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

Содержание

Возможен ли сверхсветовой полёт?

Is Faster-Than-Light Travel or Communication Possible?
Philip Gibbs

Можно подумать, что из теории относительности следует короткий отрицательный ответ на этот вопрос. На самом деле есть много простых примеров кажущегося или настоящего перемещения объектов быстрее света. Есть также разумные причины считать, что сверхсветовой полёт и сверхсветовая передача сообщений невозможны.

Эта статья не даёт полного ответа на вопрос, а только рассматривает некоторые постоянно обсуждаемые в форумах темы. Например, часто встречается такой аргумент -
"Раньше говорили, что невозможно лететь быстрее звука, и это оказалось ошибкой. Теперь говорят, что нельзя лететь быстрее света ..."

Скорее всего, никто не говорил, что нельзя лететь быстрее звука, так как задолго до сверхзвуковых самолётов было известно, что пуля летит быстрее звука. Некоторые специалисты сомневались в возможности управляемого сверхзвукового полёта , но они ошиблись.

Сверхсветовой полёт - другое дело. Было ясно, что, в конце концов, люди разработают подходящие технологии и создадут машины для полёта быстрее звука. Но совсем не ясно, что какие-то будущие технологии обеспечат нам возможность полёта быстрее, чем свет. Почему так получается объясняет теория относительности. При перемещении или передаче информации быстрее света нарушилась бы причинность, и это привело бы к очень странным ситуациям.

Сначала мы рассмотрим простые примеры перемещения объектов быстрее света. Не все эти примеры интересны, но они постоянно повторяются в форумах при обсуждении проблемы сверхсветового движения. Потом мы подумаем о менее простых способах преодоления скорости света, и рассмотрим некоторые возражения против этих способов. Наконец, рассмотрим серьёзные предложения по перемещению быстрее света. Многие вопросы обсуждаются также в статьях Physics FAQ.

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

Простые примеры сверхсветового перемещения

1. Эффект Черенкова

Один из способов превышения скорости света - сделать свет медленнее! В вакууме свет распространяется со скоростью c , которая является константой (см. Постоянна ли скорость света? ), но в плотной среде, такой как вода или стекло, свет замедляется до скорости c/n где n - коэффициент преломления среды (1.0003 для воздуха, 1.4 для воды). Конечно, элементарные частицы могут лететь в воздухе или в воде быстрее, чем свет. При этом возникает Черенковское излучение . Посмотрите статью Is there an equivalent of the sonic boom for light?.

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.

В этих примерах быстрее света перемещаются не "физические объекты". Тень или световое пятно нельзя использовать для сверхсветового обмена сообщениями. Это также не то, что мы бы назвали сверхсветовым полётом. Становится понятно, как трудно дать определение настоящему сверхсветовому перемещению. Смотрите также The Superluminal Scissors.

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.

Почему ещё мы уверены, что нет вещества, в котором эти ограничения могут быть нарушены? Ответ в том, что все вещества состоят из частиц, взаимодействие между которыми подчиняется стандартной модели в физике частиц, а никакие сверхсветовые возмущения в этой модели не возможны. (см. далее раздел Квантовая теория поля ).

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 Тахионы ). 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

Если объект приближается к вам с околосветовой скоростью, и вы измеряете его видимую скорость, не учитывая, что по мере приближения объекта, его свет доходит до вас всё быстрее, то вы можете получить сверхсветовую скорость объекта. Это оптический обман, а не сверхсветовое движение. Смотрите Apparent Superluminal Velocity of Galaxies.

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 .

Замедление времени - реальный эффект, который в принципе можно использовать в космических путешествиях, чтобы преодолевать большие расстояния за небольшое время с точки зрения космонавтов. При постоянном ускорении 1g космонавты не только будут иметь комфортную искусственную силу тяжести, но также смогут пересечь галактику всего за 12 лет по собственному времени. За время путешествия они постареют на 12 лет. Смотрите What are the Equations for the Relativistic Rocket?

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

В 1935 году Эйнштейн, Подольский и Розен предложили мысленный эксперимент, который приводил к парадоксу и должен был показать неполноту квантовой механики. В эксперименте должно наблюдаться мгновенное взаимодействие при измерении состояний удалённых друг от друга частиц, которые предварительно прошли специальную операцию "запутывания". Эйнштейн назвал это "загадочное дальнодействие". Доказано, что этот эффект не позволяет передавать информацию быстрее света, но и сейчас он выглядит парадоксально. Подробности в The EPR Paradox and Bell's Inequality.

