Как ученые из NASA собираются превысить скорость света в космосе. Можно ли двигаться быстрее света

Посвященная прямому измерению скорости движения нейтрино. Результаты звучат сенсационно: скорость нейтрино оказалась слегка - но статистически достоверно! - больше скорости света. Статья коллаборации содержит анализ разнообразных источников погрешностей и неопределенностей, однако реакция подавляющего большинства физиков остается очень скептической, прежде всего потому, что такой результат не согласуется с другими экспериментальными данными по свойствам нейтрино.

Рис. 1.

Подробности эксперимента

Идея эксперимента (см. OPERA experiment) очень проста. Нейтринный пучок рождается в ЦЕРНе, летит сквозь Землю в итальянскую лабораторию Гран-Сассо и проходит там сквозь специальный нейтринный детектор OPERA. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, но из-за того, что их поток из ЦЕРНа очень велик, некоторые нейтрино всё же сталкиваются с атомами внутри детектора. Там они порождают каскад заряженных частиц и тем самым оставляют в детекторе свой сигнал. Нейтрино в ЦЕРНе рождаются не непрерывно, а «всплесками», и если мы знаем момент рождения нейтрино и момент его поглощения в детекторе, а также расстояние между двумя лабораториями, мы можем вычислить скорость движения нейтрино.

Расстояние между источником и детектором по прямой составляет примерно 730 км и измерено оно с точностью 20 см (точное расстояние между реперными точками составляет 730 534,61 ± 0,20 метров). Правда, процесс, приводящий к рождению нейтрино, вовсе не локализован с такой точностью. В ЦЕРНе пучок протонов высокой энергии вылетает из ускорителя SPS, сбрасывается на графитовую мишень и порождает в ней вторичные частицы, в том числе мезоны. Они по-прежнему летят вперед с околосветовой скоростью и на лету распадаются на мюоны с испусканием нейтрино. Мюоны тоже распадаются и порождают дополнительные нейтрино. Затем все частицы, кроме нейтрино, поглощаются в толще вещества, а те беспрепятственно долетают до места детектирования. Общая схема этой части эксперимента приведена на рис. 1.

Весь каскад, приводящий к появлению нейтринного пучка, может растянуться на сотни метров. Однако поскольку все частицы в этом сгустке летят вперед с околосветовой скоростью, для времени детектирования нет практически никакой разницы, родилось нейтрино сразу или через километр пути (однако имеет большое значение, когда именно тот исходный протон, который привел к рождению данного нейтрино, вылетел из ускорителя). В результате рожденные нейтрино по большому счету просто повторяют профиль исходного протонного пучка. Поэтому ключевым параметром здесь является именно временной профиль пучка протонов, вылетающих из ускорителя, в особенности - точное положение его переднего и заднего фронтов, а этот профиль измеряется с хорошим временны м разрешением (см. рис. 2).

Каждый сеанс сброса протонного пучка на мишень (по-английски такой сеанс называется spill , «выплеск») длится примерно 10 микросекунд и приводит к рождению огромного числа нейтрино. Однако практически все они пролетают Землю (и детектор) насквозь без взаимодействия. В тех же редких случаях, когда детектор всё-таки регистрирует нейтрино, невозможно сказать, в какой именно момент в течение 10-микросекундного интервала оно было испущено. Анализ можно провести лишь статистически, то есть накопить много случаев детектирования нейтрино и построить их распределение по временам относительно момента начала отсчета для каждого сеанса. В детекторе за начало отсчета принимается тот момент времени, когда условный сигнал, движущийся со скоростью света и излученный ровно в момент переднего фронта протонного пучка, достигает детектора. Точное измерение этого момента стало возможно благодаря синхронизации часов в двух лабораториях с точностью в несколько наносекунд.

На рис. 3 показан пример такого распределения. Черные точки - это реальные нейтринные данные, зарегистрированные детектором и просуммированные по большому числу сеансов. Красная кривая показывает условный «опорный» сигнал, который двигался бы со скоростью света. Видно, что данные начинаются примерно на 1048,5 нс раньше опорного сигнала. Это, впрочем, еще не означает, что нейтрино действительно на микросекунду опережает свет, а является лишь поводом для того, чтобы тщательно перемерить все длины кабелей, скорости срабатывания аппаратуры, времена задержки электроники и так далее. Эта перепроверка была выполнена, и оказалось, что она смещает «опорный» момент на 988 нс. Таким образом, получается, что нейтринный сигнал действительно обгоняет опорный, но лишь примерно на 60 наносекунд. В пересчете на скорость нейтрино это отвечает превышению скорости света примерно на 0,0025%.

Погрешность этого измерения была оценена авторами анализа в 10 наносекунд, что включает в себя и статистическую, и систематическую погрешности. Таким образом, авторы утверждают, что они «видят» сверхсветовое движение нейтрино на уровне статистической достоверности в шесть стандартных отклонений.

Отличие результатов от ожиданий на шесть стандартных отклонений уже достаточно велико и называется в физике элементарных частиц громким словом «открытие». Однако надо правильно понимать это число: оно лишь означает, что вероятность статистической флуктуации в данных очень мала, но не говорит о том, насколько надежна методика обработки данных и насколько хорошо физики учли все инструментальные погрешности. В конце концов, в физике элементарных частиц имеется немало примеров, когда необычные сигналы с исключительно большой статистической достоверностью не подтверждались другими экспериментами.

Чему противоречат сверхсветовые нейтрино?

Вопреки широко распространенному мнению, специальная теория относительности не запрещает само по себе существование частиц, движущихся со сверхсветовой скоростью. Однако для таких частиц (их обобщенно называют «тахионы») скорость света тоже является пределом, но только снизу - они не могут двигаться медленнее нее. При этом зависимость энергии частиц от скорости получается обратной: чем больше энергия, тем ближе скорость тахионов к скорости света.

