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Was kann schneller sein als die Lichtgeschwindigkeit? Das ist schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Licht und Schatten

Jeder Mensch weiß, dass die Temperatur in Grad Celsius gemessen wird. Wer sich mit Physik auskennt, weiß das internationale Einheit Das Maß dieser Größe ist Kelvin. Historische Entwicklung Der Begriff der Temperatur und die entsprechenden Instrumente zu ihrer Bestimmung haben dazu geführt, dass wir heute andere verwenden metrische Systeme als unsere Vorfahren. Der Artikel behandelt die Fragen: Was ist der Grad von Réaumur, wann wurde er verwendet und in welcher Beziehung steht er zu allgemein anerkannten Skalen zur Temperaturmessung?

Bevor wir uns mit der Reaumur-Skala zur Bestimmung der Temperatur umgebender Körper befassen, betrachten wir die Persönlichkeit ihres Schöpfers.

René Reaumur wurde am 28. Februar 1683 in geboren Französische Stadt La Rochelle. Mögen wissenschaftliche Forschung Er begann, die umgebende Welt zu manifestieren frühe Kindheit. Rene interessierte sich für Physik, Mathematik, Astronomie, Recht, Philosophie, Biologie, Metallurgie, Sprachen und viele andere Disziplinen.

Mit 25 Jahren wird er Mitglied Französische Akademie Wissenschaften, und ihm werden sofort ernsthafte Aufgaben anvertraut wissenschaftliche Projekte nationaler Maßstab. Als Mitglied der Akademie der Wissenschaften veröffentlichte Réaumur 50 Jahre lang jedes Jahr wissenschaftliche Arbeit. Viele seiner Arbeiten zur Untersuchung von Insekten sowie zur Untersuchung der Eigenschaften von Metallen wurden ins Englische übersetzt und Deutsche Sprachen. Seine Zeitgenossen nannten ihn Plinius des 18. Jahrhunderts.

Der Wissenschaftler starb im Alter von 74 Jahren an den Folgen eines Sturzes vom Pferd während eines seiner Ausritte. Reaumur hinterließ wissenschaftliche Manuskripte, die 138 Ordner belegten.

Entdeckung einer neuen Temperaturskala

IN Anfang des 18. Jahrhunderts Jahrhundert gab es weltweit keine allgemein anerkannte Skala zur Messung der Körpertemperatur. Als Ergebnis thermodynamischer Experimente schlug René Réaumur 1731 die Verwendung einer Temperaturskala vor, die seinen Namen trug. Diese Skala wird seit mehr als 100 Jahren in führenden europäischen Ländern, insbesondere in Frankreich, Deutschland und Russland, verwendet. Schließlich wurde sie durch die Celsius-Skala ersetzt, die auch heute noch weit verbreitet ist.

Es ist interessant festzustellen, dass Reaumur die Verwendung seiner Skala 11 Jahre vor Celsius vorschlug.

Experimente, die zur Erfindung der Reaumur-Skala führten

Die Experimente, die den Wissenschaftler dazu veranlassten, eine neue Skala zu erfinden, sind sehr einfach. Sie lauten wie folgt: Réaumur hat sich zum Ziel gesetzt, die Übergangstemperatur dazwischen zu messen Aggregatzustände eine lebenswichtige Flüssigkeit für den Menschen - Wasser, also zu bestimmen, wann es unter Bildung von Eis zu kristallisieren beginnt und wann es zu kochen beginnt und sich in Dampf verwandelt. Zu diesem Zweck entschied sich der Wissenschaftler für die Verwendung eines von ihm selbst entworfenen Geräts.

Reaumurs Thermometer war ein etwa 1,5 Meter hohes Glasrohr, das sich an der Basis zu einem Gefäß mit einem Durchmesser von etwa 10 cm erweiterte. Das Rohr war mit einer Mischung gefüllt Ethylalkohol und Wasser gefüllt und an beiden Enden versiegelt. Als Arbeitsmedium wurde ein Alkoholgemisch gewählt, da dieser alkoholische Stoff 4-fach alkoholhaltig ist höherer Koeffizient Wärmeausdehnung als Wasser. Letzte Tatsache bedeutet, dass die Libelle der Spiritussäule sehr empfindlich auf Temperaturänderungen reagiert und daher zur genauen Messung der jeweiligen Menge verwendet werden kann.

Nachdem er den Füllstand der Spiritussäule in einem Thermometer auf 0 Grad gestellt hatte, als dessen Basis in schmelzendes Eis getaucht wurde, maß Réaumur diesen Wert, indem er das Gerät in kochendes Wasser stellte. Der Wissenschaftler stellte fest, dass, wenn die anfängliche Höhe einer Alkoholsäule 1000 Einheiten beträgt, dann ist es so Endwert beträgt 1080 Einheiten. Die Zahl 80, wie die Differenz zwischen dem heißen und dem kalten Niveau einer Säule in einem Thermometer, wurde von Réaumur als Grundlage für sein Werk verwendet Temperaturskala.

Oktagesimaler Maßstab

Wie bereits erwähnt, entspricht 0 Grad auf der Reaumur-Skala (°R) der Schmelztemperatur von Eis und 80°R dem Siedepunkt von Wasser. Dies bedeutet, dass die von dem französischen Wissenschaftler vorgeschlagene Skala achteckig ist, was sie von den Celsius- oder Kelvin-Skalen unterscheidet, die auf der Zahl 100 basieren. Letzterer Umstand führte offensichtlich dazu, dass sie nach und nach durch diese Skalen ersetzt wurde. Unser Zahlensystem ist dezimal, daher ist die Verwendung von Zahlen in der Größenordnung von 10, 100 usw. viel praktischer als die Verwendung von Zwischenwerten.

Zusammenhang mit den Celsius- und Kelvin-Skalen

Wie oben erwähnt, wird die Reaumur-Temperatur heute fast nirgendwo verwendet, wird jedoch manchmal beim Kochen von Zuckersirup und bei der Herstellung von Karamell verwendet. Daher sollten Formeln zur Umrechnung von Grad Réaumur in Celsius und Kelvin angegeben werden. Diese Formeln haben nächste Ansicht:

C = 1,25*R;
K = 1,25*R + 273,15.

In den dargestellten Ausdrücken sind R, C, K die Grade Réaumur, Celsius bzw. Kelvin. Es ist ganz einfach, die Richtigkeit der ersten Formel zu überprüfen: Ersetzen Sie darin den Wert von 80 °R, bei dem Wasser kocht. Dann erhalten wir: C = 1,25*80 = 100 °C, was genau dem Siedepunkt dieser Flüssigkeit bei entspricht normale Bedingungen in einem uns bekannten Ausmaß.

Wir werden auch geben Umkehrformeln So konvertieren Sie Grad Celsius und Kelvin in Réaumur:

R = 0,8*C;
R = 0,8*K – 218,52.

Beachten Sie, dass null Grad auf der Réaumur-Skala mit diesem Temperaturwert in Celsius übereinstimmen.

Beispiel einer Problemlösung

Wie aus den Formeln des vorherigen Absatzes hervorgeht, ist die Umrechnung zwischen verschiedenen Temperaturmessskalen recht einfach. Lass uns entscheiden einfache Aufgabe: „Bei der Herstellung von Karamell wurde ein auf Reaumur-Grad geeichtes Thermometer verwendet, das bei der Zubereitung der Süße einen Wert von 123 °R anzeigte. Wie viele Grad würde das Thermometer anzeigen, wenn es auf die Celsius-Skala geeicht wäre?“

Verwenden wir die Formel zur Umrechnung von Reaumur-Grad in Celsius, wir erhalten: C = 1,25*123 = 153,75 °C. Um die Lösung zu vervollständigen, wandeln wir diese Gradzahl auch in Kelvin-Werte um, wir erhalten: K = 1,25 * 123 + 273,15 = 426,9 °K.

Was ist schneller, die Lichtgeschwindigkeit oder die Schallgeschwindigkeit?

Lichtgeschwindigkeit. Beispiel: Erst Blitz, dann Donner.
Es scheint, dass an unseren Schulen keine Physik unterrichtet wird! Die LICHTgeschwindigkeit, Baby, ist natürlich höher.
Licht natürlich
Ehrlich gesagt weiß ich nicht die richtige Antwort, aber wenn man darüber nachdenkt, ist es logischer, dass die Lichtgeschwindigkeit schneller ist.
Klopfende Geschwindigkeit. An einem Ende hat er gefurzt, am anderen heißt es schon, dass er sich in die Scheiße geschissen hat.
Lichtgeschwindigkeit. denn bei einem Gewitter sehen wir zuerst einen Blitz und hören dann erst den Donner
Schallgeschwindigkeit (im Vakuum)
und so ist die Lichtgeschwindigkeit... Licht erreicht uns von der Sonne in 8 Minuten
Sweta
Ein Sonnenstrahl legt im Morgengrauen die Distanz zur Erde in 17 Sekunden zurück, und die Schallgeschwindigkeit beträgt 300 km pro Sekunde, so die Rechnung
Wie Sie möchten
Schildkröten....
Sweta.. .
Zum Beispiel, wenn es ein Gewitter gibt... kommt zuerst der Blitz und dann folgt der Donner... Na ja, so haben sie es mir erklärt...: ^^
Dazu gibt es einen Witz: Wenn man den Fernseher einschaltet, erscheint zuerst der Ton und dann das Bild.
(Diejenigen, die oben geantwortet haben, haben es offenbar nicht einmal gehört)
In der Erdatmosphäre ist die Lichtgeschwindigkeit natürlich größer als die Schallgeschwindigkeit.
Aber im Allgemeinen hängen beide Größen vom Medium ab, in dem sich die Wellen ausbreiten – im ersten Fall elektromagnetische Wellen und im zweiten Fall Partikelkompressionswellen (akustisch).
In manchen Umgebungen kann sich Licht also deutlich langsamer ausbreiten als im Vakuum oder in der Luft. Und in manchen Materialien breitet sich Schall viel schneller aus als in Luft.
Es kommt vor, dass sich Teilchen in einem Medium mit einer Geschwindigkeit ausbreiten, die größer als die Lichtgeschwindigkeit ist. Und gleichzeitig emittieren sie immer noch. (Vavilov-Cherenkov-Effekt). Aber über Schallwellen geht es weiter Elementarteilchen Ah, normalerweise sagen sie nicht...
Bisher konnte ich keine Informationen über einen Stoff finden, bei dem die Schallgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit übersteigen würde, aber es gibt auch keine Informationen darüber, dass dies theoretisch unmöglich ist.
Im Allgemeinen ist die Lichtgeschwindigkeit also höher, aber vielleicht gibt es hier ganz bestimmte Ausnahmen.
Die Lichtgeschwindigkeit, ein banales Beispiel ist ein Gewitter: zuerst Blitz und dann Donner.
Die Geschwindigkeit des Lachens eines Bären.
Lichtgeschwindigkeit
Nun, ich denke, es hat keinen Sinn, eine banale Antwort zum 100. Mal zu wiederholen, aber ich möchte Alexander Koroteev meinen Respekt aussprechen. Als ich Ihre Antwort las, fiel mir ein Beispiel ein. Im Inneren der Sonne (in der Zone des Heliumkerns und in der Zone des Strahlungsgleichgewichts) ist die Dichte der Materie so enorm, dass sich Licht darin mit einer Geschwindigkeit von mehreren ZENTIMETERN pro Sekunde ausbreitet... Nun, die Geschwindigkeit der Ausbreitung Schallwelle im Meerwasser etwas weniger als 1500 m/s...
Lichtgeschwindigkeit 300.000.000 m/s
Schallgeschwindigkeit in Luft 340 m/s
Die Lichtgeschwindigkeit ist eine Million Mal schneller und das ist maximale Geschwindigkeit in der Natur.
Licht kann sich im Vakuum (luftleerer Raum) fortbewegen, aber Schall braucht ein Medium – je dichter das Medium, desto schneller ist die Schallgeschwindigkeit. Beispielsweise können Sie nach Regen Geräusche besser und klarer hören. Um zu hören, wie weit die feindliche Armee entfernt war, hielten sie in der Antike ihr Ohr an den Boden.
Um das Geräusch eines herannahenden Zuges zu hören, halten Sie Ihr Ohr an die Schienen – denn in dichteren Umgebungen ist die Schallgeschwindigkeit höher
die Lichtgeschwindigkeit. Etwas ist mit meinem Gedächtnis passiert....
Lichtgeschwindigkeit

Arzt technische Wissenschaften A. GOLUBEV.

