Скорость света это: Нейтрино движется быстрее скорости света! — ФПФЭ

Нейтрино движется быстрее скорости света! — ФПФЭ

В пятницу 23 сентября в архиве электронных препринтов появилась статья коллаборации OPERA, 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.

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 временным 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.

Источник

На чем свет стоит? – Огонек № 39 (5197) от 03.10.2011

На прошлой неделе физики Европейского центра по ядерным исследованиям CERN опровергли основное положение теории Эйнштейна, доказав, что скорость света может быть превышена

Адель Калиниченко, Женева

Что такое 60 наносекунд? Миг, который никто из людей не способен даже ощутить. Во всем мире найдется вообще всего три прибора, способных зафиксировать этот временной отрезок. И тем не менее именно эти наносекунды в буквальном смысле перевернули вверх тормашками жизнь физиков всего мира: как оказалось, нейтрино смогли на 60 наносекунд превысить скорость света.

Пробить Европу

Произошло это еще два года назад в ходе эксперимента на детекторе OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus), который находится на глубине 1400 метров под итальянскими Апеннинами в подземной лаборатории Гран-Сассо. Именно сюда сквозь толщу земли прилетают пучки тау-нейтрино, создаваемые на протонном суперсинхротроне SPS в подземной лаборатории CERN, расположенной в 732 километрах. Поскольку тау-нейтрино свободно пролетают сквозь любую материю (к примеру, подсчитано, что сквозь наше тело ежедневно пролетает до 10 в 14-й степени нейтрино, порожденных Солнцем), ученые подсчитали, что этот путь они должны преодолеть примерно за 3  миллисекунды — как обычный фотон света. Но случилось непредвиденное: измерив время попадания нейтрино в мишень, исследователи вдруг обнаружили, что нейтрино прибыли раньше расчетного времени примерно на 60 наносекунд. Естественно, ученые сначала просто не поверили своим глазам: ведь еще со школьной скамьи всем нам прекрасно известно, что скорость света в вакууме, достигающая 299 792 458 метров в секунду, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, является универсальной физической константой, то есть ничто и никогда не способно двигаться быстрее. Это предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

Поэтому исследователи решили перепроверить свои датчики, а потом повторили эксперимент — с тем же результатом. С тех пор прошло более двух лет непрерывной бомбардировки тау-нейтрино, и, как заявил Дарио Аутьеро, один из руководителей проекта OPERA, они зафиксировали свыше 16 тысяч событий превышения скорости света. Согласитесь, это уже не тот случай, от которого можно просто так отмахнуться.

И вот 23 сентября 2011 года в конференц-зале CERN профессор Дарио Аутьеро от лица международной команды исследователей прочитал специальный доклад, в котором он не только официально подтвердил результаты этого сенсационного эксперимента, но и поставил под сомнение сам фундамент современной науки — теорию Эйнштейна. (Интересная деталь: доклад Аутьеро подписали 174 ученых, тогда как в эксперименте участвовали 216 человек, вероятно, далеко не все ученые согласились подписаться под документом, который фактически выносит приговор одному из постулатов физики элементарных частиц.) Зато свое одобрение коллегам высказал лауреат Нобелевской премии 1976 года Самуэль Тинг, заведующий лабораторией физики высоких энергий Массачусетского технологического института.

Детектор OPERA (на фото) зафиксировал четкий след нейтрино раньше расчетного времени

Фото: CERN

Ошибки быть не может

Поскольку сам профессор Дарио Аутьеро отказался отвечать на какие-либо вопросы журналистов, специальный корреспондент «Огонька» решил попросить прокомментировать это событие Ставроса Катсаневаса, замдиректора французского Национального института ядерной физики и физики элементарных частиц, который также является участником эксперимента OPERA.

— Почему объявили об этих результатах именно сегодня?

— Мы отдавали себе отчет, какой это невероятный шок, когда вы сообщаете, что есть нечто, что летит быстрее света. Это настолько не укладывается в сознании, что мы обязаны были сделать бесконечное число проверок. Мы постоянно учитывали возможность «систематической ошибки», которую в качестве объяснения явления в первую очередь выдвигают скептики. Но проверять можно было действительно до бесконечности. И мы поняли, что пора остановиться, так как помимо нашей воли наши результаты стали просачиваться во вне нашего научного сообщества. Мы не хотели утечки информации до нашего собственного оглашения результатов. А она становилась неизбежной. Ясно было, что пришло время обнародовать наши результаты.

— Тем не менее скептики требуют новых проверок, но уже в других лабораториях мира…

— Я доверяю команде, с которой работал все это время. Наши предосторожности во время эксперимента были очень велики, и весь процесс проходил в высшей степени добросовестно, тщательно, то, что называется «на самом высоком уровне». Но я согласен с заявлением о том, что возможность так называемой систематической ошибки теперь желательно проверить в лаборатории Ферми близ Чикаго. Раньше можно было рассчитывать на действенное участие японских коллег, однако в настоящее время их исследования приостановлены в результате разрушений, случившихся во время землетрясения и цунами. Если и в лаборатории Ферми будет найдено реальное подтверждение наших результатов, то это можно будет считать эпохальным открытием для всей мировой науки.

— Если ваш опрокидывающий основы физики вывод подтвердится и скорость света — действительно не предел, что это даст человечеству?

— Любая теория создается как знаменитая русская кукла матрешка, когда внутри одной матрешки находится другая, поменьше. А потом еще поменьше. И еще. Но сразу увидеть, сколько их внутри и какие они, невозможно. Пока мы открыли только первую матрешку. Закон науки: от общего к частностям, от большого к малому. Видите ли, мы никогда до этого не проверяли теорию Эйнштейна в кинетических условиях. А теперь мы проверяем то, что до нас никто не проверял. И если результат получился таким, значит, не надо пугаться и говорить, что этого не может быть. Надо искать научную истину.

— В вашем эксперименте участвовали российские ученые?

— У нас очень хорошие отношения с Дубной. В составе нашей группы есть немало российских физиков. Мой коллега Александр Ольшевский, руководивший российскими коллегами, очень много сделал для успеха всего эксперимента.

— А что планируете сделать на следующем этапе программы?

— Еще и еще раз с помощью мирового научного сообщества проверить и перепроверить наши результаты.

— Ну, а потом, если не ошиблись?

— Начинать переосмысливать законы физики молекулярных частиц и астрофизики, космологии и всего, если хотите, мироздания…

Великий запрет снят

Еще в 1930 году в Лондоне на банкете, устроенном в честь Альберта Эйнштейна, Бернард Шоу сказал: «Птолемей создал универсум, который просуществовал 1400 лет. Ньютон создал универсум, который просуществовал 300 лет. Эйнштейн создал еще один универсум, и я не могу сказать вам, как долго он будет существовать».

Детектор OPERA зафиксировал четкий след нейтрино (на фото) раньше расчетного времени

Фото: CERN

Что ж, получается, что сегодня и универсум Эйнштейна заканчивает свое существование? Однако не стоит так торопиться.

Дело в том, что специальная теория относительности (СТО) гласит, что мы живем в четырехмерном пространстве и не можем в рамках этого пространства преодолеть скорость света. В то же время СТО не отрицает само по себе существование частиц, способных двигаться со сверхсветовой скоростью. Причем для таких частиц, существующих пока лишь в теории, придумали даже специальное название — тахионы. Правда, их существование физики признают с одной оговоркой: тахионы не могут двигаться медленнее скорости света. При этом зависимость энергии частиц от скорости получается обратной: чем больше энергия, тем ближе скорость тахионов к скорости света.

А для объяснения феномена тау-нейтрино ученые из CERN уже выдвинули первые рабочие гипотезы, подтверждающие положения СТО. Например, одна из гипотез гласит, что тау-нейтрино стало причиной «короткого замыкания» между мирами, благодаря чему они и сократили свой путь.

Кстати, ученые уже не раз фиксировали случаи превышения скорости света — например, 23 февраля 1987 года во время знаменитой вспышки сверхновой звезды SN1987A в Большом Магеллановом облаке. Тогда были зарегистрированы и нейтрино, которые пришли за несколько часов до светового импульса. Однако раз нейтрино и свет, проведя в пути 170 тысяч лет, разошлись не более чем на несколько часов, ученые сделали вывод, что скорости у них очень близки и различаются не более чем на миллиардные доли. Эксперимент же OPERA показывает в тысячи раз более сильное расхождение.

Но пока даже самые отъявленные революционеры из OPERA не спешат прогнозировать, в какую сторону может повернуть наука. Дело в том, что современная физика базируется не только на теории Эйнштейна, но и на квантовой механике, также возникшей в начале XX столетия. И попытка совместить эти две теории, создав Общую теорию всего (или Стандартную модель физики), является сегодня самой амбициозной задачей всех ученых мира. И кто знает, может быть, именно отмена Великого запрета Эйнштейна как раз и сможет помочь ученым сделать то, до чего у самого Альберта Эйнштейна так и не дошли руки?

Борис Штерн «Быстрее скорости света на коте Шрёдингера»

Слайд из презентации спикера

Мифов будет две группы, однако всё связано с передвижением человека или каких-то предметов с большой скоростью. С такой скоростью, что это имеет отношение к полетам к звездам.

1. Миф. Новые законы физики позволят передвигаться быстрее скорости света

1.1. Подмиф. Warp drive

1.2. Полумиф. Кротовые норы

1.3. Смежный миф. Телепортация

Итак, первая группа мифов – перемещение со скоростью быстрее скорости света, что наука когда-нибудь позволит нам это делать. На самом деле это очень тяжелая вещь – как-то обосновать перемещение быстрее скорости света, потому что на страже этого стоит принцип причинности. Вот пример: представьте себе сверхсветовую дуэль. 