Гораздо более серьезные проблемы начинаются в квантовой теории поля. Эта теория приходит на смену квантовой механике, когда речь идет про квантовые частицы с большими энергиями. В этой теории частицы - это не точки, а, условно говоря, сгустки материального поля, и рассматривать их отдельно от поля нельзя. Оказывается, что тахионы понижают энергию поля, а значит, делают вакуум нестабильным. Пустоте тогда выгоднее спонтанно рассыпаться на огромное число этих частиц, и потому рассматривать движение одного тахиона в обычном пустом пространстве просто бессмысленно. Можно сказать, что тахион - это не частица, а нестабильность вакуума.

В случае тахионов-фермионов ситуация несколько сложнее, но и там тоже возникают сравнимые трудности, мешающие созданию самосогласованной тахионной квантовой теории поля, включающей обычную теорию относительности.

Впрочем, это тоже не последнее слово в теории. Так же, как экспериментаторы измеряют всё, что поддается измерению, теоретики тоже проверяют все возможные гипотетические модели, которые не противоречат имеющимся данным. В частности, существуют теории, в которых допускается небольшое, не замеченное пока отклонение от постулатов теории относительности - например, скорость света сама по себе может быть переменной величиной. Прямой экспериментальной поддержки у таких теорий пока нет, но они пока и не закрыты.

Под этой краткой зарисовкой теоретических возможностей можно подвести такой итог: несмотря на то что в некоторых теоретических моделях движение со сверхсветовой скоростью возможно, они остаются исключительно гипотетическими конструкциями. Все имеющиеся на сегодня экспериментальные данные описываются стандартными теориями без сверхсветового движения. Поэтому если бы оно достоверно подтвердилось хоть для каких-нибудь частиц, квантовую теорию поля пришлось бы кардинально переделывать.

Стоит ли считать результат OPERA в этом смысле «первой ласточкой»? Пока нет. Пожалуй, самым главным поводом для скепсиса остается тот факт, что результат OPERA не согласуется с другими экспериментальными данными по нейтрино.

Во-первых, во время знаменитой вспышки сверхновой SN1987A были зарегистрированы и нейтрино, которые пришли за несколько часов до светового импульса. Это не означает, что нейтрино шли быстрее света, а лишь отражает тот факт, что нейтрино излучаются на более раннем этапе коллапса ядра при вспышке сверхновой, чем свет. Однако раз нейтрино и свет, проведя в пути 170 тысяч лет, не разошлись более, чем на несколько часов, значит, скорости у них очень близки и различаются не более чем на миллиардные доли. Эксперимент же OPERA показывает в тысячи раз более сильное расхождение.

Тут, конечно, можно сказать, что нейтрино, рождающиеся при вспышках сверхновых, и нейтрино из ЦЕРНа сильно различаются по энергии (несколько десятков МэВ в сверхновых и 10–40 ГэВ в описываемом эксперименте), а скорость нейтрино меняется в зависимости от энергии. Но это изменение в данном случае работает в «неправильную» сторону: ведь чем выше энергия тахионов, тем ближе их скорость должна быть к скорости света. Конечно, и тут можно придумать какую-то модификацию тахионной теории, в которой эта зависимость была бы совсем другой, но в таком случае придется уже обсуждать «дважды-гипотетическую» модель.

Далее, из множества экспериментальных данных по нейтринным осцилляциям, полученным за последние годы, следует, что массы всех нейтрино отличаются друг от друга лишь на доли электронвольта. Если результат OPERA воспринимать как проявление сверхсветового движения нейтрино, то тогда величина квадрата массы хотя бы одного нейтрино будет порядка –(100 МэВ) 2 (отрицательный квадрат массы - это и есть математическое проявление того, что частица считается тахионом). Тогда придется признать, что все сорта нейтрино - тахионы и обладают примерно такой массой. С другой стороны, прямое измерение массы нейтрино в бета-распаде ядер трития показывает, что масса нейтрино (по модулю) не должна превышать 2 электронвольта. Иными словами, все эти данные согласовать друг с другом не удастся.

Вывод отсюда можно сделать такой: заявленный результат коллаборации OPERA трудно вместить в какие-либо, даже в самые экзотические теоретические модели.

Что дальше?

Во всех больших коллаборациях в физике элементарных частиц нормальной практикой является ситуация, когда каждый конкретный анализ выполняется небольшой группой участников, и лишь затем результаты выносятся на общее обсуждение. В данном случае, по-видимому, этот этап был слишком кратким, в результате чего далеко не все участники коллаборации согласились подставить свою подпись под статьей (полный список насчитывает 216 участников эксперимента, а у препринта имеется лишь 174 автора). Поэтому в ближайшее время, по всей видимости, внутри коллаборации будет проведено множество дополнительных проверок, и только после этого статья будет послана в печать.

Конечно, сейчас можно ожидать и поток теоретических статей с разнообразными экзотическими объяснениями этого результата. Однако пока заявленный результат не будет надежно перепроверен, считать его полноправным открытием нельзя.

Со школьной скамьи нас учили - превысить скорость света невозможно, и поэтому перемещение человека в космическом пространстве является большой неразрешимой проблемой (как долететь до ближайшей солнечной системы, если свет сможет преодолеть это расстояние только за несколько тысяч лет?). Возможно, американские ученые нашли способ летать на сверхскоростях, не только не обманув, но и следуя фундаментальным законам Альберта Эйнштейна. Во всяком случае так утверждает автор проекта двигателя деформации пространства Гарольд Уайт.