Mitte letzten Jahres erschien in Zeitschriften eine aufsehenerregende Meldung. Gruppe Amerikanische Forscher entdeckte, dass sich ein sehr kurzer Laserpuls in einem speziell ausgewählten Medium hunderte Male schneller ausbreitet als im Vakuum. Dieses Phänomen schien völlig unglaublich (die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium ist immer geringer als im Vakuum) und ließ sogar Zweifel an der Gültigkeit der speziellen Relativitätstheorie aufkommen. Unterdessen wurde ein superluminales physikalisches Objekt – ein Laserpuls in einem verstärkenden Medium – erstmals nicht im Jahr 2000, sondern 35 Jahre zuvor, im Jahr 1965, entdeckt, und die Möglichkeit einer superluminalen Bewegung wurde bis in die frühen 70er Jahre ausführlich diskutiert. Heute gibt es eine Diskussion darüber seltsames Phänomen flammte mit neuer Kraft auf.

Beispiele für „superluminale“ Bewegung.

In den frühen 60er Jahren kurze Lichtimpulse hohe Energie begann, indem man einen Laserblitz durch einen Quantenverstärker (ein Medium mit umgekehrter Besetzung) leitete.

In einem verstärkenden Medium bewirkt der Anfangsbereich eines Lichtimpulses eine stimulierte Emission von Atomen im Verstärkermedium und sein Endbereich bewirkt deren Energieabsorption. Dadurch entsteht für den Beobachter der Eindruck, dass sich der Puls schneller als das Licht bewegt.

Lijun Wongs Experiment.

Ein Lichtstrahl, der durch ein Prisma aus einem transparenten Material (z. B. Glas) fällt, wird gebrochen, d. h. er erfährt eine Streuung.

Ein Lichtimpuls ist eine Reihe von Schwingungen unterschiedlicher Frequenz.

Wahrscheinlich weiß jeder – auch Leute, die weit von der Physik entfernt sind – das Maximum mögliche Geschwindigkeit Bewegung materielle Objekte oder die Ausbreitung irgendwelcher Signale ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Es wird mit dem Buchstaben bezeichnet Mit und beträgt fast 300.000 Kilometer pro Sekunde; genauer Wert Mit= 299.792.458 m/s. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine der Grundvoraussetzungen physikalische Konstanten. Unfähigkeit, höhere Geschwindigkeiten zu erreichen Mit, folgt aus Einsteins spezieller Relativitätstheorie (STR). Wenn es möglich wäre, diese Signalübertragung nachzuweisen Überlichtgeschwindigkeit, würde die Relativitätstheorie scheitern. Bisher ist dies trotz zahlreicher Versuche, das Verbot der Existenz von Geschwindigkeiten größer als zu widerlegen, nicht geschehen Mit. Allerdings in Experimentelle Studien In letzter Zeit einige sehr interessante Phänomene, was darauf hinweist, dass unter speziell geschaffenen Bedingungen Überlichtgeschwindigkeiten beobachtet werden können und gleichzeitig die Prinzipien der Relativitätstheorie nicht verletzt werden.

Erinnern wir uns zunächst an die Hauptaspekte im Zusammenhang mit dem Problem der Lichtgeschwindigkeit. Zunächst einmal: Warum ist es unmöglich (wenn normale Bedingungen) die Lichtgrenze überschreiten? Denn dann wird das Grundgesetz unserer Welt verletzt – das Gesetz der Kausalität, wonach die Wirkung der Ursache nicht vorausgehen kann. Niemand hat jemals beobachtet, dass zum Beispiel ein Bär zuerst tot umfiel und dann der Jäger erschoss. Bei Geschwindigkeiten über Mit, die Abfolge der Ereignisse wird umgekehrt, das Zeitband wird zurückgespult. Dies lässt sich leicht anhand der folgenden einfachen Überlegungen überprüfen.

Nehmen wir an, wir befinden uns auf einer Art Raumwunderschiff, das sich schneller als das Licht bewegt. Dann würden wir nach und nach das von der Quelle zu immer früheren Zeiten emittierte Licht einholen. Zuerst würden wir uns über die Photonen informieren, die beispielsweise gestern emittiert wurden, dann über die Photonen, die vorgestern emittiert wurden, dann über die Photonen, die vor einer Woche, einem Monat, einem Jahr usw. emittiert wurden. Wenn die Lichtquelle ein Spiegel wäre, der das Leben widerspiegelt, dann würden wir zuerst die Ereignisse von gestern sehen, dann die von vorgestern und so weiter. Wir könnten beispielsweise einen alten Mann sehen, der sich allmählich in einen Mann mittleren Alters verwandelt, dann in einen jungen Mann, in einen Jugendlichen, in ein Kind ... Das heißt, die Zeit würde sich zurückdrehen, wir würden von der Gegenwart in die Gegenwart übergehen die Vergangenheit. Ursachen und Wirkungen würden dann ihre Plätze tauschen.

Obwohl dieses Argument völlig ignoriert wird technische Details Der Prozess der Lichtbeobachtung zeigt aus fundamentaler Sicht deutlich, dass Bewegung mit Überlichtgeschwindigkeit zu einer Situation führt, die in unserer Welt unmöglich ist. Die Natur hat jedoch noch strengere Bedingungen gestellt: Bewegung ist nicht nur mit Überlichtgeschwindigkeit, sondern auch mit einer Geschwindigkeit unerreichbar gleiche Geschwindigkeit Licht - man kann sich ihm nur nähern. Aus der Relativitätstheorie folgt, dass mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit drei Umstände eintreten: Die Masse eines bewegten Objekts nimmt zu, seine Größe in Bewegungsrichtung nimmt ab und der Zeitfluss auf diesem Objekt verlangsamt sich (vom Punkt Sicht eines externen „ruhenden“ Beobachters). Bei normalen Geschwindigkeiten sind diese Änderungen vernachlässigbar, aber wenn sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, werden sie immer deutlicher und im Grenzbereich – bei einer Geschwindigkeit gleich Mit, - Die Masse wird unendlich groß, das Objekt verliert in Bewegungsrichtung vollständig an Größe und die Zeit bleibt darauf stehen. Daher kann kein materieller Körper die Lichtgeschwindigkeit erreichen. Nur das Licht selbst hat eine solche Geschwindigkeit! (Und auch ein „alles durchdringendes“ Teilchen – ein Neutrino, das sich wie ein Photon nicht mit einer Geschwindigkeit von weniger als bewegen kann Mit.)

Nun zur Signalübertragungsgeschwindigkeit. Hier bietet sich die Darstellung von Licht in Form elektromagnetischer Wellen an. Was ist ein Signal? Dabei handelt es sich um einige Informationen, die übermittelt werden müssen. Perfekt Elektromagnetische Welle- Dies ist eine unendliche Sinuskurve mit genau einer Frequenz und kann keine Informationen übertragen, da jede Periode einer solchen Sinuskurve die vorherige genau wiederholt. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Phase einer Sinuswelle – die sogenannte Phasengeschwindigkeit - vielleicht in einer Umgebung mit bestimmte Bedingungen im Vakuum die Lichtgeschwindigkeit überschreiten. Hier gibt es keine Einschränkungen, da die Phasengeschwindigkeit nicht die Geschwindigkeit des Signals ist – sie existiert noch nicht. Um ein Signal zu erzeugen, müssen Sie eine Art „Markierung“ auf der Welle machen. Eine solche Markierung kann beispielsweise eine Änderung eines beliebigen Wellenparameters sein – Amplitude, Frequenz oder Anfangsphase. Doch sobald die Markierung entsteht, verliert die Welle ihre Sinusförmigkeit. Es wird moduliert und besteht aus einer Reihe einfacher Sinuswellen mit unterschiedlichen Amplituden, Frequenzen und Anfangsphasen- Wellengruppen. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Markierung in der modulierten Welle bewegt, ist die Geschwindigkeit des Signals. Bei der Ausbreitung in einem Medium stimmt diese Geschwindigkeit in der Regel mit der Gruppengeschwindigkeit überein, die die Ausbreitung der oben genannten Wellengruppe als Ganzes charakterisiert (siehe „Wissenschaft und Leben“ Nr. 2, 2000). Unter normalen Bedingungen ist die Gruppengeschwindigkeit und damit die Signalgeschwindigkeit geringer als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Es ist kein Zufall, dass hier der Ausdruck „unter normalen Bedingungen“ verwendet wurde, denn in manchen Fällen kann die Gruppengeschwindigkeit größer sein Mit oder sogar seine Bedeutung verlieren, aber dann hat es nichts mit der Signalausbreitung zu tun. Die Tankstelle stellt fest, dass es unmöglich ist, ein Signal mit einer höheren Geschwindigkeit zu übertragen Mit.

Warum ist das so? Weil es ein Hindernis für die Übertragung eines Signals mit einer Geschwindigkeit von mehr als gibt Mit Es gilt das gleiche Gesetz der Kausalität. Stellen wir uns eine solche Situation vor. Irgendwann an Punkt A schaltet ein Lichtblitz (Ereignis 1) ein Gerät ein, das ein bestimmtes Funksignal sendet, und an einem entfernten Punkt B kommt es unter dem Einfluss dieses Funksignals zu einer Explosion (Ereignis 2). Es ist klar, dass Ereignis 1 (Flare) die Ursache und Ereignis 2 (Explosion) die Folge ist, die später als die Ursache auftritt. Wenn sich das Funksignal jedoch mit Überlichtgeschwindigkeit ausbreitete, würde ein Beobachter in der Nähe von Punkt B zuerst eine Explosion sehen und erst dann würde sie ihn mit dieser Geschwindigkeit erreichen Mit ein Lichtblitz, die Ursache der Explosion. Mit anderen Worten: Für diesen Beobachter wäre Ereignis 2 früher eingetreten als Ereignis 1, d. h. die Wirkung wäre der Ursache vorausgegangen.