Слайд из презентации лектора

Два дуэлянта, между ними посередине секундант. Секундант выпускает световой сигнал, который со скоростью света приходит к дуэлянтам, и по получении сигнала они стреляют. Но пули сверхсветовые. Это могут быть какие-нибудь тахионы, какие-нибудь световые нейтрино, которых не существует, но допустим, такая сущность есть. Наблюдатель Н0, сидящий посередине, так всё и видит: они одновременно получают сигнал, одновременно стреляют и одновременно погибают от этих пуль. И оба получают премию Дарвина за полную бессмысленность своей смерти.

А теперь смотрите, у нас есть наблюдатель, который движется сюда с очень большой, околосветовой скоростью, и для него всё происходит иначе. Потому что скорость света для него и есть скорость света в обоих направлениях, о чем говорит нас специальная теория относительности. Но относительно него наблюдатель Н2 движется ему навстречу, а наблюдатель Н0 убегает назад. Что получается? Получается, что световой сигнал этот наблюдатель получает раньше. И всё было бы в порядке, если бы у них были досветовые пули, а со сверхсветовыми пулями получается, что этот наблюдатель видит, как пуля убивает первого дуэлянта еще до того, как тот получает световой сигнал от секунданта. Это совершенно точно – специальная теория относительности говорит нам именно это. И получается, что наблюдатель видит, что второй дуэлянт жив, а первый мертв. Наблюдатель Н2, который движется в противоположном направлении, видит обратное: первый дуэлянт жив, второй мертв. И это не иллюзия – вот что важно. Он может остановиться и проверить. Действительно, у одного дырка, у другого нет.

Это, грубо говоря, нарушение единственности истории Вселенной. Это один из вариантов нарушения принципа причинности. И это очень серьезная вещь – это то, что запрещает сверхсветовые движения. Грубо это можно перевести как единственность истории Вселенной. Также это отсутствие возможности путешествий в прошлое.

Это был общий принцип, запрещающий сверхсветовое движение, а теперь конкретные его воплощения.

Меня как-то пригласили выступить на каком-то радио по телефону. Я сразу начал с того, что сверхсветовое путешествие невозможно. А меня редактор сразу спрашивает: «А как же Warp drive? Все ведь об этом говорят. Это же научно, это NASA разрабатывает!» Что такое этот Warp drive? Есть общая теория относительности, которая говорит, что тяжелые тела искажают пространство. Пример: черная дыра. Если мы большой массив материи сильно сожмем, пространство будет искажено. Вполне нормальный мексиканский физик по фамилии Алькубьерре нашел такое решение: если взять 10?? граммов материи с отрицательной плотностью энергии (которая не существует) и совместить ее с обычной, а потом сжать в тонкую пленку, то пространство будет искажено так, что эта штука будет двигаться быстрее скорости света, а внутри будет плоское пространство. Наблюдатель может сидеть внутри, никуда не двигаться, и его вся вот эта штука будет нести с огромной скоростью.

Но здесь есть проблема. Знаете, что такое 10?? граммов? Это примерно 10?? масс Солнца, а это уже превышает массу всего, что мы видим в пределах горизонта Вселенной. 10?? галактик… Это невообразимая величина. И, кроме того, не существует материи с отрицательной плотностью энергии. И нет никаких оснований предполагать, что она существует. Зато есть основания утверждать, что такого быть не может.

То есть мы берем несуществующую сущность, причем берем ее в таком количестве, в каком ее взять неоткуда, потому что она превышает массу обозримой Вселенной, и получаем вот этот самый Warp drive, про который говорят фантасты. Я не знаю, по-моему, какая-то терминология на этот счет есть в “Star trek”. Но даже если эту штуку сделать, то непонятно, как туда попасть, как ею рулить и, главное, как потом из нее выбраться. Потому что, судя по всему, это будет находиться под каким-то горизонтом событий, то есть потеряется причинная связь с окружающей Вселенной. Таким образом, это интересный мысленный эксперимент с теорией относительности, но он опять же не имеет никакого отношения к реальности.

Еще одна вещь – кротовые норы. Вообще говоря, вполне возможно, реальная вещь. Например, если вселенные ветвятся и образуются разные вселенные (дочерняя, материнская), то между ними образуется перемычка в виде кротовой норы, которая потом испаряется. Это вполне легальное решение общей теории относительности.

Как путешествовать с помощью кротовых нор? Фактически это две черные дыры: в одну прыгаем, из другой выскакиваем. Они могут соединять разные вселенные, они могут соединять очень далекие области пространства, и тогда мы сокращаем этот путь и напрямую очень быстро, буквально за секунды перескакиваем между ними.

В чем проблема? В том, что «талия» на самом деле очень и очень узкая, и плотность материи там близка к планковской, то есть это 10 в девять-какой-то степени граммов на см?, и там вся информация теряется, там вообще квантовое пространство. А если бы не было квантовой механики, то это была бы просто бесконечная плотность и бесконечно узкое горло. Но ученые ищут лазейки. Один из этих ученых – знаменитый Кип Торн, который писал сценарий для «Интерстеллар» и только что получил Нобелевскую премию. Второй – наш Игорь Новиков. Вот они вместе там много чего наработали. В принципе можно сделать проходимую кротовую нору, если существует так называемая фантомная материя. Что это такое? С плотностью энергии у нее все в порядке – она положительная, но у нее совершенно гигантское натяжение. Это натяжение превышает по абсолютной величине ту плотность энергии, которая у него есть. Вообразить себе такое очень сложно, но почему бы и нет, в конце концов? Оно нарушает какие-то принципы, но эти принципы не столь фундаментальные, как, например, закон сохранения энергии. То есть скорее всего фантомной материи нет, но почему бы нам ее не придумать. Я ни одного дурного слова в адрес Торна и Новикова сказать не хочу – это интересная деятельность, а кротовые норы – совершенно легальное явление в ОТО.

Однако дальше начинаются другие проблемы: опять нарушается причинность. Если эти две черные дыры, являющиеся входами в кротовую нору, движутся относительно друг друга, то на самом деле получается машина времени. На пальцах это объяснить довольно сложно, но это точно установленный факт. Можно нырнуть в кротовую нору, вернуться в прошлое и убить своего дедушку еще до того, как он родил твоего отца. То есть опять нарушение причинности, а это очень серьезный грех для любой теории. Но допустим есть эти кротовые норы, реально проходимые. Тогда что это реально такое? Это черная дыра с массой не менее 100 млн солнечных, иначе тебя разорвет приливными силам, когда ты туда будешь прыгать. То есть она должна быть гигантской, сверхмассивной. Такие черные дыры есть только в центрах галактик. Таким образом, кротовые норы – это интересный объект для изучения, но как транспортное средство не годится вообще никуда и наука нам с этим ничем не поможет. И вообще со всеми искажениями пространства человек должен оперировать колоссальными массами во многие миллионы солнц. Я думаю, человек этому не научится никогда.

Дальше знаменитая телепортация. Вы слышали недавно, наверное, такую новость, что китайцы телепортировали фотон с Земли на спутник. А если можно телепортировать фотоны, то нельзя ли точно так же телепортировать человека? С Земли на спутник. Или к Альфа Центавра куда-нибудь. Вот у меня на слайде кадр из “Star trek”, там это вовсю используется, и вообще это вовсю используется во всей научной фантастике – телепортация классических объектов.

Действительно есть квантовый эффект, который называется – в шутку – квантовой телепортацией. Почему в шутку? Потому что ни о какой телепортации здесь речи не идет. Это на самом деле корреляция. Если есть квантовая система, два запутанных фотона… «Запутанный» что значит? Они вместе рождены, у них должен быть нулевой суммарный спин. Это потрясающая вещь на самом деле. Эти фотоны разлетелись на тысячи километров, и если один экспериментатор регистрирует продольную поляризацию положительную, то другой в тысяче километров обязательно зарегистрирует отрицательную, и наоборот. То есть они всегда обязательно антикоррелированы. Причем это может быть тысяча километров, это могут быть миллионы километров, но всё происходит мгновенно: здесь так, там так. Причем здесь не определено, что будет так. Нет никаких скрытых параметров, которые мы не знаем. То есть фотоны родились, не зная о своей ориентации, просто сумма всегда равна нулю, и если здесь ориентация одна, там другая – это мгновенно передается. Но здесь нет передачи информации. Никаких принципов причинности не нарушается, ничего не нарушается, то есть это чисто только корреляция, и она всё равно поразительна. Она говорит о том, что вот эта гигантская система – это действительно одна система, которая может мгновенно меняться. Это говорит о нелокальности квантовой механики и это сворачивает мозги – если вы сейчас ничего не поняли, значит, всё правильно. Потому что Фейнман говорил, что квантовую механику не понимает никто, просто многие умеют ей пользоваться.

Но теперь все-таки допустим, что есть квантовая телепортация и тогда, может, все-таки и человека можно телепортировать? По этому поводу есть еще один интересный миф: кот Шредингера. Это хороший миф вроде мифов Древней Греции или библейских мифов, которые прочно вошли в нашу культуру. И миф о коте Шредингера тоже вошел в культуру. Сейчас уже обсуждают, что диссертационное дело Мединского – он одновременно есть и одновременно его и нету.

