يمكن أن تنتقل الظلال أسرع من الضوء ، لكنها لا تحمل المادة أو المعلومات

هل الرحلة فائقة اللمعان ممكنة؟

تحتوي الأقسام في هذه المقالة على عناوين فرعية ويمكنك الرجوع إلى كل قسم على حدة.

أمثلة بسيطة على السفر عبر FTL

1. تأثير Cherenkov

عندما نتحدث عن الحركة الفائقة ، فإننا نعني سرعة الضوء في الفراغ. ج(299792458 م / ث). لذلك ، لا يمكن اعتبار تأثير Cherenkov كمثال على الحركة الفائقة اللمعان.

2. المراقب الثالث

إذا كان الصاروخ أيطير بعيدًا عني بسرعة 0.6 جإلى الغرب والصاروخ بيطير بعيدًا عني بسرعة 0.6 جالشرق ، ثم أرى أن المسافة بين أو بيزيد مع السرعة 1.2 ج. مشاهدة الصواريخ وهي تطير أو بمن الخارج ، يرى المراقب الثالث أن سرعة إزالة الصواريخ الكلية أكبر من ج .

لكن السرعة النسبيةلا يساوي مجموع السرعات. سرعة الصاروخ أبخصوص الصاروخ بهو المعدل الذي تزداد به المسافة إلى الصاروخ أالذي يراه مراقب يطير على صاروخ ب. يجب حساب السرعة النسبية باستخدام صيغة إضافة السرعة النسبية. (انظر كيف تضيف سرعات في النسبية الخاصة؟) في هذا المثال ، السرعة النسبية تقريبية 0.88 ج. لذا في هذا المثال لم نحصل على FTL.

3. الضوء والظل

فكر في السرعة التي يمكن أن يتحرك بها الظل. إذا كان المصباح قريبًا ، فإن ظل إصبعك على الحائط البعيد يتحرك أسرع بكثير من تحرك الإصبع. عند تحريك الإصبع بشكل موازٍ للجدار ، تكون سرعة الظل في الداخل د / دمرات أكبر من سرعة الإصبع. هنا دهي المسافة من المصباح إلى الإصبع ، و د- من المصباح إلى الحائط. ستكون السرعة أكبر إذا كان الحائط بزاوية. إذا كان الجدار بعيدًا جدًا ، فإن حركة الظل ستتأخر عن حركة الإصبع ، حيث يستغرق الضوء وقتًا للوصول إلى الحائط ، لكن سرعة الظل الذي يتحرك على طول الجدار ستزداد أكثر. سرعة الظل لا تحددها سرعة الضوء.

جسم آخر يمكن أن ينتقل أسرع من الضوء هو بقعة ضوء من ليزر موجه نحو القمر. المسافة إلى القمر 385000 كم. يمكنك حساب سرعة حركة بقعة الضوء على سطح القمر بنفسك مع التقلبات الصغيرة لمؤشر الليزر في يدك. قد يعجبك أيضًا مثال موجة تضرب خطًا مستقيمًا من الشاطئ بزاوية طفيفة. بأي سرعة يمكن أن تتحرك نقطة التقاطع بين الموجة والشاطئ على طول الشاطئ؟

كل هذه الأشياء يمكن أن تحدث في الطبيعة. على سبيل المثال ، يمكن لشعاع من الضوء من نجم نابض أن يمتد على طول سحابة من الغبار. انفجار قوييمكن أن تخلق موجات كروية من الضوء أو الإشعاع. عندما تتقاطع هذه الموجات مع سطح ما ، تظهر دوائر من الضوء على ذلك السطح وتتوسع أسرع من الضوء. يتم ملاحظة هذه الظاهرة ، على سبيل المثال ، متى النبض الكهرومغناطيسيمن وميض البرق يمر عبر الغلاف الجوي العلوي.

4. الجسم الصلب

إذا كان لديك قضيب طويل صلب وضربت أحد طرفيه ، ألا يتحرك الطرف الآخر على الفور؟ أليست هذه طريقة لنقل المعلومات بسرعة فائقة؟

سيكون ذلك صحيحًا إذاكانت هناك أجسام صلبة تمامًا. من الناحية العملية ، ينتقل التأثير على طول القضيب بسرعة الصوت ، والذي يعتمد على مرونة مادة القضيب وكثافتها. بالإضافة إلى ذلك ، تحدد نظرية النسبية السرعات المحتملة للصوت في مادة ما بالقيمة ج .

ينطبق نفس المبدأ إذا حملت خيطًا أو قضيبًا عموديًا ، ثم حررته ، وبدأ في السقوط تحت تأثير الجاذبية. يبدأ الطرف العلوي الذي تتركه في السقوط على الفور ، لكن الطرف السفلي سيبدأ في التحرك بعد فترة فقط ، حيث ينتقل فقدان قوة الإمساك إلى أسفل القضيب بسرعة الصوت في المادة.

إن صياغة النظرية النسبية للمرونة معقدة نوعًا ما ، ولكن يمكن توضيح الفكرة العامة باستخدام ميكانيكا نيوتن. يمكن اشتقاق معادلة الحركة الطولية للجسم المرن بشكل مثالي من قانون هوك. دلالة على الكثافة الخطية للقضيب ρ ، معامل يونج ص. الإزاحة الطولية Xيفي بمعادلة الموجة

ρ د 2 س / دت 2 - ص د 2 س / دكس 2 = 0

ينتقل حل الموجة المستوية بسرعة الصوت س، والذي يتم تحديده من الصيغة ق 2 = ص / ρ. لا تسمح معادلة الموجة لاضطرابات الوسط بالتحرك أسرع من السرعة س. بالإضافة إلى ذلك ، تعطي نظرية النسبية حدًا لمقدار المرونة: ص< ρc 2 . في الممارسة العملية ، لا توجد مادة معروفة تقترب من هذا الحد. لاحظ أيضًا أنه حتى لو كانت سرعة الصوت قريبة من ج، إذن فالمادة نفسها لا تتحرك بالضرورة بسرعة نسبية.

على الرغم من عدم وجود أجسام صلبة في الطبيعة ، إلا أنها موجودة حركة الأجسام الجامدةوالتي يمكن استخدامها للتغلب على سرعة الضوء. ينتمي هذا الموضوع إلى القسم الموصوف بالفعل من الظلال والبقع المضيئة. (انظر المقص الفائق ، القرص الصلب الدوار في النسبية).

5. سرعة المرحلة

معادلة الموجة
d 2 u / dt 2 - c 2 d 2 u / dx 2 + w 2 u = 0

لديه حل في النموذج
ش \ u003d أ كوس (فأس - بت) ، ج 2 أ 2 - ب 2 + ث 2 \ u003d 0

هذه موجات جيبية تنتشر بسرعة v
الخامس = ب / أ = الجذر التربيعي (ج 2 + ث 2 / أ 2)

لكنها أكثر من ج. ربما هذه هي المعادلة للتاكيونز؟ (انظر القسم أدناه). لا ، هذه هي المعادلة النسبية المعتادة لجسيم بكتلة.

للقضاء على المفارقة ، تحتاج إلى التمييز بين "سرعة الطور" الخامس ph و "سرعة المجموعة" الخامسكبير
v ph v gr = c 2

قد يكون للحل على شكل موجة تشتت في التردد. في هذه الحالة ، تتحرك الحزمة الموجية بسرعة مجموعة أقل من ج. باستخدام حزمة الموجة ، لا يمكن نقل المعلومات إلا بسرعة المجموعة. تتحرك الموجات في حزمة موجة بسرعة المرحلة. سرعة الطور هي مثال آخر على حركة FTL التي لا يمكن استخدامها للتواصل.

6. المجرات فائقة اللمعان

7. صاروخ نسبي

دع مراقبًا على الأرض يرى مركبة فضائية تبتعد بسرعة 0.8 جوفقا لل نظرية النسبية، سيرى أن الساعة على المركبة الفضائية أبطأ بمقدار 5/3 مرات. إذا قسمنا المسافة إلى السفينة على وقت الرحلة وفقًا للساعة الموجودة على متن الطائرة ، نحصل على السرعة 4/3 ج. يخلص المراقب إلى أنه ، باستخدام ساعته على متن السفينة ، سيحدد قائد السفينة أيضًا أنه يطير بسرعة فائقة. من وجهة نظر الطيار ، فإن ساعته تعمل بشكل طبيعي ، وتقلص الفضاء بين النجوم بمعامل 5/3. لذلك ، فإنه يطير المسافات المعروفة بين النجوم بشكل أسرع وبسرعة 4/3 ج .

لكنها ما زالت ليست رحلة فائقة اللمعان. لا يمكنك حساب السرعة باستخدام المسافة والوقت المحددين في إطارات مرجعية مختلفة.

8. سرعة الجاذبية

يصر البعض على أن سرعة الجاذبية أسرع بكثير جأو حتى لانهائية. انظر هل تنتقل الجاذبية بسرعة الضوء؟ وما هو إشعاع الجاذبية؟ تنتشر اضطرابات الجاذبية وموجات الجاذبية بسرعة ج .

9. مفارقة EPR

10. الفوتونات الافتراضية

11. تأثير النفق الكمي

في ميكانيكا الكم ، يسمح تأثير النفق للجسيم بالتغلب على حاجز ، حتى لو كانت طاقته غير كافية لذلك. من الممكن حساب وقت حفر الأنفاق من خلال هذا الحاجز. وقد يتضح أنه أقل مما هو مطلوب للضوء للتغلب على نفس المسافة بسرعة ج. هل يمكن استخدامه لإرسال الرسائل أسرع من الضوء؟

الديناميكا الكهربائية الكمية تقول "لا!" ومع ذلك ، تم إجراء تجربة أظهرت النقل الفائق اللمعان للمعلومات باستخدام تأثير النفق. من خلال حاجز عرضه 11.4 سم وبسرعة 4.7 جتم تقديم السيمفونية الأربعين لموتسارت. تفسير هذه التجربة مثير للجدل للغاية. يعتقد معظم الفيزيائيين أنه بمساعدة تأثير النفق ، من المستحيل الإرسال معلومةأسرع من الضوء. إذا كان ذلك ممكنًا ، فلماذا لا ترسل إشارة إلى الماضي من خلال وضع الجهاز في إطار مرجعي سريع الحركة.