Es ist angebracht zu betonen, dass das „Superluminal-Verbot“ der Relativitätstheorie nur die Bewegung betrifft Materielle Körper und Signalübertragung. In vielen Situationen ist eine Bewegung mit beliebiger Geschwindigkeit möglich, es handelt sich dabei jedoch nicht um die Bewegung materieller Objekte oder Signale. Stellen Sie sich zum Beispiel zwei ziemlich lange Lineale vor, die in derselben Ebene liegen, von denen eines horizontal liegt und das andere sie in einem kleinen Winkel schneidet. Wird das erste Lineal mit hoher Geschwindigkeit nach unten (in Pfeilrichtung) bewegt, lässt sich der Schnittpunkt der Lineale beliebig schnell laufen lassen, dieser Punkt ist jedoch kein materieller Körper. Ein weiteres Beispiel: Wenn Sie eine Taschenlampe (oder beispielsweise einen Laser, der einen schmalen Strahl erzeugt) nehmen und schnell einen Bogen in der Luft beschreiben, dann lineare Geschwindigkeit Der Lichtstrahl wird mit der Entfernung größer und bei ausreichend großer Entfernung größer Mit. Der Lichtfleck bewegt sich mit Überlichtgeschwindigkeit zwischen den Punkten A und B, es handelt sich jedoch nicht um eine Signalübertragung von A nach B, da ein solcher Lichtfleck keine Informationen über Punkt A trägt.

Es scheint, dass das Problem der Überlichtgeschwindigkeiten gelöst ist. Doch in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts stellten theoretische Physiker die Hypothese der Existenz überluminaler Teilchen namens Tachyonen auf. Das sind sehr seltsame Teilchen: Theoretisch sind sie möglich, aber um Widersprüche mit der Relativitätstheorie zu vermeiden, musste ihnen eine imaginäre Ruhemasse zugeordnet werden. Physikalisch gesehen existiert eine imaginäre Masse nicht; sie ist eine rein mathematische Abstraktion. Dies löste jedoch keine große Beunruhigung aus, da Tachyonen nicht in Ruhe sein können – sie existieren (falls sie existieren!) nur bei Geschwindigkeiten, die die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum überschreiten, und in diesem Fall stellt sich heraus, dass die Tachyonenmasse real ist. Hier gibt es eine gewisse Analogie zu Photonen: Ein Photon hat keine Ruhemasse, aber das bedeutet einfach, dass das Photon nicht ruhen kann – Licht kann nicht gestoppt werden.

Am schwierigsten stellte sich erwartungsgemäß heraus, die Tachyonenhypothese mit dem Kausalitätsgesetz in Einklang zu bringen. Die in diese Richtung unternommenen Versuche waren zwar recht genial, führten jedoch nicht zu offensichtlichem Erfolg. Es ist auch niemandem gelungen, Tachyonen experimentell zu registrieren. Infolgedessen schwand das Interesse an Tachyonen als superluminalen Elementarteilchen allmählich.

Doch in den 60er Jahren wurde experimentell ein Phänomen entdeckt, das die Physiker zunächst verwirrte. Dies wird ausführlich im Artikel von A. N. Oraevsky „Super Lichtwellen in amplifying media“ (UFN Nr. 12, 1998). Hier fassen wir das Wesentliche kurz zusammen und verweisen den an Details interessierten Leser auf den angegebenen Artikel.

Schon bald nach der Entdeckung des Lasers – in den frühen 60er Jahren – stellte sich das Problem, kurze (Dauer ca. 1 ns = 10 -9 s) Hochleistungslichtimpulse zu erhalten. Dazu wurde ein kurzer Laserpuls durch einen optischen Quantenverstärker geleitet. Der Puls wurde durch einen Strahlteilerspiegel in zwei Teile geteilt. Einer von ihnen, der stärker war, wurde an den Verstärker gesendet, der andere breitete sich in der Luft aus und diente als Referenzimpuls, mit dem der durch den Verstärker laufende Impuls verglichen werden konnte. Beide Impulse wurden Fotodetektoren zugeführt und ihre Ausgangssignale konnten visuell auf dem Oszilloskopbildschirm beobachtet werden. Es wurde erwartet, dass der durch den Verstärker laufende Lichtimpuls im Vergleich zum Referenzimpuls eine gewisse Verzögerung erfahren würde, d. h. die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im Verstärker wäre geringer als in Luft. Stellen Sie sich das Erstaunen der Forscher vor, als sie entdeckten, dass sich der Impuls nicht nur schneller durch den Verstärker ausbreitete als in Luft, sondern auch um ein Vielfaches höher als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum!

Nachdem sich die Physiker vom ersten Schock erholt hatten, begannen sie, nach der Ursache für dieses unerwartete Ergebnis zu suchen. Niemand hatte auch nur den geringsten Zweifel an den Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie, und genau das hat bei der Entdeckung geholfen richtige Erklärung: Wenn die Prinzipien der SRT erhalten bleiben, sollte die Antwort in den Eigenschaften des verstärkenden Mediums gesucht werden.

Ohne hier auf Einzelheiten einzugehen, weisen wir nur darauf hin Detaillierte Analyse Der Wirkungsmechanismus des verstärkenden Mediums klärte die Situation vollständig. Der Punkt war eine Änderung der Photonenkonzentration während der Ausbreitung des Impulses – eine Änderung, die durch eine Änderung der Verstärkung des Mediums bis zu einem negativen Wert während des Durchgangs des hinteren Teils des Impulses verursacht wurde, wenn das Medium bereits absorbiert Energie, da die eigene Reserve durch die Übertragung auf den Lichtimpuls bereits aufgebraucht ist. Die Absorption bewirkt keine Steigerung, sondern eine Abschwächung des Impulses, und so wird der Impuls im vorderen Teil verstärkt und im hinteren Teil abgeschwächt. Stellen wir uns vor, wir beobachten einen Impuls mithilfe eines Geräts, das sich mit Lichtgeschwindigkeit im Verstärkermedium bewegt. Wenn das Medium transparent wäre, würden wir den Impuls in der Bewegungslosigkeit eingefroren sehen. In der Umgebung, in der der oben genannte Prozess stattfindet, werden die Verstärkung der Vorderflanke und die Abschwächung der Hinterflanke des Impulses für den Beobachter so erscheinen, als hätte das Medium den Impuls vorwärts bewegt. Da sich das Gerät (Beobachter) jedoch mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und der Impuls es überholt, übersteigt die Impulsgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit! Es ist dieser Effekt, der von Experimentatoren aufgezeichnet wurde. Und hier besteht tatsächlich kein Widerspruch zur Relativitätstheorie: Der Verstärkungsprozess ist einfach so, dass die Konzentration früher austretender Photonen größer ausfällt als die später austretenden. Es sind nicht die Photonen, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen, sondern die Pulshüllkurve, insbesondere ihr Maximum, das auf einem Oszilloskop beobachtet wird.

Während es also in gewöhnlichen Medien immer zu einer Schwächung des Lichts und einer Abnahme seiner Geschwindigkeit kommt, die durch den Brechungsindex bestimmt wird, kommt es in aktiven Lasermedien nicht nur zu einer Lichtverstärkung, sondern auch zur Ausbreitung eines Impulses mit Überlichtgeschwindigkeit.

Einige Physiker versuchten experimentell das Vorhandensein einer überluminalen Bewegung während des Tunneleffekts nachzuweisen – einem der häufigsten erstaunliche Phänomene V Quantenmechanik. Dieser Effekt besteht darin, dass ein Mikropartikel (genauer gesagt ein Mikroobjekt, in unterschiedliche Bedingungen(das sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften aufweist) ist in der Lage, die sogenannte Potentialbarriere zu durchdringen – ein Phänomen, das in diesem Land völlig unmöglich ist klassische Mechanik(Die Analogie wäre die folgende Situation: Ein gegen eine Wand geworfener Ball würde auf der anderen Seite der Wand landen, oder die wellenartige Bewegung, die einem an der Wand befestigten Seil verliehen wird, würde auf ein daran befestigtes Seil übertragen die Wand auf der anderen Seite). Das Wesen des Tunneleffekts in der Quantenmechanik ist wie folgt. Wenn ein Mikroobjekt mit einer bestimmten Energie auf einen Bereich mit trifft potenzielle Energie, die Energie des Mikroobjekts überschreitend, stellt dieser Bereich eine Barriere dafür dar, deren Höhe durch die Energiedifferenz bestimmt wird. Aber das Mikroobjekt „leckt“ durch die Barriere! Diese Gelegenheit gibt ihm bekanntes Verhältnis Für die Wechselwirkungsenergie und -zeit aufgezeichnete Heisenberg-Unsicherheiten. Erfolgt die Wechselwirkung eines Mikroobjekts mit einer Barriere über einen ziemlich bestimmten Zeitraum, dann ist die Energie des Mikroobjekts im Gegenteil durch Unsicherheit gekennzeichnet, und wenn diese Unsicherheit in der Größenordnung der Höhe der Barriere liegt, dann ist die Letzteres ist für das Mikroobjekt kein unüberwindbares Hindernis mehr. Die Durchdringungsgeschwindigkeit einer potenziellen Barriere ist zum Forschungsgegenstand einer Reihe von Physikern geworden, die glauben, dass sie diese überschreiten kann Mit.

Im Juni 1998 fand in Köln ein internationales Symposium zu den Problemen der Superluminalbewegung statt, bei dem die in vier Labors erzielten Ergebnisse diskutiert wurden – in Berkeley, Wien, Köln und Florenz.

Und schließlich erschienen im Jahr 2000 Berichte über zwei neue Experimente, bei denen die Auswirkungen der überluminalen Ausbreitung auftraten. Eine davon wurde von Lijun Wong und seinen Kollegen in aufgeführt Forschungsinstitut in Princeton (USA). Das Ergebnis ist, dass ein Lichtimpuls, der in eine mit Cäsiumdampf gefüllte Kammer eintritt, seine Geschwindigkeit um das 300-fache erhöht. Es stellte sich heraus, dass Hauptteil Der Impuls verlässt die hintere Wand der Kammer noch früher, als der Impuls durch die Vorderwand in die Kammer eintritt. Diese Situation widerspricht nicht nur gesunder Menschenverstand, sondern im Wesentlichen die Relativitätstheorie.

Die Botschaft von L. Wong löste heftige Diskussionen unter Physikern aus, von denen die meisten nicht geneigt waren, in den erzielten Ergebnissen einen Verstoß gegen die Relativitätsprinzipien zu sehen. Die Herausforderung besteht ihrer Meinung nach darin, dieses Experiment richtig zu erklären.

Im Experiment von L. Wong hatte der Lichtimpuls, der mit Cäsiumdampf in die Kammer eindrang, eine Dauer von etwa 3 μs. Cäsiumatome können in sechzehn möglichen quantenmechanischen Zuständen existieren, die als „hyperfeine magnetische Unterebenen des Grundzustands“ bezeichnet werden. Durch optisches Laserpumpen wurden fast alle Atome in nur einen dieser sechzehn Zustände gebracht, was fast entspricht Absoluter Nullpunkt Temperatur auf der Kelvin-Skala (-273,15 o C). Die Länge der Cäsiumkammer betrug 6 Zentimeter. Im Vakuum legt Licht in 0,2 ns 6 Zentimeter zurück. Wie die Messungen ergaben, durchlief der Lichtpuls die Kammer mit Cäsium in einer um 62 ns kürzeren Zeit als im Vakuum. Mit anderen Worten: Die Zeit, die ein Impuls benötigt, um ein Cäsiummedium zu durchlaufen, hat ein Minuszeichen! Wenn wir von 0,2 ns 62 ns abziehen, erhalten wir tatsächlich eine „negative“ Zeit. Diese „negative Verzögerung“ im Medium – ein unverständlicher Zeitsprung – entspricht der Zeit, in der der Impuls 310 Durchgänge durch die Kammer im Vakuum machen würde. Die Folge dieser „zeitlichen Umkehrung“ war, dass es dem Impuls, der die Kammer verließ, gelang, sich 19 Meter von ihr zu entfernen, bevor der eintreffende Impuls die nahe Wand der Kammer erreichte. Wie kann eine so unglaubliche Situation erklärt werden (es sei denn, wir zweifeln natürlich an der Reinheit des Experiments)?

