Je možné se pohybovat rychlostí světla? Je možný nadsvětelný let? Otevřené otázky o cestování rychleji než světlo
Rychlost je větší než rychlost světla ve vakuu – to je realita. Einsteinova teorie relativity zakazuje pouze nadsvětelný přenos informací. Existuje proto poměrně dost případů, kdy se předměty mohou pohybovat rychleji než světlo a nic nerozbít. Začněme stíny a slunečními paprsky.
Pokud vytvoříte stín na vzdálené stěně z prstu, na který si posvítíte baterkou, a poté prstem pohnete, stín se pohybuje mnohem rychleji než váš prst. Pokud je zeď umístěna velmi daleko, bude pohyb stínu zaostávat za pohybem prstu, protože světlo bude muset stále dosahovat od prstu ke stěně, ale rychlost stínu bude stále stejná. počet krát větší. To znamená, že rychlost stínu není omezena rychlostí světla.
Kromě stínů se mohou rychleji než světlo pohybovat i sluneční paprsky. Například spot z laserový paprsek, zaměřené na Měsíc. Vzdálenost k Měsíci je 385 000 km. Pokud s laserem mírně pohnete a posunete ho sotva o 1 cm, stihne přeběhnout Měsíc rychlostí asi o třetinu rychleji než světlo.
Podobné věci se mohou stát i v přírodě. Například světelný paprsek z pulsaru, neutronové hvězdy, dokáže pročesat oblak prachu. Jasný záblesk vytváří rozpínající se obal světla nebo jiného záření. Když překročí povrch mraku, vytvoří prstenec světla, který roste rychleji než rychlost světla.
To vše jsou příklady věcí pohybujících se rychleji než světlo, které však nebyly fyzickými těly. Použití stínu nebo zajíčka nemůže přenášet nadsvětelnou zprávu, takže komunikace rychlejší než světlo nefunguje.
A zde je příklad, který je spojen s fyzickými těly. Při pohledu do budoucna řekneme, že nadsvětelné zprávy opět nebudou fungovat.
V referenční soustavě spojené s rotujícím tělesem se mohou vzdálené objekty pohybovat nadsvětelnou rychlostí. Například Alpha Centauri se v pozemské vztažné soustavě pohybuje více než 9 600násobkem rychlosti světla a „urazí“ vzdálenost asi 26 světelných let za den. A úplně stejný příklad s Měsícem. Postavte se čelem k němu a během několika sekund se otočte kolem své osy. Během této doby se kolem vás otočilo asi 2,4 milionu kilometrů, tedy 4krát rychleji, než je rychlost světla. Ha-ha, říkáte si, netočila se ona, ale já... A pamatujte, že v teorii relativity jsou všechny vztažné soustavy nezávislé, včetně rotačních. Takže z jaké strany byste se měli dívat...
Tak co bychom měli dělat? No, ve skutečnosti zde nejsou žádné rozpory, protože opět tento jev nelze použít pro nadsvětelný přenos zpráv. Navíc si všimněte, že v jeho blízkosti Měsíc nepřekračuje rychlost světla. Totiž všechny zákazy jsou v obecné teorii relativity uvaleny na překročení lokální rychlosti světla.
Rychlost světla je jednou z univerzálních fyzikálních konstant, nezávisí na volbě inerciální vztažné soustavy a popisuje vlastnosti časoprostoru jako celku. Rychlost světla ve vakuu je 299 792 458 metrů za sekundu a to je maximální rychlost pohybu částic a šíření interakcí. To nás učí školní učebnice fyziky. Můžete si také pamatovat, že hmotnost tělesa není konstantní a jak se rychlost blíží rychlosti světla, má tendenci k nekonečnu. To je důvod, proč se fotony – částice bez hmotnosti – pohybují rychlostí světla, zatímco u částic s hmotností je to mnohem obtížnější.
S elementární pravdou je však připraven polemizovat mezinárodní tým vědců z rozsáhlého experimentu OPERA, který se nachází nedaleko Říma.
Podařilo se mu detekovat neutrina, která se, jak ukázaly experimenty, pohybují rychlostí větší než rychlost světla,
Informuje o tom tisková služba Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN).
Experiment OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) studuje nejinertnější částice ve vesmíru – neutrina. Jsou tak inertní, že mohou proletět celým tělem Země, hvězdy a planety, a aby mohly narazit na železnou bariéru, musí být velikost této bariéry od Slunce k Jupiteru. Každou sekundu projde tělem každého člověka na Zemi asi 10 14 neutrin emitovaných Sluncem. Pravděpodobnost, že alespoň jeden z nich zasáhne lidskou tkáň po celý život, bývá nulová. Z těchto důvodů jsou neutrina extrémně obtížně detekovatelná a studovaná. Laboratoře, které to dělají, se nacházejí hluboko pod horami a dokonce i pod ledem Antarktidy.
OPERA přijímá paprsek neutrin z CERNu, kde se nachází Velký hadronový urychlovač. Jeho „bratříček“ – superprotonový synchrotron (SPS) – směřuje paprsek přímo do podzemí směrem k Římu. Výsledný paprsek neutrin prochází tloušťkou zemská kůra, čímž je očištěn od ostatních částic, které zadržuje kůra, a jde přímo do laboratoře v Gran Sasso, skryté pod 1200 m skály.
Neutrina urazí podzemní dráhu dlouhou 732 km za 2,5 milisekundy.
Detektor projektu OPERA, který se skládá z přibližně 150 tisíc prvků a váží 1300 tun, „zachytává“ neutrina a studuje je. Zejména je hlavním cílem studium tzv. oscilací neutrin – přechodů z jednoho typu neutrin na druhý.
