Superluminal Travel ist eine der Grundlagen der Weltraum-Science-Fiction. Wahrscheinlich weiß jedoch jeder - auch Menschen, die weit von der Physik entfernt sind -, dass die maximal mögliche Bewegungsgeschwindigkeit materieller Objekte oder die Ausbreitung von Signalen die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum ist. Es wird mit dem Buchstaben c bezeichnet und beträgt fast 300.000 Kilometer pro Sekunde; der genaue Wert ist 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 (SRT). Wenn es möglich wäre zu beweisen, dass Signale mit überluminalen Geschwindigkeiten übertragen werden können, würde die Relativitätstheorie fallen. Bisher ist dies trotz zahlreicher Versuche, das Verbot der Existenz von Geschwindigkeiten über c zu widerlegen, nicht geschehen. In jüngsten experimentellen Studien wurden jedoch einige sehr interessante Phänomene entdeckt, die darauf hinweisen, dass unter speziell erzeugten Bedingungen superluminale Geschwindigkeiten beobachtet werden können und die Prinzipien der Relativitätstheorie nicht verletzt werden.
Lassen Sie uns zunächst die Hauptaspekte im Zusammenhang mit dem Problem der Lichtgeschwindigkeit in Erinnerung rufen.
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, nach dem die Wirkung die Ursache nicht übersteigen kann. Niemand hat zum Beispiel jemals beobachtet, wie zuerst ein Bär tot umfiel und dann ein Jäger feuerte. Bei Geschwindigkeiten über s wird die Abfolge der Ereignisse umgekehrt und das Zeitband zurückgespult. Dies lässt sich anhand der folgenden einfachen Überlegungen leicht überprüfen.
Nehmen wir an, wir befinden uns auf einer Art Weltraumwunderschiff und bewegen uns schneller als Licht. Dann würden wir allmählich das von der Quelle zu immer früheren Zeitpunkten emittierte Licht einholen. Zuerst würden wir die Photonen einholen, die beispielsweise gestern emittiert wurden, dann diejenigen, die vorgestern emittiert wurden, dann eine Woche, einen Monat, ein Jahr und so weiter. Wenn die Lichtquelle ein Spiegel wäre, der das Leben reflektiert, würden wir zuerst die Ereignisse von gestern sehen, dann vorgestern und so weiter. Wir könnten zum Beispiel 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 zurückkehren, wir würden von der Gegenwart in die Vergangenheit übergehen. Die Ursachen und Wirkungen würden sich umkehren.
Obwohl diese Argumentation die technischen Details des Lichtbeobachtungsprozesses von einem fundamentalen Standpunkt aus völlig ignoriert, zeigt sie deutlich, dass eine Bewegung mit überluminaler Geschwindigkeit zu einer unmöglichen Situation in unserer Welt führt. Die Natur hat jedoch noch strengere Bedingungen festgelegt: Es ist unerreichbar, sich nicht nur mit Superluminalgeschwindigkeit zu bewegen, sondern auch mit einer Geschwindigkeit, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht - man kann sich nur nähern. Aus der Relativitätstheorie folgt, dass mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit drei Umstände eintreten: Die Masse eines sich bewegenden Objekts nimmt zu, seine Größe nimmt in Bewegungsrichtung ab und der Zeitfluss auf diesem Objekt verlangsamt sich (aus Sicht eines externen "ruhenden" Beobachters). Bei normalen Geschwindigkeiten sind diese Änderungen vernachlässigbar, aber wenn sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, werden sie deutlicher.und im Grenzfall - bei einer Geschwindigkeit gleich c - wird die Masse unendlich groß, das Objekt verliert seine Größe in Bewegungsrichtung vollständig und die Zeit stoppt darauf. Daher kann kein materieller Körper die Lichtgeschwindigkeit erreichen. Nur das Licht selbst hat eine solche Geschwindigkeit! (Und auch das "alles durchdringende" Teilchen - Neutrino, das sich wie ein Photon nicht mit einer Geschwindigkeit von weniger als s bewegen kann.)
