что движение со сверхсветовой скоростью приводит к невозможной в нашем мире ситуации.
Однако природа поставила еще более жесткие условия: недостижимо движение не только со сверхсветовой скоростью, но и со скоростью, равной скорости света, – к ней можно только приближаться.
Из теории относительности следует, что при увеличении скорости движения возникают три обстоятельства: возрастает масса движущегося объекта, уменьшается его размер в направлении движения и замедляется течение времени на этом объекте (с точки зрения внешнего "покоящегося" наблюдателя).
При обычных скоростях эти изменения ничтожно малы, но по мере приближения к скорости света они становятся все ощутимее, а в пределе – при скорости, равной с, – масса становится бесконечно большой, объект полностью теряет размер в направлении движения и время на нем останавливается.
Поэтому никакое материальное тело не может достичь скорости света. Такой скоростью обладает только сам свет! (А также "всепроникающая" частица – нейтрино, которая, как и фотон, не может двигаться со скоростью, меньшей с.)
Теперь о скорости передачи сигнала . Здесь уместно воспользоваться представлением света в виде электромагнитных волн.
Что такое сигнал? Это некая информация, подлежащая передаче.
Идеальная электромагнитная волна – это бесконечная синусоида строго одной частоты, и она не может нести никакой информации, ибо каждый период такой синусоиды в точности повторяет предыдущий.
Скорость перемещения фазы cинусоидальной волны – так называемая фазовая скорость – может в среде при определенных условиях превышать скорость света в вакууме.
Здесь ограничения отсутствуют, так как фазовая скорость не является скоростью сигнала – его еще нет . Чтобы создать сигнал, надо сделать какую-то "отметку" на волне. Такой отметкой может быть, например, изменение любого из параметров волны – амплитуды, частоты или начальной фазы. Но как только отметка сделана, волна теряет синусоидальность. Она становится модулированной, состоящей из набора простых синусоидальных волн с различными амплитудами, частотами и начальными фазами – группы волн.
Скорость перемещения отметки в модулированной волне и является скоростью сигнала. При распространении в среде эта скорость обычно совпадает с групповой скоростью, характеризующей распространение вышеупомянутой группы волн как целого (см. "Наука и жизнь" № 2, 2000 г.). При обычных условиях групповая скорость, а следовательно, и скорость сигнала меньше скорости света в вакууме. Здесь не случайно употреблено выражение "при обычных условиях", ибо в некоторых случаях и групповая скорость может превышать с или вообще терять смысл, но тогда она не относится к распространению сигнала. В СТО устанавливается, что невозможна передача сигнала со скоростью, большей с.
Почему это так? Потому, что препятствием для передачи любого сигнала со скоростью больше с служит все тот же закон причинности .
Представим себе такую ситуацию. В некоторой точке А световая вспышка (событие 1) включает устройство, посылающее некий радиосигнал, а в удаленной точке В под действием этого радиосигнала происходит взрыв (событие 2). Понятно, что событие 1 (вспышка) – причина, а событие 2 (взрыв) – следствие, наступающее позже причины. Но если бы радиосигнал распространялся со сверхсветовой скоростью, наблюдатель вблизи точки В увидел бы сначала взрыв, а уже потом – дошедшую до него со скоростью с световую вспышку, причину взрыва. Другими словами, для этого наблюдателя событие 2 совершилось бы раньше, чем событие 1, то есть следствие опередило бы причину.
Уместно подчеркнуть, что "сверхсветовой запрет" теории относительности накладывается только на движение материальных тел и передачу сигналов .
Во многих ситуациях возможно движение с любой скоростью, но это будет движение не материальных объектов и не сигналов. Например, если взять фонарик (или, скажем, лазер, дающий узкий луч) и быстро описать им в воздухе дугу, то линейная скорость светового зайчика будет увеличиваться с расстоянием и на достаточно большом удалении превысит с. Световое пятно переместится между точками А и В со сверхсветовой скоростью, но это не будет передачей сигнала из А в В, так как такой световой зайчик не несет никакой информации о точке А.