Фото из слайда презентации

Это очень хорошие люди: Стивен Хокинг – замечательный физик, все знают, кто это такой, и Юрий Мильнер, наш соотечественник. Он окончил МГУ, проходил аспирантуру в ФИАНе, разбогател, сделал Mail.ru, с тех пор уехал и из своих средств премирует прекрасных физиков и дает деньги на разные проекты. И вот здесь на фото он объявляет о том, что выделил деньги на проект так называемого Звездного паруса, нанозонда. То, что он держит в руках, это чип, нанозонд, который предполагается отправить к Альфа Центавра. Как отправить? Он весит 1 грамм. Можно привязать к нему парус 16 м? и весом тоже в 1 грамм, светить на него с Земли системой лазеров мощностью 50 гигаватт. Парус в миллионах километров, массив лазеров у нас на Земле, 50 гигаватт, то есть вся Красноярская ГЭС, на него светит и ускоряет давлением света. Лазеры фазируемые – это значит, что можно управлять лучом, фокусироваться и так далее. Ускорение 30.000 g, то есть этот граммовый парус должен держать примерно 30 кг, которые будет весить этот чип.

Зонд ускоряется, через 20 лет прилетает к Проксима Центавра. Парус превращается в линзу Френеля. А дальше двухваттный передатчик отправляет на Землю всю нужную информацию. Чтобы вы понимали: в Вояджере-1 находится 20-ваттный передатчик, он в 2000 раз ближе и передает пару сотен бит в секунду. А здесь в 10 миллионов раз сложнее передать, а они хотят действовать с двухваттным передатчиком с непонятно какой антенной.

Я написал статью в «Троицком варианте» под названием «Двойка по физике Мильнеру с Хокингом». Что вы думаете? Мильнер мне позвонил. Говорит: «Мы не заслуживаем двойки. Вообще проект проработан». Во-первых, у них это всё рассматривал их замечательный экспертный совет, там куча нобелевских лауреатов. Хотя на самом деле тут нужны физики «от сохи», а не нобелевские лауреаты, не свадебные генералы. Вот основной тезис Мильнера: «Мы забежали вперед по времени, обогнали время, но технологии стремительно развиваются и нас догонят». Дальше он мне предложил, чтобы я взял интервью у Любина, главного идеолога данного проекта. Разговор был трудный. Я вычислил с помощью астрономов, что им нужно 20 млн фазируемых лазеров. «Не проблема. Мы это понимаем, сделаем. Всё будет». Я говорю: «У вас этот парус черт знает где, это световые минуты, а атмосфера дрожит с постоянной времени доли секунды. Как вы будете управлять этим?» – «Ну, мы разместим близкую мишень и по ней будем смотреть, как это всё делается». То есть настоящего управления, обратной связи у них нет – это всё тут же пойдет в разнос. Я говорю: «Вы никак не сможете передать сигнал». – «Сможем, там хорошее разрешение». Я оценил, значит, что ничего они не смогут.

Если они соберут, не дай бог, эти 20 миллионов лазеров, то парус сгорит из-за всяких нелинейно оптических эффектов. А если не сгорит, то порвется, потому что там противоречивые требования – с одной стороны идеальная прозрачность, с другой стороны прочность. Если и не порвется, то потеряется. Если не потерялся здесь, то потеряется там. И даже если не потеряется, то всё равно ничего не сможет передать, потому что это двухваттная фитюлька. Посчитайте там число фотонов на фоне зодиакального света звезды, гала звезды. Ну никак. Они говорят: «А мы пошлем их тысячи!» Тут сколько ни посылай… Если вероятность ноль, то если умножить ее на тысячу, она нулем и останется.

Вот на фото всё очень хорошие люди. Любин, которого я по мейлу тягал, Хокинг, Мильнер, и еще один знаменитый человек – Фримен Дайсон, который не так давно приезжал в Москву. Он вообще один из основателей квантовой электродинамики. Но душа поэта и фантазера в нем пересилила физика, и он замешан во всяких совершенно завиральных проектах, типа сферы Дайсона. И вот он здесь же.

А теперь идем в глубь времен: взрыволет. Еще один проект межзвездного космического корабля. И опять Дайсон. Не он первый его предложил, но он с энтузиазмом бросился в это дело с головой. Что это такое – огромная плита в миллионы тонн, за этой плитой взрываются многие тысячи водородных бомб, толкают ее, звездолет разгоняется. Проблема какая? Эта штука очень неэффективная: надо жуткое количество водородных бомб, жуткая плита, очень высокий порог по весу – его не сделаешь трехтонным, это должны быть миллионы тонн или хотя бы сотни тысяч. Сколько бомб ни бери, всё забьет унылая формула Циолковского, в которой все под логарифм. То есть мы увеличило число в 10 раз, немножко увеличилась скорость, увеличили еще в 10 раз, еще немножко увеличилась. То есть логарифм нам всё портит. И главное: бомбу-то взорвали (на самом деле водородная бомба примерно в 3 раза эффективнее атомной, термоядерный синтез эффективнее), но у нас всё летит в разные стороны в 4 ?. И на этом сразу теряется четверка по импульсу, а если перевести в единицы энергии, то это в квадрат надо возводить – проигрыш в затраченной энергии в 16 раз. То есть жутко неэффективно, жутко завирально.

Значит ли это, что вообще любые звездные перелеты – миф? Правильный ответ – нет, не значит. Но пока что это остается мифом не по техническим причинам, а по причинам нашей психологии. Межзвездный перелет – вполне реальная вещь, но за сотни лет. Вещь вполне реальная на обычной ядерной энергии, то есть обычный уран-235. Проблема в том, что кто будет работать ради потомков через 200 или даже 300 лет, когда зонд прилетит к Альфа Центавра? Вариантов запустить зонд и получить информацию при жизни нет. Мильнер вот пытался это профинансировать, но всё равно это не сработает.

Поэтому будущее межзвездных перелетов зависит от того, станет ли у нас больше альтруизма. Альтруизма по отношению к потомкам. Я целую книжку об этом написал: «Ковчег 47 Либра». Значит, еще раз – всё возможно. Если когда-нибудь зонд будет у соседних планет, это будет зонд на ядерном топливе. Его можно будет даже затормозить и спустить спускаемый аппарат, а в спускаемом аппарате могут быть споры, семена, что угодно. На этом у меня всё.

Быстрее света – Учительская газета

Считается, что самая большая скорость во Вселенной – это скорость света, она составляет около 300 тысяч километров в секунду. Однако совсем недавно физики из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса в Калифорнии и Университета Рочестера в Нью-Йорке смогли доказать, что и эту скорость можно превысить.

Скоростью света именуют абсолютную величину скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. Она является одной из фундаментальных физических постоянных и на данный момент считается равной 299792458 метров в секунду, или 1079252848,8 километра в час. Согласно теории относительности Эйнштейна этот параметр не зависит от выбора инерциальной системы отсчета.

То есть скорость света в вакууме является одинаковой во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно по отношению друг к другу. Из этого следует, что скорость любого сигнала или элементарной частицы не может превышать скорости света. Если бы она не являлась постоянной величиной, то был бы нарушен принцип причинности и сигналы из будущего могли бы доходить в прошлое. Теоретически мы могли бы получать электронные сообщения, которые еще не написаны… Можно пофантазировать и насчет машины времени.

Хотя в принципе некоторые объекты способны передвигаться и со скоростью большей, чем свет, их нельзя использовать для переноса информации. Скажем, солнечный зайчик может двигаться по стене со сверхсветовой скоростью, но, если вы попытаетесь при его помощи с такой же скоростью перенести информацию от одной точки стены к другой, вам это никак не удастся.

Так что нельзя было бы применить это свойство солнечного зайчика для создания сверхбыстрых компьютеров, например.

Ученые во всем мире уже давно экспериментируют в лабораториях с изменением скорости световых импульсов, как замедлением их, так и ускорением. При этом в предыдущих опытах использовались самые разные материалы, например холодные атомные газы, светопреломляющие кристаллы и оптические волокна.

Не дремлют и разработчики космических аппаратов. Надежды здесь возлагаются в основном на использование в космических двигателях антиматерии. По мнению исследователей, более 20% Вселенной составляет загадочная темная материя, которая не пропускает электромагнитного излучения и которую невозможно увидеть. Однако ее следы обнаружить все-таки можно по наличию позитронов – античастиц, входящих в состав космических лучей.

Как полагают физики, темная материя состоит из вимпов – слабо взаимодействующих между собой тяжелых частиц. Для них характерны только слабое ядерное и гравитационное взаимодействия, поэтому их довольно сложно обнаружить экспериментальным путем. Масса вимпов должна как минимум в десятки раз превосходить массу протона. При этом они должны двигаться хаотически и со средней скоростью около 300 километров в секунду…

При контакте частиц обычного вещества и антивещества происходит их аннигиляция. При этом выделяется количество энергии, в тысячи раз превышающее выброс при ядерной реакции и в миллиарды раз – выброс при сжигании углеводородов. Таким образом, если бы удалось сконструировать двигатель, работающий на основе антиматерии, это стало бы настоящим прорывом и открыло перед человечеством невиданные перспективы.

И попытки делаются. Так, физик Мигель Алькубьерре планировал построить аппарат с так называемым варп-двигателем в форме мяча для регби, окруженного плоским кольцом. Но оказалось, что для этого потребуется сгусток антиматерии размером с Юпитер.
Сотрудник НАСА Гарольд Уайт модифицировал данный проект.