Мы в редакции сочли новость совершенно фантастической, поэтому сегодня, в преддверии Дня космонавтики, публикуем репортаж Константина Какаеса для журнала Popular Science о феноменальном проекте NASA, в случае успеха которого человек сможет отправиться за пределы Солнечной системы.

В сентябре 2012 года несколько сотен ученых, инженеров и космических энтузиастов собрались вместе для второй публичной встречи группы под названием 100 Year Starship. Группой руководит бывший астронавт Май Джемисон, и основана она DARPA. Цель конференции - «сделать возможным путешествие человека за пределы Солнечной системы к другим звездам в течение ближайших ста лет». Большинство участников конференции признают, что подвижки в пилотируемом изучении космического пространства слишком незначительны. Несмотря на миллиарды долларов, затраченных в последние несколько кварталов, космические агентства могут почти столько же, сколько могли в 1960-х. Собственно, 100 Year Starship созвана, чтобы все это исправить.

Но ближе к делу. Спустя несколько дней конференции ее участники дошли до самых фантастических тем: регенерация органов, проблема организованной религии на борту корабля и так далее. Одна из наиболее любопытных презентаций на собрании 100 Year Starship называлась «Механика деформационного поля 102», и провел ее Гарольд «Сонни» Уайт из NASA. Ветеран агентства, Уайт руководит продвинутой импульсной программой в космическом центре Джонсона (JSC). Вместе с пятью коллегами он создал «Дорожную карту космических двигательных систем», которая озвучивает цели NASA в ближайших космических путешествиях. На плане перечисляются все виды двигательных проектов: от усовершенствованных химических ракет до далеко идущих разработок, вроде антиматерии или ядерных машин. Но область исследований Уайта самая футуристичная из всех: она касается двигателя деформации пространства.

так обычно изображают пузырь Алькубьерре

Согласно плану, такой двигатель обеспечит перемещения в пространстве со скоростью, превышающей скорость света. Общепризнанно, что это невозможно, поскольку является явным нарушением теории относительности Эйнштейна. Но Уайт утверждает обратное. В качестве подтверждения своих слов он апеллирует к так называемым пузырям Алькубьерре (уравнения, выходящие из теории Эйнштейна, согласно которым тело в космическом пространстве способно достигать сверхсветовых скоростей, в отличие от тела в нормальных условиях). В презентации он рассказал, как недавно сумел добиться теоретических результатов, которые напрямую ведут к созданию реального двигателя деформации пространства.

Понятно, что звучит это все совершенно фантастически: подобные разработки - это настоящая революция, которая развяжет руки всем астрофизикам мира. Вместо того, чтобы тратить 75 тысяч лет на путешествие к Альфа-Центавре, ближайшей к нашей звездной системе, астронавты на корабле с таким двигателем смогут совершить это путешествие за пару недель.

В свете закрытия программы запуска шаттлов и все возрастающей роли частных полетов к околоземной орбите NASA заявляет, что переориентируется на далекоидущие, намного более смелые планы, выходящие далеко за рамки путешествий на Луну. Достичь этих целей можно только с помощью развития новых двигательных систем - чем быстрее, тем лучше. Несколько дней спустя после конференции глава NASA Чарльз Болден, повторил слова Уайта: «Мы хотим перемещаться быстрее скорости света и без остановок на Марсе».

ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ ПРО ЭТОТ ДВИГАТЕЛЬ

Первое популярное использование выражения «двигатель деформации пространства» датируется 1966 годом, когда Джен Родденберри выпустил «Звездный путь». Следующие 30 лет этот двигатель существовал только как часть этого фантастического сериала. Физик по имени Мигель Алькубьерре посмотрел один из эпизодов этого сериала как раз в тот момент, когда трудился над докторской в области общей теории относительности и задавался вопросом, возможно ли создание двигателя деформации пространства в реальности. В 1994 году он опубликовал документ, излагающий эту позицию.

Алькубьерре представил в космосе пузырь. В передней части пузыря время-пространство сокращается, а в задней - расширяется (как было при Большом взрыве, по мнению физиков). Деформация заставит корабль гладко скользить в космическом пространстве, как если бы он серфил на волне, несмотря на окружающий шум. В принципе деформированный пузырь может двигаться сколько угодно быстро; ограничения в скорости света, по теории Эйнштейна, распространяются только в контексте пространства-времени, но не в таких искажениях пространства-времени. Внутри пузыря, как предполагал Алькубьерре, пространство-время не изменится, а космическим путешественникам не будет нанесено никакого вреда.

Уравнения Эйнштейна в общей теории относительности сложно решить в одном направлении, выясняя, как материя искривляет пространство, но это осуществимо. Используя их, Алькубьерре определил, что распределение материи есть необходимое условие для создания деформированного пузыря. Проблема только в том, что решения приводили к неопределенной форме материи под названием отрицательная энергия.

Говоря простым языком, гравитация - это сила притяжения между двумя объектами. Каждый объект вне зависимости от его размеров оказывает некоторую силу притяжения на окружающую материю. По мнению Эйнштейна, эта сила является искривлением пространства-времени. Отрицательная энергия, однако, гравитационно отрицательна, то есть отталкивающа. Вместо того чтобы соединять время и пространство, отрицательная энергия отталкивает и разобщает их. Грубо говоря, чтобы такая модель работала, Алькубьерре необходима отрицательная энергия, чтобы расширять пространство-время позади корабля.

Несмотря на то, что никто и никогда особенно не измерял отрицательную энергию, согласно квантовой механике, она существует, а ученые научились создавать ее в лабораторных условиях. Один из способов ее воссоздания - через Казимиров эффект: две параллельно проводящие пластины, расположенные близко друг к другу, создают некоторое количество отрицательной энергии. Слабое место модели Алькубьерре в том, что для ее осуществления требуется огромное количество отрицательной энергии, на несколько порядков выше, чем, по оценкам ученых, ее можно произвести.