Ohromující výsledky o překročení rychlosti světla jsou podpořeny seriózními statistikami: laboratoř v Gran Sasso pozorovala asi 15 tisíc neutrin. Vědci to zjistili
Neutrina se pohybují rychlostí o 20 ppm vyšší než je rychlost světla – „neomylný“ rychlostní limit.
Tento výsledek je překvapil a dosud nebylo navrženo žádné vysvětlení. K jejímu vyvrácení nebo potvrzení jsou samozřejmě nutné nezávislé experimenty prováděné jinými skupinami na jiných zařízeních – tento princip „dvojitého slepého řízení“ je implementován i na Velkém hadronovém urychlovači CERN. Spolupráce OPERA okamžitě zveřejnila své výsledky, aby je mohli otestovat kolegové z celého světa. Podrobný popis práce je k dispozici na webových stránkách preprintu Arxiv.Org.
Oficiální prezentace výsledků se uskuteční dnes na semináři v CERNu v 18:00 moskevského času. on-line překlad.
"Tato data byla úplným překvapením." Po měsících sběru dat, analýz a čištění, stejně jako křížových kontrol, jsme nenašli ani v algoritmu zpracování dat, ani v detektoru možný zdroj chyba systému. Proto zveřejňujeme naše výsledky, pokračujeme v práci a také doufáme, že nezávislá měření od jiných skupin pomohou porozumět podstatě tohoto pozorování,“ uvedl vedoucí experimentu OPERA Antonio Ereditato z univerzity v Bernu, citovaný tiskovou službou CERN.
"Když experimentální vědci objeví nepravděpodobný výsledek a nemohou najít artefakt, který by to vysvětlil, obrátí se na své kolegy v jiných skupinách, aby zahájili širší studii tohoto problému. Jde o dobrou vědeckou tradici a spolupráce OPERA na ni nyní navazuje.
Pokud se potvrdí pozorování překračování rychlosti světla, mohlo by to změnit naše chápání fyziky, ale musíme zajistit, aby nemělo jiné, banálnější vysvětlení.
To je důvod, proč jsou zapotřebí nezávislé experimenty,“ řekl vědecký ředitel CERN Sergio Bertolucci.
Měření OPERA jsou extrémně přesná. Vzdálenost od bodu startu neutrin do bodu jejich registrace (více než 730 km) je tedy známa s přesností 20 cm a doba letu je měřena s přesností 10 nanosekund.
Experiment OPERA probíhá od roku 2006. Účastní se ho přibližně 200 fyziků z 36 ústavů a 13 zemí včetně Ruska.
Věnováno přímému měření rychlosti neutrin. Výsledky zní senzačně: rychlost neutrin byla nepatrná – ale statisticky významná! - rychlejší než rychlost světla. Spolupráce obsahuje analýzu různých zdrojů chyb a nejistot, ale reakce naprosté většiny fyziků zůstává velmi skeptická, především proto, že tento výsledek není v souladu s jinými experimentálními daty o vlastnostech neutrin.
|
Rýže. 1. |
Podrobnosti experimentu
Myšlenka experimentu (viz experiment OPERA) je velmi jednoduchá. Paprsek neutrin se rodí v CERNu, proletí Zemí do italské laboratoře Gran Sasso a tam prochází speciálním detektorem neutrin OPERA. Neutrina interagují s hmotou velmi slabě, ale protože jejich tok z CERNu je tak velký, některá neutrina se stále srážejí s atomy uvnitř detektoru. Tam generují kaskádu nabitých částic a tím zanechávají svůj signál v detektoru. Neutrina v CERNu se nerodí nepřetržitě, ale v „záblescích“, a pokud známe okamžik zrodu neutrina a okamžik jeho pohlcení v detektoru, stejně jako vzdálenost mezi oběma laboratořemi, můžeme vypočítat rychlost neutrina.
Vzdálenost mezi zdrojem a detektorem v přímce je cca 730 km a měří se s přesností 20 cm (přesná vzdálenost mezi referenčními body je 730 534,61 ± 0,20 metru). Pravda, proces vedoucí ke zrodu neutrin není lokalizován s takovou přesností. V CERNu se svazek vysokoenergetických protonů uvolňuje z urychlovače SPS, padá na grafitový terč a vytváří sekundární částice, včetně mezonů. Stále létají vpřed rychlostí blízkou světla a rozpadají se na miony, zatímco emitují neutrina. Miony se také rozpadají a produkují další neutrina. Poté jsou všechny částice, kromě neutrin, absorbovány v tloušťce látky a volně se dostanou do místa detekce. Obecné schéma Tato část experimentu je znázorněna na Obr. 1.
Celá kaskáda vedoucí ke vzniku paprsku neutrin se může roztáhnout na stovky metrů. Nicméně, protože Všechnočástice v tomto shluku létají vpřed rychlostí blízkou rychlosti světla; po dobu detekce není prakticky žádný rozdíl, zda se neutrino zrodilo hned nebo po kilometru cesty (avšak ano); velká důležitost, kdy přesně původní proton, který vedl ke zrodu tohoto neutrina, vyletěl z urychlovače). Výsledkem je, že generovaná neutrina jednoduše opakují profil původního protonového paprsku. Proto je zde klíčovým parametrem právě časový profil protonového paprsku emitovaného z urychlovače, zejména přesná poloha jeho náběžné a zadní hrany, a tento profil je měřen s dostatečným časem. s m rozlišení (viz obr. 2).