10. Виртуальные фотоны

В квантовой теории поля силы передаются "виртуальными частицами". Принцип неопределённости Гейзенберга позволяет виртуальным частицам двигаться быстрее света. Они не без причины названы "виртуальными", и представляют собой лишь часть методики расчета. Реальное сверхсветовое перемещение или передача информации при помощи виртуальных частиц невозможны. Смотрите Virtual Particles.

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.

Terence Tao показал, что при передаче аудио сигнала на такое небольшое расстояние, можно получить только видимость сверхсветовой скорости. Сигналу требуется менее 0.4 нс чтобы пройти 11.4 см со скоростью света, но аудио сигнал можно экстраполировать (предвидеть) по форме волны на время 1000 нс. Хотя в эксперименте не доказана возможность сверхсветовой передачи сигнала, но теперь понятно, что в дальнейших экспериментах нужно использовать сигналы с гораздо большей частотой или нужно передавать их на гораздо большее расстояние.

Наиболее правдоподобный вывод - в туннельном эффекте сверхсветовой передачи информации нет, есть только ещё одно проявление принципа неопределённости Гейзенберга.

12. Эффект Казимира

Эффект Казимира состоит в том, что между двумя очень близко расположенными незаряженными пластинами действует небольшая, но измеримая сила. Она возникает благодаря существованию энергии вакуума (смотрите Casimir Effect ). Scharnhorst рассчитал, что фотоны, пересекающие зазор между пластинами, при наличии эффекта Казимира должны двигаться немного быстрее, чем со скоростью c . Превышение скорости света очень невелико, в лучшем случае 10 -24 для зазора в 1 нм. Возможно этот эффект больше в каких-то космологических условиях, например вблизи космических струн, если они существуют. Теоретические исследования показали, что невозможно использовать этот эффект для сверхсветовой передачи сообщений.

13. Расширение Вселенной

В соответствии с законом Хаббла две галактики, удалённые друг от друга на расстояние D , удаляются друг от друга со скоростью HD , где H постоянная Хаббла. При расстоянии более c/H галактики должны удаляться друг от друга быстрее света.

Современная физика описывает эту ситуацию иначе. В общей теории относительности, галактики в расширяющейся вселенной находятся в покое относительно друг друга, а пространство между ними расширяется. В этом смысле далёкие галактики не движутся быстрее света. Они вообще не движутся друг относительно друга! Таким образом, в общей теории относительности расстояние между объектами в расширяющейся вселенной может увеличиваться быстрее скорости света, но это не означает, что относительная скорость этих объектов больше скорости света.

Как уже говорилось, специальная теория относительности допускает, что третий наблюдатель в своей системе отсчёта может увидеть два объекта, расстояние между которыми увеличивается со скоростью до двух с. В общей теории относительности этот предел можно превзойти, но нельзя наблюдать оба объекта одновременно. И это снова не сверхсветовой полёт. Нельзя воспользоваться этими фактами, для пересечения галактики быстрее света. Всё что происходит, это быстрое увеличение расстояния между объектами в некоторой космологической системе отсчёта.

14. Луна вращается вокруг меня быстрее света!

Найдите свободное место, встаньте и покрутитесь. Вполне можно делать один оборот за 2 секунды. Допустим, в это время у горизонта видна Луна. Быстро ли она вращается вокруг вашей головы? Расстояние до Луны 385 000 км. Можно посчитать, что её скорость 1 200 000 км/с. Это в 4 раза быстрее света! Может быть глупо говорить о вращении Луны вокруг головы, если на самом деле вращаетесь вы, а не Луна? Общая теория относительности считает все системы координат равноправными, в том числе и вращающиеся. Значит, Луна движется быстрее света?

Это не так просто понять. Дело в том, что в общей теории относительности нельзя напрямую сравнивать скорости, объектов. находящихся в разных местах пространства. Обратите внимание, что Луна не обгоняет никакой свет в том месте, где она находится. Скорость Луны можно сравнивать со скоростью других объектов только в локальной инерциальной системе координат Луны.

Понятие скорости не очень полезно в общей теории относительности, и поэтому трудно определить смысл слов "скорость быстрее света". В общей теории относительности можно по-разному трактовать даже утверждение что "скорость света константа". В книге "Относительность: Специальная и Общая теория" Эйнштейн писал, что это утверждение нельзя считать безоговорочно справедливым. Если нет абсолютного пространства и времени, то не ясно, как корректно ввести понятие скорости.