Nun zur Signalübertragungsgeschwindigkeit. Hier ist es angebracht, die Darstellung von Licht in Form von elektromagnetischen Wellen zu verwenden. Was ist ein Signal? Dies ist eine Art von Informationen, die übertragen werden sollen. Eine ideale elektromagnetische Welle ist eine unendliche Sinuskurve mit genau einer Frequenz und kann keine Informationen enthalten, da jede Periode einer solchen Sinuskurve genau die vorherige wiederholt. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Phase einer Sinuswelle - die sogenannte Phasengeschwindigkeit - kann in einem Medium unter bestimmten Bedingungen die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum überschreiten. Hier gibt es keine Einschränkungen, da die Phasengeschwindigkeit nicht die Signalgeschwindigkeit ist - sie ist noch nicht da. Um ein Signal zu erzeugen, müssen Sie eine Art "Markierung" auf der Welle machen. Eine solche Markierung kann beispielsweise eine Änderung eines der Wellenparameter sein - Amplitude, Frequenz oder Anfangsphase. Aber sobald die Marke gemacht ist,Die Welle verliert die 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 fällt diese Geschwindigkeit normalerweise mit der Gruppengeschwindigkeit zusammen, die die Ausbreitung der oben genannten Gruppe von Wellen 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 der Ausdruck "unter normalen Bedingungen" verwendet wird, da in einigen Fällen die Gruppengeschwindigkeit auch c überschreiten oder sogar ihre Bedeutung verlieren kann, aber dann gilt er nicht für die Signalausbreitung. In der SRT wird festgestellt, dass es unmöglich ist, ein Signal mit einer Geschwindigkeit größer als s zu senden. 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 fällt diese Geschwindigkeit normalerweise mit der Gruppengeschwindigkeit zusammen, die die Ausbreitung der oben genannten Gruppe von Wellen 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 der Ausdruck "unter normalen Bedingungen" verwendet wird, da in einigen Fällen die Gruppengeschwindigkeit c überschreiten oder sogar ihre Bedeutung verlieren kann, aber dann gilt er nicht für die Signalausbreitung. In der SRT wird festgestellt, dass es unmöglich ist, ein Signal mit einer Geschwindigkeit größer als s zu senden. 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 fällt diese Geschwindigkeit normalerweise mit der Gruppengeschwindigkeit zusammen, die die Ausbreitung der oben genannten Gruppe von Wellen 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 der Ausdruck "unter normalen Bedingungen" verwendet wird, da in einigen Fällen die Gruppengeschwindigkeit c überschreiten oder sogar ihre Bedeutung verlieren kann, aber dann gilt er nicht für die Signalausbreitung. In der SRT wird festgestellt, dass es unmöglich ist, ein Signal mit einer Geschwindigkeit größer als s zu senden.bestehend aus einer Reihe einfacher Sinuswellen mit unterschiedlichen Amplituden, Frequenzen und Anfangsphasen - eine 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 fällt diese Geschwindigkeit normalerweise mit der Gruppengeschwindigkeit zusammen, die die Ausbreitung der oben genannten Gruppe von Wellen 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 der Ausdruck "unter normalen Bedingungen" verwendet wird, da in einigen Fällen die Gruppengeschwindigkeit auch c überschreiten oder sogar ihre Bedeutung verlieren kann, aber dann gilt er nicht für die Signalausbreitung. In der SRT wird festgestellt, dass es unmöglich ist, ein Signal mit einer Geschwindigkeit größer als s zu senden.bestehend aus einer Reihe einfacher Sinuswellen mit unterschiedlichen Amplituden, Frequenzen und Anfangsphasen - eine 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 fällt diese Geschwindigkeit normalerweise mit der Gruppengeschwindigkeit zusammen, die die Ausbreitung der oben genannten Gruppe von Wellen als Ganzes charakterisiert (siehe Science and Life, Nr. 2, 2000). Unter normalen Bedingungen ist die Gruppengeschwindigkeit und damit die Signalgeschwindigkeit geringer als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Es ist kein Zufall, dass der Ausdruck "unter normalen Bedingungen" verwendet wird, da in einigen Fällen die Gruppengeschwindigkeit auch c überschreiten oder sogar ihre Bedeutung verlieren kann, aber dann gilt er nicht für die Signalausbreitung. In der SRT wird festgestellt, dass es unmöglich ist, ein Signal mit einer Geschwindigkeit größer als s zu senden. Frequenzen und Anfangsphasen - Gruppen 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 fällt diese Geschwindigkeit normalerweise mit der Gruppengeschwindigkeit zusammen, die die Ausbreitung der oben genannten Gruppe von Wellen 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 der Ausdruck "unter normalen Bedingungen" verwendet wird, da in einigen Fällen die Gruppengeschwindigkeit auch c überschreiten oder sogar ihre Bedeutung verlieren kann, aber dann gilt er nicht für die Signalausbreitung. Die SRT stellt fest, dass es unmöglich ist, ein Signal mit einer Geschwindigkeit größer als s zu senden. Frequenzen und Anfangsphasen - Gruppen 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 fällt diese Geschwindigkeit normalerweise mit der Gruppengeschwindigkeit zusammen, die die Ausbreitung der oben genannten Gruppe von Wellen 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 der Ausdruck "unter normalen Bedingungen" verwendet wird, da in einigen Fällen die Gruppengeschwindigkeit auch c überschreiten oder sogar ihre Bedeutung verlieren kann, aber dann gilt er nicht für die Signalausbreitung. Die SRT stellt fest, dass es unmöglich ist, ein Signal mit einer Geschwindigkeit größer als s zu senden. Bei der Ausbreitung in einem Medium fällt diese Geschwindigkeit normalerweise mit der Gruppengeschwindigkeit zusammen, die die Ausbreitung der oben genannten Gruppe von Wellen 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 der Ausdruck "unter normalen Bedingungen" verwendet wird, da in einigen Fällen die Gruppengeschwindigkeit auch c überschreiten oder sogar ihre Bedeutung verlieren kann, aber dann gilt er nicht für die Signalausbreitung. In der SRT wird festgestellt, dass es unmöglich ist, ein Signal mit einer Geschwindigkeit größer als s zu senden. Bei der Ausbreitung in einem Medium fällt diese Geschwindigkeit normalerweise mit der Gruppengeschwindigkeit zusammen, die die Ausbreitung der oben genannten Gruppe von Wellen 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 der Ausdruck "unter normalen Bedingungen" verwendet wird, da in einigen Fällen die Gruppengeschwindigkeit auch c überschreiten oder sogar ihre Bedeutung verlieren kann, aber dann gilt er nicht für die Signalausbreitung. In der SRT wird festgestellt, dass es unmöglich ist, ein Signal mit einer Geschwindigkeit größer als s zu senden. Es ist kein Zufall, dass der Ausdruck "unter normalen Bedingungen" verwendet wird, da in einigen Fällen die Gruppengeschwindigkeit auch c überschreiten oder sogar ihre Bedeutung verlieren kann, aber dann gilt er nicht für die Signalausbreitung. In der SRT wird festgestellt, dass es unmöglich ist, ein Signal mit einer Geschwindigkeit größer als s zu senden. Es ist kein Zufall, dass der Ausdruck "unter normalen Bedingungen" verwendet wird, da in einigen Fällen die Gruppengeschwindigkeit c überschreiten oder sogar ihre Bedeutung verlieren kann, aber dann gilt er nicht für die Signalausbreitung. In der SRT wird festgestellt, dass es unmöglich ist, ein Signal mit einer Geschwindigkeit größer als s zu senden.