Теперь кораблю требовалось для движения всего полтонны антиматерии. Устройство позволяло искривлять пространство-время и двигаться в 10 раз быстрее скорости света. Это предполагало, что путь к ближайшей от Солнца звезде должен занять всего четыре-пять месяцев.

Главная трудность, связанная с проектом, – нестабильность антивещества. Всего треть грамма антиматерии может высвободить количество энергии, аналогичное тому, что «выплеснулось» при бомбардировке Хиросимы. Если же построить корабль по расчетам Уайта, то энергии вырвется столько, что хватит на полтора миллиона Хиросим, и земной шар может быть уничтожен…

Чем же отличились ученые из лаборатории Лоуренса и Университета Рочестера? Как пишет Physical Review Letters, им удалось смоделировать соответствующую ситуацию, используя в качестве среды для моделирования облако горячих заряженных частиц. Импульсы световых частиц – фотонов – при столкновении могут создавать волны, проходящие через вещество с так называемой групповой скоростью (в научной терминологии – «волна волн»).

Исследователи сумели оторвать электроны от ионов водорода и гелия в световом потоке, посылаемом через плазму вторым источником света, и групповая скорость этого потока стала меняться. Постепенно меняя электромагнитные условия, специалисты научились корректировать скорость световых волн в плазме, то замедляя ее до одной десятой от обычной скорости света в вакууме, то превышая на 30%.

Чем же может быть полезно данное открытие? Оно не только дает нам знание о реализации сверхсветовых скоростей, но и способствует созданию сверхмощных лазерных установок. В современных лазерах применяются твердотельные оптические материалы, которые при наличии высоких энергий легко повреждаются. Решить проблему помогло бы использование потоков плазмы для изменения световых параметров.

До межгалактических перелетов нам пока далеко, это факт. Зато уже в ближайшее время на основе этих установок можно будет создавать экологичные ускорители частиц и термоядерные реакторы, которые позволят генерировать колоссальные объемы энергии, не нанося ущерба окружающей среде. Например, топливом для таких реакторов мог бы стать лед, а не традиционный газообразный водород.

Лада КОВАЛЕНКО

Физики превысили порог скорости света при помощи импульсов в среде горячей плазмы

Фотоны света, перемещающиеся в среде космического вакуума, двигаются со скоростью около 300 тысяч километров в секунду.

И именно это значение является фундаментальным верхним пределомскорости в нашей Вселенной. Ничто, никакая материя, энергия или информация не могут перемещаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме. Этот закон, ограничивающий скорость перемещения, пока еще ни разу не нарушался и вряд ли будет нарушен в будущем. Но у света имеются некоторые характеристики, способность управления которыми не дает и не даст нам в будущем возможности добираться до ближайших звезд быстрее, однако, все это может открыть нам целый ряд совершенно новых лазерных технологий.

Ученые физики уже давно «играют» с изменением скорости распространения света, ускоряя импульсысвета или замедляя их до полной неподвижности. Все это делается при помощи различных материалов, таких, как газы из сверхохлажденных атомов, кристаллы с экзотическими оптическими свойствами и даже оптоволокно.

На этот раз ученые из Ливерморской Национальной лаборатории и университета Рочестера использовали в качестве среды распространения света горячую плазму, газ из заряженных частиц. В среде этой плазмы создавались стабильные колебания, на некоторых из участков которых скорость распространения импульсов света замедлялась до одной десятой от обычной скорости света, а на других участках скорость импульсов превышала скорость света в вакууме на 30 процентов.

30-процентное превышение скорости света — это, конечно, звучит впечатляюще. Однако, тех, кто мечтает слетать на выходные куда-нибудь на Проксиму Центавра, ждет большое разочарование — возможности межзвездных путешествий пока все также остаются в подчинении законов и ограничений классической физики.

Скорость движения фотона в вакууме ограничена скоростью взаимодействия магнитных и электрических полей, что называется электромагнетизмом. А импульсы фотонов лазерного света, имеющих одинаковую частоту, фазу и поляризацию, могут быть замедлены или ускорены, как и любые другие электромагнитные волны. Ритмичный взлет и падение групп световых волн, перемещающихся через нелинейный материал, называется термином групповая скорость. И как раз именно эту групповую скорость можно или замедлить, или ускорить в зависимости от электромагнитных характеристик окружающей среды.

Срывая электроны с потока атомов водорода и гелия при помощи света лазера, и превращая этот поток в поток плазмы, ученые смогли изменить скорость группы световых импульсов, посланных в среду плазмы вторым лазером. Регулируя степень ионизации плазмы, процентное соотношение газов и другие параметры, ученые смогли в одном случае замедлить скорость импульсов света или ускорить ее до скорости, превышающей скорость света в вакууме.

Эффект ускорения возникал из-за наличия в плазменной среде областей с различными коэффициентами преломления. При этом возникал весьма странный парадокс, отдельные частицы света продолжали двигаться с обычной для них скоростью, а скорость их коллективного движения ускорялась.

Отметим, что возможность такого ускорения была ранее обоснована только теоретически, а получение практического подтверждения позволит ученым проникнуть глубже в тайны физики плазмы и повысить точность существующих сегодня теоретических моделей.

И это далеко не совпадение, что в данном эксперименте приняли участие ученые из Ливерморской Национальной лаборатории, одним из направлений деятельности которой являются лазеры различных типов. Вполне возможно, что в будущем появятся лазеры совершенно нового типа, в которых потоки плазмы будут использоваться для усиления или управления параметрами генерируемого потока света, как это делается сейчас в плазменных ускорителях элементарных частиц.

Наглядно о том, почему скорость света не такая быстрая

Для любого человека выражение «со скоростью света» стало синонимом слова «мгновенно». Действительно, масштабы нашей планеты не позволяют уловить конечность скорости света, однако уже довольно давно физиками была установлена предельная величина, с которой можно передвигаться сквозь пространство — 299 792 458 м / с.

Много это или мало? Безусловно, для наших повседневных занятий — более чем достаточно. Но если взглянуть на скорость света в масштабах Вселенной, становится понятно, что предельная скорость взаимодействия удручающе мала.

Работник NASA Джеймс О’Донохью наглядно показал ограничения, которые наложила на нас природа. В первом видео он «запустил» пучок фотонов по экватору. Действительно, невероятно быстро!

Но уже второе видео, где пучок фотонов движется от Земли до Луны и обратно, заставляет нас взглянуть на стремительность света немного иначе.

А от третьего видео и вовсе становится грустно. Даже до Марса — планеты, по поверхности которой двигаются земные марсоходы, фотоны летят удручающе долго — в момент максимального сближения Земли с красной планетой мы передаем туда сигнал целых 3 минуты и 2 секунды! Представьте, оператор NASA после нажатия на кнопку управления марсоходом, чтобы тот сделал свое селфи, должен ждать больше трех минут, пока робот не начнет исполнять команду. Отсталые американские технологии? Нет, предельная скорость распространения взаимодействия!

О более далеких объектах, таких как зонд «Вояжер-1», и говорить не приходится. Недавно ученые вновь смогли запустить его двигатели — сигнал до «старичка» шел целых 19 часов и 35 минут, а ведь он всего лишь немного вышел за границы Солнечной системы.

Получается, что в масштабах Вселенной скорость света мала, но это правило верно для тех, кто наблюдает за объектом, движущимся с подобной скоростью, со стороны. Например, с точки зрения наблюдателя на Земле, космический корабль, летящий с околосветовой скоростью до ближайшей звезды, будет вынужден преодолевать это расстояние десятки, если не сотни лет. Но для экипажа космического корабля, где время относительно земного будет замедлено, подобное путешествие займет намного меньше времени — пару месяцев или даже недель. И чем быстрее будет его скорость, тем меньшее время для него займет путешествие. Теоретически, частицы, движущиеся со скоростью света, могут и вовсе мгновенно оказаться в любо точке Вселенной, несмотря на чудовищные расстояния.

Иллюстрация: deposit photos | rolffimages

comments powered by HyperComments

Нейтрино способны двигаться со скоростью, превышающей скорость света

Сверхинертные частицы нейтрино способны двигаться быстрее скорости света, обнаружили итальянские ученые, которые «ловят» пучок нейтрино из Женевы в лаборатории около Рима. Если наблюдения подтвердятся независимыми экспериментами, это перевернет современную физику.

Скорость света — одна из универсальных физических констант, она не зависит от выбора инерциальной системы отсчета и описывает свойства пространства-времени в целом. Скорость света в вакууме равна 299 792 458 метров в секунду, и это предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий. Так учат нас школьные книги по физике. Еще можно вспомнить о том, что масса тела как раз не является постоянной и при приближении скорости к скорости света стремится к бесконечности. Именно поэтому со скоростью света движутся фотоны — частицы без массы, а частицам с массой это значительно труднее.

Однако международный коллектив ученых масштабного эксперимента OPERA, расположенного недалеко от Рима, готов поспорить с азбучной истиной.

Ему удалось обнаружить нейтрино, которые, как показали эксперименты, движутся со скоростью больше скорости света,

сообщает пресс-служба Европейской организации ядерных исследований (CERN).

Эксперимент OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) изучает самые инертные частицы Вселенной — нейтрино. Они настолько инертны, что могут пролететь насквозь через весь Земной шар, звезды и планеты, а для того, чтобы они ударились в преграду из железа, размер этой преграды должен быть от Солнца до Юпитера. Каждую секунду через тело каждого человека на Земле проходит порядка 10¹⁴ нейтрино, испущенных Солнцем. Вероятность того, что хотя бы одно из них ударится в ткани человека на протяжении всей его жизни, стремится к нулю. По этим причинам регистрировать и изучать нейтрино чрезвычайно трудно. Лаборатории, которые этим занимаются, находятся глубоко под горами и даже подо льдами Антарктиды.