Každá relace dopadu protonového paprsku na cíl (v angličtině se taková relace nazývá rozlít, „burst“) trvá přibližně 10 mikrosekund a vede ke zrození obrovského množství neutrin. Téměř všechny však prolétají přímo přes Zemi (a detektor) bez interakce. V těch vzácných případech, kdy detektor detekuje neutrino, není možné říci, v jakém přesném okamžiku během 10mikrosekundového intervalu bylo emitováno. Analýza může být provedena pouze statisticky, to znamená, že se shromáždí mnoho případů detekce neutrin a sestrojí se jejich rozložení v čase vzhledem k výchozímu bodu každé relace. V detektoru se za výchozí bod považuje okamžik v čase, kdy konvenční signál, pohybující se rychlostí světla a emitovaný přesně v okamžiku náběžné hrany svazku protonů, dosáhne detektoru. Přesné měření Tento okamžik umožnila synchronizace hodin ve dvou laboratořích s přesností několika nanosekund.
Na Obr. Obrázek 3 ukazuje příklad takové distribuce. Černé tečky jsou skutečná data neutrin zaznamenaná detektorem a sečtená velký počet sezení. Červená křivka ukazuje konvenční „referenční“ signál, který by se pohyboval rychlostí světla. Je vidět, že data začínají přibližně na 1048,5 ns dříve referenční signál. To však neznamená, že neutrina jsou ve skutečnosti o mikrosekundu před světlem, ale je to pouze důvod k pečlivému měření všech délek kabelů, rychlosti odezvy zařízení, doby elektronického zpoždění a tak dále. Tato opakovaná kontrola byla provedena a ukázalo se, že kompenzuje „referenční“ točivý moment o 988 ns. Ukazuje se tedy, že neutrinový signál ve skutečnosti předstihuje referenční signál, ale jen asi o 60 nanosekund. Z hlediska rychlosti neutrin to odpovídá překročení rychlosti světla přibližně o 0,0025 %.
Chybu tohoto měření autoři analýzy odhadli na 10 nanosekund, což zahrnuje statistické i systematické chyby. Autoři tedy tvrdí, že „vidí“ nadsvětelný pohyb neutrin na úrovni statistické spolehlivosti šesti standardních odchylek.
Rozdíl mezi výsledky a očekáváním o šest směrodatných odchylek je již poměrně velký a v částicové fyzice se nazývá velkým slovem „objev“. Toto číslo je však třeba správně chápat: znamená pouze pravděpodobnost statistický kolísání údajů je velmi malé, ale neukazuje o kolik spolehlivá technika zpracování dat a jak dobře fyzici vzali v úvahu všechny instrumentální chyby. Ostatně v částicové fyzice existuje mnoho příkladů, kdy neobvyklé signály nebyly potvrzeny jinými experimenty s výjimečně vysokou statistickou spolehlivostí.
Co si nadsvětelná neutrina protiřečí?
Na rozdíl od všeobecného přesvědčení speciální teorie relativity sama o sobě nezakazuje existenci částic pohybujících se nadsvětelnou rychlostí. Pro takové částice (obecně se jim říká „tachyony“) je však limitem také rychlost světla, ale pouze zdola – nemohou se pohybovat pomaleji než ona. V tomto případě je závislost energie částic na rychlosti inverzní: čím vyšší energie, tím blíže je rychlost tachyonů rychlosti světla.
Mnohem vážnější problémy začínají v kvantové teorii pole. Tato teorie nahrazuje kvantovou mechaniku, pokud jde o kvantové částice s vysokými energiemi. V této teorii nejsou částice body, ale relativně vzato sraženiny hmotného pole a nelze je uvažovat odděleně od pole. Ukazuje se, že tachyony snižují energii pole, což znamená, že dělají vakuum nestabilním. Pro prázdnotu je pak výhodnější samovolně se rozpadat na obrovské množství těchto částic, a proto je prostě nesmyslné uvažovat o pohybu jednoho tachyonu v běžném prázdném prostoru. Můžeme říci, že tachyon není částice, ale nestabilita vakua.
V případě tachyon-fermionů je situace poněkud složitější, ale i zde vznikají srovnatelné potíže, které brání vytvoření samokonzistentní tachyonové kvantové teorie pole, včetně obyčejné teorie relativity.
To však také není poslední slovo teoreticky. Stejně jako experimentalisté měří vše, co měřit lze, testují i teoretici všechny možné hypotetické modely, které nejsou v rozporu s dostupnými daty. Zejména existují teorie, ve kterých je povolena malá, dosud nepovšimnutá odchylka od postulátů teorie relativity – například rychlost světla sama o sobě může být proměnnou hodnotou. Takové teorie zatím nemají přímou experimentální podporu, ale ještě nejsou uzavřeny.
Tento stručný náčrt teoretických možností lze shrnout následovně: ačkoliv je v některých teoretických modelech možný nadsvětelný pohyb, zůstávají čistě hypotetickými konstrukcemi. Všechna dnes dostupná experimentální data jsou popsána standardními teoriemi bez nadsvětelného pohybu. Pokud by tedy byla spolehlivě potvrzena alespoň u některých částic, musela by být kvantová teorie pole radikálně předělána.
Měl by být výsledek OPERA v tomto smyslu považován za „první znamení“? Ještě ne. Snad nejdůležitějším důvodem ke skepsi zůstává fakt, že výsledek OPERA nesouhlasí s jinými experimentálními daty o neutrinech.
Za prvé, během slavného výbuchu supernovy SN1987A byla také zaznamenána neutrina, která dorazila několik hodin před světelným pulzem. To neznamená, že se neutrina pohybovala rychleji než světlo, ale pouze odráží skutečnost, že neutrina jsou při kolapsu jádra supernovy emitována dříve než světlo. Protože se však neutrina a světlo po cestování po 170 tisících letech nerozcházely o více než několik hodin, znamená to, že jejich rychlosti jsou velmi blízko a neliší se o více než miliardtiny. Experiment OPERA ukazuje tisíckrát větší rozpor.