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Warum ist das so? Weil dasselbe Kausalitätsgesetz als Hindernis für die Übertragung eines Signals mit einer Geschwindigkeit größer als c dient. Stellen wir uns die folgende Situation vor. An einem Punkt A schaltet ein Lichtblitz (Ereignis 1) ein Gerät ein, das ein bestimmtes Funksignal sendet, und an einem entfernten Punkt B tritt unter Einwirkung dieses Funksignals eine Explosion auf (Ereignis 2). Es ist klar, dass Ereignis 1 (Blitz) eine Ursache ist und Ereignis 2 (Explosion) eine Folge ist, die später als die Ursache auftritt. Wenn sich das Funksignal jedoch mit Superluminalgeschwindigkeit ausbreitete, würde ein Beobachter in der Nähe von Punkt B zuerst eine Explosion sehen, und erst dann - ein Blitz, der ihn mit einer Geschwindigkeit eines Lichtblitzes erreichte, die Ursache der Explosion. Mit anderen Worten, für diesen Beobachter würde Ereignis 2 früher als Ereignis 1 auftreten, dh die Wirkung wäre der Ursache voraus.
Es ist hervorzuheben, dass das "überluminale Verbot" der Relativitätstheorie nur der Bewegung materieller Körper und der Übertragung von Signalen auferlegt wird. In vielen Situationen ist eine Bewegung mit jeder Geschwindigkeit möglich, jedoch keine Bewegung von materiellen Objekten oder Signalen. Stellen Sie sich zum Beispiel zwei ziemlich lange Lineale vor, die in derselben Ebene liegen, von denen eines horizontal ist und das andere sie in einem kleinen Winkel schneidet. Wenn das erste Lineal mit hoher Geschwindigkeit nach unten (in die durch den Pfeil angegebene Richtung) bewegt wird, kann der Schnittpunkt der Lineale so schnell ausgeführt werden, wie Sie möchten. Dieser Punkt ist jedoch kein materieller Körper. Ein weiteres Beispiel: Wenn Sie eine Taschenlampe (oder beispielsweise einen Laser, der einen schmalen Strahl abgibt) nehmen und schnell einen Bogen mit ihm in der Luft beschreiben, nimmt die lineare Geschwindigkeit des Lichtflecks mit der Entfernung zu und in einer ausreichend großen Entfernung c. Der Lichtfleck bewegt sich mit überragender Geschwindigkeit zwischen den Punkten A und B, dies ist jedoch keine Signalübertragung von A nach B, da ein solcher Lichtfleck keine Informationen über Punkt A enthält.
Es scheint, dass die Frage der Superluminalgeschwindigkeiten gelöst wurde. In den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts stellten theoretische Physiker eine Hypothese über die Existenz von superluminalen Teilchen auf, die als Tachyonen bezeichnet werden. Dies sind sehr seltsame Teilchen: Theoretisch sind sie möglich, aber um Widersprüche zur Relativitätstheorie zu vermeiden, mussten sie eine imaginäre Ruhemasse zuschreiben. Physikalisch imaginäre Masse existiert nicht, es ist eine rein mathematische Abstraktion. Dies hat jedoch nicht viel Alarm ausgelöst, da Tachyonen nicht in Ruhe sein können - sie existieren (wenn sie existieren!) Nur bei Geschwindigkeiten, die die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum überschreiten, und in diesem Fall stellt sich heraus, dass die Masse des Tachyons real ist. Hier gibt es eine Analogie zu Photonen: Ein Photon hat keine Ruhemasse, aber dies bedeutet einfach, dass ein Photon nicht ruhen kann - Licht kann nicht gestoppt werden.
Am schwierigsten war es erwartungsgemäß, die Tachyon-Hypothese mit dem Gesetz der Kausalität in Einklang zu bringen. Versuche in diese Richtung führten, obwohl sie ziemlich genial waren, nicht zu einem offensichtlichen Erfolg. Es gelang auch niemandem, Tachyonen experimentell zu registrieren. Infolgedessen schwand das Interesse an Tachyonen als superluminalen Elementarteilchen allmählich.
In den 60er Jahren wurde jedoch experimentell ein Phänomen entdeckt, das die Physiker zunächst verwirrte. Dies wird ausführlich in dem Artikel von A. N. Oraevsky "Superluminale Wellen in verstärkenden Medien" (Phys. Phys. Nr. 12, 1998) beschrieben. Hier werden wir die Angelegenheit kurz zusammenfassen und den an Details interessierten Leser auf den angegebenen Artikel verweisen.