Der laufenden Diskussion nach zu urteilen, genaue Erklärung wurde zwar noch nicht gefunden, aber es besteht kein Zweifel daran, dass die ungewöhnlichen Dispersionseigenschaften des Mediums dabei eine Rolle spielen: Cäsiumpaare, bestehend aus durch Laserlicht angeregten Atomen, stellen ein Medium mit dar anomale Streuung. Erinnern wir uns kurz daran, was es ist.

Die Dispersion eines Stoffes ist die Abhängigkeit des Phasenbrechungsindex (ordinär). N auf der Lichtwellenlänge l. Bei normaler Dispersion nimmt der Brechungsindex mit abnehmender Wellenlänge zu, und dies ist bei Glas, Wasser, Luft und allen anderen lichtdurchlässigen Stoffen der Fall. Bei Stoffen, die Licht stark absorbieren, ist der Verlauf des Brechungsindex bei Änderung der Wellenlänge umgekehrt und wird deutlich steiler: Mit abnehmendem l (zunehmende Frequenz w) nimmt der Brechungsindex stark ab und wird in einem bestimmten Wellenlängenbereich zu Weniger als eins(Phasengeschwindigkeit V f > Mit). Hierbei handelt es sich um eine anomale Streuung, bei der sich das Muster der Lichtausbreitung in einer Substanz radikal ändert. Gruppengeschwindigkeit V g wird größer Phasengeschwindigkeit Wellen und können im Vakuum die Lichtgeschwindigkeit überschreiten (und auch negativ werden). L. Wong weist auf diesen Umstand als Grund für die Erklärungsmöglichkeit der Ergebnisse seines Experiments hin. Es ist jedoch zu beachten, dass die Bedingung V gr > Mit ist rein formal, da das Konzept der Gruppengeschwindigkeit für den Fall kleiner (normaler) Dispersion für transparente Medien eingeführt wurde, wenn eine Wellengruppe ihre Form während der Ausbreitung nahezu nicht ändert. In Regionen mit anomaler Streuung wird der Lichtimpuls schnell deformiert und das Konzept der Gruppengeschwindigkeit verliert seine Bedeutung; In diesem Fall werden die Konzepte der Signalgeschwindigkeit und der Eneingeführt, die in transparenten Medien mit der Gruppengeschwindigkeit übereinstimmen und in Medien mit Absorption kleiner als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bleiben. Aber das Interessante an Wongs Experiment ist: Ein Lichtimpuls, der ein Medium mit anomaler Dispersion durchquert, wird nicht deformiert – er behält genau seine Form! Und dies entspricht der Annahme, dass sich der Impuls mit Gruppengeschwindigkeit ausbreitet. Aber wenn ja, dann stellt sich heraus, dass es keine Absorption im Medium gibt, obwohl die anomale Dispersion des Mediums genau auf die Absorption zurückzuführen ist! Wong selbst räumt zwar ein, dass vieles noch unklar ist, glaubt jedoch, dass das, was in seinem Versuchsaufbau geschieht, in erster Näherung wie folgt klar erklärt werden kann.

Ein Lichtimpuls besteht aus vielen Komponenten mit unterschiedlichen Wellenlängen (Frequenzen). Die Abbildung zeigt drei dieser Komponenten (Wellen 1-3). Irgendwann sind alle drei Wellen in Phase (ihre Maxima fallen zusammen); hier verstärken sie sich gegenseitig und bilden einen Impuls. Als weitere Verbreitung Im Weltraum werden die Wellen dephasiert und „löschen“ sich dadurch gegenseitig aus.

Im Bereich der anomalen Dispersion (innerhalb der Cäsiumzelle) wird die kürzere Welle (Welle 1) länger. Umgekehrt wird die Welle, die von den dreien die längste war (Welle 3), zur kürzesten.

Folglich ändern sich die Phasen der Wellen entsprechend. Sobald die Wellen die Cäsiumzelle passiert haben, werden ihre Wellenfronten wiederhergestellt. Nach einer ungewöhnlichen Phasenmodulation in einer Substanz mit anomaler Dispersion befinden sich die drei fraglichen Wellen irgendwann wieder in Phase. Hier addieren sie sich wieder und bilden einen Puls, der genau die gleiche Form hat wie der, der in das Cäsiummedium eintritt.

Normalerweise in der Luft und zwar in jeder transparenten Umgebung mit normale Streuung Ein Lichtimpuls kann seine Form nicht genau beibehalten, wenn er sich über eine entfernte Entfernung ausbreitet, das heißt, alle seine Komponenten können an keinem entfernten Punkt entlang des Ausbreitungspfads in Phase gebracht werden. Und unter normalen Bedingungen erscheint an einem so weit entfernten Punkt nach einiger Zeit ein Lichtimpuls. Aufgrund der anomalen Eigenschaften des im Experiment verwendeten Mediums stellte sich jedoch heraus, dass der Impuls an einem entfernten Punkt genauso phasenverschoben war wie beim Eintritt in dieses Medium. Der Lichtimpuls verhält sich also so, als ob er auf dem Weg zu einem entfernten Punkt eine negative Zeitverzögerung hätte, das heißt, er würde dort nicht später, sondern früher ankommen, als er das Medium durchlaufen hat!

Die meisten Physiker neigen dazu, dieses Ergebnis mit dem Auftreten eines Vorläufers geringer Intensität im Dispersionsmedium der Kammer in Verbindung zu bringen. Tatsache ist, dass bei der spektralen Zerlegung eines Impulses das Spektrum beliebige Komponenten enthält hohe Frequenzen mit vernachlässigbar kleiner Amplitude, dem sogenannten Vorläufer, der dem „Hauptteil“ des Impulses vorausgeht. Die Art der Etablierung und die Form des Vorläufers hängen vom Dispersionsgesetz im Medium ab. Vor diesem Hintergrund wird vorgeschlagen, die Abfolge der Ereignisse in Wongs Experiment wie folgt zu interpretieren. Die ankommende Welle „streckt“ den Vorboten vor sich her und nähert sich der Kamera. Bevor der Höhepunkt der einfallenden Welle auf die nahe Wand der Kammer trifft, löst der Vorläufer das Auftreten eines Impulses in der Kammer aus, der die gegenüberliegende Wand erreicht und von dieser reflektiert wird und eine „Rückwärtswelle“ bildet. Diese Welle breitet sich 300-mal schneller aus Mit, erreicht die nahegelegene Wand und trifft auf die ankommende Welle. Die Spitzen einer Welle treffen auf die Täler einer anderen, so dass sie sich gegenseitig zerstören und als Ergebnis nichts mehr übrig bleibt. Es stellt sich heraus, dass die einfallende Welle den Cäsiumatomen „die Schuld zurückzahlt“, die ihr am anderen Ende der Kammer Energie „verliehen“. Jeder, der nur den Anfang und das Ende des Experiments beobachtete, sah nur einen Lichtimpuls, der zeitlich vorwärts „sprang“ und sich schneller bewegte Mit.

L. Wong glaubt, dass sein Experiment nicht mit der Relativitätstheorie vereinbar ist. Die Aussage über die Unerreichbarkeit der Überlichtgeschwindigkeit gilt seiner Ansicht nach nur für Objekte mit Ruhemasse. Licht kann entweder in Form von Wellen dargestellt werden, auf die der Massenbegriff im Allgemeinen nicht anwendbar ist, oder bekanntlich in Form von Photonen mit Ruhemasse gleich Null. Daher ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum laut Wong nicht die Grenze. Allerdings gibt Wong zu, dass der von ihm entdeckte Effekt es nicht ermöglicht, Informationen schneller zu übertragen Mit.

„Die Informationen hier sind bereits enthalten innovativ, auf dem neuesten Stand Dynamik“, sagt P. Milonni, Physiker am Los Alamos National Laboratory in den Vereinigten Staaten. „Und es kann den Eindruck erwecken, dass Informationen schneller als Licht gesendet werden, selbst wenn man sie nicht sendet.“

Die meisten Physiker glauben das neue Arbeit stellt keinen vernichtenden Schlag gegen Grundprinzipien dar. Aber nicht alle Physiker glauben, dass das Problem gelöst ist. Professor A. Ranfagni aus Italien Forschungsgruppe, die einen anderen ausführte interessantes Experiment 2000 ist der Ansicht, dass die Frage noch offen ist. Dieses von Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni und Rocco Ruggeri durchgeführte Experiment entdeckte, dass Zentimeterwellen-Radiowellen im normalen Flugverkehr mit Geschwindigkeiten von mehr als Mit um 25 %.

Zusammenfassend können wir Folgendes sagen. Arbeiten der letzten Jahre zeigen, dass unter bestimmten Bedingungen tatsächlich Überlichtgeschwindigkeit auftreten kann. Aber was genau bewegt sich mit Überlichtgeschwindigkeit? Die Relativitätstheorie verbietet, wie bereits erwähnt, eine solche Geschwindigkeit für materielle Körper und für informationstragende Signale. Dennoch versuchen einige Forscher sehr beharrlich, die Überwindung der Lichtschranke speziell für Signale nachzuweisen. Der Grund dafür liegt darin, dass es in der speziellen Relativitätstheorie keine strengen Regeln gibt mathematische Begründung(basierend beispielsweise auf Maxwells Gleichungen für elektromagnetisches Feld) Unmöglichkeit, Signale mit einer Geschwindigkeit von mehr als zu übertragen Mit. Man könnte sagen, eine solche Unmöglichkeit in STR wird rein rechnerisch auf der Grundlage von Einsteins Formel zur Addition von Geschwindigkeiten festgestellt, was jedoch grundsätzlich durch das Kausalitätsprinzip bestätigt wird. Einstein selbst schrieb in Bezug auf die Frage der superluminalen Signalübertragung, dass in diesem Fall „... wir gezwungen sind, einen Signalübertragungsmechanismus für möglich zu halten, bei dem die erzielte Wirkung der Ursache vorausgeht. Dies ist jedoch ein Ergebnis rein logischer Natur.“ Meiner Meinung nach enthält sich die Sichtweise nicht, es gibt keine Widersprüche; sie widerspricht dennoch so sehr der Natur all unserer Erfahrung, dass die Unmöglichkeit des Annehmens besteht V > s scheint hinreichend bewiesen zu sein.“ Das ist das Prinzip der Kausalität Grundstein, was der Unmöglichkeit einer superluminalen Signalübertragung zugrunde liegt. Und offenbar werden ausnahmslos alle Suchen nach superluminalen Signalen über diesen Stein stolpern, egal wie sehr Experimentatoren solche Signale entdecken möchten, denn so ist die Natur unserer Welt.