17. نظرية المجال الكمي

باستثناء الجاذبية ، تتوافق جميع الظواهر الفيزيائية المرصودة مع "النموذج القياسي". النموذج القياسي هو نظرية مجال كمومية نسبية تشرح القوى الكهرومغناطيسية والنووية وجميع الجسيمات المعروفة. في هذه النظرية ، أي زوج من المشغلين المطابقين للملاحظات المادية مفصولة بفاصل زمني من الأحداث "ينتقل" (أي ، يمكن للمرء تغيير ترتيب هؤلاء المشغلين). من حيث المبدأ ، يشير هذا إلى أنه في النموذج القياسي لا يمكن للقوة السفر أسرع من الضوء ، ويمكن اعتبار هذا المجال الكمي المكافئ لحجة الطاقة اللانهائية.

ومع ذلك ، لا توجد أدلة دقيقة لا تشوبها شائبة في نظرية المجال الكمومي للنموذج القياسي. لم يثبت أحد حتى الآن أن هذه النظرية متسقة داخليًا. على الأرجح ، ليس كذلك. على أي حال ، ليس هناك ما يضمن عدم وجود جسيمات أو قوى غير مكتشفة حتى الآن لا تمتثل للحظر المفروض على الحركة فائقة اللمعان. لا يوجد أي تعميم لهذه النظرية ، بما في ذلك الجاذبية والنسبية العامة. يشك العديد من الفيزيائيين العاملين في مجال الجاذبية الكمية في أن المفاهيم البسيطة للسببية والموضع سيتم تعميمها. ليس هناك ما يضمن أن تحتفظ سرعة الضوء في نظرية أكثر اكتمالاً في المستقبل بمعنى السرعة المحددة.

18. الجد مفارقة

في النسبية الخاصة ، يتحرك الجسيم أسرع من الضوء في إطار مرجعي واحد في الوقت المناسب في إطار مرجعي آخر. السفر أو نقل المعلومات عبر FTL سيجعل من الممكن السفر أو إرسال رسالة إلى الماضي. إذا كان السفر عبر الزمن ممكنًا ، فيمكنك العودة بالزمن إلى الوراء وتغيير مجرى التاريخ بقتل جدك.

هذه حجة قوية للغاية ضد إمكانية السفر عبر FTL. صحيح ، لا يزال هناك احتمال غير محتمل تقريبًا أن بعض السفر الفائق المحدود ممكن والذي لا يسمح بالعودة إلى الماضي. أو ربما يكون السفر عبر الزمن ممكنًا ، لكن السببية تنتهك بطريقة متسقة. كل هذا غير معقول للغاية ، ولكن إذا كنا نناقش FTL ، فمن الأفضل أن نكون مستعدين لأفكار جديدة.

والعكس صحيح أيضا. إذا تمكنا من السفر عبر الزمن ، يمكننا التغلب على سرعة الضوء. يمكنك العودة بالزمن إلى الوراء ، والطيران إلى مكان ما بسرعة منخفضة ، والوصول إلى هناك قبل وصول الضوء المرسل بالطريقة المعتادة. انظر السفر عبر الزمن للحصول على تفاصيل حول هذا الموضوع.

أسئلة مفتوحة عن السفر FTL

في هذا القسم الأخير ، سأصف بعض الأفكار الجادة حول إمكانية السفر بشكل أسرع من الضوء. لا يتم تضمين هذه الموضوعات غالبًا في الأسئلة الشائعة ، لأنها تشبه الكثير من الأسئلة الجديدة أكثر من كونها إجابات. تم تضمينها هنا لإظهار أنه يتم إجراء بحث جاد في هذا الاتجاه. يتم إعطاء مقدمة قصيرة فقط للموضوع. يمكن الاطلاع على التفاصيل على الإنترنت. كما هو الحال مع كل شيء على الإنترنت ، انتقدهم.

19. تاكيونس

Tachyons هي جسيمات افتراضية تنتقل أسرع من الضوء محليًا. للقيام بذلك ، يجب أن يكون لديهم قيمة كتلة خيالية. في هذه الحالة ، الطاقة والزخم للتاكيون كميات حقيقية. لا يوجد سبب للاعتقاد بأنه لا يمكن اكتشاف الجسيمات الفائقة اللمعان. يمكن أن تنتقل الظلال والإبرازات أسرع من الضوء ويمكن اكتشافها.

حتى الآن ، لم يتم العثور على التاكيونات ، ويشك علماء الفيزياء في وجودها. كانت هناك ادعاءات بأنه في تجارب قياس كتلة النيوترينوات الناتجة عن اضمحلال بيتا للتريتيوم ، كانت النيوترينوات عبارة عن تاكيونات. هذا أمر مشكوك فيه ، لكن لم يتم دحضه بشكل قاطع بعد.

هناك مشاكل في نظرية التاكيون. بالإضافة إلى احتمال انتهاك السببية ، تجعل التاكيون الفراغ غير مستقر. قد يكون من الممكن التحايل على هذه الصعوبات ، ولكن حتى ذلك الحين لن نكون قادرين على استخدام التاكيون لنقل الرسائل فائقة اللمعان.

يعتقد معظم الفيزيائيين أن ظهور التاكيونات في النظرية هو علامة على بعض المشاكل في هذه النظرية. تحظى فكرة التاكيونز بشعبية كبيرة لدى الجمهور لمجرد أنها غالبًا ما يتم ذكرها في الأدب الخيالي. انظر تاكيونس.

20. الثقوب الدودية

أشهر طريقة للسفر عبر FTL هي استخدام "الثقوب الدودية". الثقب الدودي هو شق في الزمكان من نقطة في الكون إلى نقطة أخرى ، مما يسمح لك بالانتقال من أحد طرفي الحفرة إلى الطرف الآخر بشكل أسرع من المسار المعتاد. يتم وصف الثقوب الدودية بالنظرية النسبية العامة. لإنشائها ، تحتاج إلى تغيير طوبولوجيا الزمكان. ربما يصبح هذا ممكنًا في إطار نظرية الجاذبية الكمية.

لإبقاء ثقب دودي مفتوحًا ، فأنت بحاجة إلى مساحات من الفضاء ذات طاقات سلبية. اقترح كل من CW Misner و K.S Thorne استخدام تأثير Casimir على نطاق واسع لتوليد طاقة سلبية. اقترح فيسر استخدام الأوتار الكونية لهذا الغرض. هذه أفكار تأملية للغاية وقد لا تكون ممكنة. ربما لا يوجد الشكل المطلوب للمادة الغريبة ذات الطاقة السلبية.

في سبتمبر 2011 ، صدم الفيزيائي أنطونيو إريديتاتو العالم بأسره. الإعلان الذي أدلى به وعد بقلب الفهم الكامل للكون. وإذا كانت البيانات التي تم جمعها بواسطة 160 عالمًا شاركوا في برنامج OPERA صحيحة ، فهذا يعني أنه تم اكتشاف شيء لا يصدق. كانت الجسيمات ، في هذه الحالة النيوترينوات ، تتحرك أسرع من سرعة الضوء.

اكتشاف لا يصدق

وفقًا لنظريات النسبية لأينشتاين ، لا ينبغي أن يكون هذا هو الحال. وستكون عواقب إثبات حدوث ذلك هائلة. يجب مراجعة العديد من النقاط في الفيزياء. بينما أفاد إيريدياتو وفريقه أن لديهم مستوى عالٍ من الثقة فيما وجدوه ، لم يذكروا أنهم كانوا متأكدين بنسبة 100٪ من دقة ملاحظاتهم. في الواقع ، كانوا يطلبون من علماء آخرين مساعدتهم على فهم ما حدث.

خطأ في التجربة

نتيجة لذلك ، اتضح أن برنامج OPERA كان خاطئًا. ترجع مشكلة أخذ قراءات الوقت إلى حقيقة أن الكبل كان متصلًا بشكل سيئ ، والذي كان من المفترض أن يرسل إشارات دقيقة بشكل لا يصدق من أقمار GPS الصناعية. وفقًا لذلك ، كان هناك تأخير غير متوقع في إرسال الإشارات. وهكذا ، فإن قياسات المدة التي قطعها النيوترينو لمسافة معينة بها خطأ يبلغ حوالي 73 نانوثانية. أعطى هذا الانطباع بأن هذه الجسيمات كانت تتحرك أسرع من جسيمات الضوء.

تأثيرات

على الرغم من أشهر من الاختبارات الصارمة قبل بدء التجربة ، عدد كبير منالمراجعات المتكررة للمعلومات التي تم الحصول عليها أثناء التجربة ، هذه المرة كان العلماء لا يزالون مخطئين. تقاعد Ereditato ، على الرغم من أن العديد من الناس لاحظوا أن مثل هذه الأخطاء في التكنولوجيا المعقدة للغاية لمسرعات الجسيمات تحدث في كثير من الأحيان. لكن لماذا حتى أصغر الاقتراحات بأن شيئًا ما يمكن أن ينتقل أسرع من سرعة الضوء مهم جدًا؟ وهل يعتقد الناس حقًا أنه لا يوجد شيء يمكنه فعل ذلك؟

سرعة الضوء

لنلق نظرة على ثاني هذه الأسئلة أولاً. تبلغ سرعة الضوء في الفراغ 299792.458 كيلومترًا في الثانية - أقل قليلاً من الرقم الدائري الجميل البالغ 300 ألف كيلومتر في الثانية. انها سريعة جدا. تبعد الشمس 150 مليون كيلومتر عن الأرض ، ويستغرق الضوء ثماني دقائق وعشرين ثانية فقط للسفر بهذه الطريقة. هل يمكن لشيء من صنع الإنسان أن ينافس الضوء؟ أحد أسرع الأشياء التي صنعها الإنسان على الإطلاق هو مسبار الفضاء نيو هورايزونز الذي حلّق فوق بلوتو وشارون في عام 2015. السرعة القصوى التي تمكن من الوصول إليها هي 16 كيلومترًا في الثانية ، أي أقل بكثير من 300 ألف كيلومتر في الثانية.

جرب الإلكترونات

ومع ذلك ، فقد تمكن الناس من جعل الجزيئات الصغيرة تتحرك بسرعة أكبر بكثير. في أوائل الستينيات ، أجرى ويليام بيرتوزي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تجارب على تسريع الإلكترونات. نظرًا لأن الإلكترونات لها شحنة سالبة ، فمن الممكن تحريكها عن طريق التنافر إذا كانت المادة مشحونة بنفس الشحنة. كلما زادت الطاقة المستخدمة ، زادت سرعة الحصول على الإلكترونات.