Bald nach der Entdeckung von Lasern - in den frühen 60er Jahren - trat das Problem auf, kurze (etwa 1 ns = 10-9 s) Hochleistungslichtimpulse zu erhalten. Hierzu wurde ein kurzer Laserpuls durch einen optischen Quantenverstärker geleitet. Der Impuls wurde durch einen strahlteilenden Spiegel in zwei Teile geteilt. Einer von ihnen, stärker, wurde zum Verstärker geschickt, während der andere sich in der Luft ausbreitete und als Referenzimpuls diente, mit dem man den Impuls vergleichen konnte, der durch den Verstärker ging. Beide Impulse wurden Fotodetektoren zugeführt, und ihre Ausgangssignale konnten auf dem Oszilloskopbildschirm visuell beobachtet werden. Es wurde erwartet, dass der durch den Verstärker laufende Lichtimpuls im Vergleich zum Referenzimpuls eine gewisse Verzögerung erfährt, dh die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Verstärker ist geringer als in Luft. Stellen Sie sich die Überraschung der Forscher vor, als sie entdeckten, dass sich der Impuls durch den Verstärker mit einer Geschwindigkeit ausbreitete, die nicht nur größer als in Luft war, sondern auch die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum mehrmals überstieg!
Nachdem sich die Physiker von dem ersten Schock erholt hatten, suchten sie nach dem Grund für ein solch unerwartetes Ergebnis. 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 speziellen Relativitätstheorie erhalten bleiben, sollte die Antwort in den Eigenschaften des verstärkenden Mediums gesucht werden.
Ohne hier ins Detail zu gehen, weisen wir nur darauf hin, dass eine detaillierte Analyse des Wirkmechanismus des Verstärkungsmediums die Situation vollständig geklärt hat. Der Punkt bestand in einer Änderung der Photonenkonzentration während der Impulsausbreitung - einer Änderung aufgrund einer Änderung der Verstärkung des Mediums bis zu einem negativen Wert während des Durchgangs der Rückseite des Impulses, wenn das Medium bereits Energie absorbiert, weil seine eigene Reserve aufgrund seiner Übertragung auf den Lichtimpuls bereits aufgebraucht ist. Die Absorption bewirkt keine Verstärkung, sondern eine Schwächung des Impulses, und somit wird der Impuls vorne verstärkt und hinten geschwächt. Stellen wir uns vor, wir beobachten einen Impuls mit Hilfe eines Geräts, das sich mit Lichtgeschwindigkeit in einem Verstärkermedium bewegt. Wenn das Medium transparent wäre, würden wir den Impuls in der Unbeweglichkeit eingefroren sehen. In der Umwelt,bei dem oben erwähnten Vorgang erscheint dem Betrachter die Verstärkung der Vorderflanke und die Schwächung der Hinterflanke des Impulses so, dass das Medium den Impuls sozusagen vorwärts bewegt hat. Da sich das Gerät (Beobachter) jedoch mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und der Puls es überholt, übersteigt die Pulsgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit! Dieser Effekt wurde von den Experimentatoren registriert. Und hier gibt es wirklich keinen Widerspruch zur Relativitätstheorie: Nur der Verstärkungsprozess ist so, dass sich herausstellt, dass die Konzentration der Photonen, die früher herauskamen, höher ist als die, die später herauskamen. Es sind nicht Photonen, die sich mit Superluminalgeschwindigkeit bewegen, sondern die Impulshüllkurve, insbesondere ihr Maximum, das am Oszilloskop beobachtet wird. Da sich das Gerät (Beobachter) jedoch mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und der Puls es überholt, übersteigt die Pulsgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit! Dieser Effekt wurde von den Experimentatoren registriert. Und hier gibt es wirklich keinen Widerspruch zur Relativitätstheorie: Nur der Verstärkungsprozess ist so, dass sich herausstellt, dass die Konzentration der Photonen, die früher herauskamen, höher ist als die, die später herauskamen. Es sind nicht Photonen, die sich mit Superluminalgeschwindigkeit bewegen, sondern die Impulshüllkurve, insbesondere ihr Maximum, das am Oszilloskop beobachtet wird. Da sich das Gerät (Beobachter) jedoch mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und der Puls es überholt, übersteigt die Pulsgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit! Dieser Effekt wurde von den Experimentatoren registriert. Und hier gibt es wirklich keinen Widerspruch zur Relativitätstheorie: Nur der Verstärkungsprozess ist so, dass sich herausstellt, dass die Konzentration der Photonen, die früher herauskamen, höher ist als die, die später herauskamen. Es sind nicht Photonen, die sich mit Superluminalgeschwindigkeit bewegen, sondern die Impulshüllkurve, insbesondere ihr Maximum, das am Oszilloskop beobachtet wird. Es sind nicht Photonen, die sich mit Superluminalgeschwindigkeit bewegen, sondern die Impulshüllkurve, insbesondere ihr Maximum, das am Oszilloskop beobachtet wird. Es sind nicht Photonen, die sich mit Superluminalgeschwindigkeit bewegen, sondern die Impulshüllkurve, insbesondere ihr Maximum, das am Oszilloskop beobachtet wird.