Всё же сегодня считается, что в общей теории относительности скорость света константа. Это является тавтологией, так как эталоны длины и времени связаны с использованием скорости света.

Луна движется медленнее света, так как она остаётся внутри "светового конуса будущего", выходящего из места положения Луны в любой момент времени.

Аргументы теории относительности против сверхсветового перемещения

15. Что значит "Быстрее света" ?

Приведённые примеры показывают как трудно точно сформулировать, что мы считаем перемещением со сверхсветовой скоростью. Если не считать перемещающихся теней, то что точно мы имеем в виду?

В теории относительности нет такой вещи, как абсолютная скорость, только относительная; но есть ясное различие между "мировыми линиями", которые бывают "времениподобными", "световыми" и "пространственноподобными". Мировой линией называется некоторая кривая, проходящая в четырёхмерном пространстве-времени. Эта кривая - множество всех событий, составляющих историю объекта. Если мировая линия пространственноподобная, то она описывает движение быстрее света. Итак, в теории смысл "сверхсветовой" скорости понятен, и он не зависит от наблюдателя.

Что именно мы называем "объектом", и почему мы не хотим считать объектом тень? Можно было бы определить "объект", как нечто переносящее энергию, заряд, спин, информацию, или просто он должен состоять из атомов. Но у каждого из таких определений есть технические проблемы.

В общей теории относительности энергия не может быть точно локализована. Поэтому это понятие лучше не использовать. Заряд и спин могут быть локализованы, но могут быть объекты без заряда и спина. Информация - не плохое понятие, но оно само трудно определяемое. Кроме того сверхсветовая передача информационного сообщения не то же самое, что сверхсветовой полёт.

Ещё одна трудность понимания сверхсветового перемещения состоит в том, что мы должны знать, что объект А, который мы видели до перемещения со сверхсветовой скоростью через некоторый барьер, и объект В, который мы видим после перемещения, это один и тот же объект. Может это копия? Некоторые считают, что если возможна сверхсветовая скорость передачи информации, то возможно и сверхсветовое перемещение объектов - передаём чертежи, и по ним восстанавливаем объект. Но не все согласны называть такую телепортацию перемещением.

В общей теории относительности ещё сложнее определить, что мы имеем в виду под сверхсветовым перемещением. Сверхсветовое перемещение можно было бы выполнить путём искажения пространства-времени (создания кротовых нор), чтобы попасть из точки А в точку В, не проходя по локальной пространственноподобной траектории. Есть разница между локальным движением со сверхсветовой скоростью и глобальным перемещением из точки А в точку В быстрее, чем свет. (Но свет по короткому пути всё равно распространяется со скоростью света.)

Когда гравитационная линза искривляет путь света от далёкой галактики несимметрично, то свет с одной стороны линзы приходит позже, чем с другой. Нужно, чтобы в определении сверхсветового перемещения частица, перемещающаяся из точки А в точку В по времениподобной траектории, нигде локально не опережала свет. Из-за этого очень трудно, скорее невозможно, ясно определить, что такое глобальное сверхсветовое перемещение.

Если вы ожидаете, что я завершу этот раздел точным определением того, что нужно считать сверхсветовым движением и сверхсветовой передачей информации, то боюсь, я вас разочарую! Указанные выше трудности непреодолимы. Тем не менее, вы вероятно лучше поняли как обстоят дела, познакомившись с приведёнными примерами того, что не является сверхсветовым движением.

16. Довод о бесконечной энергии

Когда Эйнштейн записывал свои постулаты для специальной теории относительности, он не добавил к ним постулат о невозможности сверхсветового движения. Некоторые ошибочно считают, что невозможность сверхсветового движения - следствие имеющихся постулатов. Анри Пуанкаре сказал: "Может быть нужно построить механику ... в которой скорость света была бы недостижимым пределом." Это было на Международном конгрессе искусства и науки в 1904 году - ещё до публикации Эйнштейном специальной теории относительности в 1905 году.

Теория относительности даёт следующую формулу для энергии частицы с массой покоя m и скоростью v
E = mc 2 /sqrt(1 - v 2 /c 2 )

При приближении скорости к скорости света энергия частицы стремится к бесконечности. Следовательно, невозможно ускорить объект, имеющий массу покоя, до скорости света. Также, частицы с нулевой массой покоя должны всегда двигаться точно со скоростью света, иначе у них не было бы энергии.