Казалось бы, вопрос о сверхсветовых скоростях решен. Но в 60-х годах двадцатого столетия физиками-теоретиками была выдвинута гипотеза существования сверхсветовых частиц, названных тахионами. Это очень странные частицы: теоретически они возможны, но во избежание противоречий с теорией относительности им пришлось приписать мнимую массу покоя. Физически мнимая масса не существует, это чисто математическая абстракция. Однако это не вызвало особой тревоги, поскольку тахионы не могут находиться в покое – они существуют (если существуют!) только при скоростях, превышающих скорость света в вакууме, а в этом случае масса тахиона оказывается вещественной. Здесь есть некоторая аналогия с фотонами: у фотона масса покоя равна нулю, но это просто означает, что фотон не может находиться в покое – свет нельзя остановить.
Наиболее сложным оказалось, как и следовало ожидать, примирить тахионную гипотезу с законом причинности. Попытки, предпринимавшиеся в этом направлении, хотя и были достаточно остроумными, не привели к явному успеху. Экспериментально зарегистрировать тахионы также никому не удалось. В итоге интерес к тахионам как к сверхсветовым элементарным частицам постепенно сошел на нет.
Работы последних лет показывают, что при определенных условиях сверхсветовая скорость действительно может иметь место. Но что именно движется со сверхсветовой скоростью? Теория относительности, как уже упоминалось, запрещает такую скорость для материальных тел и для сигналов, несущих информацию. Тем не менее некоторые исследователи весьма настойчиво пытаются продемонстрировать преодоление светового барьера именно для сигналов.
Причина этого кроется в том, что в специальной теории относительности нет строгого математического обоснования (базирующегося, скажем, на уравнениях Максвелла для электромагнитного поля) невозможности передачи сигналов со скоростью больше с. Такая невозможность в СТО устанавливается, можно сказать, чисто арифметически, исходя из эйнштейновской формулы сложения скоростей, но фундаментальным образом это подтверждается принципом причинности.
Сам Эйнштейн, рассматривая вопрос о сверхсветовой передаче сигналов, писал, что в этом случае "...мы вынуждены считать возможным механизм передачи сигнала, при использовании которого достигаемое действие предшествует причине. Но, хотя этот результат с чисто логической точки зрения и не содержит в себе, по-моему, никаких противоречий, он все же настолько противоречит характеру всего нашего опыта, что невозможность предположения V > с представляется в достаточной степени доказанной".
Принцип причинности – вот тот краеугольный камень, который лежит в основе невозможности сверхсветовой передачи сигналов.
И об этот камень, по-видимому, будут спотыкаться все без исключения поиски сверхсветовых сигналов, как бы экспериментаторам не хотелось такие сигналы обнаружить, ибо такова природа нашего мира.
Приведено с сокращениями –
В этой метафоре вагон представляет собой все, что мы можем увидеть в окружающем нас мире - дом, кота Ваську, звезды на небе и т.п. «Следующая станция - Завтра».
Если вы будете сидеть неподвижно, а кот Васька безмятежно спать свои положенные в сутки часы, вы не почувствуете движения. Но завтра обязательно придет.
Вот что значит двигаться в направлении будущего. Только время покажет, что правда: движение или стоянка.
Пока вам должно было довольно просто все это представлять. Возможно, сложно думать о времени как о направлении и уж тем более о себе - как о проходящем сквозь время объекте. Но вы поймете. Теперь включите воображение.
Представьте, что когда вы едете в своем автомобиле, случается что-то страшное: отказывают тормоза. По странному совпадению в тот же момент заклинивает газ и коробку передач. Вы не можете ни ускориться, ни остановиться. Единственное, что у вас есть - рулевое колесо. Вы можете изменить направление движения, но не его скорость.