Zde samozřejmě můžeme říci, že neutrina produkovaná při explozích supernov a neutrina z CERNu se velmi liší energií (několik desítek MeV u supernov a 10–40 GeV v popsaném experimentu) a rychlost neutrin se liší v závislosti na energii . Tato změna však v tomto případě funguje „špatným“ směrem: koneckonců čím vyšší je energie tachyonů, tím více by se jejich rychlost měla blížit rychlosti světla. Samozřejmě i zde můžeme přijít s nějakou modifikací tachyonové teorie, ve které by tato závislost byla zcela odlišná, ale v tomto případě budeme muset diskutovat o „double-hypotetickém“ modelu.
Dále ze souboru experimentálních dat o oscilacích neutrin získaných pro minulé roky Z toho vyplývá, že hmotnosti všech neutrin se od sebe liší pouze zlomky elektronvoltu. Je-li výsledek OPERA vnímán jako projev nadsvětelného pohybu neutrin, pak bude kvadratická hodnota hmotnosti alespoň jednoho neutrina řádově –(100 MeV) 2 (záporná kvadratická hmotnost je matematickým projevem skutečnost, že částice je považována za tachyon). Pak si to musíme přiznat Všechno typy neutrin jsou tachyony a mají přibližně stejnou hmotnost. Na druhé straně přímé měření hmotnosti neutrin v beta rozpadu jader tritia ukazuje, že hmotnost neutrin (v absolutní hodnotě) by neměla překročit 2 elektronvolty. Jinými slovy, nebude možné všechny tyto údaje vzájemně sladit.
Z toho lze vyvodit následující závěr: deklarovaný výsledek spolupráce OPERA lze jen těžko zařadit do jakýchkoli, i těch nejexotičtějších teoretických modelů.
Co bude dál?
Ve všech velkých spolupracích v částicové fyzice je běžnou praxí, že každou specifickou analýzu provádí malá skupina účastníků a teprve poté jsou výsledky prezentovány k obecné diskusi. V tomto případě byla tato fáze zjevně příliš krátká, v důsledku čehož ne všichni účastníci spolupráce souhlasili s podpisem článku (úplný seznam zahrnuje 216 účastníků experimentu, ale předtisk má pouze 174 autorů). Proto bude v blízké budoucnosti zřejmě v rámci spolupráce provedeno mnoho dodatečných kontrol a teprve poté bude článek odeslán k tisku.
Samozřejmě nyní můžeme očekávat proud teoretických prací s různými exotickými vysvětleními tohoto výsledku. Dokud však nebude uvedený výsledek spolehlivě zkontrolován, nelze jej považovat za plnohodnotný objev.
Ale ukázalo se, že je to možné; teď věří, že nikdy nebudeme schopni cestovat rychleji než světlo...“ Ale ve skutečnosti není pravda, že by někdo kdysi věřil, že cestovat rychleji než zvuk je nemožné Dávno předtím, než se objevila nadzvuková letadla, už se vědělo, že kulky létat rychleji než zvuk Ve skutečnosti jsme mluvili o tom, co je nemožné. kontrolované nadzvukový let, a to byla chyba. Hnutí SS je úplně jiná věc. Už od začátku bylo jasné, že nadzvukový let brzdí technické problémy, které je prostě potřeba vyřešit. Je ale zcela nejasné, zda se problémy bránící hnutí SS někdy podaří vyřešit. Teorie relativity k tomu má hodně co říct. Pokud je možné cestování SS nebo dokonce přenos signálu, pak bude narušena kauzalita a z toho plynou zcela neuvěřitelné závěry.
Nejprve probereme jednoduché případy pohybu CC. Zmiňujeme je ne proto, že jsou zajímavé, ale proto, že se znovu a znovu objevují v diskusích SS hnutí, a proto je třeba se s nimi vypořádat. Poté probereme, co považujeme za obtížné případy pohybu nebo komunikace STS, a zvážíme některé argumenty proti nim. Nakonec se podíváme na nejzávažnější předpoklady o skutečném hnutí SS.
Jednoduchý pohyb SS
1. Fenomén Čerenkovova záření
Jedním ze způsobů, jak se pohybovat rychleji než světlo, je nejprve zpomalit samotné světlo! :-) Ve vakuu se světlo šíří rychlostí C a tato veličina je univerzální konstanta (viz otázka Je rychlost světla konstantní) a v hustším prostředí, jako je voda nebo sklo, se zpomaluje na rychlost c/n, Kde n je index lomu média (1,0003 pro vzduch; 1,4 pro vodu). Částice se proto ve vodě nebo ve vzduchu mohou pohybovat rychleji, než se tam šíří světlo. V důsledku toho dochází k záření Vavilov-Čerenkov (viz otázka).
Když ale mluvíme o SS pohybu, máme samozřejmě na mysli překročení rychlosti světla ve vakuu C(299 792 458 m/s). Čerenkovův fenomén proto nelze považovat za příklad hnutí SS.
2. Od třetí strany
Pokud raketa A letí ode mě rychlostí 0,6 c na západ a ten druhý B- ode mě s rychlostí 0,6 c na východ, pak celková vzdálenost mezi A A B v mém referenčním rámci roste s rychlostí 1.2c. Zdánlivou relativní rychlost větší než c lze tedy pozorovat „ze třetí strany“.
Taková rychlost však není to, co obvykle rozumíme relativní rychlostí. Skutečná raketová rychlost A vzhledem k raketě B- to je rychlost nárůstu vzdálenosti mezi raketami, kterou pozoruje pozorovatel v raketě B. Dvě rychlosti je třeba sečíst pomocí relativistického vzorce pro sčítání rychlostí (viz otázka Jak sčítat rychlosti v parciální relativitě). V tomto případě je relativní rychlost přibližně 0,88 c, to znamená, že není nadsvětelný.