Это что-то вроде "светового барьера", но он очень отличается от "звукового барьера". При приближении скорости самолёта к скорости звука появляются волны давления. Пока существование и действие этих волн не было хорошо изучено они разрушили несколько самолётов в середине 20 века. Отсюда и возникло слово "барьер". При правильной аэродинамике самолёт, конечно, может преодолеть звуковой барьер.

Для света это не так. В соответствии с теорией относительности при приближении к световому барьеру (в идеальном вакууме) не возникает никаких особых волн. Лететь со скоростью 0.999 c всё равно, что стоять на месте. Просто всё несётся мимо тебя со скоростью -0.999 c . В ускорителях частицы достигают такой и ещё большей скорости, так что теория хорошо проверена. Стремление достичь скорости света путём ускорения - это стремление дотянуться до того, что всегда недостижимо.

Вот почему невозможно превысить скорость света средствами обычной механики. Но само по себе это не отвергает возможность сверхсветового перемещения. Это просто один из способов, при помощи которого объекты нельзя заставить двигаться быстрее света, а не доказательство, что такого способа нет.

Известно, что распад частиц на другие частицы происходит мгновенно, и они сразу разлетаются с большой скоростью. Нет оснований считать, что "частицы ускорились", и поэтому почему бы они не могли двигаться быстрее света?

Можно рассмотреть возможность, что какие-то частицы всегда летят быстрее света. Их можно было бы использовать для передачи информации, если их можно обнаружить, не затормозив до досветовой скорости. Даже если такие "тахионы" не существуют (а мы считаем, что они не существуют), могут быть другие способы перемещения объекта из точки А в точку В быстрее, чем свет пройдёт от A до B обычным путём, и чтобы при этом ни один объект не превысил скорость света локально. Смотрите далее раздел о тахионах.

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.

Thorne показал, что если можно создать кротовые норы, то в пространстве-времени можно построить замкнутые времениподобные петли, и из этого следует возможность путешествия во времени (не превышая скорость света!). Считается, что трудности преодолеваются в интерпретации квантовой механики с "мультивселенными" и допущением, что "время может развиваться по-разному", если удастся вернуться назад во времени. Идея мультивселенных нарушает правило "лезвия Оккама". Её используют в основном в популярных интерпретациях квантовой механики, а не в теоретической физике. Хокинг говорит, что кротовые норы были бы просто нестабильны, и поэтому использовать их невозможно. Эта тема остаётся плодотворной областью для мысленных экспериментов, которые помогают прояснить, что возможно, а что невозможно в рамках известных законов физики и гипотез.

21. Деформация пространства

Сверхсветовые полёты с использование "деформации пространства" используются в фантастическом сериале " Звёздный путь ". Miguel Alcubierre стал известным, когда разработал пространственно-временную геометрию такой деформации. Деформация пространства-времени даёт возможность объекту перемещаться быстрее света, оставаясь при этом на времениподобной траектории. Главные проблемы такие же, как у больших кротовых нор. Для выполнения нужной деформации требуется экзотическая материя с отрицательной плотностью энергии. Даже если такая материя существует, не ясно, как именно её использовать, чтобы деформация пространства работала нужным образом.

Заключение

Довольно трудно определить, что имеется в виду под сверхсветовым перемещением и передачей информации. Некоторые объекты, например тени, могут перемещаться быстрее света, но пользы от этого мало, так как они не могут переносить информацию.

В научной литературе рассматривается несколько серьёзных возможностей реального сверхсветового перемещения. Все они очень трудны технически.

Принцип неопределённости Гейзенберга, похоже, не даёт возможности использовать наблюдаемые сверхсветовые квантовые эффекты для перемещения информации или вещества.

В общей теории относительности потенциально есть способы сверхсветового перемещения, но может оказаться, что практически они нереализуемы. Похоже, что в обозримом будущем или никогда инженеры не смогут строить сверхсветовые космические корабли. Но интересно, что теоретическая физика пока не отрицает такую возможность.

Сверхсветовые полёты в том виде, как о них пишут в фантастической литературе, почти наверняка невозможны. Физиков интересует "почему они невозможны, и чему это нас учит".

Philip Gibbs , 1997

Перевод

 

Космологическое_красное_смещение

Why is the speed of light so high? Why is C the symbol for speed of light?