Уайт говорит, что он нашел, как пойти в обход этого ограничения. В компьютерном симуляторе Уайт изменил геометрию деформационного поля так, что в теории он мог бы производить деформированный пузырь, используя в миллионы раз меньше отрицательной энергии, чем требовалось по оценкам Алькубьерра, и, возможно, достаточно мало, чтобы космический корабль мог нести средства его производства. «Открытия, - говорит Уайт, - меняют метод Алькубьерре с непрактичного на вполне правдоподобный».

РЕПОРТАЖ ИЗ ЛАБОРАТОРИИ УАЙТА

Космический центр Джонсона расположился рядом с лагунами Хьюстона, откуда открывается путь к заливу Гальвестон. Центр немного напоминает пригородный кампус колледжа, только направленный на подготовку астронавтов. В день моего посещения Уайт встречает меня в здании 15, многоэтажном лабиринте коридоров, офисов и лабораторий, в которых проводятся испытания двигателя. На Уайте рубашка поло с эмблемой Eagleworks (так он называет свои эксперименты по созданию двигателя), на которой вышит орел, парящий над футуристическим космическим кораблем.

Уайт начинал свою карьеру с работы инженером - проводил исследования в составе роботической группы. Со временем он взял на себя командование всем крылом, занимающимся роботами на МКС, одновременно заканчивая писать докторскую в области физики плазмы. Только в 2009-м он сменил свои интересы на изучение движения, и эта тема захватила его настолько, что стала основной причиной, по которой он отправился работать на NASA.

«Он довольно необычный человек, - говорит его босс Джон Эпплуайт, возглавляющий отделение двигательных систем. - Он совершенно точно большой фантазер, но одновременно и талантливый инженер. Он умеет превращать свои фантазии в реальный инженерный продукт». Примерно в то же время, когда он присоединился к NASA, Уайт попросил разрешения открыть собственную лабораторию, посвященную продвинутым двигательным системам. Он сам и придумал название Eagleworks и даже попросил NASA создать логотип для его специализации. Тогда и началась эта работа.

Уайт ведет меня к своему офису, который делит с коллегой, занимающимся поисками воды на Луне, а после ведет вниз к Eagleworks. На ходу он рассказывает мне про свою просьбу открыть лабораторию и называет это «долгим трудным процессом поиска продвинутого движения, чтобы помочь человеку исследовать космос».

Уайт демонстрирует мне объект и показывает его центральную функцию - нечто, что он называет «квантовый вакуумный плазменный двигатель» (QVPT). Это приспособление внешне похоже на огромный красный бархатный пончик с проводами, плотно оплетающими сердцевину. Это одна из двух инициатив Eagleworks (вторая - деформационный двигатель). Еще это секретная разработка. Когда я спрашиваю, что это, Уайт отвечает, что может сказать только, что эта технология даже круче, чем деформационный двигатель). Согласно отчету NASA за 2011 год, написанному Уайтом, аппарат использует квантовые флуктации в пустом пространстве в качестве источника топлива, а значит, космический корабль, приводимый в движение QVPT, не требует топлива.

Двигатель использует квантовые флуктации в пустом пространстве в качестве источника топлива,
а значит, космический корабль,
приводимый в движение QVPT, не требует топлива.

Когда девайс работает, система Уайта выглядит кинематографически идеально: цвет лазера красный, и два луча скрещены, как сабли. Внутри кольца находятся четыре керамических конденсатора, сделанных из титаната бария, который Уайт заряжает до 23 тысяч вольт. Уайт провел последние два с половиной года, разрабатывая эксперимент, и он говорит, что конденсаторы демонстрируют огромную потенциальную энергию. Однако, когда я спрашиваю, как создать отрицательную энергию, необходимую для деформированного пространства-времени, он уклоняется от ответа. Он объясняет, что подписал соглашение о неразглашении, и потому не может раскрывать подробности. Я спрашиваю, с кем он заключал эти соглашения. Он говорит: «С людьми. Они приходят и хотят поговорить. Больше подробностей я вам сообщить не могу».

ПРОТИВНИКИ ИДЕИ ДВИГАТЕЛЯ

Пока что теория деформированного путешествия довольно интуитивна - деформация времени и пространства, чтобы создать движущийся пузырь, - и в ней есть несколько значительных недостатков. Даже если Уайт значительно уменьшит количество отрицательной энергии, запрашиваемой Алькубьерре, ее все равно потребуется больше, чем способны произвести ученые, заявляет Лоуренс Форд, физик-теоретик в университете Тафтс, за последние 30 лет написавший множество статей на тему отрицательной энергии. Форд и другие физики заявляют, что есть фундаментальные физические ограничения, причем дело не столько в инженерных несовершенствах, сколько в том, что такое количество отрицательной энергии не может существовать в одном месте длительное время.

Другая сложность: для создания деформационного шара, который двигается быстрее света, ученым потребуется произвести отрицательную энергию вокруг космического корабля и в том числе над ним. Уайт не считает, что это проблема; он весьма туманно отвечает, что двигатель, скорее всего, будет работать благодаря некоему имеющемуся «аппарату, который создает необходимые условия». Однако создание этих условий перед кораблем будет означать обеспечение постоянной поставки отрицательной энергии, перемещаемой быстрей скорости света, что снова противоречит общей теории относительности.

Наконец, двигатель деформации пространства ставит концептуальный вопрос. В общей теории относительности путешествие на сверхсветовой скорости эквивалентно путешествию во времени. Если такой двигатель реален, Уайт создает машину времени.