Abschließend sollte betont werden, dass all dies speziell für unsere Welt, für unser Universum gilt. Diese Klausel wurde erstellt, weil In letzter Zeit In der Astrophysik und Kosmologie tauchen neue Hypothesen auf, die die Existenz vieler vor uns verborgener Universen ermöglichen, die durch topologische Tunnel – Jumper – verbunden sind. Diesen Standpunkt teilt beispielsweise der berühmte Astrophysiker N.S. Kardashev. Für einen externen Beobachter werden die Eingänge dieser Tunnel durch anomale Gravitationsfelder angezeigt, wie bei Schwarzen Löchern. Bewegungen in solchen Tunneln werden es, wie die Autoren der Hypothesen vorschlagen, ermöglichen, die im gewöhnlichen Raum durch die Lichtgeschwindigkeit auferlegte Begrenzung der Bewegungsgeschwindigkeit zu umgehen und so die Idee des Schaffens zu verwirklichen eine Zeitmaschine... Es ist möglich, dass in solchen Universen tatsächlich etwas Ungewöhnliches für uns passieren kann. Und obwohl solche Hypothesen vorerst zu sehr an Geschichten aus erinnern Science-Fiction, ist es kaum notwendig, die grundsätzliche Möglichkeit kategorisch abzulehnen Mehrelementmodell Geräte der materiellen Welt. Eine andere Sache ist, dass all diese anderen Universen höchstwahrscheinlich rein bleiben werden Mathematische Konstruktionen theoretische Physiker, die in unserem Universum leben und mit der Kraft ihrer Gedanken versuchen, uns verschlossene Welten zu finden ...

Siehe die Ausgabe zum gleichen Thema

25. März 2017

FTL-Reisen sind eine der Grundlagen der Weltraum-Science-Fiction. Allerdings weiß wahrscheinlich jeder – auch Menschen fernab der Physik –, dass die maximal mögliche Geschwindigkeit der Bewegung materieller Objekte oder der Ausbreitung jeglicher Signale die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Sie wird mit dem Buchstaben c bezeichnet und beträgt fast 300.000 Kilometer pro Sekunde; genauer Wert c = 299.792.458 m/s.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine der grundlegenden physikalischen Konstanten. Die Unmöglichkeit, Geschwindigkeiten über c zu erreichen, ergibt sich aus Einsteins spezieller Relativitätstheorie (STR). Wenn nachgewiesen werden könnte, dass die Übertragung von Signalen mit Überlichtgeschwindigkeit möglich ist, würde die Relativitätstheorie scheitern. Dies ist bislang nicht geschehen, trotz zahlreicher Versuche, das Verbot von Geschwindigkeiten über c zu widerlegen. Jüngste experimentelle Studien haben jedoch einige sehr interessante Phänomene offenbart, die darauf hinweisen, dass unter speziell geschaffenen Bedingungen Überlichtgeschwindigkeiten beobachtet werden können, ohne die Prinzipien der Relativitätstheorie zu verletzen.

Erinnern wir uns zunächst an die Hauptaspekte im Zusammenhang mit dem Problem der Lichtgeschwindigkeit.

Zunächst einmal: Warum ist es (unter normalen Bedingungen) unmöglich, die Lichtgrenze zu überschreiten? Denn dann wird das Grundgesetz unserer Welt verletzt – das Gesetz der Kausalität, wonach die Wirkung der Ursache nicht vorausgehen kann. Niemand hat jemals beobachtet, dass zum Beispiel ein Bär zuerst tot umfiel und dann der Jäger erschoss. Bei Geschwindigkeiten über c kehrt sich die Abfolge der Ereignisse um, das Zeitband wird zurückgespult. Dies lässt sich leicht anhand der folgenden einfachen Überlegungen überprüfen.

Obwohl diese Diskussion die technischen Details des Prozesses der Lichtbeobachtung völlig außer Acht lässt, zeigt sie aus grundsätzlicher Sicht deutlich, dass Bewegung mit Überlichtgeschwindigkeit zu einer Situation führt, die in unserer Welt unmöglich ist. Die Natur hat jedoch noch strengere Bedingungen gestellt: Bewegung nicht nur mit Überlichtgeschwindigkeit ist unerreichbar, sondern auch mit einer Geschwindigkeit, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht – man kann sich ihr nur nähern. Aus der Relativitätstheorie folgt, dass mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit drei Umstände eintreten: Die Masse eines bewegten Objekts nimmt zu, seine Größe in Bewegungsrichtung nimmt ab und der Zeitfluss auf diesem Objekt verlangsamt sich (vom Punkt Sicht eines externen „ruhenden“ Beobachters). Bei gewöhnlichen Geschwindigkeiten sind diese Änderungen vernachlässigbar, aber wenn sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, werden sie immer deutlicher, und im Grenzfall – bei einer Geschwindigkeit gleich c – wird die Masse unendlich groß, das Objekt verliert in der Richtung vollständig an Größe von Bewegung und Zeit bleibt darauf stehen. Daher kann kein materieller Körper die Lichtgeschwindigkeit erreichen. Nur das Licht selbst hat eine solche Geschwindigkeit! (Und auch ein „alles durchdringendes“ Teilchen – ein Neutrino, das sich wie ein Photon nicht mit einer Geschwindigkeit unter c bewegen kann.)

Nun zur Signalübertragungsgeschwindigkeit. Hier bietet sich die Darstellung von Licht in Form elektromagnetischer Wellen an. Was ist ein Signal? Dabei handelt es sich um einige Informationen, die übermittelt werden müssen. Eine ideale elektromagnetische Welle ist eine unendliche Sinuskurve mit genau einer Frequenz und kann keine Informationen übertragen, da jede Periode einer solchen Sinuskurve genau die vorherige wiederholt. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Phase einer Sinuswelle – die sogenannte Phasengeschwindigkeit – kann unter bestimmten Bedingungen die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum in einem Medium überschreiten. Hier gibt es keine Einschränkungen, da die Phasengeschwindigkeit nicht die Geschwindigkeit des Signals ist – sie existiert noch nicht. Um ein Signal zu erzeugen, müssen Sie eine Art „Markierung“ auf der Welle machen. Eine solche Markierung kann beispielsweise eine Änderung eines beliebigen Wellenparameters sein – Amplitude, Frequenz oder Anfangsphase. Doch sobald die Markierung entsteht, verliert die Welle ihre Sinusförmigkeit. Es wird moduliert und besteht aus einer Reihe einfacher Sinuswellen mit unterschiedlichen Amplituden, Frequenzen und Anfangsphasen – einer Gruppe von Wellen. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Markierung in der modulierten Welle bewegt, ist die Geschwindigkeit des Signals. Bei der Ausbreitung in einem Medium stimmt diese Geschwindigkeit in der Regel mit der Gruppengeschwindigkeit überein, die die Ausbreitung der oben genannten Wellengruppe als Ganzes charakterisiert (siehe „Wissenschaft und Leben“ Nr. 2, 2000). Unter normalen Bedingungen ist die Gruppengeschwindigkeit und damit die Signalgeschwindigkeit geringer als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Es ist kein Zufall, dass hier der Ausdruck „unter normalen Bedingungen“ verwendet wird, denn in manchen Fällen kann die Gruppengeschwindigkeit c überschreiten oder sogar ihre Bedeutung verlieren, aber dann bezieht er sich nicht auf die Signalausbreitung. Die Tankstelle stellt fest, dass es unmöglich ist, ein Signal mit einer Geschwindigkeit über c zu übertragen.

Warum ist das so? Denn das Hindernis für die Übertragung eines Signals mit einer Geschwindigkeit größer als c ist das gleiche Kausalitätsgesetz. Stellen wir uns eine solche Situation vor. Irgendwann an Punkt A schaltet ein Lichtblitz (Ereignis 1) ein Gerät ein, das ein bestimmtes Funksignal sendet, und an einem entfernten Punkt B kommt es unter dem Einfluss dieses Funksignals zu einer Explosion (Ereignis 2). Es ist klar, dass Ereignis 1 (Flare) die Ursache und Ereignis 2 (Explosion) die Folge ist, die später als die Ursache auftritt. Wenn sich das Funksignal jedoch mit Überlichtgeschwindigkeit ausbreitete, würde ein Beobachter in der Nähe von Punkt B zunächst eine Explosion sehen und erst dann die Ursache der Explosion, die ihn mit der Geschwindigkeit eines Lichtblitzes erreichte. Mit anderen Worten: Für diesen Beobachter wäre Ereignis 2 früher eingetreten als Ereignis 1, d. h. die Wirkung wäre der Ursache vorausgegangen.

Es ist angebracht zu betonen, dass das „superluminale Verbot“ der Relativitätstheorie nur die Bewegung materieller Körper und die Übertragung von Signalen betrifft. In vielen Situationen ist eine Bewegung mit beliebiger Geschwindigkeit möglich, es handelt sich dabei jedoch nicht um die Bewegung materieller Objekte oder Signale. Stellen Sie sich zum Beispiel zwei ziemlich lange Lineale vor, die in derselben Ebene liegen, von denen eines horizontal liegt und das andere sie in einem kleinen Winkel schneidet. Wird das erste Lineal mit hoher Geschwindigkeit nach unten (in Pfeilrichtung) bewegt, lässt sich der Schnittpunkt der Lineale beliebig schnell laufen lassen, dieser Punkt ist jedoch kein materieller Körper. Ein weiteres Beispiel: Wenn Sie eine Taschenlampe (oder beispielsweise einen Laser, der einen schmalen Strahl erzeugt) nehmen und schnell einen Bogen in der Luft beschreiben, erhöht sich die lineare Geschwindigkeit des Lichtflecks mit der Entfernung und überschreitet bei ausreichend großer Entfernung c . Der Lichtfleck bewegt sich mit Überlichtgeschwindigkeit zwischen den Punkten A und B, es handelt sich jedoch nicht um eine Signalübertragung von A nach B, da ein solcher Lichtfleck keine Informationen über Punkt A trägt.

Doch in den 60er Jahren wurde experimentell ein Phänomen entdeckt, das die Physiker zunächst verwirrte. Dies wird im Artikel von A. N. Oraevsky „Superluminal Waves in Amplifying Media“ (UFN Nr. 12, 1998) ausführlich beschrieben. Hier fassen wir den Kern der Sache kurz zusammen und verweisen den an Details interessierten Leser auf den angegebenen Artikel.

Bald nach der Entdeckung des Lasers – in den frühen 60er Jahren – stellte sich das Problem, kurze (ca. 1 ns = 10-9 s dauernde) Hochleistungslichtimpulse zu erhalten. Dazu wurde ein kurzer Laserpuls durch einen optischen Quantenverstärker geleitet. Der Puls wurde durch einen Strahlteilerspiegel in zwei Teile geteilt. Einer von ihnen, der stärker war, wurde an den Verstärker gesendet, der andere breitete sich in der Luft aus und diente als Referenzimpuls, mit dem der durch den Verstärker laufende Impuls verglichen werden konnte. Beide Impulse wurden Fotodetektoren zugeführt und ihre Ausgangssignale konnten visuell auf dem Oszilloskopbildschirm beobachtet werden. Es wurde erwartet, dass der durch den Verstärker laufende Lichtimpuls im Vergleich zum Referenzimpuls eine gewisse Verzögerung erfahren würde, d. h. die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im Verstärker wäre geringer als in Luft. Stellen Sie sich das Erstaunen der Forscher vor, als sie entdeckten, dass sich der Impuls nicht nur schneller durch den Verstärker ausbreitete als in Luft, sondern auch um ein Vielfaches höher als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum!