لماذا لا تستخدم أقصى قدر من الطاقة؟

قد يعتقد المرء أنه يكفي زيادة الطاقة المطبقة إلى حد أن سرعة الجسيم تتطور إلى 300000 كيلومتر في الثانية المطلوبة. ومع ذلك ، فقد تبين أن الإلكترونات لا تستطيع التحرك بهذه السرعة. أظهرت تجارب بيرتوزي أن استخدام المزيد من الطاقة لا يؤدي إلى زيادة تناسبية في سرعة الإلكترونات. كان عليه أن يستخدم المزيد والمزيد من الطاقة للحصول على زيادات متناقصة في سرعة الجسيمات. لقد اقتربوا أكثر فأكثر من سرعة الضوء ، لكنهم لم يصلوا إليها أبدًا.

استحالة الإنجاز

تخيل أنك بحاجة للوصول إلى الباب ، واتخاذ خطوات ، لكن كل خطوة لاحقة ستكون نصف الخطوة السابقة. ببساطة ، لن تصل إلى الباب أبدًا ، لأنه مع كل خطوة لاحقة ، ستظل هناك مسافة معينة بينك وبين الباب. هذه بالضبط هي المشكلة التي واجهها بيرتوزي في تجربته مع الإلكترونات. ومع ذلك ، يتكون الضوء من جسيمات تسمى الفوتونات. لماذا يمكن أن تتحرك هذه الجسيمات بسرعة الضوء إذا كانت الإلكترونات لا تستطيع القيام بالمهمة؟

ملامح الفوتونات

عندما يتحرك الجسم بشكل أسرع وأسرع ، يصبح أثقل وأثقل ، وبالتالي يصبح من الصعب عليه التقاط السرعة ، ولهذا السبب لا يمكنه الوصول إلى سرعة الضوء مطلقًا. ليس للفوتونات كتلة. إذا كانت لديهم كتلة ، فلن يكونوا قادرين على التحرك بسرعة الضوء. الفوتونات هي جسيمات فريدة من نوعها. ليس لديهم الكتلة التي تعطيهم احتمالات لا نهاية لهاأثناء التحرك في الفراغ ، لا يحتاجون إلى الإسراع. تضمن الطاقة الطبيعية التي تمتلكها أثناء تحركها في الموجات أنه في وقت الإنشاء ، يكون للفوتونات بالفعل حدود سرعتها.

25 مارس 2017

السفر عبر FTL هو أحد أسس الخيال العلمي للفضاء. ومع ذلك ، ربما يعلم الجميع - حتى الأشخاص البعيدين عن الفيزياء - أن أقصى سرعة ممكنة لحركة الأجسام المادية أو انتشار أي إشارات هي سرعة الضوء في الفراغ. يُشار إليه بالحرف c وهو ما يقرب من 300 ألف كيلومتر في الثانية ؛ القيمة الدقيقة c = 299792458 م / ث.

سرعة الضوء في الفراغ من الثوابت الفيزيائية الأساسية. استحالة تحقيق سرعات تتجاوز c يتبع نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين (SRT). إذا كان من الممكن إثبات أن إرسال الإشارات بسرعة فائقة اللمعان ممكن ، فإن نظرية النسبية ستنهار. حتى الآن ، لم يحدث هذا ، على الرغم من المحاولات العديدة لدحض الحظر المفروض على وجود سرعات أكبر من ج. ومع ذلك ، فقد كشفت الدراسات التجريبية الحديثة عن بعض جدا ظواهر مثيرة للاهتمام، مما يشير إلى أنه في ظل ظروف تم إنشاؤها خصيصًا ، من الممكن ملاحظة السرعات الفائقة اللمعان وفي نفس الوقت لا يتم انتهاك مبادئ نظرية النسبية.

بادئ ذي بدء ، لنتذكر الجوانب الرئيسية المتعلقة بمشكلة سرعة الضوء.

بادئ ذي بدء: لماذا يستحيل (في ظل الظروف العادية) تجاوز حد الضوء؟ لأنه بعد ذلك يتم انتهاك القانون الأساسي لعالمنا - قانون السببية ، والذي وفقًا له لا يمكن للتأثير أن يتجاوز السبب. لم يلاحظ أحد ، على سبيل المثال ، أن دبًا قد مات أولاً ، ثم طلقة صياد. عند السرعات التي تتجاوز c ، ينعكس تسلسل الأحداث ، ويرجع الشريط الزمني. يمكن ملاحظة ذلك بسهولة من خلال التفكير البسيط التالي.

لنفترض أننا على متن سفينة معجزة كونية تتحرك أسرع من الضوء. ثم نلحق تدريجياً بالضوء المنبعث من المصدر في نقاط زمنية سابقة وأولى. أولاً ، سنلحق بالفوتونات المنبعثة ، على سبيل المثال ، بالأمس ، ثم - المنبعثة أول من أمس ، ثم - منذ أسبوع ، وشهر ، وعام ، وما إلى ذلك. إذا كان مصدر الضوء مرآة تعكس الحياة ، فسنرى أولاً أحداث الأمس ، ثم أول أمس ، وهكذا. يمكننا أن نرى ، على سبيل المثال ، رجلاً عجوزًا يتحول تدريجياً إلى رجل في منتصف العمر ، ثم إلى شاب ، إلى شاب ، إلى طفل ... أي ، سيعود الوقت إلى الوراء ، وسننتقل من الحاضر إلى الماضي. ثم يتم عكس السبب والنتيجة.

على الرغم من أن هذه الحجة تتجاهل تمامًا التفاصيل الفنية لعملية مراقبة الضوء ، إلا أنها توضح بوضوح من وجهة نظر أساسية أن الحركة بسرعة فائقة تؤدي إلى وضع مستحيل في عالمنا. ومع ذلك ، فقد وضعت الطبيعة شروطًا أكثر صرامة: فالحركة غير قابلة للتحقيق ليس فقط بسرعة فائقة ، ولكن أيضًا بسرعة مساوية لسرعة الضوء - يمكنك فقط الاقتراب منها. ويترتب على نظرية النسبية أنه مع زيادة سرعة الحركة ، تنشأ ثلاثة ظروف: تزداد كتلة الجسم المتحرك ، ويقل حجمه في اتجاه الحركة ، ويبطئ مرور الوقت على هذا الجسم (من وجهة نظر مراقب "يستريح" خارجي). في السرعات العادية ، تكون هذه التغييرات ضئيلة ، ولكن مع اقترابنا من سرعة الضوء ، تصبح ملحوظة أكثر فأكثر ، وفي الحد الأقصى - بسرعة تساوي c - تصبح الكتلة كبيرة بشكل لا نهائي ، يفقد الجسم حجمه تمامًا في اتجاه الحركة والوقت يتوقف عليه. لذلك ، لا يمكن لأي جسم مادي الوصول إلى سرعة الضوء. فقط الضوء نفسه له مثل هذه السرعة! (وأيضًا جسيم "كامل الاختراق" - نيوترينو ، والذي ، مثل الفوتون ، لا يمكنه التحرك بسرعة أقل من c.)

الآن حول سرعة نقل الإشارة. من المناسب هنا استخدام تمثيل الضوء على شكل موجات كهرومغناطيسية. ما هي الإشارة؟ هذه بعض المعلومات ليتم نقلها. المثالي موجه كهرومغناطيسية- هذا شكل جيبي لانهائي بتردد واحد فقط ، ولا يمكن أن يحمل أي معلومات ، لأن كل فترة من هذه الجيوب الأنفية تكرر بالضبط المرحلة السابقة. يمكن لسرعة حركة طور الموجة الجيبية - ما يسمى بسرعة الطور - في وسط تحت ظروف معينة أن تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ. لا توجد قيود هنا ، لأن سرعة المرحلة ليست سرعة الإشارة - فهي غير موجودة بعد. لإنشاء إشارة ، تحتاج إلى عمل نوع من "العلامة" على الموجة. يمكن أن تكون هذه العلامة ، على سبيل المثال ، تغييرًا في أي من معلمات الموجة - السعة أو التردد أو المرحلة الأولية. ولكن بمجرد أن يتم وضع العلامة ، تفقد الموجة صفتها الجيبية. يصبح معدلًا ، ويتألف من مجموعة من الموجات الجيبية البسيطة ذات السعات والترددات والمراحل الأولية - مجموعة من الموجات. سرعة حركة العلامة في الموجة المعدلة هي سرعة الإشارة. عند الانتشار في وسط ، تتزامن هذه السرعة عادةً مع سرعة المجموعة التي تميز انتشار مجموعة الموجات المذكورة أعلاه ككل (انظر "العلم والحياة" رقم 2 ، 2000). في الظروف العادية ، تكون سرعة المجموعة ، وبالتالي سرعة الإشارة ، أقل من سرعة الضوء في الفراغ. ليس من قبيل المصادفة استخدام عبارة "في ظل الظروف العادية" هنا ، لأنه في بعض الحالات قد تتجاوز سرعة المجموعة c أو حتى تفقد معناها ، ولكنها لا تنطبق بعد ذلك على انتشار الإشارة. في SRT ، ثبت أنه من المستحيل إرسال إشارة بسرعة أكبر من c.

لماذا هو كذلك؟ لأن العائق أمام إرسال أي إشارة بسرعة أكبر من c هو نفس قانون السببية. دعونا نتخيل مثل هذا الموقف. في مرحلة ما A ، يقوم وميض ضوئي (الحدث 1) بتشغيل جهاز يرسل إشارة راديو معينة ، وفي نقطة بعيدة B ، تحت تأثير هذه الإشارة اللاسلكية ، يحدث انفجار (الحدث 2). من الواضح أن الحدث 1 (وميض) هو السبب ، والحدث 2 (انفجار) هو التأثير الذي يحدث بعد السبب. ولكن إذا انتشرت إشارة الراديو بسرعة فائقة ، فإن المراقب القريب من النقطة B سيرى أولاً انفجارًا ، وعندها فقط - وميض من الضوء وصل إليه بسرعة وميض ضوئي ، سبب الانفجار. بمعنى آخر ، بالنسبة لهذا المراقب ، كان من الممكن أن يحدث الحدث 2 قبل الحدث 1 ، أي أن التأثير كان سيسبق السبب.