OPERA получает пучок нейтрино из CERN, где находится Большой адронный коллайдер. Его «младший брат» — суперпротонный синхротрон (SPS) — направляет пучок прямо под землей в сторону Рима. Получаемый пучок нейтрино проходит сквозь толщу земной коры, тем самым очищаясь от других частиц, которые вещество коры задерживает, и попадает прямиком в лабораторию в Гран-Сассо, укрытую под 1200 м скалы.

Подземный путь в 732 км нейтрино преодолевают за 2,5 миллисекунды.

Детектор проекта OPERA, состоящий из примерно 150 тысяч элементов и весящий 1300 т, «ловит» нейтрино и изучает их. В частности, основной целью является изучение так называемых нейтринных осцилляций — переходов из одного типа нейтрино в другой.

Ошеломляющие результаты о превышении скорости света подкреплены серьезной статистикой: лаборатория в Гран-Сассо наблюдала около 15 тыс. нейтрино. Ученые выяснили, что

нейтрино движутся со скоростью, на 20 миллионных долей превышающей скорость света — «непогрешимый» предел скорости.

Этот результат стал для них неожиданностью, его объяснения пока не предложено. Естественно, для его опровержения или подтверждения требуются независимые эксперименты, проведенные другими группами на другом оборудовании, — этот принцип «двойного слепого контроля» реализован и на Большом адронном коллайдере CERN. Коллаборация OPERA незамедлительно опубликовала свои результаты, чтобы дать возможность коллегам по всему миру проверить их. Детальное описание работ доступно на сайте препринтов Arxiv.Org.

Официальное представление результатов состоится сегодня на семинаре в CERN в 18.00 по Москве, будет вестись онлайн-трансляция.

«Эти данные стали полной неожиданностью. После месяцев сбора, анализа и очистки данных, а также перекрестных проверок мы не нашли ни в алгоритме обработке данных, ни в детекторе возможного источника системной ошибки. Поэтому мы публикуем наши результаты, продолжаем работу, а также надеемся, что независимые измерения других групп помогут понять природу этого наблюдения», — заявил руководитель эксперимента OPERA Антонио Эредитато из Университета Берна, слова которого приводит пресс-служба CERN.

«Когда ученые-экспериментаторы обнаруживают некий неправдоподобный результат и не могут найти артефакта, который бы его объяснял, они обращаются к своим коллегам из других групп, чтобы началось более широкое исследование вопроса. Это хорошая научная традиция, и коллаборация OPERA сейчас следует ей.

Если наблюдения превышения скорости света подтвердятся, это может изменить наше понимание физики, но мы должны удостовериться в том, что они не имеют другого, более банального объяснения.

Для этого и нужны независимые эксперименты», — заявил научный директор CERN Серджо Бертолуччи.

Проводимые в OPERA измерения чрезвычайно точны. Так, расстояние от точки пуска нейтрино до точки их регистрации (более 730 км) известно с точностью до 20 см, а время пролета измеряется с точностью до 10 наносекунд.

Эксперимент OPERA работает с 2006 года. В нем принимают участие примерно 200 физиков из 36 институтов и 13 стран, в том числе и из России.

Почему «C» скорость света?

Мы получаем всевозможные вопросы в нашем почтовом ящике «Спроси физика» (включая положительно обескураживающий номер от людей, которые, кажется, думают, что это «Спроси экстрасенса»), но одна тема, которая, кажется, постоянно пробуждает воображение и любопытство людей, — это скорость светлый. Что это определяет и почему ничто не может идти быстрее этого? Что будет, если мы попробуем? Обдумывать эти вопросы и пытаться найти на них ответы само по себе увлекательно и весело, но, что более важно, это дает нам представление о правилах, лежащих в основе нашей Вселенной.Сегодня мы рассмотрим один из этих вопросов и его поучительный (без каламбура) ответ: почему скорость света в вакууме составляет ~ 300000000 метров в секунду? Почему c ?

Представьте, что у вас есть заряженный провод, который бесконечно тянется в обоих направлениях. Поскольку он бесконечен, трудно говорить о том, сколько всего заряда находится на проводе, как мы могли бы это сделать, если бы это было что-то вроде сферы.Однако, глядя на конечную единицу длины, мы можем говорить, например, о заряде на метр или плотности заряда .

Бесконечный провод выглядит одинаково из любой точки по своей длине, поэтому, когда вы думаете о силе электрического поля, создаваемого зарядом в этом проводе — насколько сильно заряженная частица будет притягиваться или отталкиваться им — это будет зависеть исключительно от плотности заряда провода и расстояния от частицы до провода (а также от диэлектрической проницаемости среды, в которой вы находитесь, которая для наших целей является вакуумом.) Уравнение электрического поля вокруг этого провода показано ниже:

Теперь, на бесконечном расстоянии, кто-то начинает наматывать этот провод, протягивая его вдоль своей оси. Для всех практических целей это движение создает ток; вместо того, чтобы перемещать заряды в проводе (как при изменении напряжения на одном конце), мы перемещаем сам провод вместе с содержащимися в нем зарядами. Что касается того, почему, вы, надеюсь, скоро поймете.

Как вы, возможно, знаете, ток в проводе создает магнитное поле, которое вращается вокруг этого провода. Сила этого магнитного поля будет зависеть от вашего расстояния до провода ( d ), а также от силы тока, которая в данном случае является произведением плотности заряда провода и скорости, с которой он протягивается. .

А теперь представьте, что у вас есть второй из этих проводов, параллельный первому, заряженный тем же напряжением и протянутый в том же направлении с той же скоростью. Имея одинаковый заряд, два провода будут отталкиваться друг от друга из-за своего электростатического отталкивания.

Статический электрический заряд на этих проводах заставляет их отталкивать друг друга. Однако, поскольку провода тянутся в одном направлении, в каждом из них фактически присутствует ток и магнитное поле, которое сопровождает эти токи. Когда у вас есть два тока, направленные в одном направлении в параллельных проводах, их магнитные поля создают силу притяжения между ними — чем быстрее они движутся, тем сильнее становится эта сила притяжения.

Если вы внимательно следите, то увидите, что мы создали сценарий, в котором сила притяжения магнетизма противодействует отталкивающей электрической силе между этими проводами.Однако, как вы можете видеть из приведенных выше уравнений, сила этой магнитной силы зависит от того, насколько быстро движутся провода, а отталкивающая электрическая сила — нет (отсюда общий физический термин , электростатический ). Итак, с какой скоростью должны двигаться провода, чтобы электрическое отталкивание нейтрализовалось магнитным притяжением? Мы можем выяснить это, установив два уравнения силы равными друг другу, как показано ниже, а затем решив для v .

Немного алгебры помогает нам избавиться от скобок и уменьшить дробь в правой части уравнения, в результате получится:

Один удивительный результат на этом этапе состоит в том, что член плотности заряда появляется в одном и том же месте на обеих сторонах уравнения и возведен в одну и ту же степень, что означает, что его можно «сократить» — скорость, с которой должны двигаться провода. уравновешивание их электрических и магнитных сил совершенно не зависит от того, насколько сильно они заряжены.Коэффициент 2 * pi * d также сокращается, что означает, что расстояние между проводами также не имеет значения в этом уравнении. Разделение всех лишних членов превращает уравнение в:

и, наконец, решение для v дает:

Если вы подставите фактические числовые значения диэлектрической проницаемости и проницаемости вакуума, получится 299 792 400 метров в секунду — это точная скорость света!

Так что это значит? Во-первых, это означает, что в действительности вы никогда не сможете перемещать провода достаточно быстро, чтобы их электрическое отталкивание полностью нейтрализовалось их магнитным притяжением, поскольку ни один массивный объект никогда не может двигаться со скоростью света. Но что еще более важно, это дает нам ключ к разгадке , почему — это скорость света в вакууме; это скорость, при которой электрические и магнитные силы уравновешиваются, чтобы создать стабильный пакет электромагнитных волн, который может перемещаться бесконечно. Если помедленнее, фотон рассыплется, точно так же, как провода будут раздвинуты электрическим отталкиванием. Еще быстрее, и магнетизм преодолеет это отталкивание и сблизит их, разрушив систему. С помощью не более чем математики уровня средней школы легко показать, что скорость света в среде (или в космическом вакууме) неизбежно возникает как следствие электрической и магнитной проницаемости этой среды.

Я знаю, что это было ужасно математически для сообщения в блоге (на самом деле нам приходилось решать все это как домашнее задание еще в колледже), но, надеюсь, это дало вам представление об одной из самых захватывающих и увлекательных частей физики — возможность выводить и открывать буквальные универсальные истины с помощью всего лишь небольшого количества воображения и математики.