Während in gewöhnlichen Medien immer eine Schwächung des Lichts und eine Abnahme seiner Geschwindigkeit, bestimmt durch den Brechungsindex, in aktiven Lasermedien auftritt, wird nicht nur eine Lichtverstärkung beobachtet, sondern auch eine Impulsausbreitung mit überluminaler Geschwindigkeit.
Einige Physiker haben versucht, die Existenz einer superluminalen Bewegung im Tunneleffekt experimentell zu beweisen - eines der erstaunlichsten Phänomene in der Quantenmechanik. Dieser Effekt besteht darin, dass ein Mikroteilchen (genauer gesagt ein Mikroobjekt, das unter verschiedenen Bedingungen sowohl die Eigenschaften eines Teilchens als auch die Eigenschaften einer Welle aufweist) die sogenannte Potentialbarriere durchdringen kann - ein Phänomen, das in der klassischen Mechanik (in der das Analogon eine solche Situation wäre) völlig unmöglich ist: Ein in die Wand geworfener Ball würde sich auf der anderen Seite der Wand befinden, oder die Wellenbewegung, die auf das an der Wand befestigte Seil ausgeübt wird, würde auf das an der Wand befestigte Seil auf der anderen Seite übertragen. Das Wesen des Tunneleffekts in der Quantenmechanik ist wie folgt. Wenn ein Mikroobjekt mit einer bestimmten Energie auf seinem Weg auf ein Gebiet mit potentieller Energie trifft,Über die Energie des Mikroobjekts hinaus ist dieser Bereich für ihn eine Barriere, deren Höhe durch die Energiedifferenz bestimmt wird. Aber das Mikroobjekt "sickert" durch die Barriere! Diese Möglichkeit bietet ihm die bekannte Heisenbergsche Unsicherheitsrelation, die für die Energie- und Interaktionszeit geschrieben wurde. Wenn die Wechselwirkung des Mikroobjekts mit der Barriere für eine ausreichend bestimmte Zeit auftritt, wird die Energie des Mikroobjekts im Gegenteil durch Unsicherheit gekennzeichnet sein, und wenn diese Unsicherheit in der Größenordnung der Barrierehöhe liegt, hört letzteres auf, ein unüberwindbares Hindernis für das Mikroobjekt zu sein. Hier ist die Geschwindigkeit des Eindringens durch eine potenzielle Barriere Gegenstand der Forschung einer Reihe von Physikern geworden, die glauben, dass sie s überschreiten kann. Aber das Mikroobjekt "sickert" durch die Barriere! Diese Möglichkeit bietet ihm die bekannte Heisenbergsche Unsicherheitsrelation, die für die Energie- und Interaktionszeit geschrieben wurde. Wenn die Wechselwirkung des Mikroobjekts mit der Barriere für eine ausreichend bestimmte Zeit auftritt, wird die Energie des Mikroobjekts im Gegenteil durch Unsicherheit gekennzeichnet sein, und wenn diese Unsicherheit in der Größenordnung der Barrierehöhe liegt, hört letzteres auf, ein unüberwindbares Hindernis für das Mikroobjekt zu sein. Hier ist die Geschwindigkeit des Eindringens durch eine potenzielle Barriere Gegenstand der Forschung einer Reihe von Physikern geworden, die glauben, dass sie s überschreiten kann. Aber das Mikroobjekt "sickert" durch die Barriere! Diese Möglichkeit bietet ihm die bekannte Heisenbergsche Unsicherheitsrelation, die für die Energie- und Interaktionszeit geschrieben wurde. Wenn die Wechselwirkung des Mikroobjekts mit der Barriere für eine ausreichend bestimmte Zeit auftritt, wird die Energie des Mikroobjekts im Gegenteil durch Unsicherheit gekennzeichnet sein, und wenn diese Unsicherheit in der Größenordnung der Barrierehöhe liegt, hört letzteres auf, ein unüberwindbares Hindernis für das Mikroobjekt zu sein. Hier ist die Geschwindigkeit des Eindringens durch eine potenzielle Barriere Gegenstand der Forschung einer Reihe von Physikern geworden, die glauben, dass sie s überschreiten kann. Wenn die Wechselwirkung des Mikroobjekts mit der Barriere für eine ausreichend bestimmte Zeit auftritt, wird die Energie des Mikroobjekts im Gegenteil durch Unsicherheit gekennzeichnet sein, und wenn diese Unsicherheit in der Größenordnung der Barrierehöhe liegt, hört letzteres auf, ein unüberwindbares Hindernis für das Mikroobjekt zu sein. Hier ist die Geschwindigkeit des Eindringens durch eine potenzielle Barriere Gegenstand der Forschung einer Reihe von Physikern geworden, die glauben, dass sie s überschreiten kann. Wenn die Wechselwirkung des Mikroobjekts mit der Barriere für eine ausreichend bestimmte Zeit auftritt, wird die Energie des Mikroobjekts im Gegenteil durch Unsicherheit gekennzeichnet sein, und wenn diese Unsicherheit in der Größenordnung der Barrierehöhe liegt, hört letzteres auf, ein unüberwindbares Hindernis für das Mikroobjekt zu sein. Hier ist die Geschwindigkeit des Eindringens durch eine potenzielle Barriere Gegenstand der Forschung einer Reihe von Physikern geworden, die glauben, dass sie s überschreiten kann.