من المناسب التأكيد على أن "الحظر الفائق اللمعان" لنظرية النسبية يُفرض فقط على حركة الأجسام المادية ونقل الإشارات. في كثير من الحالات ، من الممكن أن تتحرك بأي سرعة ، لكنها ستكون حركة أشياء وإشارات غير مادية. على سبيل المثال ، تخيل مسطرتين طويلتين مستلقيتين في نفس المستوى ، أحدهما يقع أفقيًا والآخر يتقاطع معه بزاوية صغيرة. إذا تم تحريك السطر الأول لأسفل (في الاتجاه الذي يشير إليه السهم) بسرعة عالية ، فيمكن جعل نقطة تقاطع الخطوط تعمل بسرعة عشوائية ، لكن هذه النقطة ليست جسماً مادياً. مثال آخر: إذا أخذت مصباحًا يدويًا (أو ، على سبيل المثال ، ليزر يعطي شعاعًا ضيقًا) ووصفت بسرعة قوسًا في الهواء ، إذن سرعة الخطمن بقعة ضوء سيزداد مع المسافة ، وعلى مسافة كبيرة بما فيه الكفاية ، سوف يتجاوز ج. ستتحرك بقعة الضوء بين النقطتين A و B بسرعة فائقة ، لكن هذا لن يكون إرسال إشارة من A إلى B ، لأن بقعة الضوء هذه لا تحمل أي معلومات حول النقطة A.

يبدو أن مسألة السرعات الفائقة قد تم حلها. لكن في الستينيات من القرن العشرين ، طرح الفيزيائيون النظريون فرضية وجود جسيمات فائقة اللمعان ، تسمى التاكيون. هذه جسيمات غريبة جدًا: فهي ممكنة نظريًا ، ولكن من أجل تجنب التناقضات مع نظرية النسبية ، كان لا بد من تخصيص كتلة راحة خيالية لها. لا توجد كتلة خيالية فيزيائية ، إنها تجريد رياضي بحت. ومع ذلك ، فإن هذا لم يسبب الكثير من القلق ، لأن التاكيونات لا يمكن أن تكون في حالة راحة - فهي موجودة (إن وجدت!) فقط بسرعات تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ ، وفي هذه الحالة تبين أن كتلة التاكيون حقيقية. هناك بعض التشابه مع الفوتونات هنا: الفوتون ليس له كتلة سكونية صفرية ، لكن هذا يعني ببساطة أن الفوتون لا يمكن أن يكون في حالة سكون - لا يمكن إيقاف الضوء.

كان أصعب شيء ، كما هو متوقع ، هو التوفيق بين فرضية تاكيون وقانون السببية. المحاولات التي بذلت في هذا الاتجاه ، على الرغم من أنها كانت بارعة للغاية ، لم تؤد إلى نجاح واضح. لم يكن أحد قادرًا على تسجيل التاكيونات بشكل تجريبي أيضًا. نتيجة لذلك ، تلاشى الاهتمام بالتاكيون كجسيمات أولية فائقة اللمعان تدريجيًا.

ومع ذلك ، في الستينيات ، تم اكتشاف ظاهرة تجريبية ، أدت في البداية إلى ارتباك علماء الفيزياء. هذا موصوف بالتفصيل في مقال أ.ن.أوريفسكي "الموجات الفائقة في تضخيم الوسائط" (UFN No. 12 ، 1998). هنا نلخص باختصار جوهر الموضوع ، ونحيل القارئ المهتم بالتفاصيل إلى المقال المذكور.

بعد وقت قصير من اكتشاف الليزر - في أوائل الستينيات - نشأت مشكلة الحصول على نبضات ضوئية قصيرة عالية الطاقة (بمدة 1 نانوثانية = 10-9 ثوانٍ). للقيام بذلك ، تم تمرير نبضة ليزر قصيرة عبر مكبر كمومي بصري. تم تقسيم النبض بواسطة مرآة تقسم الشعاع إلى جزأين. تم إرسال أحدهما ، الأكثر قوة ، إلى مكبر الصوت ، والآخر ينتشر في الهواء ويعمل كنبض مرجعي ، حيث كان من الممكن مقارنة النبض الذي يمر عبر مكبر الصوت. تم تغذية كلا النبضتين إلى أجهزة الكشف الضوئية ، ويمكن ملاحظة إشارات الخرج الخاصة بهم بصريًا على شاشة راسم الذبذبات. كان من المتوقع أن تتعرض النبضات الضوئية التي تمر عبر مكبر الصوت لبعض التأخير مقارنة بالنبضة المرجعية ، أي أن سرعة انتشار الضوء في مكبر الصوت ستكون أقل من سرعة الهواء. ما أثار دهشة الباحثين عندما اكتشفوا أن النبض ينتشر عبر مكبر الصوت بسرعة لا تزيد عن سرعة الهواء فحسب ، بل تزيد عدة مرات عن سرعة الضوء في الفراغ!

بعد التعافي من الصدمة الأولى ، بدأ الفيزيائيون في البحث عن سبب هذه النتيجة غير المتوقعة. لم يكن لدى أي شخص أدنى شك في مبادئ النظرية النسبية الخاصة ، وهذا بالضبط ما ساعد في إيجاد التفسير الصحيح: إذا تم الحفاظ على مبادئ SRT ، فيجب البحث عن الإجابة في خصائص الوسط المضخم. .

دون الخوض في التفاصيل هنا ، نشير فقط إلى أن التحليل التفصيلي لآلية عمل وسيط التضخيم قد أوضح الموقف تمامًا. كانت النقطة في التغيير في تركيز الفوتونات أثناء انتشار النبضة - تغيير بسبب تغيير في عامل تضخيم الوسط حتى قيمة سالبةأثناء مرور الجزء الخلفي من النبضة ، عندما يمتص الوسيط الطاقة بالفعل ، لأن احتياطيه قد استهلك بالفعل بسبب انتقاله إلى نبضة الضوء. لا يتسبب الامتصاص في زيادة الدافع ، بل انخفاضه ، وبالتالي فإن الدافع يقوى في المقدمة ويضعف في الجزء الخلفي منه. دعونا نتخيل أننا نلاحظ النبض بمساعدة أداة تتحرك بسرعة الضوء في وسط مكبر للصوت. إذا كان الوسيط شفافًا ، فسنرى دفعة مجمدة في الجمود. في الوسط الذي تحدث فيه العملية المذكورة أعلاه ، سيظهر تقوية الحافة الأمامية وضعف الحافة الخلفية للنبض للمراقب بطريقة تجعل الوسيط ، كما كان ، يحرك النبض إلى الأمام . ولكن بما أن الجهاز (المراقب) يتحرك بسرعة الضوء ، وتتجاوزه النبضة ، فإن سرعة النبضة تتجاوز سرعة الضوء! هذا هو التأثير الذي سجله المجربون. وهنا لا يوجد تناقض حقًا مع نظرية النسبية: الأمر يتعلق فقط بعملية التضخيم بحيث يتضح أن تركيز الفوتونات التي ظهرت سابقًا أكبر من تلك التي ظهرت لاحقًا. ليست الفوتونات هي التي تتحرك بسرعة فائقة ، ولكن غلاف النبض ، ولا سيما الحد الأقصى له ، الذي يتم ملاحظته على راسم الذبذبات.

وهكذا ، بينما يوجد دائمًا في الوسائط العادية ضعف في الضوء وانخفاض في سرعته ، يحدده معامل الانكسار ، في وسط الليزر النشط ، لا يُلاحظ تضخيم الضوء فحسب ، بل يُلاحظ أيضًا انتشار نبضة بسرعة فائقة.

لقد حاول بعض الفيزيائيين تجريبياً إثبات وجود حركة فائقة اللمعان في تأثير النفق ، وهي واحدة من أكثر ظواهر مذهلةفي ميكانيكا الكم. يتمثل هذا التأثير في حقيقة أن الجسيمات الدقيقة (بشكل أكثر دقة ، كائن دقيق ، في ظروف مختلفةإظهار خصائص الجسيم وخصائص الموجة) قادر على اختراق ما يسمى بالحاجز المحتمل - وهي ظاهرة مستحيلة تمامًا في الميكانيكا الكلاسيكية (حيث يكون الموقف التالي مشابهًا: كرة ملقاة على الحائط سيكون على الجانب الآخر من الجدار أو حركة تشبه الموجة نظرًا لحبل مربوط بالحائط سيتم تمريرها إلى الحبل المربوط بالحائط على الجانب الآخر). فيما يلي جوهر تأثير النفق في ميكانيكا الكم. إذا واجه جسم دقيق مع طاقة معينة في طريقه منطقة ذات طاقة كامنة تتجاوز طاقة الجسم الصغير ، فإن هذه المنطقة تشكل حاجزًا له ، يتم تحديد ارتفاعه من خلال فرق الطاقة. لكن الكائن الدقيق "يتسرب" عبر الحاجز! يتم منحه هذا الاحتمال من خلال علاقة عدم اليقين المعروفة باسم Heisenberg ، والمكتوبة من أجل الطاقة ووقت التفاعل. إذا حدث تفاعل الكائن الدقيق مع الحاجز لفترة زمنية معينة بما فيه الكفاية ، فإن طاقة الكائن الدقيق ، على العكس من ذلك ، ستتميز بعدم اليقين ، وإذا كان عدم اليقين هذا هو ترتيب ارتفاع الحاجز ، ثم يتوقف الأخير عن أن يكون عقبة لا يمكن التغلب عليها بالنسبة للجسم الدقيق. هو معدل الاختراق عبر الحاجز المحتمل الذي أصبح موضوع بحث من قبل عدد من الفيزيائيين ، الذين يعتقدون أنه يمكن أن يتجاوز c.

في يونيو 1998 ، عقدت ندوة دولية حول مشاكل الحركات الفائقة في كولونيا ، حيث تمت مناقشة النتائج التي تم الحصول عليها في أربعة مختبرات - في بيركلي وفيينا وكولونيا وفلورنسا.

وأخيرًا ، في عام 2000 ، تم الإبلاغ عن تجربتين جديدتين ظهرت فيهما تأثيرات التكاثر الفائق اللمعان. تم تنفيذ إحداها بواسطة Lijun Wong وزملاؤه في معهد أبحاث في Princeton (الولايات المتحدة الأمريكية). وكانت نتيجته أن نبضة ضوئية تدخل حجرة مليئة ببخار السيزيوم تزيد سرعتها بمعامل 300. اتضح أن الجزء الرئيسي من النبضة يترك الجدار البعيد للغرفة حتى قبل أن يدخل النبض الغرفة من خلال الجدار الأمامي. مثل هذا الموقف لا يتعارض مع الفطرة السليمة فحسب ، بل يتعارض في جوهره مع نظرية النسبية أيضًا.