3. Stíny a zajíčci
Přemýšlejte o tom, jak rychle se může pohybovat stín? Pokud vytvoříte stín na vzdálené stěně prstem z blízké lampy a poté pohnete prstem, stín se pohybuje mnohem rychleji než váš prst. Pokud se prst pohybuje rovnoběžně se stěnou, pak bude rychlost stínu D/d krát rychlost prstu, kde d- vzdálenost od prstu k lampě a D- vzdálenost od svítidla ke stěně. A můžete dosáhnout ještě větší rychlosti, pokud je stěna umístěna pod úhlem. Pokud je zeď umístěna velmi daleko, bude pohyb stínu zaostávat za pohybem prstu, protože světlo bude muset stále dosahovat od prstu ke stěně, ale rychlost stínu bude stále stejná. počet krát větší. To znamená, že rychlost stínu není omezena rychlostí světla.
Kromě stínů se zajíčci mohou pohybovat také rychleji než světlo, například skvrna z laserového paprsku namířená na Měsíc. S vědomím, že vzdálenost k Měsíci je 385 000 km, zkuste vypočítat rychlost zajíčka mírným pohybem laseru. Můžete také přemýšlet mořská vlna, narážející šikmo do břehu. Jak rychle se může bod, ve kterém se vlna zlomí, pohybovat?
Podobné věci se mohou stát i v přírodě. Například světelný paprsek z pulsaru dokáže pročesat oblak prachu. Jasný záblesk vytváří rozpínající se obal světla nebo jiného záření. Když projde povrchem, vytvoří prstenec světla, který roste rychleji než rychlost světla. V přírodě k tomu dochází, když dosáhne elektromagnetický impuls z blesku horní vrstvy atmosféra.
To všechno byly příklady věcí pohybujících se rychleji než světlo, které však nebyly fyzickými těly. Použití stínu nebo zajíčka nemůže předat zprávu SS, takže komunikace rychlejší než světlo nefunguje. A opět, toto zřejmě není to, co chceme hnutím SS chápat, i když se ukazuje, jak těžké je určit, co přesně potřebujeme (viz otázka FTL nůžky).
4. Pevné látky
Když vezmete dlouhou tvrdou hůl a zatlačíte na jeden konec, druhý konec se okamžitě zasune nebo ne? Je možné tímto způsobem provést CC přenos zprávy?
Ano, to bylo bych lze provést, pokud takové pevné látky existovaly. Ve skutečnosti se vliv úderu na konec tyče šíří po ní rychlostí zvuku v dané látce a rychlost zvuku závisí na pružnosti a hustotě materiálu. Relativita ukládá absolutní limit možné tvrdosti jakéhokoli tělesa, takže rychlost zvuku v nich nemůže překročit C.
Totéž se stane, pokud jste v přitažlivém poli a nejprve držte provázek nebo tyč svisle za horní konec a poté je uvolněte. Bod, který jste uvolnili, se začne okamžitě pohybovat a spodní konec nebude moci začít klesat, dokud ho vliv uvolnění nedosáhne rychlostí zvuku.
Je obtížné formulovat obecnou teorii pružných materiálů v rámci relativity, ale základní myšlenku lze demonstrovat na příkladu newtonovské mechaniky. Rovnici pro podélný pohyb ideálně pružného tělesa lze získat z Hookova zákona. V hmotnostních proměnných na jednotku délky p a Youngův modul pružnosti Y, podélný posuv X splňuje vlnovou rovnici.
Řešení rovinných vln se pohybuje rychlostí zvuku s, a s 2 = Y/p. Tato rovnice neimplikuje možnost rychlejšího šíření kauzálního vlivu s. Relativita tedy ukládá teoretický limit velikosti elasticity: Y < PC 2. V praxi neexistují žádné materiály ani v jeho blízkosti. Mimochodem, i když se rychlost zvuku v materiálu blíží C, hmota sama o sobě není vůbec nucena se pohybovat relativistickou rychlostí. Jak ale víme, že v zásadě nemůže existovat látka, která tuto hranici překoná? Odpověď zní, že veškerá hmota se skládá z částic, jejichž interakce se řídí standardním modelem elementárních částic, a v tomto modelu se žádná interakce nemůže šířit rychleji než světlo (viz níže o kvantové teorii pole).
5. Fázová rychlost
Podívejte se na tuto vlnovou rovnici:
Má řešení ve tvaru:
Tato řešení jsou sinusové vlny pohybující se rychlostí
Ale to je rychlejší než světlo, což znamená, že máme rovnici tachyonového pole ve svých rukou? Ne, to je jen obyčejná relativistická rovnice masivní skalární částice!
Paradox bude vyřešen, pokud pochopíme rozdíl mezi touto rychlostí, nazývanou také fázová rychlost vph z jiné rychlosti zvané skupinová rychlost vgr který je dán vzorcem,
Pokud má vlnové řešení frekvenční rozptyl, bude mít podobu vlnového paketu, který se pohybuje rychlostí skupiny nepřesahující C. Fázovou rychlostí se pohybují pouze vrcholy vln. Pomocí takové vlny je možné přenášet informaci pouze skupinovou rychlostí, takže fázová rychlost nám dává další příklad nadsvětelné rychlosti, která nemůže přenášet informace.
7. Relativistická raketa
Ovladač na Zemi sleduje kosmickou loď odlétající rychlostí 0,8 C. Podle teorie relativity i po zohlednění Dopplerova posunu signálů z lodi uvidí, že čas na lodi je zpomalený a hodiny tam běží pomaleji o faktor 0,6. Pokud spočítá podíl vzdálenosti, kterou loď urazila, k času měřeného lodními hodinami, dostane 4/3 C. To znamená, že pasažéři lodi cestují mezihvězdným prostorem efektivní rychlostí vyšší, než je rychlost světla, kterou by zažili, kdyby byla měřena. Z pohledu pasažérů lodi mezihvězdné vzdálenosti podléhají Lorentzově kontrakci stejným faktorem 0,6, a proto i oni musí uznat, že pokrývají známé mezihvězdné vzdálenosti v poměru 4/3. C.