Nachdem sich die Physiker vom ersten Schock erholt hatten, begannen sie, nach der Ursache für dieses unerwartete Ergebnis zu suchen. Niemand hatte auch nur den geringsten Zweifel an den Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie, und dies half, die richtige Erklärung zu finden: Wenn die Prinzipien der SRT erhalten bleiben, sollte die Antwort in den Eigenschaften des verstärkenden Mediums gesucht werden.

Ohne hier auf Einzelheiten einzugehen, möchten wir nur darauf hinweisen, dass eine detaillierte Analyse des Wirkmechanismus des verstärkenden Mediums die Situation vollständig geklärt hat. Der Punkt war eine Änderung der Photonenkonzentration während der Ausbreitung des Impulses – eine Änderung, die durch eine Änderung der Verstärkung des Mediums bis zu einem negativen Wert während des Durchgangs des hinteren Teils des Impulses verursacht wurde, wenn das Medium bereits absorbiert Energie, da die eigene Reserve durch die Übertragung auf den Lichtimpuls bereits aufgebraucht ist. Die Absorption bewirkt keine Steigerung, sondern eine Abschwächung des Impulses, und so wird der Impuls im vorderen Teil verstärkt und im hinteren Teil abgeschwächt. Stellen wir uns vor, wir beobachten einen Impuls mithilfe eines Geräts, das sich mit Lichtgeschwindigkeit im Verstärkermedium bewegt. Wenn das Medium transparent wäre, würden wir den Impuls in der Bewegungslosigkeit eingefroren sehen. In der Umgebung, in der der oben genannte Prozess stattfindet, werden die Verstärkung der Vorderflanke und die Abschwächung der Hinterflanke des Impulses für den Beobachter so erscheinen, als hätte das Medium den Impuls vorwärts bewegt. Da sich das Gerät (Beobachter) jedoch mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und der Impuls es überholt, übersteigt die Impulsgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit! Es ist dieser Effekt, der von Experimentatoren aufgezeichnet wurde. Und hier besteht tatsächlich kein Widerspruch zur Relativitätstheorie: Der Verstärkungsprozess ist einfach so, dass die Konzentration früher austretender Photonen größer ausfällt als die später austretenden. Es sind nicht die Photonen, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen, sondern die Pulshüllkurve, insbesondere ihr Maximum, das auf einem Oszilloskop beobachtet wird.

Einige Physiker haben versucht, das Vorhandensein überluminaler Bewegung während des Tunneleffekts – einem der erstaunlichsten Phänomene der Quantenmechanik – experimentell nachzuweisen. Dieser Effekt besteht darin, dass ein Mikropartikel (genauer gesagt ein Mikroobjekt, das unter verschiedenen Bedingungen sowohl die Eigenschaften eines Partikels als auch die Eigenschaften einer Welle aufweist) in der Lage ist, die sogenannte Potentialbarriere zu durchdringen – ein Phänomen, das vollständig ist in der klassischen Mechanik unmöglich (wobei eine solche Situation ein Analogon wäre: Ein gegen eine Wand geworfener Ball würde auf der anderen Seite der Wand landen, oder die wellenartige Bewegung, die einem an der Wand befestigten Seil verliehen wird, würde auf die andere Seite der Wand übertragen ein Seil, das auf der anderen Seite an der Wand befestigt ist). Das Wesen des Tunneleffekts in der Quantenmechanik ist wie folgt. Trifft ein Mikroobjekt mit einer bestimmten Energie auf seinem Weg auf einen Bereich mit potentieller Energie, die die Energie des Mikroobjekts übersteigt, stellt dieser Bereich für ihn eine Barriere dar, deren Höhe durch die Energiedifferenz bestimmt wird. Aber das Mikroobjekt „leckt“ durch die Barriere! Diese Möglichkeit bietet ihm die bekannte Heisenbergsche Unschärferelation, geschrieben für die Energie und Zeit der Wechselwirkung. Erfolgt die Wechselwirkung eines Mikroobjekts mit einer Barriere über einen ziemlich bestimmten Zeitraum, dann ist die Energie des Mikroobjekts im Gegenteil durch Unsicherheit gekennzeichnet, und wenn diese Unsicherheit in der Größenordnung der Höhe der Barriere liegt, dann ist die Letzteres ist für das Mikroobjekt kein unüberwindbares Hindernis mehr. Es ist die Durchdringungsgeschwindigkeit der potenziellen Barriere, die von einer Reihe von Physikern zum Forschungsgegenstand geworden ist und die davon ausgeht, dass sie c überschreiten kann.

Und schließlich erschienen im Jahr 2000 Berichte über zwei neue Experimente, bei denen die Auswirkungen der überluminalen Ausbreitung auftraten. Eine davon wurde von Lijun Wong und seinen Kollegen am Princeton Research Institute (USA) durchgeführt. Das Ergebnis ist, dass ein Lichtimpuls, der in eine mit Cäsiumdampf gefüllte Kammer eintritt, seine Geschwindigkeit um das 300-fache erhöht. Es stellte sich heraus, dass der Hauptteil des Impulses die hintere Wand der Kammer noch früher verließ, als der Impuls durch die Vorderwand in die Kammer eintrat. Diese Situation widerspricht nicht nur dem gesunden Menschenverstand, sondern im Wesentlichen der Relativitätstheorie.

Im Experiment von L. Wong hatte der Lichtimpuls, der mit Cäsiumdampf in die Kammer eindrang, eine Dauer von etwa 3 μs. Cäsiumatome können in sechzehn möglichen quantenmechanischen Zuständen existieren, die als „hyperfeine magnetische Unterebenen des Grundzustands“ bezeichnet werden. Durch optisches Laserpumpen wurden fast alle Atome in nur einen dieser sechzehn Zustände gebracht, was einer nahezu absoluten Nulltemperatur auf der Kelvin-Skala (-273,15 °C) entspricht. Die Länge der Cäsiumkammer betrug 6 Zentimeter. Im Vakuum legt Licht in 0,2 ns 6 Zentimeter zurück. Wie die Messungen ergaben, durchlief der Lichtpuls die Kammer mit Cäsium in einer um 62 ns kürzeren Zeit als im Vakuum. Mit anderen Worten: Die Zeit, die ein Impuls benötigt, um ein Cäsiummedium zu durchlaufen, hat ein Minuszeichen! Wenn wir von 0,2 ns 62 ns abziehen, erhalten wir tatsächlich eine „negative“ Zeit. Diese „negative Verzögerung“ im Medium – ein unverständlicher Zeitsprung – entspricht der Zeit, in der der Impuls 310 Durchgänge durch die Kammer im Vakuum machen würde. Die Folge dieser „zeitlichen Umkehrung“ war, dass es dem Impuls, der die Kammer verließ, gelang, sich 19 Meter von ihr zu entfernen, bevor der eintreffende Impuls die nahe Wand der Kammer erreichte. Wie kann eine so unglaubliche Situation erklärt werden (es sei denn, wir zweifeln natürlich an der Reinheit des Experiments)?

Eine genaue Erklärung konnte der aktuellen Diskussion zufolge noch nicht gefunden werden, es besteht jedoch kein Zweifel daran, dass die ungewöhnlichen Dispersionseigenschaften des Mediums dabei eine Rolle spielen: Cäsiumdampf, bestehend aus durch Laserlicht angeregten Atomen, ist ein Medium mit anomaler Dispersion . Erinnern wir uns kurz daran, was es ist.

Die Dispersion eines Stoffes ist die Abhängigkeit des Phasenbrechungsindex n von der Lichtwellenlänge l. Bei normaler Dispersion nimmt der Brechungsindex mit abnehmender Wellenlänge zu, und dies ist bei Glas, Wasser, Luft und allen anderen lichtdurchlässigen Stoffen der Fall. Bei Stoffen, die Licht stark absorbieren, ist der Verlauf des Brechungsindex bei Änderung der Wellenlänge umgekehrt und wird deutlich steiler: Mit abnehmendem l (zunehmende Frequenz w) nimmt der Brechungsindex stark ab und wird in einem bestimmten Wellenlängenbereich kleiner als eins ( Phasengeschwindigkeit Vf > s ). Hierbei handelt es sich um eine anomale Streuung, bei der sich das Muster der Lichtausbreitung in einer Substanz radikal ändert. Die Gruppengeschwindigkeit Vgr wird größer als die Phasengeschwindigkeit der Wellen und kann im Vakuum die Lichtgeschwindigkeit überschreiten (und auch negativ werden). L. Wong weist auf diesen Umstand als Grund für die Erklärungsmöglichkeit der Ergebnisse seines Experiments hin. Es ist jedoch zu beachten, dass die Bedingung Vgr > c rein formaler Natur ist, da das Konzept der Gruppengeschwindigkeit für den Fall kleiner (normaler) Dispersion für transparente Medien eingeführt wurde, wenn eine Wellengruppe ihre Form nahezu nicht ändert während der Vermehrung. In Regionen mit anomaler Streuung wird der Lichtimpuls schnell deformiert und das Konzept der Gruppengeschwindigkeit verliert seine Bedeutung; In diesem Fall werden die Konzepte der Signalgeschwindigkeit und der Eneingeführt, die in transparenten Medien mit der Gruppengeschwindigkeit übereinstimmen und in Medien mit Absorption kleiner als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bleiben. Aber das Interessante an Wongs Experiment ist: Ein Lichtimpuls, der ein Medium mit anomaler Dispersion durchquert, wird nicht deformiert – er behält genau seine Form! Und dies entspricht der Annahme, dass sich der Impuls mit Gruppengeschwindigkeit ausbreitet. Aber wenn ja, dann stellt sich heraus, dass es keine Absorption im Medium gibt, obwohl die anomale Dispersion des Mediums genau auf die Absorption zurückzuführen ist! Wong selbst räumt zwar ein, dass vieles noch unklar ist, glaubt jedoch, dass das, was in seinem Versuchsaufbau geschieht, in erster Näherung wie folgt klar erklärt werden kann.

Ein Lichtimpuls besteht aus vielen Komponenten mit unterschiedlichen Wellenlängen (Frequenzen). Die Abbildung zeigt drei dieser Komponenten (Wellen 1-3). Irgendwann sind alle drei Wellen in Phase (ihre Maxima fallen zusammen); hier verstärken sie sich gegenseitig und bilden einen Impuls. Bei ihrer weiteren Ausbreitung im Raum werden die Wellen außer Phase gebracht und „heben“ sich dadurch gegenseitig auf.

Im Bereich der anomalen Dispersion (innerhalb der Cäsiumzelle) wird die kürzere Welle (Welle 1) länger. Umgekehrt wird die Welle, die von den dreien die längste war (Welle 3), zur kürzesten.

Typischerweise kann ein Lichtimpuls in Luft und tatsächlich in jedem transparenten Medium mit normaler Streuung seine Form nicht genau beibehalten, wenn er sich über eine entfernte Entfernung ausbreitet, das heißt, alle seine Komponenten können an keinem entfernten Punkt entlang des Ausbreitungspfads in Phase gebracht werden. Und unter normalen Bedingungen erscheint an einem so weit entfernten Punkt nach einiger Zeit ein Lichtimpuls. Aufgrund der anomalen Eigenschaften des im Experiment verwendeten Mediums stellte sich jedoch heraus, dass der Impuls an einem entfernten Punkt genauso phasenverschoben war wie beim Eintritt in dieses Medium. Der Lichtimpuls verhält sich also so, als ob er auf dem Weg zu einem entfernten Punkt eine negative Zeitverzögerung hätte, das heißt, er würde dort nicht später, sondern früher ankommen, als er das Medium durchlaufen hat!