أثار تقرير L. Wong نقاشًا مكثفًا بين علماء الفيزياء ، ومعظمهم لا يميلون إلى رؤية النتائج التي تم الحصول عليها انتهاكًا لمبادئ النسبية. ويعتقدون أن التحدي يكمن في شرح هذه التجربة بشكل صحيح.

في تجربة L. Wong ، كانت مدة نبضة الضوء التي تدخل الغرفة ببخار السيزيوم حوالي 3 ميكروثانية. يمكن أن تكون ذرات السيزيوم في ستة عشر حالة ميكانيكية كمومية محتملة ، تسمى "مستويات فرعية مغنطيسية فائقة الدقة للحالة الأرضية". باستخدام ضخ الليزر الضوئي ، تم إحضار جميع الذرات تقريبًا إلى حالة واحدة فقط من هذه الحالات الست عشرة ، والتي تقابل درجة حرارة الصفر المطلق تقريبًا على مقياس كلفن (-273.15 درجة مئوية). كان طول حجرة السيزيوم 6 سم. في الفراغ ، يسافر الضوء 6 سم في 0.2 نانوثانية. كما أظهرت القياسات ، مرت نبضات الضوء عبر الحجرة مع السيزيوم في وقت أقصر بـ 62 نانوثانية من الفراغ. بعبارة أخرى ، فإن وقت عبور النبض عبر وسط السيزيوم له علامة "ناقص"! في الواقع ، إذا طرحنا 62 نانوثانية من 0.2 نانوثانية ، فسنحصل على وقت "سالب". هذا "التأخير السلبي" في الوسط - قفزة زمنية غير مفهومة - تساوي الوقت الذي ستجعل فيه النبضة 310 تمريرات عبر الحجرة في الفراغ. كانت نتيجة هذا "الانعكاس الزمني" أن الدافع الذي يغادر الغرفة تمكن من الابتعاد عنها بمقدار 19 مترًا قبل أن يصل الدافع القادم إلى الجدار القريب للغرفة. كيف يمكن تفسير مثل هذا الموقف المذهل (ما لم يكن هناك شك بالطبع في نقاء التجربة)؟

إذا حكمنا من خلال المناقشة الجارية ، لم يتم العثور على تفسير دقيق حتى الآن ، ولكن ليس هناك شك في أن خصائص التشتت غير العادية للوسط تلعب دورًا هنا: بخار السيزيوم ، الذي يتكون من ذرات يثيرها ضوء الليزر ، هو وسيط مع تشتت غير طبيعي. . دعونا نتذكر بإيجاز ما هو عليه.

تشتت المادة هو اعتماد المرحلة (المعتادة) معامل الانكسار n على الطول الموجي للضوء l. مع التشتت الطبيعي ، يزداد معامل الانكسار مع تناقص الطول الموجي ، وهذا هو الحال في الزجاج والماء والهواء وجميع المواد الأخرى الشفافة للضوء. في المواد التي تمتص الضوء بقوة ، ينعكس مسار معامل الانكسار مع تغير طول الموجة ويصبح أكثر حدة: مع انخفاض في l (زيادة التردد w) ، ينخفض ​​مؤشر الانكسار بشكل حاد ويصبح أقل في نطاق معين من الأطوال الموجية من الوحدة (سرعة الطور V> s). هذا هو التشتت الشاذ ، حيث يتغير نمط انتشار الضوء في مادة ما بشكل جذري. تصبح سرعة المجموعة Vgr أكبر من سرعة طور الموجات ويمكن أن تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ (وتصبح أيضًا سالبة). يشير L. Wong إلى هذا الظرف باعتباره السبب الكامن وراء إمكانية شرح نتائج تجربته. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن الحالة Vgr> c هي حالة رسمية بحتة ، حيث تم تقديم مفهوم سرعة المجموعة لحالة التشتت الصغير (العادي) ، للوسائط الشفافة ، عندما لا تغير مجموعة من الموجات شكلها تقريبًا أثناء التكاثر. ومع ذلك ، في مناطق التشتت الشاذ ، يتشوه نبض الضوء بسرعة ويفقد مفهوم سرعة المجموعة معناه ؛ في هذه الحالة ، يتم تقديم مفاهيم سرعة الإشارة وسرعة انتشار الطاقة ، والتي تتطابق في الوسائط الشفافة مع سرعة المجموعة ، بينما تظل في الوسائط ذات الامتصاص أقل من سرعة الضوء في الفراغ. ولكن إليك ما هو مثير للاهتمام في تجربة وونغ: نبضة ضوئية ، تمر عبر وسط به تشتت غير طبيعي ، لا تتشوه - إنها تحافظ على شكلها تمامًا! وهذا يتوافق مع افتراض أن الدافع ينتشر مع سرعة المجموعة. ولكن إذا كان الأمر كذلك ، فقد اتضح أنه لا يوجد امتصاص في الوسط ، على الرغم من أن التشتت الشاذ للوسط يرجع تحديدًا إلى الامتصاص! أدرك وونغ نفسه أن الكثير لا يزال غير واضح ، ويعتقد أن ما يحدث في إعداده التجريبي يمكن تفسيره بوضوح على أنه تقدير تقريبي أول على النحو التالي.

تتكون نبضة الضوء من عدة مكونات ذات أطوال موجية مختلفة (ترددات). يوضح الشكل ثلاثة من هذه المكونات (الموجات 1-3). في مرحلة ما ، تكون جميع الموجات الثلاث في طور (تتطابق الحد الأقصى لها) ؛ هنا هم ، يضيفون ، يعززون بعضهم البعض ويشكلون دفعة. مع انتشار الموجات أكثر في الفضاء ، فإنها تكون خارج الطور وبالتالي "تنطفئ" بعضها البعض.

في منطقة التشتت الشاذ (داخل خلية السيزيوم) ، تصبح الموجة الأقصر (الموجة 1) أطول. على العكس من ذلك ، فإن الموجة التي كانت الأطول من الموجة الثلاثة (الموجة 3) تصبح الأقصر.

وبالتالي ، فإن مراحل الموجات تتغير أيضًا وفقًا لذلك. عندما تمر الأمواج عبر خلية السيزيوم ، تتم استعادة واجهات موجاتها. بعد أن خضعت لتعديل طور غير عادي في مادة ذات تشتت شاذ ، تجد الموجات الثلاث المدروسة نفسها مرة أخرى في مرحلة في مرحلة ما. هنا يضيفون مرة أخرى ويشكلون نبضًا من نفس الشكل تمامًا مثل ذلك الذي يدخل وسط السيزيوم.

عادةً في الهواء ، وفي أي وسط شفاف متشتت عادةً ، لا يمكن لنبضة ضوئية أن تحافظ على شكلها بدقة عند الانتشار على مسافة بعيدة ، أي أن جميع مكوناتها لا يمكن أن تكون في الطور عند أي نقطة بعيدة على طول مسار الانتشار. وفي ظل الظروف العادية ، يظهر نبضة ضوئية في مثل هذه النقطة البعيدة بعد مرور بعض الوقت. ومع ذلك ، نظرًا للخصائص الشاذة للوسيط المستخدم في التجربة ، فقد تبين أن النبض عند النقطة البعيدة يتم تنفيذه على مراحل بنفس الطريقة كما هو الحال عند دخول هذا الوسط. وهكذا فإن نبضة الضوء تتصرف كما لو كان لها تأخير زمني سلبي في طريقها إلى نقطة بعيدة ، أي أنها كانت ستصل إليها ليس في وقت لاحق ، ولكن في وقت أبكر من تجاوزها للوسيط!

يميل معظم الفيزيائيين إلى ربط هذه النتيجة بظهور سلائف منخفضة الكثافة في وسط التشتت للغرفة. الحقيقة هي أنه في التحلل الطيفي للنبضة ، يحتوي الطيف على مكونات ترددات عالية عشوائية ذات سعة ضئيلة ، ما يسمى بالسلائف ، والتي تتقدم على "الجزء الرئيسي" من النبضة. تعتمد طبيعة المنشأة وشكل السلائف على قانون التشتت في الوسط. مع وضع ذلك في الاعتبار ، يُقترح تفسير تسلسل الأحداث في تجربة Wong على النحو التالي. الموجة القادمة ، "التي تمد" النذير أمام نفسها ، تقترب من الكاميرا. قبل أن تصطدم ذروة الموجة القادمة بالجدار القريب من الغرفة ، تبدأ المادة الأولية في ظهور نبضة في الحجرة تصل إلى الجدار البعيد وتنعكس منه ، وتشكل "موجة عكسية". هذه الموجة ، التي تنتشر أسرع بـ 300 مرة من c ، تصل إلى الجدار القريب وتلتقي بالموجة القادمة. تلتقي قمم إحدى الموجات بقيعان أخرى بحيث تلغي بعضها البعض ولا يبقى شيء. اتضح أن الموجة القادمة "تعيد الدين" إلى ذرات السيزيوم ، التي "استعارت" الطاقة لها في الطرف الآخر من الغرفة. أي شخص لاحظ فقط بداية ونهاية التجربة لن يرى سوى نبضة من الضوء "قفزت" إلى الأمام في الوقت المناسب ، تتحرك أسرع من ج.

يعتقد L. Wong أن تجربته لا تتفق مع نظرية النسبية. وهو يعتقد أن العبارة المتعلقة بعدم إمكانية الوصول إلى السرعة الفائقة تنطبق فقط على الأشياء ذات الكتلة الساكنة. يمكن تمثيل الضوء إما في شكل موجات لا ينطبق عليها مفهوم الكتلة عمومًا ، أو في شكل فوتونات ذات كتلة سكون ، كما هو معروف ، تساوي الصفر. لذلك ، فإن سرعة الضوء في الفراغ ، حسب وونغ ، ليست هي الحد الأقصى. ومع ذلك ، يعترف Wong بأن التأثير الذي اكتشفه يجعل من المستحيل نقل المعلومات بشكل أسرع من c.

يقول ب.