Эти препятствия рождают некоторые серьезные сомнения. «Не думаю, что известная нам физика и ее законы позволяют допустить, что он чего-то добьется своими экспериментами», - говорит Кен Олум, физик из университета Тафтс, который также участвовал в дебатах насчет экзотического движения на собрании «100-летия звездного корабля». Ноа Грэхам, физик из колледжа Миддлбёри, читавший две работы Уайта по моей просьбе, написал мне e-mail: «Не вижу ценных научных доказательств, помимо отсылок к его предыдущим работам».

Алькубьерре, ныне физик в Национальном автономном университете Мексики, и сам высказывает сомнение. «Даже если я стою на космическом корабле и у меня есть в наличии отрицательная энергия, мне ни за что не поместить ее туда, куда требуется, - говорит он мне по телефону из своего дома в Мехико. - Нет, идея-то волшебная, мне нравится, я же ее сам и написал. Но в ней есть пара серьезных недостатков, которые я уже сейчас, с годами, вижу, и я не знаю ни единого способа их исправить».

БУДУЩЕЕ СВЕРХСКОРОСТЕЙ

Слева от главных ворот Джонсонского научного центра лежит на боку ракета «Сатурн-В», ее ступени разъединены для демонстрации внутреннего содержимого. Он гигантский - размер одного из множества двигателей равен размеру маленького автомобиля, а сама ракета на пару футов длиннее, чем футбольное поле. Это, конечно, вполне красноречивое свидетельство особенностей космического плавания. Кроме того, ей 40 лет, и время, которое она представляет - когда NASA было частью огромного национального плана по отправлению человека не Луну, - давно прошло. Сегодня JSC - это просто место, которое когда-то было великим, но с тех пор покинуло космический авангард.

Прорыв в движении может означать новую эру для JSC и NASA, и в какой-то степени часть этой эры начинается уже сейчас. Зонд Dawn («Рассвет»), запущенный в 2007-м, изучает кольцо астероидов при помощи ионных двигателей. В 2010-м японцы ввели в эксплуатацию «Икар», первый межпланетный звездный корабль, приводимый в движение солнечным парусом, еще один вид экспериментального движения. И в 2016-м ученые планируют испытать VASMIR, систему, работающую на плазме, сделанную специально для высокой двигательной тяги в ISS. Но когда эти системы, возможно, доставят астронавтов на Марс, они все еще не будут способны забросить их за пределы Солнечной системы. Чтобы добиться этого, по словам Уайта, NASA потребуется пойти на более рискованные проекты.

Деформационный двигатель - возможно, самое притянутое за уши из насовских усилий по созданию проектов движения. Научное сообщество заявляет, что Уайт не может создать его. Эксперты заявляют, что он работает против законов природы и физики. Несмотря на это, за проектом стоит NASA. «Его субсидируют не на том высоком государственном уровне, на котором должны были бы, - говорит Апплуайт. - Я думаю, что у дирекции есть какой-то особенный интерес в том, чтобы он продолжал свою работу; это одна из тех теоретических концепций, в случае успехов которых игра меняется полностью».

В январе Уайт собрал свой деформационный интерферометр и двинулся к следующей цели. Eagleworks перерос собственный дом. Новая лаборатория больше и, как он заявляет с энтузиазмом, «сейсмически изолирована», имея в виду, что он защищен от колебаний. Но, возможно, лучшее в новой лаборатории (и самое впечатляющее) - то, что NASA создало Уайту такие же условия, что были у Нила Армстронга и Базза Олдрина на Луне. Что ж, посмотрим.

Тени, могут перемещаться быстрее света, но не могут переносить вещество или информацию

Возможен ли сверхсветовой полёт?

Разделы этой статьи имеют подзаголовки и можно ссылаться на каждый раздел отдельно.

Простые примеры сверхсветового перемещения

1. Эффект Черенкова

Когда мы говорим о движении со сверхсветовой скоростью, то имеем в виду скорость света в вакууме c (299 792 458 м/с). Поэтому эффект Черенкова не может рассматриваться как пример движения со сверхсветовой скоростью.

2. Третий наблюдатель

Если ракета A улетает от меня со скоростью 0.6c на запад, а ракета B улетает от меня со скоростью 0.6c на восток, то я вижу, что расстояние между A и B увеличивается со скоростью 1.2c . Наблюдая полёт ракет A и B со стороны, третий наблюдатель видит, что суммарная скорость удаления ракет больше, чем c .

Однако относительная скорость не равна сумме скоростей. Скорость ракеты A относительно ракеты B - это скорость увеличения расстояния до ракеты A , которую видит наблюдатель, летящий на ракете B . Относительную скорость нужно рассчитывать по релятивистской формуле сложения скоростей. (см. How do You Add Velocities in Special Relativity?) В данном примере относительная скорость примерно равна 0.88c . Так что в этом примере мы не получили сверхсветовой скорости.

3. Свет и тень

Подумайте, как быстро может перемещаться тень. Если лампа близко, то тень твоего пальца на дальней стене движется гораздо быстрее, чем движется палец. При движении пальца параллельно стене, скорость тени в D/d раз больше, чем скорость пальца. Здесь d - расстояние от лампы до пальца, а D - от лампы до стены. Скорость будет ещё больше, если стена расположена под углом. Если стена очень далеко, то движение тени будет отставать по времени от движения пальца, так как свету нужно время, чтобы достичь стены, но скорость перемещения тени по стене увеличится ещё больше. Скорость тени не ограничена скоростью света.

Другой объект, который может перемещаться быстрее света - световое пятно от лазера, направленного на Луну. Расстояние до Луны 385000 км. Вы можете сами рассчитать скорость перемещения светового пятна по поверхности Луны при небольших колебаниях лазерной указки в вашей руке. Вам также может понравиться пример с волной, набегающей на прямую линию пляжа под небольшим углом. С какой скоростью может перемещаться вдоль пляжа точка пересечения волны и берега?