Скорость света — обзор

9.6 Скорость

Мы заявляли, что на скорость света не влияет относительная скорость передатчика и приемника.Теперь необходимо рассмотреть влияние относительного движения систем отсчета на наблюдаемые скорости. Начиная с уравнений Лоренца, уравнение (9.34), записанное в дифференциальной форме

(9.71) Δ (ct) ′ = γΔct − γβΔx

(9.72) Δx ′ = γΔx − γβΔ (ct)

и уравнение деления (9.72 ) по (9.71) дает

Δx′cΔt ′ = Δx − βcΔtcΔt − βΔx

Деление числителя и знаменателя правой части на c Δ t и переход к пределу Δ t → 0 дает

u′xc = ux / c − β1 − βux / c

или

(9.75) u′x = ux − v1 − vux / c2

Аналогично найдены две другие скорости:

(9,76) u′y = uyγ (1 − vux / c2)

и

(9,77) u. ′ Z = uzγ (1 − vux / c2)

Для преобразования Галилея, если u _x , близко к c и — v близко к c , тогда u _x ′ может превышать c . Используя уравнение (9.75), можно показать, что u _x ′ никогда не может превышать c при условии, что величины как u _x , так и v меньше c , как того требует специальная теория относительности.Это доказывается переписыванием уравнения (9.75) в виде

u′xc = ux / c − v / c1− (v / c) (ux / c)

, которое имеет вид

, поэтому нам нужно показать, что если | x | <1 и | y | <1, тогда | z | <1. Это эквивалентно доказательству

или

(1 − yx) 2> (x − y) 21 + y2x2−2yx> x2 + y2−2yx (1 − x2)> y2 (1 − x2)

Наконец,

, который удовлетворяет нашим условиям. Поскольку приведенные выше выражения симметричны в x и y , следует, что 1> x ² также удовлетворяется.Таким образом, наше утверждение, что | u′x / c | <1, доказано.

Теперь мы ищем четырехвекторную форму скорости, которая трансформируется так же, как четырехвектор событий. Разницу между двумя событиями можно записать как

(9,78) (ΔE) = (Δct Δx Δy Δz) T

, и нам нужно разделить на подходящий временной интервал. Изменение собственного времени Δτ не зависит от движения наблюдателя; следовательно, деление на эту величину гарантирует, что определенная таким образом скорость будет вести себя при преобразовании Лоренца, идентично (Δ E ).

Скорость частицы относительно фиксированной системы отсчета будет

, так что

(9.80) γ = (1 − u2 / c2) −1/2

для системы отсчета, движущейся вместе с частицей.

Собственное время, как указано в уравнении (9.45), составляет

, где

γ ′ = (1 − u′2 / c2) −1/2

Теперь мы можем записать правильную скорость как

(U ) = (ΔctΔτΔxΔτΔyΔτΔzΔτ) T Δτ → 0

или, поскольку Δτ = Δ τ / γ ,

(9,81) (U) = γ (c ux uy uz) T

Аналогично

(9.82) (U ′) = γ ′ (c u′x u′y u′z) T

Теперь для проверки преобразуем уравнение (9. 81), используя уравнение преобразования (9.34), чтобы получить

(9.83) γ ′ C = γ0γc − γ0β0γux

(9,84) γ′u′x = −γ0β0γc + γ0γux

, где

и v — относительная скорость между двумя кадрами.

Из уравнения (9.83) получаем

γ ′ / γ = γ0 (1 − β0ux / c)

Таким образом, из уравнения (9.84)

и из уравнений (9.85) и (9.86)

u′y = uy (1 − vux / c2) u′z = uz (1 − vux / c2)

, которые аналогичны уравнениям (9.75) до (9.77), полученных ранее. Этот результат дает уверенность в методе получения соответствующей четырехскоростной скорости.

Теперь оценим произведение ( U ) и его сопряженного

(9,87) (U) T (U˜) = γ2 (c2 − ux2 − uy2 − uz2) = γ2 (c2 − u2) = c2 −u21 − u2 / c2 = c2

, что, конечно, инвариантно.

Нам говорят, что скорость света постоянна. Постоянная относительно чего? Есть ли во Вселенной некая основополагающая система отсчета? | Примечания и запросы

Если скорость света изменится, как это повлияет на нашу жизнь?

Игорь Стеванович / Алами

Если скорость света изменится, как это повлияет на нашу жизнь?

@MeliEscarcega через Twitter

Мы бы не заметили. Или мы умрем. Зависит от того, насколько он изменился.

Эшли Брайант Веллингтон, Новая Зеландия

Теория относительности уже говорит нам, что произошло бы, если бы скорость света изменилась, и ответ — ничто.

Представьте неподвижного наблюдателя на платформе, смотрящего на световые часы в быстро движущемся поезде. Они смогут наблюдать, что в поезде свет в световых часах принимает более длинный путь, и, следовательно, часам требуется больше времени для завершения одного полного цикла, чем часам в их системе отсчета.

Но люди в поезде этого не заметят. Это потому, что все движения замедляются одинаково в движущейся системе отсчета, поэтому движение, мышление и даже старение человека замедляются в равной степени со световыми часами, так что в движущейся системе все выглядит так же, как и в неподвижной. один.

Вопрос может заключаться в замедлении только скорости света и ни о чем другом, например о материи, что создает относительную разницу.

Но в самом фундаментальном смысле материя — это волновые функции, движущиеся и коллапсирующие со скоростью света. Это означает, что скорость материи и всего остального связана со скоростью света.

Если вы уменьшите скорость света, вы замедляете все, и, как в движущемся кадре, если все замедляется, вы этого не заметите.Так что изменение скорости света ни на что не повлияет.

Graham Smith Werribee, Victoria, Australia

Энергия фотона света равна постоянной Планка, умноженной на частоту.

Если свет, уже излучаемый за последние 13 миллиардов лет, увеличился по частоте, тогда должно выполняться одно из следующего: либо фотоны получили энергию из ниоткуда, и принцип сохранения энергии неверен, либо постоянная Планка должна быть изменяются обратно пропорционально изменению скорости света.

Постоянная Планка и скорость света являются примерами фундаментальных констант в нашей Вселенной. Если они могут измениться, то, возможно, все остальные тоже могут измениться. Наша Вселенная представляет собой тонкий баланс этих фундаментальных констант. Небольшое изменение в любом из них может положить конец вселенной, какой мы ее знаем.

Эрик Кваален Les Essarts-le-Roi, Франция

В физике важны безразмерные константы. Например, постоянная тонкой структуры определяет силу электромагнитной силы.Он связан с элементарным зарядом, скоростью света и постоянной Планка и имеет значение примерно 1/137 без единиц измерения.

Если бы скорость света изменилась, но элементарный заряд и постоянная Планка не изменились, то изменилась бы постоянная тонкой структуры, и это повлияло бы на химию и ядерную стабильность.

Том Кингвелл через Facebook

Я хотел бы подумать, что бы произошло, если бы скорость света уменьшилась, но у меня просто не было бы энергии.

Чтобы ответить на этот вопрос или задать новый, напишите по адресу [email protected].

Вопросы должны быть научными вопросами о повседневных явлениях, а вопросы и ответы должны быть краткими. Мы оставляем за собой право редактировать элементы для ясности и стиля. Пожалуйста, укажите почтовый адрес, номер телефона в дневное время и адрес электронной почты.

New Scientist Ltd сохраняет за собой полный редакторский контроль над опубликованным содержанием и оставляет за собой все права на повторное использование материалов вопросов и ответов, представленных читателями, на любом носителе и в любом формате.

Вы также можете отправить ответы по почте по адресу: The Last Word, New Scientist, 25 Bedford Street, London WC2E 9ES.

Применяются правила и условия.

Есть только один способ превзойти скорость света

Здесь кристалл кальцита поражается лазером, работающим на 445 нанометрах, флуоресцирующим и … [+] проявляющим свойства двойного лучепреломления. В отличие от стандартной картины распада света на отдельные компоненты из-за разной длины волны, составляющей свет, свет лазера имеет одинаковую частоту, но, тем не менее, разные поляризации разделяются.

Ян Павелка / Европейский конкурс научной фотографии 2015

В нашей Вселенной есть несколько правил, которым все должно подчиняться. Энергия, импульс и угловой момент всегда сохраняются при взаимодействии любых двух квантов. Физика любой системы частиц, движущихся вперед во времени, идентична физике той же самой системы, отраженной в зеркале, с заменой частиц на античастицы, где направление времени меняется на противоположное. И есть предел космической скорости, который применяется к каждому объекту: ничто не может превышать скорость света, и ничто, обладающее массой, не может достичь этой пресловутой скорости.

За прошедшие годы люди разработали очень хитрые схемы, чтобы попытаться обойти это последнее ограничение. Теоретически они ввели тахионы как гипотетические частицы, которые могут превышать скорость света, но тахионы должны иметь воображаемую массу и не существуют физически. В рамках общей теории относительности достаточно искривленное пространство могло бы создать альтернативные, укороченные пути, по которым должен проходить свет, но в нашей физической Вселенной нет известных кротовых нор. И хотя квантовая запутанность может создавать «жуткие» действия на расстоянии, никакая информация никогда не передается быстрее света.

Но есть один способ превзойти скорость света: войти в любую среду, кроме идеального вакуума. Вот физика того, как это работает.

Свет — это не что иное, как электромагнитная волна с синфазными колебательными электрическими и магнитными … [+] полями, перпендикулярными направлению распространения света. Чем короче длина волны, тем более энергичен фотон, но тем более он чувствителен к изменениям скорости света в среде.

And1mu / Wikimedia Commons

Вы должны помнить, что свет — это электромагнитная волна.Конечно, он также ведет себя как частица, но когда мы говорим о скорости ее распространения, гораздо полезнее думать о ней не только как о волне, но как о волне осциллирующих синфазных электрических и магнитных полей. Когда он проходит через космический вакуум, ничто не мешает этим полям перемещаться с естественной амплитудой, определяемой энергией, частотой и длиной волны. (Которые все связаны.)