Die meisten Physiker neigen dazu, dieses Ergebnis mit dem Auftreten eines Vorläufers geringer Intensität im Dispersionsmedium der Kammer in Verbindung zu bringen. Tatsache ist, dass bei der spektralen Zerlegung eines Pulses im Spektrum Komponenten beliebig hoher Frequenz mit vernachlässigbar kleiner Amplitude, die sogenannten Vorläufer, enthalten sind, die dem „Hauptteil“ des Pulses vorausgehen. Die Art der Etablierung und die Form des Vorläufers hängen vom Dispersionsgesetz im Medium ab. Vor diesem Hintergrund wird vorgeschlagen, die Abfolge der Ereignisse in Wongs Experiment wie folgt zu interpretieren. Die ankommende Welle „streckt“ den Vorboten vor sich her und nähert sich der Kamera. Bevor der Höhepunkt der einfallenden Welle auf die nahe Wand der Kammer trifft, löst der Vorläufer das Auftreten eines Impulses in der Kammer aus, der die gegenüberliegende Wand erreicht und von dieser reflektiert wird und eine „Rückwärtswelle“ bildet. Diese Welle, die sich 300-mal schneller als c ausbreitet, erreicht die nahegelegene Wand und trifft auf die ankommende Welle. Die Spitzen einer Welle treffen auf die Täler einer anderen, so dass sie sich gegenseitig zerstören und als Ergebnis nichts mehr übrig bleibt. Es stellt sich heraus, dass die einfallende Welle den Cäsiumatomen „die Schuld zurückzahlt“, die ihr am anderen Ende der Kammer Energie „verliehen“. Jeder, der nur den Anfang und das Ende des Experiments beobachtete, würde nur einen Lichtimpuls sehen, der zeitlich vorwärts „sprang“ und sich schneller als c bewegte.

L. Wong glaubt, dass sein Experiment nicht mit der Relativitätstheorie vereinbar ist. Die Aussage über die Unerreichbarkeit der Überlichtgeschwindigkeit gilt seiner Ansicht nach nur für Objekte mit Ruhemasse. Licht kann entweder in Form von Wellen dargestellt werden, auf die der Massenbegriff im Allgemeinen nicht anwendbar ist, oder in Form von Photonen, deren Ruhemasse bekanntlich gleich Null ist. Daher ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum laut Wong nicht die Grenze. Allerdings räumt Wong ein, dass der von ihm entdeckte Effekt es nicht ermöglicht, Informationen mit Geschwindigkeiten über c zu übertragen.

„Die Informationen sind hier bereits in der Vorderkante des Pulses enthalten“, sagt P. Milonni, Physiker am Los Alamos National Laboratory in den Vereinigten Staaten. „Und es kann der Eindruck entstehen, dass Informationen schneller als Licht gesendet werden, selbst wenn Sie.“ senden es nicht.“

Die meisten Physiker glauben, dass die neue Arbeit keinen vernichtenden Schlag gegen grundlegende Prinzipien darstellt. Aber nicht alle Physiker glauben, dass das Problem gelöst ist. Professor A. Ranfagni von der italienischen Forschungsgruppe, die im Jahr 2000 ein weiteres interessantes Experiment durchführte, glaubt, dass die Frage noch offen ist. Dieses von Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni und Rocco Ruggeri durchgeführte Experiment ergab, dass Zentimeterwellen-Radiowellen im normalen Flugverkehr mit Geschwindigkeiten von 25 % schneller als c.

Zusammenfassend können wir Folgendes sagen.

Arbeiten der letzten Jahre zeigen, dass unter bestimmten Bedingungen tatsächlich Überlichtgeschwindigkeit auftreten kann. Aber was genau bewegt sich mit Überlichtgeschwindigkeit? Die Relativitätstheorie verbietet, wie bereits erwähnt, eine solche Geschwindigkeit für materielle Körper und für informationstragende Signale. Dennoch versuchen einige Forscher sehr beharrlich, die Überwindung der Lichtschranke speziell für Signale nachzuweisen. Der Grund dafür liegt in der Tatsache, dass es in der speziellen Relativitätstheorie keine strenge mathematische Begründung (z. B. basierend auf den Maxwell-Gleichungen für das elektromagnetische Feld) für die Unmöglichkeit gibt, Signale mit Geschwindigkeiten über c zu übertragen. Man könnte sagen, eine solche Unmöglichkeit in STR wird rein rechnerisch auf der Grundlage von Einsteins Formel zur Addition von Geschwindigkeiten festgestellt, was jedoch grundsätzlich durch das Kausalitätsprinzip bestätigt wird. Einstein selbst schrieb in Bezug auf die Frage der superluminalen Signalübertragung, dass in diesem Fall „... wir gezwungen sind, einen Signalübertragungsmechanismus für möglich zu halten, bei dem die erzielte Wirkung der Ursache vorausgeht. Dies ist jedoch ein Ergebnis rein logischer Natur.“ Die Sichtweise enthält sich meiner Meinung nach nicht, es gibt keine Widersprüche; sie widerspricht dennoch so sehr der Natur unserer gesamten Erfahrung, dass die Unmöglichkeit der Annahme V > c hinreichend bewiesen zu sein scheint.“ Das Kausalitätsprinzip ist der Grundstein für die Unmöglichkeit einer überluminalen Signalübertragung. Und offenbar werden ausnahmslos alle Suchen nach superluminalen Signalen über diesen Stein stolpern, egal wie sehr Experimentatoren solche Signale entdecken möchten, denn so ist die Natur unserer Welt.

Aber stellen wir uns dennoch vor, dass die Mathematik der Relativitätstheorie auch bei Überlichtgeschwindigkeiten funktioniert. Das bedeutet, dass wir theoretisch immer noch herausfinden können, was passieren würde, wenn ein Körper die Lichtgeschwindigkeit überschreiten würde.

Stellen wir uns zwei vor Raumschiff, auf dem Weg von der Erde zu einem Stern, der 100 Lichtjahre von unserem Planeten entfernt ist. Das erste Schiff verlässt die Erde mit 50 % der Lichtgeschwindigkeit, sodass die Reise 200 Jahre dauern wird. Das zweite Schiff, ausgestattet mit einem hypothetischen Warpantrieb, wird sich mit 200 % der Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, allerdings 100 Jahre nach dem ersten. Was wird passieren?

Nach der Relativitätstheorie hängt die richtige Antwort maßgeblich von der Perspektive des Beobachters ab. Von der Erde aus sieht es so aus, als hätte das erste Schiff bereits eine beträchtliche Strecke zurückgelegt, bevor es vom zweiten Schiff überholt wird, das sich viermal schneller bewegt. Doch aus der Sicht der Menschen auf dem ersten Schiff ist alles etwas anders.

Schiff Nr. 2 bewegt sich schneller als das Licht, was bedeutet, dass es sogar schneller sein kann als das Licht, das es selbst aussendet. Dies führt zu einer Art „Lichtwelle“ (analog einer Schallwelle, nur dass hier anstelle von Luftschwingungen Lichtwellen vibrieren), die mehrere erzeugt interessante Effekte. Denken Sie daran, dass sich das Licht von Schiff Nr. 2 langsamer bewegt als das Schiff selbst. Das Ergebnis wird eine visuelle Verdoppelung sein. Mit anderen Worten: Zuerst wird die Besatzung von Schiff Nr. 1 sehen, dass das zweite Schiff wie aus dem Nichts neben ihnen aufgetaucht ist. Dann erreicht das Licht des zweiten Schiffs mit einer leichten Verzögerung das erste und das Ergebnis ist eine sichtbare Kopie, die sich mit einer leichten Verzögerung in die gleiche Richtung bewegt.

Ähnliches ist in zu sehen Computerspiele wenn aufgrund eines Systemausfalls die Engine das Modell und seine Algorithmen am Endpunkt der Bewegung schneller lädt, als die Bewegungsanimation selbst endet, so dass es zu Mehrfachaufnahmen kommt. Dies ist wahrscheinlich der Grund, warum unser Bewusstsein diesen hypothetischen Aspekt des Universums, in dem sich Körper mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen, nicht wahrnimmt – vielleicht ist das das Beste.

P.S. ... aber in letztes Beispiel Ich verstehe etwas nicht. Warum hängt die tatsächliche Position des Schiffes mit dem „von ihm emittierten Licht“ zusammen? Nun, selbst wenn sie ihn am falschen Ort sehen, wird er in Wirklichkeit das erste Schiff überholen!

Quellen

Zur direkten Messung der Neutrinogeschwindigkeit bestimmt. Die Ergebnisse klingen sensationell: Die Neutrinogeschwindigkeit war leicht – aber statistisch signifikant! - schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Das Gemeinschaftspapier enthält eine Analyse verschiedener Fehlerquellen und Unsicherheiten, die überwiegende Mehrheit der Physiker reagiert jedoch weiterhin sehr skeptisch, vor allem weil dieses Ergebnis nicht mit anderen experimentellen Daten zu den Eigenschaften von Neutrinos übereinstimmt.

Reis. 1.

Details zum Experiment

Die Idee des Experiments (siehe OPERA-Experiment) ist sehr einfach. Ein Neutrinostrahl wird am CERN geboren, fliegt durch die Erde zum italienischen Gran-Sasso-Labor und passiert dort einen speziellen OPERA-Neutrinodetektor. Neutrinos interagieren nur sehr schwach mit Materie, aber weil ihr Fluss vom CERN so groß ist, kollidieren einige Neutrinos immer noch mit Atomen im Inneren des Detektors. Dort erzeugen sie eine Kaskade geladener Teilchen und hinterlassen dadurch ihr Signal im Detektor. Neutrinos werden am CERN nicht kontinuierlich, sondern in „Ausbrüchen“ geboren, und wenn wir den Zeitpunkt der Geburt des Neutrinos und den Zeitpunkt seiner Absorption im Detektor sowie den Abstand zwischen den beiden Labors kennen, können wir die Geschwindigkeit berechnen des Neutrinos.

Der Abstand zwischen der Quelle und dem Detektor in einer geraden Linie beträgt etwa 730 km und wird mit einer Genauigkeit von 20 cm gemessen (der genaue Abstand zwischen den Referenzpunkten beträgt 730.534,61 ± 0,20 Meter). Zwar lässt sich der Prozess, der zur Entstehung von Neutrinos führt, nicht so genau lokalisieren. Am CERN wird ein Strahl hochenergetischer Protonen vom SPS-Beschleuniger freigesetzt, auf ein Graphittarget geworfen und erzeugt Sekundärteilchen, darunter Mesonen. Sie fliegen immer noch mit nahezu Lichtgeschwindigkeit vorwärts und zerfallen in Myonen, während sie Neutrinos aussenden. Auch Myonen zerfallen und produzieren zusätzliche Neutrinos. Dann werden alle Teilchen außer Neutrinos in der Dicke der Substanz absorbiert und gelangen ungehindert zum Nachweisort. Allgemeines Schema Dieser Teil des Experiments ist in Abb. dargestellt. 1.