يعتقد معظم الفيزيائيين أن العمل الجديد لا يوجه ضربة قاصمة للمبادئ الأساسية. لكن لا يعتقد جميع الفيزيائيين أن المشكلة قد حُلّت. يقول البروفيسور A. Ranfagni ، من مجموعة البحث الإيطالية التي أجرت تجربة أخرى مثيرة للاهتمام في عام 2000 ، إن السؤال لا يزال مفتوحًا. هذه التجربة ، التي أجراها دانيال موغناي وأنيديو رانفاجني وروكو روجيري ، وجدت أن الموجات الراديوية ذات الموجة السنتيمترية تنتشر في الهواء العادي بسرعة 25٪ أسرع من سرعة c.

بإيجاز ، يمكننا أن نقول ما يلي.

يعمل السنوات الأخيرةأظهر أنه في ظل ظروف معينة ، يمكن أن تحدث السرعة الفائقة بالفعل. ولكن ما الذي يتحرك بالضبط بسرعة فائقة؟ إن نظرية النسبية ، كما ذكرنا سابقًا ، تمنع مثل هذه السرعة للأجسام المادية وللإشارات التي تحمل المعلومات. ومع ذلك ، فإن بعض الباحثين مثابرون للغاية في محاولاتهم لإثبات التغلب على حاجز الضوء على وجه التحديد للإشارات. يكمن السبب في ذلك في حقيقة أنه في نظرية النسبية الخاصة لا يوجد تبرير رياضي صارم (على سبيل المثال ، على أساس معادلات ماكسويل للمجال الكهرومغناطيسي) لاستحالة إرسال الإشارات بسرعة أكبر من ج. إن مثل هذه الاستحالة في SRT قد تم تأسيسها ، كما يمكن للمرء أن يقول ، من الناحية الحسابية البحتة ، بناءً على صيغة أينشتاين لإضافة السرعات ، ولكن بطريقة أساسية يتم تأكيد ذلك من خلال مبدأ السببية. آينشتاين نفسه ، مع الأخذ في الاعتبار مسألة إرسال الإشارات الفائقة اللمعان ، كتب أنه في هذه الحالة "... نحن مجبرون على اعتبار آلية إرسال إشارة ممكنة ، عند استخدام الإجراء الذي تم تحقيقه يسبق السبب. ولكن ، على الرغم من أن هذا ناتج عن منطق بحت وجهة النظر لا تحتوي على نفسها ، في رأيي ، لا تناقضات ، لكنها مع ذلك تتعارض مع طبيعة كل خبرتنا لدرجة أن استحالة الافتراض V> c يبدو أنه تم إثباته بشكل كافٍ. مبدأ السببية هو حجر الزاوية الذي يكمن وراء استحالة التأشير الفائق اللمعة. ومن الواضح أن جميع عمليات البحث عن الإشارات الفائقة ، بدون استثناء ، سوف تتعثر في هذا الحجر ، بغض النظر عن مدى رغبة المجربين في اكتشاف مثل هذه الإشارات ، لأن هذه هي طبيعة عالمنا.

لكن مع ذلك ، لنتخيل أن رياضيات النسبية ستظل تعمل بسرعات فائقة. هذا يعني أنه نظريًا لا يزال بإمكاننا معرفة ما سيحدث إذا تجاوز الجسم سرعة الضوء.

تخيل مركبتين فضائيتين تتجهان من الأرض نحو نجم يبعد 100 سنة ضوئية عن كوكبنا. تغادر أول سفينة الأرض بسرعة 50٪ من سرعة الضوء ، لذلك سوف تستغرق 200 عام لإكمال الرحلة. ستنطلق السفينة الثانية ، المزودة بمحرك انفتال افتراضي ، بسرعة 200٪ من سرعة الضوء ، ولكن بعد 100 عام من الأولى. ماذا سيحدث؟

وفقًا لنظرية النسبية ، فإن الإجابة الصحيحة تعتمد إلى حد كبير على منظور المراقب. من الأرض ، سيظهر أن السفينة الأولى قد قطعت بالفعل مسافة كبيرة قبل أن تتجاوزها السفينة الثانية ، والتي تتحرك أسرع أربع مرات. لكن من وجهة نظر الأشخاص على متن السفينة الأولى ، كل شيء مختلف قليلاً.

تتحرك السفينة رقم 2 بشكل أسرع من الضوء ، مما يعني أنها يمكن أن تتجاوز الضوء الذي ينبعث منه. يؤدي هذا إلى نوع من "الموجة الضوئية" (على غرار الصوت ، تهتز هنا موجات الضوء فقط بدلاً من اهتزازات الهواء) ، مما يؤدي إلى ظهور العديد من التأثيرات المثيرة للاهتمام. تذكر أن الضوء من السفينة رقم 2 يتحرك أبطأ من السفينة نفسها. ستكون النتيجة مضاعفة بصرية. بمعنى آخر ، في البداية سيرى طاقم السفينة رقم 1 أن السفينة الثانية ظهرت بجانبهم كما لو كانت من العدم. بعد ذلك ، سيصل الضوء من السفينة الثانية إلى الأولى مع تأخير بسيط ، وستكون النتيجة نسخة مرئية، والتي ستتحرك في نفس الاتجاه مع تأخر طفيف.

يمكن رؤية شيء مشابه في ألعاب الكمبيوتر، عندما يقوم المحرك بتحميل النموذج وخوارزمياته في نقطة نهاية الحركة ، نتيجة لفشل النظام ، بشكل أسرع من انتهاء حركة الحركة نفسها ، بحيث يحدث تعدد المهام. ربما هذا هو السبب في أن وعينا لا يدرك ذلك الجانب الافتراضي للكون حيث تتحرك الأجسام بسرعة فائقة - ربما يكون هذا هو الأفضل.

ملاحظة. ... وهنا في المثال الأخيرلم أفهم شيئًا ، لماذا يرتبط الموقع الحقيقي للسفينة بـ "الضوء المنبعث منها"؟ حسنًا ، على الرغم من أنهم سيرونه بطريقة ما في المكان الخطأ ، لكنه في الواقع سيتفوق على السفينة الأولى!

مصادر

لقد تعلمنا من المدرسة أنه من المستحيل تجاوز سرعة الضوء ، وبالتالي فإن حركة الشخص في الفضاء الخارجي هي مشكلة كبيرة غير قابلة للحل (كيف تطير إلى أقرب نظام شمسي إذا تمكن الضوء من التغلب على هذه المسافة في عدد قليل فقط ألف سنة؟). ربما وجد العلماء الأمريكيون طريقة للطيران بسرعة فائقة ، ليس فقط بدون غش ، ولكن أيضًا باتباع القوانين الأساسية لألبرت أينشتاين. على أي حال ، يقول هارولد وايت ، مؤلف مشروع محرك تشوه الفضاء ، ذلك.

نحن في مكتب التحرير اعتبرنا الأخبار رائعة تمامًا ، لذلك اليوم ، عشية يوم رواد الفضاء ، ننشر تقريرًا لمجلة كونستانتين كاكايس لـ Popular Science عن مشروع ناسا الهائل ، إذا نجح ، سيتمكن الشخص من تجاوز النظام الشمسي.

في سبتمبر 2012 ، اجتمع عدة مئات من العلماء والمهندسين وعشاق الفضاء في الاجتماع العام الثاني للمجموعة والذي أطلق عليه اسم 100 Year Starship. يقود المجموعة رائدة الفضاء السابقة ماي جيميسون وأسستها داربا. الهدف من المؤتمر هو "جعل السفر البشري ممكنًا خارج النظام الشمسي إلى نجوم أخرى في غضون المائة عام القادمة." يعترف معظم المشاركين في المؤتمر بأن التقدم في استكشاف الفضاء المأهول ضئيل للغاية. على الرغم من مليارات الدولارات التي أنفقت في الأرباع القليلة الماضية ، يمكن لوكالات الفضاء أن تفعل كل ما في وسعها تقريبًا في الستينيات. في الواقع ، تم عقد 100 Year Starship لإصلاح كل هذا.

لكن أكثر من ذلك إلى النقطة. بعد أيام قليلة من المؤتمر ، توصل المشاركون فيه إلى أروع الموضوعات: تجديد الأعضاء ، ومشكلة تنظيم الدين على ظهر السفينة ، وما إلى ذلك. أحد العروض التقديمية الأكثر إثارة للاهتمام في اجتماع ستارشيب المائة عام كان يسمى Warp Field Mechanics 102 ، وقد قدمه هارولد "سوني" وايت من ناسا. يدير وايت ، المخضرم في الوكالة ، برنامج النبض المتقدم في مركز جونسون للفضاء (JSC). بالتعاون مع خمسة من زملائه ، أنشأ "خارطة طريق أنظمة الدفع الفضائي" ، والتي تحدد أهداف ناسا للسفر إلى الفضاء في المستقبل. تسرد الخطة جميع أنواع مشاريع الدفع ، من الصواريخ الكيميائية المتقدمة إلى التطورات بعيدة المدى مثل المادة المضادة أو الآلات النووية. لكن مجال أبحاث وايت هو الأكثر مستقبلية على الإطلاق: فهو يتعلق بمحرك الاعوجاج في الفضاء.

هذه هي الطريقة التي يتم بها تصوير فقاعة Alcubierre عادة

وفقًا للخطة ، سيوفر مثل هذا المحرك الحركة في الفضاء بسرعة تتجاوز سرعة الضوء. من المقبول عمومًا أن هذا مستحيل ، لأنه انتهاك واضح لنظرية النسبية لأينشتاين. لكن وايت يجادل بخلاف ذلك. كتأكيد لكلماته ، يناشد ما يسمى فقاعات Alcubierre (المعادلات المشتقة من نظرية أينشتاين ، والتي بموجبها جسم في الفضاء الخارجي قادر على الوصول إلى سرعات فائقة ، على عكس الجسم في الظروف العادية). في العرض التقديمي ، أخبر كيف تمكن مؤخرًا من تحقيق النتائج النظرية التي أدت بشكل مباشر إلى إنشاء محرك حقيقي للفضاء.

من الواضح أن كل هذا يبدو رائعًا تمامًا: مثل هذه التطورات هي ثورة حقيقية ستفك أيدي جميع علماء الفيزياء الفلكية في العالم. بدلاً من قضاء 75000 عام في السفر إلى Alpha Centauri ، أقرب نظام نجمي لنظامنا ، يمكن لرواد الفضاء على متن سفينة بمثل هذا المحرك إكمال الرحلة في غضون أسبوعين.