Im Juni 1998 fand in Köln ein internationales Symposium zu FTL-Problemen statt, auf dem die in vier Laboratorien erzielten Ergebnisse diskutiert wurden - in Berkeley, Wien, Köln und Florenz.
Und schließlich gab es im Jahr 2000 Berichte über zwei neue Experimente, bei denen die Auswirkungen der superluminalen Ausbreitung auftraten. Eine davon wurde von Lijun Wong und Mitarbeitern an einem Forschungsinstitut in Princeton (USA) durchgeführt. Das Ergebnis ist, dass der Lichtimpuls, der in die mit Cäsiumdampf gefüllte Kammer eintritt, seine Geschwindigkeit um das 300-fache erhöht. Es stellte sich heraus, dass der Hauptteil des Impulses die gegenüberliegende Wand der Kammer noch früher verlässt, als der Impuls durch die Vorderwand in die Kammer eintritt. Diese Situation widerspricht nicht nur dem gesunden Menschenverstand, sondern im Wesentlichen der Relativitätstheorie.
Die Botschaft von L. Wong löste eine intensive Diskussion unter Physikern aus, von denen die meisten nicht geneigt sind, in den erzielten Ergebnissen einen Verstoß gegen die Relativitätsprinzipien zu sehen. Sie glauben, dass die Herausforderung darin besteht, dieses Experiment richtig zu erklären.
In L. Wongs Experiment hatte der mit Cäsiumdampf in die Kammer eintretende Lichtimpuls eine Dauer von etwa 3 μs. Cäsiumatome können sich in 16 möglichen quantenmechanischen Zuständen befinden, die als "magnetische Hyperfein-Grundzustands-Unterebenen" bezeichnet werden. Mit Hilfe des optischen Laserpumpens wurden fast alle Atome in nur einen dieser 16 Zustände gebracht, was einer nahezu absoluten Nulltemperatur auf der Kelvin-Skala (-273,15 ° C) entspricht. Die Cäsiumkammer war 6 Zentimeter lang. Im Vakuum bewegt sich das Licht in 0,2 ns um 6 Zentimeter. Die Messungen zeigten, dass der Lichtimpuls mit Cäsium in 62 ns weniger Zeit als im Vakuum durch die Kammer ging. Mit anderen Worten hat die Laufzeit des Impulses durch das Cäsiummedium ein Minuszeichen! In der Tat erhalten wir eine "negative" Zeit, wenn 62 ns von 0,2 ns subtrahiert werden. Diese "negative Verzögerung" im Medium - ein unverständlicher Zeitsprung - ist gleich der Zeit, während der der Impuls 310 im Vakuum durch die Kammer geleitet hätte. Die Folge dieses "vorübergehenden Umkippens" war, dass der Impuls, der die Kammer verließ, Zeit hatte, sich um 19 Meter von ihr zu entfernen, bevor der ankommende Impuls die nahe Wand der Kammer erreichte. Wie kann solch eine unglaubliche Situation erklärt werden (wenn natürlich kein Zweifel an der Reinheit des Experiments besteht)?nicht an der Reinheit des Experiments zweifeln)?nicht an der Reinheit des Experiments zweifeln)?
Nach der sich entfaltenden Diskussion zu urteilen, wurde noch keine genaue Erklärung gefunden, aber es besteht kein Zweifel daran, dass hier ungewöhnliche Dispersionseigenschaften des Mediums eine Rolle spielen: Cäsiumdämpfe, die aus durch Laserlicht angeregten Atomen bestehen, sind ein Medium mit anomaler Dispersion. Erinnern wir uns kurz daran, was es ist.
Die Dispersion einer Substanz ist die Abhängigkeit des Phasenbrechungsindex (konventionell) n von der Wellenlänge des Lichts l. Bei normaler Dispersion steigt der Brechungsindex mit abnehmender Wellenlänge an, und dies tritt in Glas, Wasser, Luft und allen anderen für Licht transparenten Substanzen auf. Bei Substanzen, die Licht stark absorbieren, ändert sich der Verlauf des Brechungsindex mit einer Änderung der Wellenlänge in das Gegenteil und wird viel steiler: Mit einer Abnahme von l (einer Zunahme der Frequenz w) nimmt der Brechungsindex stark ab und in einem bestimmten Bereich von Wellenlängen wird er kleiner als eins (die Phasengeschwindigkeit Vph> s)). Dies ist die anomale Dispersion, bei der sich das Bild der Ausbreitung von Licht in Materie radikal ändert. Die Gruppengeschwindigkeit Vgr wird größer als die Phasengeschwindigkeit der Wellen und kann die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum überschreiten (und auch negativ werden). L. L. Wong verweist auf diesen Umstand als Grund für die Möglichkeit, die Ergebnisse seines Experiments zu erklären. Es ist jedoch zu beachten, dass die Bedingung Vgr> c rein formal ist, da das Konzept der Gruppengeschwindigkeit für den Fall einer geringen (normalen) Dispersion für transparente Medien eingeführt wurde, wenn eine Gruppe von Wellen während der Ausbreitung ihre Form fast nicht ändert. In Regionen mit anomaler Dispersion hingegen wird der Lichtpuls schnell deformiert und das Konzept der Gruppengeschwindigkeit verliert seine Bedeutung; In diesem Fall werden die Konzepte der Signalgeschwindigkeit und der Energieausbreitungsgeschwindigkeit eingeführt, die in transparenten Medien mit der Gruppengeschwindigkeit zusammenfallen und in Medien mit Absorption unter der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bleiben. Aber was in Wongs Experiment interessant ist: Ein Lichtimpuls, der ein Medium mit anomaler Dispersion durchlaufen hat, wird nicht deformiert - er behält genau seine Form!Und dies entspricht der Annahme über die Ausbreitung des Impulses mit der Gruppengeschwindigkeit. 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, der zugibt, dass noch viel unklar ist, glaubt, 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 stimmen überein); hier verstärken sie sich, verstärken sich und bilden einen Impuls. Wenn sich die Wellen im Raum weiter ausbreiten, sind die Wellen phasenverschoben und "dämpfen" sich dadurch gegenseitig.