To je skutečný fenomén a v zásadě by jej mohli využít cestující vesmírem k překonání obrovských vzdáleností během svého života. Pokud budou zrychlovat konstantním zrychlením rovným zrychlení volného pádu na Zemi, pak budou mít na své lodi nejen ideální umělou gravitaci, ale stihnou Galaxii překročit za pouhých 12 svých let! (viz otázka Jaké jsou rovnice relativistické rakety?)
Nejedná se však o skutečné hnutí SS. Efektivní rychlost se vypočítává ze vzdálenosti v jednom referenčním rámci a času v jiném. To není skutečná rychlost. Z této rychlosti těží pouze cestující na lodi. Dispečer například nestihne za svůj život vidět, jak uletí gigantickou vzdálenost.
Složité případy pohybu SS
9. Einstein, Podolsky, Rosenův paradox (EPR)
10. Virtuální fotony
11. Kvantové tunelování
Skuteční kandidáti na cestovatele SS
Tato část obsahuje spekulativní, ale vážné spekulace o možnosti nadsvětelného cestování. Nepůjde o věci, které by se normálně vkládaly do FAQ, protože vyvolávají více otázek, než odpovídají. Jsou zde uvedeny především proto, aby bylo vidět, že se v tomto směru provádí seriózní výzkum. Ke každému směru je uveden pouze stručný úvod. Podrobnější informace lze nalézt na internetu.
19. Tachyony
Tachyony jsou hypotetické částice, které se lokálně pohybují rychleji než světlo. K tomu musí mít pomyslnou hmotnost, ale jejich energie a hybnost musí být pozitivní. Někdy se má za to, že takové částice SS by nemělo být možné detekovat, ale ve skutečnosti není důvod si to myslet. Stíny a zajíčci nám říkají, že pohyb SS ještě neznamená neviditelnost.
Tachyony nebyly nikdy pozorovány a většina fyziků o jejich existenci pochybuje. Jednou bylo uvedeno, že byly provedeny experimenty k měření hmotnosti neutrin emitovaných během rozpadu Tritia a že tato neutrina byla tachyonová. To je velmi pochybné, ale stále to není vyloučeno. V tachyonových teoriích jsou problémy, protože z hlediska možná porušení kauzalitu, destabilizují vakuum. Možná bude možné tyto problémy obejít, ale pak bude nemožné použít tachyony ve zprávě SS, kterou potřebujeme.
Pravdou je, že většina fyziků považuje tachyony za znak omylu ve svých teoriích pole a zájem o ně mezi širokou veřejností živí především sci-fi (viz článek Tachyony).
20. Červí díry
Nejznámější navrhovanou možností cestování STS je použití červích děr. Červí díry jsou tunely v časoprostoru, které spojují jedno místo ve vesmíru s druhým. Můžete je použít k přesunu mezi těmito body rychleji, než by se světlo pohybovalo normální cestou. Červí díry jsou fenoménem klasické obecné teorie relativity, ale k jejich vytvoření je potřeba změnit topologii časoprostoru. Tato možnost může být obsažena v teorii kvantové gravitace.
Aby červí díry zůstaly otevřené, je potřeba obrovské množství negativní energie. Misner A Thorne navrhl, že Casimirův efekt ve velkém měřítku lze použít k vytvoření negativní energie a Visser navrhl řešení pomocí kosmických strun. Všechny tyto myšlenky jsou vysoce spekulativní a mohou být jednoduše nerealistické. Neobvyklá látka s negativní energií nemusí existovat ve formě potřebné pro jev.
Thorne objevil, že pokud by bylo možné vytvořit červí díry, mohly by být použity k vytvoření uzavřených časových smyček, které by umožnily cestování časem. Bylo také navrženo, že mnohorozměrná interpretace kvantové mechaniky naznačuje, že cestování časem nezpůsobí žádné paradoxy a že události se jednoduše vyvinou jinak, když se vrátíte v čase. Hawking říká, že červí díry mohou být jednoduše nestabilní, a proto nepraktické. Samotné téma však zůstává plodnou oblastí pro myšlenkové experimenty, které umožňují pochopit, co je možné a co není možné na základě známých a předpokládaných fyzikálních zákonů.
reference:
W. G. Morris a K. S. Thorne, American Journal of Physics 56
,
395-412 (1988)
W. G. Morris, K. S. Thorne a U. Yurtsever, Phys. Rev. Písmena 61
, 1446-9 (1988)
Matt Visser, fyzický přehled D39, 3182-4 (1989)
viz také "Černé díry a zakřivení času" Kip Thorn, Norton & co. (1994)
Pro vysvětlení multivesmíru viz „Tkanina reality“ David Deutsch, Penguin Press.