في ضوء إغلاق برنامج المكوك والدور المتزايد للرحلات الخاصة إلى مدار أرضي منخفض ، تقول ناسا إنها تعيد التركيز على خطط بعيدة المدى وأكثر جرأة تتجاوز السفر إلى القمر. لا يمكن تحقيق هذه الأهداف إلا من خلال تطوير أنظمة دفع جديدة - كلما كان ذلك أفضل. بعد أيام قليلة من المؤتمر ، ردد رئيس ناسا تشارلز بولدن كلمات وايت: "نريد أن نسافر أسرع من سرعة الضوء وبدون توقف على المريخ".

كيف نعرف عن هذا المحرك

يعود أول استخدام شائع لتعبير "محرك اعوجاج الفضاء" إلى عام 1966 ، عندما تم إصدار جين رودنبيري " ستار تريك". خلال الثلاثين عامًا التالية ، كان هذا المحرك موجودًا فقط كجزء من هذه السلسلة الخيالية. شاهد عالم فيزياء يُدعى ميغيل ألكوبيير حلقة من المسلسل بينما كان يعمل على الحصول على درجة الدكتوراه في النسبية العامة وكان يتساءل عما إذا كان من الممكن إنشاء محرك الاعوجاج في الفضاء في الواقع. في عام 1994 ، نشر ورقة توضح هذا الموقف.

تخيل الكوبيير فقاعة في الفضاء. في مقدمة الفقاعة ، يتقلص الزمكان ، ويتوسع في الخلف (كما كان الحال مع الانفجار العظيم ، وفقًا لعلماء الفيزياء). سيؤدي التشوه إلى انزلاق السفينة بسلاسة عبر الفضاء الخارجي ، كما لو كانت تتصفح موجة ، على الرغم من الضوضاء المحيطة. من حيث المبدأ ، يمكن للفقاعة المشوهة أن تتحرك بسرعة عشوائية ؛ تنطبق القيود في سرعة الضوء ، وفقًا لنظرية أينشتاين ، فقط في سياق الزمكان ، ولكن ليس في مثل هذه التشوهات للزمكان. وتوقع ألكوبيير داخل الفقاعة ، أن الزمكان لن يتغير ولن يتضرر المسافرون في الفضاء.

تعتبر معادلات أينشتاين في النسبية العامة خادعة لحلها في اتجاه واحد ، ومعرفة كيفية انحناء المادة للفضاء ، لكنها قابلة للتنفيذ. باستخدامهم ، قرر Alcubierre أن توزيع المادة هو شرط ضروري لإنشاء فقاعة مشوهة. المشكلة الوحيدة هي أن الحلول أدت إلى شكل غير محدد من المادة يسمى الطاقة السلبية.

تتحدث لغة بسيطة، الجاذبية هي قوة الجذب بين جسمين. كل كائن ، بغض النظر عن حجمه ، يمارس بعض قوة الجذب على المادة المحيطة. وفقًا لأينشتاين ، هذه القوة هي انحناء للزمكان. ومع ذلك ، فإن الطاقة السالبة سلبية الجاذبية ، أي مثيرة للاشمئزاز. بدلاً من ربط الزمان والمكان ، تتنافر الطاقة السلبية وتفصل بينهما. بشكل تقريبي ، لكي يعمل هذا النموذج ، يحتاج Alcubierra إلى طاقة سالبة لتوسيع الزمكان خلف السفينة.

على الرغم من حقيقة أنه لم يقم أحد على الإطلاق بقياس الطاقة السلبية على وجه التحديد ، وفقًا لميكانيكا الكم ، فهي موجودة ، وقد تعلم العلماء كيفية إنشائها في المختبر. تتمثل إحدى طرق إعادة تكوينه في تأثير كازيميروف: صفيحتان موصلتان متوازيتان موضوعتان بالقرب من بعضهما البعض تخلقان قدرًا من الطاقة السلبية. تتمثل نقطة الضعف في نموذج Alcubierre في أن تنفيذه يتطلب قدرًا هائلاً من الطاقة السلبية ، وهي عدة مرات أعلى مما يمكن إنتاجه وفقًا للعلماء.

يقول وايت إنه وجد طريقة للتغلب على هذا القيد. في محاكاة حاسوبية ، قام وايت بتغيير هندسة حقل الالتواء بحيث يمكن ، من الناحية النظرية ، إنتاج فقاعة مشوهة باستخدام طاقة سلبية أقل بملايين المرات مما قدر ألكوبييرا المطلوب ، وربما القليل بما يكفي لمركبة فضائية لتحمل وسائل إنتاجها . يقول وايت: "الاكتشافات غيرت طريقة ألكوبيير من غير العملي إلى المعقول تمامًا".

تقرير من مختبر وايت

يقع مركز جونسون للفضاء بجوار بحيرات هيوستن ، حيث يفتح الطريق المؤدي إلى خليج جالفيستون. يشبه المركز إلى حد ما حرم جامعي في الضواحي ، ويهدف فقط إلى تدريب رواد الفضاء. في يوم زيارتي ، قابلني وايت في المبنى 15 ، متاهة متعددة الطوابق من الممرات والمكاتب ومختبرات اختبار المحركات. يرتدي وايت قميص بولو من طراز Eagleworks ، وهو يسمي تجارب محركه ، مطرزة بنسر يحلق فوق مركبة فضائية مستقبلية.

بدأ وايت حياته المهنية كمهندس يقوم بأبحاث كجزء من مجموعة روبوتية. بمرور الوقت ، تولى قيادة الجناح الروبوتي لمحطة الفضاء الدولية بالكامل أثناء إكمال الدكتوراه في فيزياء البلازما. لم يكن حتى عام 2009 عندما حول تركيزه إلى دراسة الحركة ، وقد استحوذ عليه هذا الموضوع بما يكفي ليصبح السبب الرئيسي في ذهابه للعمل في وكالة ناسا.

يقول رئيسه ، جون أبلوايت ، الذي يرأس قسم أنظمة الدفع: "إنه شخص غير عادي تمامًا". - إنه بالتأكيد حالم كبير ، لكنه في نفس الوقت مهندس موهوب. إنه يعرف كيف يحول تخيلاته إلى منتج هندسي حقيقي ". في نفس الوقت تقريبًا الذي انضم فيه إلى وكالة ناسا ، طلب وايت الإذن لفتح مختبره الخاص المخصص لأنظمة الدفع المتقدمة. لقد ابتكر هو نفسه اسم Eagleworks وطلب من ناسا إنشاء شعار لتخصصه. ثم بدأ هذا العمل.

يقودني وايت إلى مكتبه ، الذي يتقاسمه مع زميل يبحث عن الماء على القمر ، ثم يقودني إلى إيجل وركس. في الطريق ، أخبرني عن طلبه فتح مختبر ووصفه بأنه "عملية طويلة وصعبة لإيجاد حركة متقدمة لمساعدة الإنسان على استكشاف الفضاء".

أظهر لي وايت الشيء وأظهر لي وظيفته المركزية ، وهو شيء يسميه "جهاز دفع البلازما الفراغي الكمومي" (QVPT). يشبه هذا الجهاز دونات مخملية حمراء ضخمة مع أسلاك مضفرة بإحكام حول القلب. هذه إحدى مبادرتين من مبادرات Eagleworks (الأخرى هي محرك الاعوجاج). لا يزال هذا التطور السري. عندما أسأل ما هو ، يجيب وايت أنه لا يسعه إلا أن يقول إن هذه التكنولوجيا أكثر برودة من محرك الاعوجاج). وفقًا لتقرير ناسا لعام 2011 كتبه وايت ، تستخدم المركبة تقلبات كمية في الفضاء الفارغ كمصدر للوقود ، مما يعني أن المركبة الفضائية التي تعمل بنظام QVPT لا تتطلب الوقود.

يستخدم المحرك تقلبات كمية في الفضاء الفارغ كمصدر للوقود ،
وهو ما يعني سفينة الفضاء
مدعوم من QVPT ، لا يحتاج إلى وقود.

عندما يعمل الجهاز ، يبدو نظام White مثاليًا سينمائيًا: لون الليزر أحمر ، والشعاعتان متقاطعتان مثل السيوف. يوجد داخل الحلقة أربعة مكثفات خزفية مصنوعة من تيتانات الباريوم ، والتي يشحنها الأبيض حتى 23000 فولت. قضى وايت العامين ونصف العام الماضيين في تطوير التجربة ، ويقول إن المكثفات تظهر طاقة كامنة هائلة. ومع ذلك ، عندما أسأل عن كيفية إنشاء الطاقة السلبية اللازمة لتشوه الزمكان ، فإنه يتجنب الإجابة. يوضح أنه وقع اتفاقية عدم إفشاء ، وبالتالي لا يمكنه الكشف عن التفاصيل. أسأل مع من أبرم هذه الاتفاقات. يقول: مع الناس. يأتون ويريدون التحدث. لا استطيع ان اعطيكم المزيد من التفاصيل ".

معارضو فكرة المحرك

حتى الآن ، تعتبر نظرية السفر المشوهة بديهية جدًا - تشوه الزمان والمكان لإنشاء فقاعة متحركة - ولديها بعض العيوب المهمة. يقول لورانس فورد ، عالم الفيزياء النظرية بجامعة تافتس ، الذي كتب العديد من الأوراق البحثية حول موضوع الطاقة السلبية على مدى الثلاثين عامًا الماضية ، حتى إذا قلل وايت بشكل كبير من كمية الطاقة السلبية التي يطلبها Alcubierra ، فإنها ستظل تتطلب أكثر مما يستطيع العلماء إنتاجه. . يدعي فورد وغيره من الفيزيائيين أن هناك قيودًا فيزيائية أساسية ، وليس هناك الكثير من العيوب الهندسية ، ولكن مثل هذه الكمية من الطاقة السلبية لا يمكن أن توجد في مكان واحد لفترة طويلة.

تعقيد آخر: لإنشاء كرة تشوه تتحرك أسرع من الضوء ، سيحتاج العلماء إلى توليد طاقة سلبية حول المركبة الفضائية ، بما في ذلك فوقها. وايت لا يعتقد أن هذه مشكلة. يجيب بشكل مبهم للغاية أن المحرك سيعمل على الأرجح بسبب بعض "الأجهزة التي تخلق" الشروط اللازمة". ومع ذلك ، فإن خلق هذه الظروف أمام السفينة يعني توفير إمدادات ثابتة من الطاقة السالبة تتحرك أسرع من سرعة الضوء ، مما يتعارض مرة أخرى مع النسبية العامة.