Die gesamte Kaskade, die zum Erscheinen eines Neutrinostrahls führt, kann sich über Hunderte von Metern erstrecken. Allerdings seitdem Alle Teilchen in diesem Haufen fliegen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit vorwärts; für die Nachweiszeit macht es praktisch keinen Unterschied, ob das Neutrino sofort oder nach einer kilometerlangen Reise geboren wurde (das ist jedoch der Fall). sehr wichtig, als genau das ursprüngliche Proton, das zur Geburt dieses Neutrinos führte, aus dem Beschleuniger flog). Dadurch werden die Neutrinos geboren im Großen und Ganzen Sie wiederholen einfach das Profil des ursprünglichen Protonenstrahls. Der entscheidende Parameter ist hier also genau das zeitliche Profil des vom Beschleuniger emittierten Protonenstrahls, insbesondere die genaue Position seiner Vorder- und Hinterkanten, und dieses Profil wird mit guter Zeit gemessen S m Auflösung (siehe Abb. 2).

Jede Sitzung, bei der ein Protonenstrahl auf ein Ziel geworfen wird (im Englischen wird eine solche Sitzung als „Sitzung“ bezeichnet). verschütten, „Burst“) dauert etwa 10 Mikrosekunden und führt zur Geburt einer großen Anzahl von Neutrinos. Allerdings fliegen fast alle von ihnen ohne Interaktion direkt durch die Erde (und den Detektor). Im gleichen in seltenen Fällen Wenn der Detektor ein Neutrino entdeckt, lässt sich nicht sagen, zu welchem Zeitpunkt während des 10-Mikrosekunden-Intervalls es emittiert wurde. Die Analyse kann nur statistisch durchgeführt werden, d. h. es werden viele Fälle von Neutrino-Erkennungen akkumuliert und deren zeitliche Verteilung relativ zum Startpunkt für jede Sitzung konstruiert. Im Detektor wird als Ausgangspunkt der Zeitpunkt angenommen, an dem das konventionelle Signal, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und genau im Moment der Vorderkante des Protonenstrahls emittiert wird, den Detektor erreicht. Die genaue Messung dieses Augenblicks wurde durch die Synchronisierung der Uhren in zwei Labors mit einer Genauigkeit von wenigen Nanosekunden ermöglicht.

In Abb. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel für eine solche Verteilung. Schwarze Punkte sind echte Neutrinodaten, die vom Detektor aufgezeichnet und summiert werden eine große Anzahl Sitzungen. Die rote Kurve zeigt ein herkömmliches „Referenz“-Signal, das sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen würde. Es ist ersichtlich, dass die Daten bei etwa 1048,5 ns beginnen früher Referenzsignal. Dies bedeutet jedoch nicht, dass Neutrinos dem Licht tatsächlich um eine Mikrosekunde voraus sind, sondern ist lediglich ein Grund, alle Kabellängen, Reaktionsgeschwindigkeiten von Geräten, elektronischen Verzögerungszeiten usw. sorgfältig zu messen. Diese erneute Überprüfung wurde durchgeführt und es stellte sich heraus, dass dadurch das „Referenz“-Drehmoment um 988 ns ausgeglichen wurde. Es stellt sich also heraus, dass das Neutrinosignal tatsächlich das Referenzsignal überholt, allerdings nur um etwa 60 Nanosekunden. Bezogen auf die Neutrinogeschwindigkeit entspricht dies einer Überschreitung der Lichtgeschwindigkeit um etwa 0,0025 %.

Der Fehler dieser Messung wurde von den Autoren der Analyse auf 10 Nanosekunden geschätzt, was sowohl statistische als auch statistische Daten umfasst systematischer Fehler. Daher behaupten die Autoren, dass sie die Bewegung superluminaler Neutrinos mit einem statistischen Konfidenzniveau von sechs „sehen“. Standardabweichungen.

Der Unterschied zwischen den Ergebnissen und den Erwartungen um sechs Standardabweichungen ist bereits recht groß und wird in der Teilchenphysik mit dem großen Wort „Entdeckung“ bezeichnet. Diese Zahl muss jedoch richtig verstanden werden: Sie bedeutet nur die Wahrscheinlichkeit statistisch Die Schwankungen in den Daten sind sehr gering, aber sie sagen nicht aus, wie zuverlässig die Datenverarbeitungstechnik ist und wie gut die Physiker alle instrumentellen Fehler berücksichtigt haben. Schließlich gibt es in der Teilchenphysik viele Beispiele, bei denen ungewöhnliche Signale außergewöhnlich groß sind statistische Zuverlässigkeit wurden durch andere Experimente nicht bestätigt.

Was widersprechen superluminale Neutrinos?

Entgegen der landläufigen Meinung, spezielle Theorie Die Relativitätstheorie an sich verbietet nicht die Existenz von Teilchen, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen. Allerdings ist für solche Teilchen (man nennt sie im Allgemeinen „Tachyonen“) auch die Lichtgeschwindigkeit eine Grenze, allerdings nur von unten – sie können sich nicht langsamer als diese bewegen. In diesem Fall ist die Abhängigkeit der Teilchenenergie von der Geschwindigkeit umgekehrt: Je höher die Energie, desto näher liegt die Geschwindigkeit der Tachyonen an der Lichtgeschwindigkeit.

Viel mehr ernsthafte Probleme Beginnen Sie mit der Quantenfeldtheorie. Diese Theorie ersetzt die Quantenmechanik, wenn wir reden über um Quantenteilchen mit großen Energien. In dieser Theorie sind Teilchen keine Punkte, sondern relativ gesehen Klumpen eines materiellen Feldes und können nicht getrennt vom Feld betrachtet werden. Es stellt sich heraus, dass Tachyonen die Energie des Feldes senken, was bedeutet, dass sie das Vakuum instabil machen. Dann ist es vorteilhafter, wenn der Hohlraum spontan in eine große Anzahl dieser Teilchen zerfällt, und daher ist es einfach sinnlos, die Bewegung eines Tachyons im gewöhnlichen leeren Raum zu betrachten. Wir können sagen, dass der Tachyon kein Teilchen ist, sondern eine Instabilität des Vakuums.

Bei Tachyon-Fermionen ist die Situation etwas komplizierter, aber auch dort treten vergleichbare Schwierigkeiten auf, die die Erstellung einer in sich konsistenten Tachyon-Quantenfeldtheorie einschließlich der gewöhnlichen Relativitätstheorie verhindern.

Dies ist jedoch auch nicht der Fall das letzte Wort in der Theorie. So wie Experimentatoren alles messen, was gemessen werden kann, testen Theoretiker auch alle möglichen hypothetischen Modelle, die den verfügbaren Daten nicht widersprechen. Insbesondere gibt es Theorien, in denen eine kleine, noch nicht beachtete Abweichung von den Postulaten der Relativitätstheorie zulässig ist – beispielsweise die Lichtgeschwindigkeit selbst Variable. Solche Theorien haben noch keine direkte experimentelle Unterstützung, sind aber noch nicht abgeschlossen.

Diese kurze Skizze der theoretischen Möglichkeiten lässt sich wie folgt zusammenfassen: Trotz der Tatsache, dass in einigen theoretische Modelle FTL-Reisen sind möglich, sie bleiben rein hypothetische Konstrukte. Alle heute verfügbaren experimentellen Daten werden durch Standardtheorien ohne überluminale Bewegung beschrieben. Wenn es also zumindest für einige Partikel zuverlässig bestätigt werden würde, Quantentheorie Die Felder müssten grundlegend erneuert werden.

Sollte das OPERA-Ergebnis in diesem Sinne als „erstes Zeichen“ angesehen werden? Noch nicht. Der vielleicht wichtigste Grund für Skepsis bleibt die Tatsache, dass das OPERA-Ergebnis nicht mit anderen experimentellen Daten zu Neutrinos übereinstimmt.

Erstens wurden während der berühmten Supernova-Explosion SN1987A auch Neutrinos registriert, die mehrere Stunden vor dem Lichtpuls eintrafen. Dies bedeutet nicht, dass sich die Neutrinos schneller als das Licht bewegten, sondern spiegelt lediglich die Tatsache wider, dass Neutrinos mit höherer Geschwindigkeit emittiert werden. frühen Zeitpunkt Kernkollaps während einer Supernova-Explosion als Licht. Da sich Neutrinos und Licht jedoch nach 170.000 Jahren Reise nicht um mehr als ein paar Stunden voneinander entfernten, bedeutet dies, dass ihre Geschwindigkeiten sehr nahe beieinander liegen und sich um nicht mehr als Teile einer Milliarde unterscheiden. Das OPERA-Experiment zeigt eine tausendmal größere Diskrepanz.

Hier können wir natürlich sagen, dass sich die bei Supernova-Explosionen erzeugten Neutrinos und Neutrinos vom CERN stark in der Energie unterscheiden (mehrere zehn MeV bei Supernovae und 10–40 GeV im beschriebenen Experiment) und dass die Geschwindigkeit der Neutrinos je nach Energie variiert . Aber das ist eine Veränderung in diesem Fall funktioniert in die „falsche“ Richtung: Denn je höher die Energie der Tachyonen, desto näher sollte ihre Geschwindigkeit an der Lichtgeschwindigkeit liegen. Natürlich können wir auch hier eine Modifikation der Tachyonentheorie finden, bei der diese Abhängigkeit völlig anders wäre, aber in diesem Fall müssen wir das „doppelt-hypothetische“ Modell diskutieren.

Darüber hinaus aus dem Satz experimenteller Daten zu Neutrino-Oszillationen, die für erhalten wurden letzten Jahren Daraus folgt, dass sich die Massen aller Neutrinos nur um Bruchteile eines Elektronvolts unterscheiden. Wenn das Ergebnis von OPERA als Manifestation der überluminalen Bewegung von Neutrinos wahrgenommen wird, dann wird der Quadratwert der Masse von mindestens einem Neutrino in der Größenordnung von –(100 MeV) 2 liegen (negative quadratische Masse ist eine mathematische Manifestation von). die Tatsache, dass das Teilchen als Tachyon betrachtet wird). Dann müssen wir das zugeben Alle Arten von Neutrinos sind Tachyonen und haben ungefähr die gleiche Masse. Andererseits, direkte Messung Die Neutrinomasse beim Betazerfall von Tritiumkernen zeigt, dass die Neutrinomasse (in absoluten Werten) 2 Elektronenvolt nicht überschreiten sollte. Mit anderen Worten: Es wird nicht möglich sein, alle diese Daten miteinander abzugleichen.

Die Schlussfolgerung daraus lässt sich wie folgt ziehen: Das erklärte Ergebnis der OPERA-Kollaboration lässt sich nur schwer in jedes noch so exotischste theoretische Modell einpassen.

Was weiter?

In allen großen Teilchenphysik-Kooperationen ist dies für jeden gängige Praxis spezifische Analyse wird von einem kleinen Teilnehmerkreis durchgeführt und erst anschließend werden die Ergebnisse zur allgemeinen Diskussion vorgestellt. In diesem Fall war diese Phase offenbar zu kurz, weshalb nicht alle Teilnehmer der Zusammenarbeit der Unterzeichnung des Artikels zustimmten (die vollständige Liste umfasst 216 Teilnehmer des Experiments, der Vorabdruck jedoch nur 174 Autoren). Daher werden in naher Zukunft offenbar noch viele weitere Prüfungen im Rahmen der Zusammenarbeit durchgeführt und erst danach wird der Artikel in Druck gehen.

Natürlich können wir jetzt eine Flut theoretischer Arbeiten mit verschiedenen exotischen Erklärungen für dieses Ergebnis erwarten. Solange das angegebene Ergebnis jedoch nicht zuverlässig überprüft wird, kann es nicht als vollwertige Entdeckung betrachtet werden.

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