Но когда свет проходит через среду, то есть любую область, где присутствуют электрические заряды (и, возможно, электрические токи), эти электрические и магнитные поля сталкиваются с некоторым уровнем сопротивления их свободному распространению.Из всех вещей, которые могут изменяться или оставаться неизменными, свойство света, которое остается постоянным, — это его частота, когда он движется из вакуума в среду, из среды в вакуум или из одной среды в другую.

Однако, если частота остается прежней, это означает, что длина волны должна измениться, а поскольку частота, умноженная на длину волны, равняется скорости, это означает, что скорость света должна изменяться в зависимости от среды, которую вы распространяете через изменения.

Схематическое изображение непрерывного луча света, рассеиваемого призмой.Обратите внимание на то, как … [+] волновая природа света согласуется с более глубоким объяснением того факта, что белый свет может быть разделен на разные цвета.

Пользователь Wikimedia Commons LucasVB

Одна из ярких демонстраций этого — преломление света, проходящего через призму. Белый свет, как и солнечный свет, состоит из непрерывного света самых разных длин волн. Более длинные волны, такие как красный свет, обладают меньшими частотами, в то время как более короткие длины волн, такие как синий свет, обладают более высокими частотами.В вакууме все длины волн движутся с одинаковой скоростью: частота, умноженная на длину волны, равна скорости света. Волны с более синей длиной волны обладают большей энергией, поэтому их электрическое и магнитное поля сильнее, чем свет с более красной длиной волны.

Когда вы пропускаете этот свет через диспергирующую среду, например призму, все волны различной длины реагируют немного по-разному. Чем больше энергии в вашем электрическом и магнитном полях, тем больший эффект они испытывают от прохождения через среду.Частота всего света остается неизменной, но длина волны света с более высокой энергией укорачивается в большей степени, чем у света с более низкой энергией.

В результате, хотя весь свет проходит через среду медленнее, чем вакуум, более красный свет замедляется на немного меньшую величину, чем синий свет, что приводит ко многим захватывающим оптическим явлениям, таким как существование радуги, когда солнечный свет распадается на волны различной длины. проходит сквозь капли и капельки воды.

Когда свет переходит из вакуума (или воздуха) в каплю воды, он сначала преломляется, а затем отражается… [+] от спины, и наконец преломляется обратно в вакуум (или воздух). Угол, который входящий свет образует с исходящим, всегда достигает максимума в 42 градуса, что объясняет, почему радуги всегда образуют один и тот же угол по отношению к небу.

KES47 / Wikimedia Commons / Public Domain

Однако в космическом вакууме у света нет выбора — независимо от его длины волны или частоты — кроме как двигаться с одной скоростью и только одной скоростью: скоростью света в вакууме. Это также скорость, с которой должна двигаться любая форма чистого излучения, такая как гравитационное излучение, а также скорость, согласно законам относительности, с которой должна двигаться любая безмассовая частица.

Но большинство частиц во Вселенной имеют массу, и в результате они должны подчиняться немного другим правилам. Если у вас есть масса, скорость света в вакууме по-прежнему является вашим конечным пределом скорости, но вместо того, чтобы быть вынужденным двигаться с этой скоростью, это предел, которого вы никогда не сможете достичь; вы можете только приблизиться к нему.

Чем больше энергии вы вкладываете в свою массивную частицу, тем ближе она может двигаться со скоростью света, но она всегда должна двигаться медленнее. Самые энергичные частицы, когда-либо созданные на Земле, а именно протоны на Большом адронном коллайдере, могут путешествовать со скоростью, невероятно близкой к скорости света в вакууме: 299 792 455 метров в секунду, или 99.999999% скорости света.

Замедление времени (L) и сокращение длины (R) показывают, как кажется, что время течет медленнее, а расстояния … [+] кажутся тем меньше, чем ближе вы приближаетесь к скорости света. По мере приближения к скорости света часы расширяются в сторону времени, которое вообще не идет, а расстояния сокращаются до бесконечно малых величин.

ОБЩИЕ ПОЛЬЗОВАТЕЛИ WIKIMEDIA ZAYANI (L) И JROBBINS59 (R)

Однако независимо от того, сколько энергии мы закачиваем в эти частицы, мы можем добавить только «девятки» справа от этого десятичного знака.Мы никогда не сможем достичь скорости света.

Или, точнее, мы никогда не сможем достичь скорости света в вакууме . То есть предел космической скорости 299 792 458 м / с недостижим для массивных частиц, и одновременно это скорость, с которой должны двигаться все безмассовые частицы.

Но что же тогда произойдет, если мы путешествуем не через вакуум, а через среду? Оказывается, когда свет проходит через среду, его электрические и магнитные поля ощущают воздействие вещества, через которое они проходят.Когда свет попадает в среду, это приводит к немедленному изменению скорости, с которой распространяется свет. Вот почему, когда вы наблюдаете, как свет входит в среду или выходит из нее, или переходит из одной среды в другую, кажется, что он изгибается. Свет, хотя и может свободно распространяться в вакууме без ограничений, имеет свою скорость распространения, а длина волны сильно зависит от свойств среды, через которую он проходит.

Свет, проходящий из пренебрежимо малой среды через плотную среду, демонстрирующий преломление.Свет входит … [+] из нижнего правого угла, падает на призму и частично отражается (вверху), а остальной свет проходит через призму (в центре). Свет, проходящий через призму, кажется, изгибается, поскольку движется с меньшей скоростью, чем свет, движущийся по воздуху раньше. Когда он снова выходит из призмы, он снова преломляется, возвращаясь к своей первоначальной скорости.

Пользователь Wikimedia Commons Spigget

Однако частицы постигает иная судьба. Если высокоэнергетическая частица, которая первоначально проходила через вакуум, внезапно обнаруживает, что движется через среду, ее поведение будет отличаться от поведения света.

Во-первых, он не испытает немедленного изменения количества движения или энергии, поскольку действующие на него электрические и магнитные силы, которые изменяют его импульс со временем, ничтожны по сравнению с количеством импульса, которым он уже обладает. Вместо того, чтобы изгибаться мгновенно, как кажется, его траектория изменяется только постепенно. Когда частицы впервые попадают в среду, они продолжают двигаться примерно с теми же свойствами, в том числе с той же скоростью, что и до того, как вошли.

Во-вторых, большие события, которые могут изменить траекторию частицы в среде, — это почти все прямые взаимодействия: столкновения с другими частицами. Эти события рассеяния чрезвычайно важны в экспериментах по физике элементарных частиц, поскольку продукты этих столкновений позволяют нам реконструировать все, что произошло в точке столкновения. Когда быстро движущаяся частица сталкивается с набором неподвижных частиц, мы называем эти эксперименты с «фиксированной мишенью», и они используются во всем, от создания пучков нейтрино до образования частиц антивещества, которые имеют решающее значение для исследования определенных свойств природы.

Здесь пучок протонов попадает в дейтериевую мишень в эксперименте LUNA. Скорость ядерного синтеза . .. [+] при различных температурах помогла выявить дейтерий-протонное сечение, которое было самым неопределенным членом в уравнениях, используемых для вычисления и понимания чистых распространений, которые возникнут в конце Большого взрыва Нуклеосинтез. Эксперименты с фиксированной мишенью имеют множество применений в физике элементарных частиц.

LUNA Collaboration / Gran Sasso

Но самый интересный факт заключается в следующем: частицы, которые движутся медленнее света в вакууме, но быстрее света в среде, в которую они входят, на самом деле нарушают скорость света.Это единственный реальный физический способ, которым частицы могут превысить скорость света. Они никогда не могут превысить скорость света в вакууме, но могут превзойти ее в среде. И когда они это делают, происходит нечто удивительное: испускается особый вид излучения — черенковское излучение.

Названный в честь своего первооткрывателя Павла Черенкова, это один из тех физических эффектов, который был впервые обнаружен экспериментально, прежде чем он был предсказан. Черенков изучал приготовленные радиоактивные образцы, некоторые из которых хранились в воде.Радиоактивные препараты, казалось, испускали слабый голубоватый свет, и хотя Черенков изучал люминесценцию, когда гамма-лучи возбуждали эти растворы, которые затем испускали видимый свет при их снятии возбуждения, он быстро пришел к выводу, что этот свет имел предпочтительное направление. Это было не флуоресцентное явление, а нечто совершенно иное.

Сегодня то же синее свечение можно увидеть в резервуарах с водой вокруг ядерных реакторов: черенковское излучение.

Реактор ядерный экспериментальный RA-6 (Republica Argentina 6), en marcha, показывая характеристики… [+] Черенковское излучение от частиц, летящих быстрее света в воде. Поскольку эти частицы движутся в этой среде быстрее, чем свет, они испускают излучение, чтобы терять энергию и импульс, и они будут продолжать это делать, пока не упадут ниже скорости света.

Centro Atomico Bariloche, через Pieck Darío

Откуда это излучение?

Когда в среде движется очень быстрая частица, эта частица обычно заряжена, а сама среда состоит из положительных (атомные ядра) и отрицательных (электроны) зарядов. Заряженная частица, проходя через эту среду, имеет шанс столкнуться с одной из находящихся там частиц, но поскольку атомы в основном представляют собой пустое пространство, вероятность столкновения на коротких расстояниях относительно невысока.

Вместо этого частица воздействует на среду, через которую она проходит: она заставляет частицы в среде поляризоваться — при этом одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные заряды притягиваются — в ответ на проходящую заряженную частицу. Однако как только заряженная частица уходит с дороги, эти электроны возвращаются в свое основное состояние, и эти переходы вызывают излучение света.В частности, они вызывают излучение синего света в форме конуса, где геометрия конуса зависит от скорости частицы и скорости света в этой конкретной среде.