Все эти вещи могут происходить в природе. Например, луч света от пульсара может пробежать вдоль пылевого облака. Мощный взрыв может создать сферические волны света или радиации. Когда эти волны пересекаются с какой-либо поверхностью, на этой поверхности возникают световые круги, которые расширяются быстрее света. Такое явление наблюдается, например, когда электромагнитный импульс от вспышки молнии проходит через верхние слои атмосферы.

4. Твёрдое тело

Если у вас есть длинный жёсткий стержень, и вы ударите по одному концу стержня, то разве другой конец не придёт в движение немедленно? Разве это не способ сверхсветовой передачи информации?

Это было бы верно, если бы существовали идеально жёсткие тела. Практически, удар передаётся вдоль стержня со скоростью звука, которая зависит от упругости и плотности материала стержня. Кроме того теория относительности ограничивает возможные скорости звука в материале величиной c .

Этот же принцип действует, если вы держите вертикально струну или стержень, отпускаете его, и он начинает падать под действием силы тяжести. Верхний конец, который вы отпустили, начинает падать немедленно, но нижний конец начнёт движение только через некоторое время, так как исчезновение удерживающей силы передаётся вниз по стержню со скоростью звука в материале.

Формулировка релятивистской теории упругости довольно сложна, но общую идею можно иллюстрировать с использованием ньютоновской механики. Уравнение продольного движения идеально-упругого тела можно вывести из закона Гука. Обозначим линейную плотность стержня ρ , модуль упругости Юнга Y . Продольное смещение X удовлетворяет волновому уравнению

ρ·d 2 X/dt 2 - Y·d 2 X/dx 2 = 0

Решение в виде плоских волн перемещается со скоростью звука s , которая определяется из формулы s 2 = Y/ρ . Волновое уравнение не позволяет возмущениям среды перемещаться быстрее, чем со скоростью s . Кроме того, теория относительности даёт предел величине упругости: Y < ρc 2 . Практически, ни один известный материал не приближается к этому пределу. Учтите также, что если даже скорость звука близка к c , то само вещество не обязательно движется с релятивистской скоростью.

Хотя в природе нет твёрдых тел, существует движение твёрдых тел , которое можно использовать для преодоления скорости света. Эта тема относится к уже описанному разделу теней и световых пятен. (См. The Superluminal Scissors, The Rigid Rotating Disk in Relativity).

5. Фазовая скорость

Волновое уравнение
d 2 u/dt 2 - c 2 ·d 2 u/dx 2 + w 2 ·u = 0

имеет решение в виде
u = A·cos(ax - bt), c 2 ·a 2 - b 2 + w 2 = 0

Это синусоидальные волны, распространяющиеся со скоростью v
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Но это больше, чем c. Может это уравнение для тахионов? (см. далее раздел ). Нет, это обычное релятивистское уравнение для частицы с массой.

Чтобы устранить парадокс нужно различать "фазовую скорость" v ph , и "групповую скорость" v gr , причём
v ph ·v gr = c 2

Решение в виде волны может иметь дисперсию по частоте. При этом волновой пакет движется с групповой скоростью, которая меньше, чем c . При помощи волнового пакета можно передавать информацию только с групповой скоростью. Волны в волновом пакете движутся с фазовой скоростью. Фазовая скорость - ещё один пример сверхсветового движения, которое нельзя использовать для передачи сообщений.

6. Сверхсветовые галактики

7. Релятивистская ракета

Пусть наблюдатель на Земле видит космический корабль, удаляющийся со скоростью 0.8c В соответствии с теорией относительности, он увидит, что часы на космическом корабле идут медленнее в 5/3 раза. Если разделить расстояние до корабля на время полёта по бортовым часам, то получим скорость 4/3c . Наблюдатель делает вывод, что, используя свои бортовые часы, пилот корабля тоже определит, что летит со сверхсветовой скоростью. С точки зрения пилота его часы идут нормально, а межзвёздное пространство сжалось в 5/3 раза. Поэтому он пролетает известные расстояния между звёздами быстрее, со скоростью 4/3c .

Но это всё же не сверхсветовой полёт. Нельзя рассчитывать скорость, используя расстояние и время, определённые в разных системах отсчёта.

8. Скорость гравитации

Некоторые настаивают, что скорость гравитации гораздо больше c или даже бесконечна. Посмотрите Does Gravity Travel at the Speed of Light? и What is Gravitational Radiation? Гравитационные возмущения и гравитационные волны распространяются со скоростью c .

9. Парадокс ЭПР

10. Виртуальные фотоны

11. Квантовый туннельный эффект

В квантовой механике туннельный эффект позволяет частице преодолеть барьер, даже если её энергии для этого не хватает. Можно рассчитать время туннелирования через такой барьер. И оно может оказаться меньше, чем требуется свету для преодоления такого же расстояния со скоростью c . Можно ли это использовать для передачи сообщений быстрее света?

Квантовая электродинамика говорит "Нет!" Тем не менее, выполнен эксперимент, продемонстрировавший сверхсветовую передачу информации при помощи туннельного эффекта. Через барьер шириной 11.4 см со скоростью 4.7 c передана Сороковая симфония Моцарта. Объяснение этого эксперимента очень противоречиво. Большинство физиков считают, что при помощи туннельного эффекта нельзя передать информацию быстрее света. Если бы это было возможно, то почему не передать сигнал в прошлое, поместив оборудование в быстро перемещающуюся систему отсчета.