21. Deformační motory
[Nevím, jak to přeložit! V původním warp pohonu. - Cca. překladatel;
přeloženo analogicky s článkem o Membráně]
Warp by mohl být mechanismus pro zkroucení časoprostoru, takže objekt může cestovat rychleji než světlo. Miguel Alcabière se proslavil vývojem geometrie, která popisuje takový deformátor. Zkreslení časoprostoru umožňuje objektu cestovat rychleji než světlo a přitom zůstat na křivce podobné času. Překážky jsou stejné jako při vytváření červích děr. K vytvoření deformátoru potřebujete látku s negativní hustotou energie a. I když je taková látka možná, stále není jasné, jak ji lze získat a jak ji použít, aby deformátor fungoval.
ref M. Alcubierre, Klasická a kvantová gravitace, 11
, L73-L77, (1994)
Závěr
Za prvé, ukázalo se, že je obtížné obecně definovat, co znamená cestování SS a zpráva SS. Mnoho věcí, jako jsou stíny, provádí pohyb CC, ale takovým způsobem, že jej nelze použít například k přenosu informací. Existují ale i vážné možnosti skutečného pohybu SS, které jsou ve vědecké literatuře navrhovány, ale jejich realizace zatím není technicky možná. Heisenbergův princip neurčitosti znemožňuje použití zdánlivého SS pohybu v kvantové mechanice. V obecné teorii relativity existují potenciální prostředky pro pohon SS, ale nemusí být možné je použít. Zdá se krajně nepravděpodobné, že v dohledné budoucnosti nebo vůbec bude technologie schopna vytvořit kosmické lodě s pohonem SS, ale je zvláštní, že teoretická fyzika, jak ji nyní známe, nezavírá dveře pohonu SS nadobro. Hnutí SS ve stylu sci-fi románů je zřejmě zcela nemožné. Zajímavá otázka pro fyziky zní: „Proč je to vlastně nemožné a co se z toho dá naučit?
. Podle Antonia Ereditata, zaměstnance centra částicové fyziky na francouzsko-švýcarské hranici, se po třech letech měření ukázalo, že svazek neutrin vypuštěný ze Ženevy do italské laboratoře Gran Sasso urazil vzdálenost 730 km o 60 nanosekund rychleji. než světlo."Máme velkou důvěru ve výsledky. Je ale nutné, aby si ostatní kolegové udělali testy a potvrdili naše výsledky", poznamenal. Podle vědce chyba měření nepřesahuje 10 ns.
Pokud se výsledky výzkumu potvrdí, mohlo by to zpochybnit základ teorie speciální relativity Alberta Einsteina (1905), která tvrdí, že nic ve vesmíru se nemůže pohybovat rychleji než světlo, tzn. při rychlostech nad 299 792 km/s.
0 0
Bohužel to, co se zde píše, je úplný nesmysl. Agentura Reuters je samozřejmě renomovaná organizace, ale vědecké zprávy stále nesmí být čerpány ze stejných rukou, které přinášejí zprávy z politiky a společenského života.
„Základem teorie speciální relativity Alberta Einsteina (1905), která říká, že nic ve vesmíru nemůže cestovat rychleji než světlo“
Teorie relativity nic takového netvrdí. Teorie relativity tvrdí, že nic nemůže cestovat rychleji než světlo VE VAKUU. A částice, které se pohybují rychleji než světlo, byly nalezeny již dávno, přesněji řečeno, byla nalezena prostředí, ve kterých se některé částice mohou pohybovat rychleji než fotony.
Není mi jasné, jak ten neutrinový paprsek putoval ze Ženevy někam tam, ale evidentně ne do vakua. Pokud se například prošel vzduchem, pak se nelze divit, že vzduchem rozptýlené fotony dosáhly konečného bodu později než neutrina, která s hmotou téměř neinteragovala.
0 0
0 0
Ve skutečnosti se neutrina budou vždy pohybovat rychleji než světlo :) Jednoduše proto, že prakticky neinteragují s hmotou a světlo (fotony) interaguje dokonale. A teprve ve vakuu jsou fotony nakonec urychleny na plnou výšku :)
Bylo ale zajímavé najít prostředí, ve kterém by se elektrony mohly pohybovat rychleji, než je rychlost světla. A takové prostředí se našlo už dávno. A přitom vznikají úžasné efekty. Podívejte se na Wikipedii "Vavilov-Čerenkovovo záření".
0 0
0 0
Další publikace na toto téma:
Fyzici ve výzkumném centru Evropské organizace pro jaderný výzkum (CERN) během experimentu zjistili, že subatomární částice se mohou pohybovat rychlostí přesahující rychlost světla.
Paprsek neutrin vyslaný z CERNu do podzemní laboratoře Gran Sasso v Itálii na vzdálenost 732 km údajně dorazil do cíle o několik miliardtin sekundy dříve, než kdyby se pohyboval rychlostí světla.
Pokud se experimentální data potvrdí, bude vyvrácena Einsteinova teorie relativity, podle níž je rychlost světla 299 792 458 metrů za vteřinu.
Podle vědců ji neutrinové paprsky překonaly o 60 nanosekund, což je v rozporu s předpokladem, že elementární částice nemůže cestovat rychleji, než je rychlost světla.
Ruská služba BBC hovořila o výsledcích experimentu s Rubenem Sahakyanem, profesorem fyziky na University College London.
BBC: Pracoval jste v laboratoři Gran Sasso a pravděpodobně velmi dobře znáte experiment Opera.
Ruben Sahakyan: Laboratoř Gran Sasso jsem opustil před více než 10 lety, když byla Opera teprve ve výstavbě. "Opera" je experiment, který hledá takový jev, jako jsou oscilace neutrin, tedy přeměnu jednoho typu neutrin na jiný.
Neutrina jsou základní částice, takzvané stavební kameny vesmíru. Mají číslo zajímavé vlastnosti včetně transformace z jednoho typu na druhý. "Opera" má tento problém prozkoumat.
Tento výsledek (údaje, že neutrina cestují rychleji než rychlost světla) byl vedlejším produktem experimentu, který provedli.
BBC: Jsou výsledky prezentované vědci přesvědčivé?
R.S.: Zveřejněné výsledky vypadají přesvědčivě. V experimentální vědě existuje numerická míra spolehlivosti výsledku, to znamená, že vaše měření musí překročit chybu měření alespoň pětkrát. A jejich je šestkrát vyšší.