Im Bereich der anomalen Dispersion (innerhalb der Cäsiumzelle) wird die kürzere Welle (Welle 1) länger. Umgekehrt wird die Welle, die die längste der drei war (Welle 3), die kürzeste.
Folglich ändern sich die Phasen der Wellen entsprechend. Wenn die Wellen die Cäsiumzelle passiert haben, werden ihre Wellenfronten wiederhergestellt. Nach einer ungewöhnlichen Phasenmodulation in einer Substanz mit anomaler Dispersion sind die drei betrachteten Wellen an einem bestimmten Punkt wieder in Phase. Hier falten sie sich wieder und bilden einen Puls von genau der gleichen Form wie beim Eintritt in das Cäsiummedium.
Normalerweise kann ein Lichtimpuls in Luft und in praktisch jedem transparenten Medium mit normaler Dispersion seine Form nicht genau beibehalten, wenn er sich über eine entfernte Entfernung ausbreitet, dh alle seine Komponenten können an keinem entfernten Punkt entlang des Ausbreitungsweges phasengesteuert werden. Und unter normalen Bedingungen erscheint nach einiger Zeit ein Lichtimpuls an einem so entfernten Punkt. Aufgrund der anomalen Eigenschaften des im Experiment verwendeten Mediums stellte sich jedoch heraus, dass der Impuls an einem entfernten Punkt auf die gleiche Weise wie beim Eintritt in dieses Medium phasenweise war. Der Lichtimpuls verhält sich also so, als hätte er auf dem Weg zu einem entfernten Punkt eine negative Zeitverzögerung, das heißt, er würde ihn nicht später, sondern früher erreichen, als er die Umgebung passiert hat!
Die meisten Physiker neigen dazu, dieses Ergebnis mit dem Auftreten eines Vorläufers geringer Intensität im dispersiven Medium der Kammer in Verbindung zu bringen. Tatsache ist, dass während der spektralen Zerlegung eines Impulses das Spektrum Komponenten beliebig hoher Frequenzen mit vernachlässigbarer Amplitude enthält, den 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, die den Vorboten vor sich "streckt", nähert sich der Kamera. Bevor die Spitze der ankommenden Welle auf die nahe Wand der Kammer trifft, löst der Vorläufer einen Impuls in der Kammer aus, der die entfernte Wand erreicht und von dieser reflektiert wird und eine "Rückwärtswelle" bildet. Diese WelleAusbreitung 300-mal schneller als c, erreicht die nahe Wand und trifft auf die ankommende Welle. Die Spitzen einer Welle treffen auf die Täler einer anderen, so dass sie sich gegenseitig zerstören und nichts übrig bleibt. Es stellt sich heraus, dass die ankommende Welle die Schulden an die Cäsiumatome "zurückgibt", die ihr am anderen Ende der Kammer Energie "verliehen" haben. Jeder, der nur den Beginn und das Ende des Experiments beobachten würde, würde nur einen Lichtimpuls sehen, der mit der Zeit vorwärts "sprang" und sich schneller bewegte. Ich würde nur einen Lichtimpuls sehen, der mit der Zeit nach vorne "sprang" und sich schneller bewegte. Ich würde nur einen Lichtimpuls sehen, der mit der Zeit nach vorne "sprang" und sich schneller bewegte.
L. Wong glaubt, dass sein Experiment nicht mit der Relativitätstheorie übereinstimmt. Die Aussage über die Unerreichbarkeit der Superluminalgeschwindigkeit gilt seiner Ansicht nach nur für Objekte mit Ruhemasse. Licht kann entweder in Form von Wellen dargestellt werden, auf die der Begriff der Masse im Allgemeinen nicht anwendbar ist, oder in Form von Photonen mit einer bekannten Ruhemasse von Null. Daher ist die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum, so Wong, nicht die Grenze. Trotzdem gibt Wong zu, dass der von ihm entdeckte Effekt es nicht ermöglicht, Informationen mit einer Geschwindigkeit von mehr als s zu übertragen.
"Die Informationen hier sind bereits an der Spitze des Pulses", sagt P. Milonny, Physiker am US-amerikanischen Los Alamos National Laboratory. "Und Sie können den Eindruck gewinnen, Informationen schneller als Licht zu senden, selbst wenn Sie sie nicht senden."