Эта анимация демонстрирует, что происходит, когда релятивистская заряженная частица движется быстрее света … [+] в среде. Взаимодействия заставляют частицу испускать конус излучения, известного как черенковское излучение, которое зависит от скорости и энергии падающей частицы. Обнаружение свойств этого излучения — чрезвычайно полезный и широко распространенный метод в экспериментальной физике элементарных частиц.

vlastni dilo / Х. Селдон / общественное достояние

Это чрезвычайно важное свойство в физике элементарных частиц, поскольку именно этот процесс позволяет нам вообще обнаружить неуловимое нейтрино. Нейтрино практически никогда не взаимодействуют с материей. Однако в тех редких случаях, когда они это делают, они передают свою энергию только одной другой частице.

Таким образом, мы можем построить огромный резервуар с очень чистой жидкостью: жидкостью, которая не распадается радиоактивно и не испускает другие частицы высокой энергии.Мы можем очень хорошо защитить его от космических лучей, естественной радиоактивности и всех видов других источников загрязнения. А затем мы можем выровнять внешнюю часть этого резервуара так называемыми фотоумножительными трубками: трубками, которые могут обнаруживать одиночный фотон, запуская каскад электронных реакций, позволяющих нам узнать, где, когда и в каком направлении пришел фотон.

С достаточно большими детекторами мы можем определить множество свойств каждого нейтрино, которое взаимодействует с частицей в этих резервуарах.Возникающее в результате черенковское излучение, производимое до тех пор, пока частица, «выбиваемая» нейтрино, превышает скорость света в этой жидкости, является невероятно полезным инструментом для измерения свойств этих призрачных космических частиц.

Нейтринное событие, идентифицируемое по кольцам черенковского излучения, которые появляются вдоль … [+] фотоэлектронных умножителей, выстилающих стенки детектора, демонстрируют успешную методологию нейтринной астрономии и использование черенковского излучения.Это изображение показывает несколько событий и является частью серии экспериментов, прокладывающих путь к большему пониманию нейтрино.

Супер Камиоканде коллаборация

Открытие и понимание черенковского излучения было во многом революционным, но оно также привело к пугающему применению на заре лабораторных экспериментов по физике элементарных частиц. Луч энергичных частиц не оставляет оптической сигнатуры, когда движется по воздуху, но вызывает излучение этого синего света, если он проходит через среду, в которой он движется быстрее света в этой среде.Физики обычно закрывали один глаз и вставляли голову на пути луча; если бы луч был включен, они увидели бы «вспышку» света из-за черенковского излучения, генерируемого в их глазах, подтверждая, что луч был включен. (Излишне говорить, что этот процесс был прекращен с появлением тренингов по радиационной безопасности.)

Тем не менее, несмотря на все успехи, достигнутые в физике за прошедшие поколения, единственный известный нам способ побить скорость света — это найти среду, в которой вы можете замедлить этот свет.Мы можем превысить эту скорость только в среде, и если мы это сделаем, это контрольное синее свечение, которое предоставляет огромное количество информации о взаимодействии, которое его породило, — наша награда, богатая данными. Пока варп-драйв или тахионы не станут реальностью, черенковское свечение будет лучшим решением!

Скорость света.

Вы много думали о скорости… | Вишеш Хемани, доктор философии

Я в движущемся автобусе вижу, как секундная стрелка моих часов тикает каждую секунду. Я каждый раз хлопаю по окошку рядом со мной.Вы, на улице, видите, как проезжает мой автобус со мной, периодически постукивая в окно. Вы используете свои часы, чтобы измерить временной интервал между моими нажатиями. Вы измеряете одну секунду между нажатиями, верно? Неправильный! Время между двумя нажатиями на ваш взгляд превышает одну секунду! Прошедшее время зависит от хронометриста. Вы увидите, что движущиеся часы идут медленнее, чем стационарные часы.

Какие махинации я могу сделать в автобусе на этот раз, чтобы помочь вам понять это? Я замечаю, что на потолке автобуса есть зеркало.У меня есть фонарик. Я направляю его к потолку, включаю и измеряю время, за которое свет отражается от зеркала и возвращается ко мне (свет от зеркала возвращается ко мне, когда я вижу свет в зеркале). Это занимает всего несколько наносекунд, поэтому практически невозможно измерить такой короткий интервал времени. Но представьте себе достаточно высокий автобус, и вы поймете идею. Если «H» — высота автобуса, то я измеряю время tₘₑ = 2H / c.

В какой промежуток времени вы измеряете, что луч моего фонарика поднимается к потолку, отражается от зеркала и возвращается ко мне? Вы увидите, как луч света идет по диагонали к потолку с постоянной скоростью света (опять же из-за постулата физики).А затем отразитесь и вернитесь ко мне по диагонали, снова с постоянной скоростью света. Поскольку диагональные пути длиннее прямых вертикальных путей (вспомните Пифагора), вы будете измерять временной интервал между включением фонарика и отражением светового луча, чтобы он был длиннее, чем я измерил. Вы увидите, что временной интервал увеличен по сравнению с тем, что я вижу.

Сделано с помощью codecogs.com

Вы наблюдаете, как время, идущее в моем автобусе, замедляется на коэффициент γ, который изменяется от 1 (когда автобус неподвижен) до ∞ (когда автобус движется со скоростью света).Обратите внимание, что на самом деле автобус не может двигаться со скоростью света, потому что для ускорения до этой скорости потребуется буквально бесконечная энергия. Замедление времени и другие подобные эффекты специальной теории относительности становятся заметными, когда γ заметно больше 1. Для того, чтобы γ стал большим, требуется действительно большая скорость. Например, при 87% скорости света γ становится примерно больше 2. В повседневной жизни мы обычно не сталкиваемся с такими быстрыми объектами.

Сделано с использованием talltweets.com

Действительно ли на этот раз расширение времени или это просто какая-то уловка? Это полностью и измеримо.Например, есть нестабильные субатомные элементарные частицы, называемые мюонов и , которые распадаются на половину своего количества каждые 2 микросекунды. Эти частицы присутствуют в космических лучах, постоянно бомбардирующих Землю. Однако с периодом распада в 2 микросекунды вряд ли можно ожидать, что какие-либо мюоны выживут в долгом путешествии через атмосферу Земли, прежде чем достигнут нас на поверхности Земли. Но на самом деле гораздо больше, чем наивно ожидалось, выживают достаточно долго. Причина тому — замедление времени.С нашей точки зрения на Земле, мюоны движутся очень быстро, поэтому время их распада увеличивается, что значительно увеличивает время выживания.

Одно последнее примечание. Есть много так называемых парадоксов, связанных с замедлением времени, ставящих под сомнение его достоверность (например, парадокс близнецов). Позвольте мне повторить как можно более решительно: замедление времени — это наблюдаемый и измеримый истинный эффект, который на самом деле не приводит к каким-либо парадоксам. Каждый предполагаемый парадокс на самом деле является результатом неполного или неправильного понимания специальной теории относительности.

Как измерить скорость света с помощью фонарей, колес и планет

Если вы посмотрите на разницу в расстоянии между Землей, когда она находится ближе всего к Юпитеру, и когда она находится дальше всего, то расстояние равно диаметру Земли. Орбита Земли. Когда Земля находится дальше, свету от Ио требуется больше времени, чтобы добраться до Земли, что приводит к более длительному кажущемуся орбитальному периоду Ио. Итак, простое измерение изменения видимого периода и изменения расстояния дает оценку скорости света.Именно так Ремер оценил скорость света.

Юпитер находится на , намного на дальше, чем два холма с фонарями, так что вы можете получить заметную разницу во времени. Тем не менее, это зависит от точного значения орбиты Земли и хороших часов. Значение скорости света, полученное Ремером, все еще немного отличалось от принятого значения.

Вращающееся зубчатое колесо

Что, черт возьми, такое зубчатое колесо? Это колесо, из которого торчат квадратики, похожие на зубы.Вот как это работает. Вы устанавливаете колесо так, чтобы оно вращалось вертикально. Затем направьте свет через одну сторону колеса и направьте его в дальнее зеркало. Свет отражается от этого зеркала и возвращается к противоположной стороне колеса, где вы можете смотреть на отражение.

Идея состоит в том, чтобы отрегулировать скорость вращающегося колеса так, чтобы вы вообще не видели отраженный свет. Возможно, это будет легче увидеть, если я заменю колесо на длинную линейную полосу зубьев.

Теперь представьте, что зубы пропускают короткий световой импульс, прежде чем снова его блокировать.Этот свет проходит весь путь к зеркалу и обратно к зубам. Что, если за это время зубы сместились настолько, что закрыли глаз? Затем, когда зуб больше не закрывает глаз, он закрывает свет. Таким образом, зная скорость и размер зубов, вы можете получить значение времени блокировки. По расстоянию до зеркала и обратно вы можете рассчитать скорость света.

Это, по сути, то, что Ипполит Физо сделал в 1848 году. Его значение скорости света было всего примерно на 5 процентов выше (по сравнению с принятым в настоящее время значением 3.0 x 10 ⁸ м / с). Позже Леон Фуко создал лучшую версию этого метода, в котором использовалось вращающееся зеркало, но я думаю, что аппарат Физо немного легче понять.

Конечно, есть и другие методы измерения скорости света, но это три моих любимых.