Na druhou stranu tohle komplexní měření, je v něm mnoho prvků a v každé fázi existuje mnoho způsobů, jak to udělat špatně. A proto je potřeba to vnímat se zdravou skepsí. Ke cti autorů je třeba přiznat, že neinterpretují výsledek, ale pouze uvádějí data získaná během experimentu.
BBC: Jak na tato data reagovala světová vědecká komunita?
R.S.: Mezinárodní společenství reagovalo se zdravou skepsí až konzervatismem. Koneckonců jde o vážný experiment, nikoli o populistické prohlášení.
Důsledky, pokud se prokáže, že tyto údaje jsou pravdivé, jsou příliš vážné na to, abychom je mohli brát na lehkou váhu.
Naše základní představy o světě se změní. Nyní budou lidé čekat na další publikace systematických chyb v experimentu a hlavně na data z nezávislých experimentů.
BBC: Které například?
R.S.: Existuje americký experiment „Minus“, který může toto měření potvrdit. Je to velmi podobné Opeře. Urychlovač vytvoří paprsek neutrin, poté jej pošle 730 kilometrů a změří jej v podzemní laboratoři. Podstata měření je jednoduchá: znáte vzdálenost mezi vaším zdrojem a vaším detektorem, změříte dobu, za kterou dorazil, a tím určíte rychlost.
Ďábel je v detailech. „Minus“ provedli podobné měření před čtyřmi lety, ale pak hodnota, kterou naměřili, a chyba byly vzájemně srovnatelné. Jejich klíčovým problémem bylo, že neměli přesnou vzdálenost.
730 kilometrů mezi zdrojem a detektorem je obtížné změřit s absolutní přesností a Opera nedávno dokázala pomocí geodetických metod změřit tuto vzdálenost až na 20 centimetrů. "Minus" se pokusí udělat totéž a poté bude moci zkontrolovat data tohoto experimentu.
BBC: Pokud se potvrdí výsledek experimentu, jak to ovlivní tradiční představy o světě?
R.S.: Pokud se to potvrdí, bude výsledek vážný. Nyní existují dvě teorie, které z vědeckého hlediska vysvětlují celý svět, který nás obklopuje: kvantová teorie mikrosvěta a Einsteinova teorie relativity.
Výsledek experimentu (neutrina se pohybují rychlostí přesahující rychlost světla) přímo odporuje Einsteinově teorii relativity, která tvrdí, že v jakémkoliv referenčním bodě je rychlost světla konstantní a nic nemůže překonat rychlost světla.
Existuje obrovské množství ohromujících důsledků, zejména možnost cestování časem (pro částice).
http://www.bbc.co.uk/russian/science/2011/09/110923_interview_expert_neutrino_discovery.shtml
0 0
Publikací bude spousta, ale je zbytečné je rozebírat v 10, protože si asi ani neumíte představit, jak moc se fyzika posunula kupředu od roku 1905 :), kdy Einstein právě formuloval principy teoretické relativity. Na tom všem je spousta zcela nečekaných aspektů a pokud se zanedbá, je snadné vysát vjemy. Experimentátoři zřejmě nic nevycucali, ale je jen charakteristické, že ani oni sami, ani vědci, kteří se těmito problémy zabývají, nedělají žádný hluk - prostě zaznamenali takový a takový výsledek a nyní navrhují to zkontrolovat a buď vyvrátit, nebo potvrdit, a „potvrdit“ neznamená, že by teorie relativity měla být opravena, protože pro tato data může existovat celá řada vysvětlení za podmínek stávajícího modelu.
Například si představte - určitá částice je tak zrychlená, že její rychlost je téměř rovna rychlosti světla - no, velmi blízko. Navíc, pokud je její souřadnice dostatečně slabě nejistá, pak podle Heisenbergova principu neurčitosti se nejistota její rychlosti stane takovou, že existuje nenulová pravděpodobnost, že se částice pohybuje rychleji, než je rychlost světla. To je známý paradox, z něhož plyne zejména hypotéza existence antihmoty, která vše nakonec a v rámci stávajícího modelu dokonale vysvětluje.
Dobře, pamatujte si takovou zkurvenou věc, jako je Casimirovo vakuum - vakuum není prázdnota, je to oblast vesmíru, která se hemží nesčetným množstvím virtuálních částic, které se rodí a umírají. Říká se jim virtuální, protože se rodí a ničí rychleji, než to dokážete detekovat, aby bylo zaznamenáno porušení zákonů o ochraně přírody. S určitými mentálními experimenty je však možné „roztlačit“ páry virtuálních částic a ty se nebudou moci zhroutit. Navíc, pokud vezmeme výjimečně malou velikost oblasti prostoru, objeví se v ní pouze jedna částice a druhá bude na druhé straně „zdi“. Casimirův efekt byl již experimentálně prokázán, ale jeho studie zůstává prakticky nezměněna, protože je extrémně obtížné provádět experimenty v tak malých oblastech vesmíru.
To ani nemluvím o teorii tachyonů, kterou lze také snadno povolat k podpoře teorie relativity (pokud se přidá k vysvětlení záhadných přeměn neutrin z jednoho typu na druhý a možného výskytu tohoto jev s překračující rychlostí světla
Obecně je zde tolik detailů, že je nemožné zachovat teorii relativity neporušenou. Ale některé z možných výkladů by přesto mohly fyziku výrazně posunout kupředu.
0 0
To je něco, co mi stále není jasné: z toho, co jsem četl a viděl, vyplývá, že vědci vypustili paprsek neutrin ve vzdálenosti 700 km na záznamové zařízení... Země je ale neustále, každou vteřinu, proražena neutriny, které s hmotou nijak neinteragují. Jak zjistili, že to bylo „jejich“ neutrino, které bylo zaznamenáno na záznamníku, a ne to, které přilétalo z vesmíru?