Конечно, первое, что вы сделаете, это попытаетесь въехать в мягкий куст и как-нибудь аккуратно остановить автомобиль. Но давайте пока не будем пользоваться таким приемом. Просто сосредоточимся на особенностях вашего неисправного автомобиля: вы можете изменить направление, но не скорость.
Вот так мы движемся сквозь Вселенную. У вас есть руль, но нет педали. Сидя и читая эту статью, вы катитесь в светлое будущее на максимальной скорости. И когда вы встаете, чтобы сделать себе чайку, вы изменяете направление движения в пространстве-времени, но не его скорость. Если вы будете очень быстро двигаться по пространству, время будет течь немного медленнее.
Это легко представить, нарисовав пару осей на бумаге. Ось, которая будет идти вверх и вниз - это ось времени, вверх - значит в будущее. Горизонтальная ось представляет пространство. Мы можем нарисовать только одно измерение пространства, поскольку лист бумаги двухмерен, но давайте просто представим, что это понятие относится ко всем трем измерениям пространства.
Нарисуйте стрелку с начала оси координат, где они сходятся, и направьте ее вверх вдоль вертикальной оси. Неважно, насколько длинной она будет, просто имейте в виду, что у нее будет только одна длина. Эта стрелка, которая сейчас направлена в будущее, представляет собой величину, которую физики называют «четыре-скоростью». Это скорость вашего передвижения по пространству-времени. Прямо сейчас вы находитесь в неподвижном состоянии, поэтому стрелка направлена только в будущее.
Если вы хотите двигаться сквозь пространство - направо по оси координат - вам нужно изменить вашу четыре-скорость и включить горизонтальный компонент. Получается, вам нужно повернуть стрелку. Но как только вы это сделаете, вы заметите, что стрелка уже не так уверенно указывает наверх, в будущее, как до этого. Теперь вы движетесь сквозь пространство, но вам пришлось пожертвовать движением в будущем, поскольку стрелка четыре-скорости может только вращаться, но никогда не растягиваться или сжиматься.
Отсюда начинается знаменитый эффект «замедления времени», о котором говорят все, хоть немного посвященные в специальную теорию относительности. Если вы движетесь в пространстве, вы не движетесь во времени так быстро, как могли бы, если бы сидели на месте. Ваши часы будут отсчитывать время медленнее, нежели часы человека, который не движется.
А теперь мы подходим к разрешению вопроса, почему фраза «быстрее света» не имеет смысла в нашей вселенной. Смотрите, что происходит, если вы хотите двигаться по пространству как можно быстрее. Вы поворачиваете стрелку четыре-скорости до упора, пока она не будет указывать вдоль горизонтальной оси. Мы помним, что стрелка не может растягиваться. Она может только вращаться. Итак, вы увеличили скорость в пространстве насколько это возможно. Но стало невозможным двигаться еще быстрее. Стрелку некуда повернуть, иначе она станет «прямее прямого» или «горизонтальнее горизонтального». Вот к этому понятию и приравнивайте «быстрее света». Это просто невозможно, как накормить тремя рыбками и семью хлебами огромный народ.
Вот почему в нашей вселенной ничто не может двигаться быстрее света. Потому что фраза «быстрее света» в нашей вселенной эквивалентна фразе «прямее прямого» или «горизонтальнее горизонтального».
Да, у вас осталось несколько вопросов. Почему векторы четыре-скорости могут лишь вращаться, но не растягиваться? На этот вопрос есть ответ, но он связан с инвариантностью скорости света, и мы оставим его на потом. И если вы просто поверите в это, то будете чуть менее информированы по этому вопросу, чем самые блестящие физики, когда-либо существовавшие на нашей планете.
Скептики могут усомниться, почему мы используем упрощенную модель геометрии пространства, говоря об эвклидовых вращениях и кругах. В реальном мире геометрия пространства-времени подчиняется геометрии Минковского, а повороты являются гиперболическими. Но простой вариант объяснения имеет право на жизнь.
Как и простое объяснение тому, .