17. Квантовая теория поля

За исключением гравитации, все наблюдаемые физические явления соответствуют "Стандартной модели". Стандартная модель - это релятивистская квантовая теория поля, которая объясняет электромагнитные и ядерные взаимодействия, а также все известные частицы. В этой теории любая пара операторов, соответствующих физическим наблюдаемым, разделённым пространственноподобным интервалом событий, "коммутирует" (то есть, можно поменять порядок этих операторов). В принципе, это подразумевает, что в стандартной модели воздействие не может распространяться быстрее света, и это можно считать квантово-полевым эквивалентом довода о бесконечной энергии.

Однако в квантовой теории поля Стандартной модели нет безупречно строгих доказательств. Никто пока даже не доказал, что эта теория внутренне непротиворечива. Скорее всего, это не так. Во всяком случае, нет гарантии, что не существует каких-то пока не открытых частиц или сил, которые не подчиняются запрету на сверхсветовое перемещение. Нет также и обобщения этой теории, включающего гравитацию и общую теорию относительности. Многие физики, работающие в области квантовой гравитации, сомневаются, что простые представления о причинности и локальности будут обобщены. Нет гарантии, что в будущей более полной теории скорость света сохранит смысл предельной скорости.

18. Парадокс дедушки

В специальной теории относительности частица, летящая быстрее света в одной системе отсчета, движется обратно во времени в другой системе отсчета. Сверхсветовое перемещение или передача информации давали бы возможность путешествия или отправки сообщения в прошлое. Если бы такое путешествие во времени было возможно, то вы могли бы вернуться в прошлое и изменить ход истории, убив своего дедушку.

Это очень серьёзный аргумент против возможности сверхсветового перемещения. Правда остаётся почти неправдоподобная вероятность, что возможны какие-то ограниченные сверхсветовые перемещения, не допускающие возвращения в прошлое. Или, может быть, путешествия во времени возможны, но причинность нарушается каким-то непротиворечивым образом. Всё это очень неправдоподобно, но если мы обсуждаем сверхсветовые перемещения, то лучше быть готовым к новым идеям.

Верно и обратное. Если бы мы могли переместиться в прошлое, то смогли бы преодолеть скорость света. Можно вернуться в прошлое, полететь куда-то с небольшой скоростью, и прибыть туда раньше, чем прибудет свет, отправленный обычным образом. Смотрите подробности по этой теме в Time Travel.

Открытые вопросы сверхсветовых путешествий

В этом последнем разделе я опишу несколько серьёзных идей о возможном перемещении быстрее света. Эти темы не часто включают в FAQ, потому что они больше похожи не на ответы, а на множество новых вопросов. Они включены сюда, чтобы показать, что в этом направлении проводятся серьёзные исследования. Даётся только короткое введение в тему. Подробности вы можете найти в интернете. Как и ко всему в интернете, относитесь к ним критически.

19. Тахионы

Тахионы - это гипотетические частицы, локально перемещающиеся быстрее света. Для этого они должны иметь мнимую величину массы. При этом энергия и импульс тахиона - реальные величины. Нет оснований считать, что сверхсветовые частицы невозможно обнаружить. Тени и световые пятна могут перемещаться быстрее света и их можно обнаружить.

Пока тахионы не найдены, и физики сомневаются в их существовании. Были заявления, что в экспериментах по измерению массы нейтрино, рождающихся при бета-распаде трития, нейтрино были тахионами. Это сомнительно, но пока окончательно не опровергнуто.

В теории тахионов есть проблемы. Кроме возможного нарушения причинности, тахионы также делают вакуум нестабильным. Может быть удастся обойти эти трудности, но и тогда мы не сможем использовать тахионы для сверхсветовой передачи сообщений.

Большинство физиков считает, что появление тахионов в теории - признак каких-то проблем этой теории. Идея тахионов так популярна у публики просто потому, что они часто упоминаются в фантастической литературе. Смотрите Tachyons.

20. Кротовые норы

Самый известный способ глобального сверхсветового путешествия - использование "кротовых нор". Кротовая нора - это прорезь в пространстве-времени из одной точки вселенной в другую, которая позволяет пройти от одного конца норы до другого быстрее, чем по обычному пути. Кротовые норы описываются общей теорией относительности. Для их создания требуется изменить топологию пространства-времени. Может быть, это станет возможным в рамках квантовой теории гравитации.

Чтобы удерживать кротовую нору открытой, нужны области пространства с отрицательной энергий. C.W.Misner и K.S.Thorne предложили для создания отрицательной энергии использовать эффект Казимира в большом масштабе. Visser предложил использовать для этого космические струны. Это очень умозрительные идеи, и может быть, это невозможно. Может быть, требуемая форма экзотической материи с отрицательной энергией не существует.

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.

В (локально) инерциальной системе отсчёта с началом рассмотрим материальную точку, которая в момент времени находится в . Скорость этой точки мы называем сверхсветовой в момент , если выполняется неравенство:

Src="/pictures/wiki/files/50/21ea15551d469cba11529bd16574e427.png" border="0">

где , - это скорость света в вакууме, а время и расстояние от точки до измеряются в упомянутой системе отсчёта.

где - радиус-вектор в невращающейся системе координат, - вектор угловой скорости вращения системы координат. Как видно из уравнения, в неинерциальной системе отсчёта, связанной с вращающимся телом, удалённые объекты могут двигаться со сверхсветовой скоростью , в том смысле, что src="/pictures/wiki/files/54/6fa9a2d9089db2f154c5c90051ce210b.png" border="0">. Это не вступает в противоречие со сказанным во введении, так как . Например, для системы координат связанной с головой человека, находящегося на Земле, координатная скорость движения Луны при обычном повороте головы будет больше скорости света в вакууме. В этой системе при повороте за маленькое время Луна опишет дугу с радиусом приблизительно равным расстоянию между началом системы координат (головой) и Луной.