Die meisten Physiker glauben, dass die neue Arbeit den Grundprinzipien keinen vernichtenden Schlag versetzt. 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 durchgeführt hat, ist der Ansicht, dass die Frage noch offen ist. Dieses Experiment, das von Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni und Rocco Ruggeri durchgeführt wurde, ergab, dass Radiowellen im Zentimeterbereich im normalen Flug mit einer Geschwindigkeit von 25% über c fliegen.
Zusammenfassend können wir folgendes sagen
Die Arbeit der letzten Jahre hat gezeigt, dass unter bestimmten Bedingungen tatsächlich eine Superluminalgeschwindigkeit stattfinden kann. Aber was genau bewegt sich mit Superluminalgeschwindigkeit? Die Relativitätstheorie verbietet, wie bereits erwähnt, eine solche Geschwindigkeit für materielle Körper und für Signale, die Informationen tragen. Trotzdem versuchen einige Forscher sehr beharrlich zu demonstrieren, wie die Lichtbarriere für Signale überwunden werden kann. Der Grund dafür liegt in der Tatsache, dass es in der speziellen Relativitätstheorie keine strenge mathematische Rechtfertigung (beispielsweise basierend auf Maxwells Gleichungen für das elektromagnetische Feld) für die Unmöglichkeit gibt, Signale mit einer Geschwindigkeit größer als s zu übertragen. Eine solche Unmöglichkeit in der SRT ist rein arithmetisch begründet und geht von der Einstein-Formel für die Addition von Geschwindigkeiten aus. Dies wird aber grundsätzlich durch das Prinzip der Kausalität bestätigt. Einstein selbst schrieb in Anbetracht der Frage der überluminalen Signalübertragung, dass in diesem Fall "… wir gezwungen sind, einen Signalübertragungsmechanismus in Betracht zu ziehen, bei dessen Verwendung die erreichte Aktion der Ursache vorausgeht. Obwohl dieses Ergebnis aus rein logischer Sicht nicht enthält, Meiner Meinung nach, keine Widersprüche, widerspricht es immer noch dem Charakter unserer gesamten Erfahrung so sehr, dass die Unmöglichkeit der Annahme V> c hinreichend bewiesen zu sein scheint. " Das Prinzip der Kausalität ist der Grundstein für die Unmöglichkeit der FTL-Signalübertragung. Und dieser Stein wird anscheinend ausnahmslos alle stolpern, die nach überluminalen Signalen suchen, egal wie sehr die Experimentatoren solche Signale finden möchten.denn das ist die Natur unserer Welt.
Stellen wir uns dennoch vor, dass die Relativitätsmathematik immer noch schneller als Licht arbeitet. Dies bedeutet, dass wir theoretisch immer noch herausfinden können, was passieren würde, wenn der Körper die Lichtgeschwindigkeit überschreiten würde.
Stellen Sie sich zwei Raumschiffe vor, die von der Erde auf einen Stern zusteuern, der 100 Lichtjahre von unserem Planeten entfernt ist. Das erste Schiff verlässt die Erde mit 50% Lichtgeschwindigkeit, sodass die gesamte Reise 200 Jahre dauern wird. Das zweite Schiff, das mit einem hypothetischen Warp-Antrieb ausgestattet ist, fährt mit 200% Lichtgeschwindigkeit, jedoch 100 Jahre nach dem ersten. Was wird passieren?
Nach der Relativitätstheorie hängt die richtige Antwort weitgehend von der Perspektive des Betrachters ab. Von der Erde aus scheint das erste Schiff bereits eine beträchtliche Strecke zurückgelegt zu haben, bevor es vom zweiten Schiff überholt wird, das sich viermal schneller bewegt. Aber aus Sicht der Leute auf dem ersten Schiff ist alles etwas anders.
Schiff Nr. 2 bewegt sich schneller als Licht, was bedeutet, dass es sogar das Licht, das es selbst aussendet, überholen kann. Dies führt zu einer Art "Lichtwelle" (analog zum Schall, nur anstelle von Luftschwingungen schwingen hier Lichtwellen), die mehrere interessante Effekte erzeugt. Denken Sie daran, dass sich das Licht von Schiff Nr. 2 langsamer bewegt als das Schiff selbst. Infolgedessen tritt eine visuelle Verdoppelung auf. Mit anderen Worten, zuerst wird die Besatzung des Schiffes Nr. 1 sehen, dass das zweite Schiff daneben wie aus dem Nichts erschien. Dann erreicht das Licht des zweiten Schiffes mit einer leichten Verzögerung das erste und das Ergebnis ist eine sichtbare Kopie, die sich mit einer leichten Verzögerung in dieselbe Richtung bewegt.
Ähnliches ist bei Computerspielen zu beobachten, wenn die Engine infolge eines Systemfehlers das Modell und seine Algorithmen am Endpunkt der Bewegung schneller lädt als die Animation selbst, sodass mehrere Takes auftreten. Dies ist wahrscheinlich der Grund, warum unser Bewusstsein diesen hypothetischen Aspekt des Universums nicht wahrnimmt, in dem sich Körper mit überluminaler Geschwindigkeit bewegen - vielleicht ist dies das Beste.
PS … aber im letzten Beispiel habe ich etwas nicht verstanden, warum die reale Position des Schiffes mit dem "von ihm emittierten Licht" verbunden ist? Nun, lassen Sie sie ihn als etwas sehen, das nicht da ist, aber in Wirklichkeit wird er das erste Schiff überholen!