Фазовая скорость

Фазовая скорость вдоль направления, отклонённого от волнового вектора на угол α. Рассматривается монохроматическая плоская волна.

Труба Красникова

Квантовая механика

Принцип неопределённости в квантовой теории

В квантовой физике состояния частиц описываются векторами гильбертового пространства, которые определяют лишь вероятность получения при измерениях определённых значений физических величин (в соответствии с квантовым принципом неопределённости). Наиболее известно представление этих векторов волновыми функциями , квадрат модуля которых определяет плотность вероятности обнаружения частицы в данном месте. При этом оказывается, что эта плотность может двигаться быстрее скорости света (например, при решении задачи о прохождении частицы через энергетический барьер). При этом эффект превышения скорости света наблюдается только на небольших расстояниях. Ричард Фейнман в своих лекциях выражался об этом так :

… для электромагнитного излучения существует также [ненулевая] амплитуда вероятности двигаться быстрее (или медленнее), чем обычная скорость света. Вы убедились на предыдущей лекции, что свет не всегда двигается только по прямым линиям; сейчас вы увидите, что он не всегда движется со скоростью света! Это может казаться удивительным, что существует [ненулевая] амплитуда для того, чтобы фотон двигался быстрее или медленнее, чем обычная скорость света c

Оригинальный текст (англ.)

… there is also an amplitude for light to go faster (or slower) than the conventional speed of light. You found out in the last lecture that light doesn’t go only in straight lines; now, you find out that it doesn’t go only at the speed of light! It may surprise you that there is an amplitude for a photon to go at speeds faster or slower than the conventional speed, c

Ричард Фейнман, нобелевский лауреат по физике 1965 года.

При этом в силу принципа неразличимости нельзя сказать, ту же ли самую частицу мы наблюдаем, или её новорождённую копию. В своей нобелевской лекции в 2004 году Франк Вилчек привёл следующее рассуждение: :

Представьте себе частицу, двигающуюся в среднем со скоростью, очень близкой к скорости света, но с такой неопределённостью в положении, как этого требует квантовая теория. Очевидно, будет определённая вероятность наблюдать эту частицу двигающейся несколько быстрее, чем в среднем, и, следовательно, быстрее света, что противоречит специальной теории относительности. Единственный известный способ разрешить это противоречие требует привлечения идеи античастиц. Очень грубо говоря, требуемая неопределённость в положении достигается допущением, что акт измерения может затрагивать образование античастиц, каждая из которых неотличима от оригинала, с различными расположениями. Для сохранения баланса сохраняющихся квантовых чисел, дополнительные частицы должны сопровождаться тем же числом античастиц. (Дирак пришёл к предсказанию античастиц через последовательность изобретательных интерпретаций и реинтерпретаций элегантного релятивистского волнового уравнения, которое он вывел, а не через эвристическое рассмотрение, подобное тому, которое я привёл. Неизбежность и всеобщность этих выводов, а также их прямое отношение к базовым принципам квантовой механики и специальной теории относительности стали очевидны только в ретроспективе).

Оригинальный текст (англ.)

Imagine a particle moving on average at very nearly the speed of light, but with an uncertainty in position, as required by quantum theory. Evidently it there will be some probability for observing this particle to move a little faster than average, and therefore faster than light, which special relativity won’t permit. The only known way to resolve this tension involves introducing the idea of antiparticles. Very roughly speaking, the required uncertainty in position is accommodated by allowing for the possibility that the act of measurement can involve the creation of several particles, each indistinguishable from the original, with different positions. To maintain the balance of conserved quantum numbers, the extra particles must be accompanied by an equal number of antiparticles. (Dirac was led to predict the existence of antiparticles through a sequence of ingenious interpretations and re-interpretations of the elegant relativistic wave equation he invented, rather than by heuristic reasoning of the sort I’ve presented. The inevitability and generality of his conclusions, and their direct relationship to basic principles of quantum mechanics and special relativity, are only clear in retrospect).

Франк Вилчек

Эффект Шарнхорста

Скорость волн зависит от свойств среды, в которой они распространяются. Специальная теория относительности утверждает, что разогнать массивное тело до скорости, превышающей скорость света в вакууме, невозможно. В то же время теория не постулирует какое-то конкретное значение для скорости света. Она измеряется экспериментальным путём и может различаться в зависимости от свойств вакуума . Для вакуума, энергия которого меньше энергии обычного физического вакуума , скорость света теоретически должна быть выше , а максимально допустимая скорость передачи сигналов определяется максимально возможной плотностью отрицательной энергии . Одним из примеров такого вакуума является вакуум Казимира , возникающий в тонких щелях и капиллярах размером (диаметром) до десятка нанометров (примерно в сто раз больше размеров типичного атома). Этот эффект можно также объяснить уменьшением количества виртуальных частиц в вакууме Казимира, которые подобно частицам сплошной среды замедляют распространение света. Вычисления, сделанные Шарнхорстом , говорят о превышении скорости света в вакууме Казимира по сравнению с обычным вакуумом на 1/10 24 для щели шириной 1 нм. Было также показано, что превышение скорости света в вакууме Казимира не ведёт к нарушению принципа причинности . Превышение скорости света в вакууме Казимира по сравнению со скоростью света в обычном вакууме экспериментально пока не подтверждено из-за чрезвычайной сложности измерения данного эффекта .

Теории с переменностью скорости света в вакууме

В современной физике существуют гипотезы, согласно которым скорость света в вакууме не является константой, и её значение может изменяться с течением времени (Variable Speed of Light (VSL)) . В наиболее распространенной версии этой гипотезы предполагается, что в начальные этапы жизни нашей вселенной значение константы (скорость света) было значительно больше, чем сейчас. Соответственно, раньше вещество могло двигаться со скоростью, значительно превосходящей современную скорость света.