أخيرًا ، يثير محرك اعوجاج الفضاء سؤالًا مفاهيميًا. في النسبية العامة ، السفر عبر FTL يعادل السفر عبر الزمن. إذا كان مثل هذا المحرك حقيقيًا ، فإن White يخلق آلة الزمن.

تثير هذه العوائق بعض الشكوك الجدية. "لا أعتقد أن الفيزياء التي نعرفها وقوانينها تسمح لنا بافتراض أنه سيحقق أي شيء بتجاربه" ، كما يقول كين أولوم ، عالم الفيزياء في جامعة تافتس ، والذي شارك أيضًا في النقاش حول الحركة الغريبة في Starship 100 اجتماع الذكرى ". أرسل لي نوح جراهام ، الفيزيائي في كلية ميدلبري الذي قرأ ورقتين من أوراق وايت بناءً على طلبي ، عبر البريد الإلكتروني: "لا أرى أي دليل علمي قيم بخلاف الإشارات إلى عمله السابق".

ألكوبيير ، عالم الفيزياء في الجامعة الوطنية المستقلة في المكسيك ، لديه شكوكه الخاصة. قال لي عبر الهاتف من منزله في مكسيكو سيتي: "حتى لو كنت أقف على مركبة فضائية ولدي طاقة سلبية متاحة ، فلا توجد طريقة يمكنني وضعها في المكان المطلوب". - لا ، الفكرة سحرية ، أعجبتني ، لقد كتبتها بنفسي. ولكن هناك عيوب خطيرة أراها بالفعل على مر السنين ، ولا أعرف طريقة واحدة لإصلاحها ".

مستقبل السرعة الفائقة

على يسار البوابة الرئيسية لمركز جونسون للعلوم ، يوجد صاروخ ساتورن-بي على جانبه ، ومراحل منفصلة للكشف عن محتوياته. إنه عملاق - حجم أحد المحركات العديدة هو حجم سيارة صغيرة ، والصاروخ نفسه أطول بمقدار قدمين من ملعب كرة القدم. هذا ، بالطبع ، دليل بليغ تمامًا على خصوصيات الملاحة الفضائية. إلى جانب ذلك ، تبلغ من العمر 40 عامًا والوقت الذي تمثله - عندما كانت ناسا جزءًا من خطة وطنية ضخمة لإرسال رجل إلى القمر - قد انتهى منذ فترة طويلة. JSC اليوم هو مجرد مكان كان رائعًا في يوم من الأيام ولكنه ترك الفضاء رائدًا منذ ذلك الحين.

قد يعني الاختراق في حركة المرور حقبة جديدة لـ JSC و NASA ، وإلى حد ما بدأ جزء من تلك الحقبة بالفعل. يدرس مسبار Dawn ، الذي تم إطلاقه في عام 2007 ، حلقة الكويكبات باستخدام الدافعات الأيونية. في عام 2010 ، طلب اليابانيون Icarus ، أول مركبة فضائية بين الكواكب تعمل بشراع شمسي ، وهو نوع آخر من الدفع التجريبي. وفي عام 2016 ، يخطط العلماء لاختبار نظام VASMIR ، وهو نظام يعمل بالبلازما مصمم خصيصًا للدفع العالي في محطة الفضاء الدولية. ولكن عندما يحتمل أن تنقل هذه الأنظمة رواد فضاء إلى المريخ ، فإنها لا تزال غير قادرة على إخراجهم خارج النظام الشمسي. لتحقيق ذلك ، قال وايت ، سوف تحتاج ناسا إلى القيام بمشاريع أكثر خطورة.

ربما يكون محرك Warp Drive هو أبعد ما يكون عن جهود تصميم الحركة التي تبذلها وكالة ناسا. يقول المجتمع العلمي أن وايت لا يمكنه إنشائه. يقول الخبراء أنه يعمل ضد قوانين الطبيعة والفيزياء. على الرغم من ذلك ، ناسا وراء المشروع. يقول أبلوايت: "لا يتم دعمها على مستوى حكومي عالٍ كما ينبغي". - أعتقد أن للإدارة بعض الاهتمام الخاص بمواصلة عمله ؛ إنه أحد تلك المفاهيم النظرية التي ، إذا نجحت ، ستغير اللعبة تمامًا ".

في كانون الثاني (يناير) ، قام وايت بتجميع مقياس التداخل الالتفافي الخاص به وانتقل إلى هدفه التالي. لقد تجاوزت Eagleworks منزل خاص. المختبر الجديد أكبر ، وكما يقول بحماس ، "معزول زلزاليًا" ، مما يعني أنه محمي من الاهتزازات. ولكن ربما يكون أفضل شيء في المختبر الجديد (والأكثر إثارة للإعجاب) هو أن ناسا أعطت وايت نفس الظروف التي كان لدى نيل أرمسترونج وباز ألدرين على سطح القمر. حسنا دعنا نري.

في سبتمبر 2011 ، صدم الفيزيائي أنطونيو إريديتاتو العالم. كان يمكن لتصريحه أن يقلب فهمنا للكون رأسًا على عقب. إذا كانت البيانات التي جمعها 160 عالمًا من مشروع OPERA صحيحة ، فقد لوحظ ما لا يصدق. كانت الجسيمات - في هذه الحالة النيوترينوات - تتحرك أسرع من الضوء. وفقًا لنظرية النسبية لأينشتاين ، هذا مستحيل. وستكون عواقب مثل هذه الملاحظة لا تصدق. ربما يجب مراجعة أسس الفيزياء ذاتها.

على الرغم من أن إيريديتاتو قال إنه وفريقه كانوا "واثقين للغاية" في نتائجهم ، إلا أنهم لم يقولوا إن البيانات كانت دقيقة تمامًا. بدلاً من ذلك ، طلبوا من علماء آخرين مساعدتهم في معرفة ما يجري.

في النهاية ، اتضح أن نتائج OPERA كانت خاطئة. تسبب الكبل الموصل بشكل سيئ في حدوث مشكلة في المزامنة وكانت الإشارات الصادرة من أقمار GPS غير دقيقة. كان هناك تأخير غير متوقع في الإشارة. ونتيجة لذلك ، أظهرت قياسات الوقت الذي استغرقه النيوترينو للتغلب على مسافة معينة 73 نانوثانية إضافية: يبدو أن النيوترينوات تطير أسرع من الضوء.

على الرغم من شهور من الفحص الدقيق قبل بدء التجربة وإعادة فحص البيانات بعد ذلك ، كان العلماء مخطئين للغاية. استقال Ereditato ، على الرغم من ملاحظات الكثيرين بأن مثل هذه الأخطاء تحدث دائمًا بسبب التعقيد الشديد لمسرعات الجسيمات.

لماذا الاقتراح - مجرد الإيحاء - بأن شيئًا ما يمكن أن ينتقل أسرع من الضوء يسبب مثل هذه الضجة؟ إلى أي مدى نحن متأكدون من أنه لا شيء يمكن أن يتغلب على هذا الحاجز؟

دعونا نتعامل مع السؤال الثاني من هذه الأسئلة أولاً. تبلغ سرعة الضوء في الفراغ 299.792.458 كيلومترًا في الثانية - للراحة ، تم تقريب هذا الرقم إلى 300000 كيلومتر في الثانية. إنه سريع جدًا. تبعد الشمس 150 مليون كيلومتر عن الأرض ، ويصل الضوء الصادر منها إلى الأرض في ثماني دقائق وعشرين ثانية فقط.

هل يستطيع أي من إبداعاتنا التنافس في سباق الضوء؟ يعد المسبار الفضائي New Horizons أحد أسرع الأجسام التي صنعها الإنسان على الإطلاق ، حيث تجاوز بلوتو وشارون في يوليو 2015. وصلت سرعة بالنسبة إلى الأرض 16 كم / ث. أقل بكثير من 300000 كم / ثانية.

ومع ذلك ، كان لدينا جزيئات صغيرة تتحرك بسرعة كبيرة. في أوائل الستينيات ، جرب ويليام بيرتوزي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا تسريع الإلكترونات إلى سرعات أعلى.

نظرًا لأن الإلكترونات لها شحنة سالبة ، فيمكن تسريعها - بشكل أكثر تحديدًا ، صدها - عن طريق تطبيق نفس الشحنة السالبة على مادة ما. كلما تم استخدام المزيد من الطاقة ، زادت سرعة تسريع الإلكترونات.

قد يعتقد المرء أن المرء سيحتاج ببساطة إلى زيادة الطاقة المطبقة من أجل الإسراع بسرعة 300000 كم / ثانية. لكن اتضح أن الإلكترونات لا تستطيع التحرك بهذه السرعة. أظهرت تجارب بيرتوزي أن استخدام المزيد من الطاقة لا يؤدي إلى زيادة تناسبية مباشرة في سرعة الإلكترونات.

بدلاً من ذلك ، كان لابد من استخدام كميات هائلة من الطاقة الإضافية لتغيير سرعة الإلكترونات ولو بشكل طفيف. لقد اقتربت أكثر فأكثر من سرعة الضوء ، لكنها لم تصلها أبدًا.

تخيل أنك تتحرك نحو الباب بخطوات صغيرة ، كل خطوة تغطي نصف المسافة من موقعك الحالي إلى الباب. بالمعنى الدقيق للكلمة ، لن تصل إلى الباب أبدًا ، لأنه بعد كل خطوة تخطوها ، سيكون لديك مسافة للتغلب عليها. واجه Bertozzi مشكلة مماثلة عند التعامل مع إلكتروناته.

لكن الضوء يتكون من جسيمات تسمى الفوتونات. لماذا يمكن أن تتحرك هذه الجسيمات بسرعة الضوء ، بينما لا تستطيع الإلكترونات أن تتحرك؟

يقول روجر روسول ، عالم الفيزياء بجامعة ملبورن في أستراليا. "الفوتون ليس له كتلة. إذا كان لديه كتلة ، لا يمكنه التحرك بسرعة الضوء ".

الفوتونات خاصة. إنهم لا يفتقرون إلى الكتلة فقط ، التي توفر لهم حرية الحركة الكاملة في فراغ الفضاء ، كما أنهم لا يحتاجون إلى الإسراع. الطاقة الطبيعية الموجودة تحت تصرفهم تتحرك في موجات ، مثلهم تمامًا ، لذلك في الوقت الذي يتم تكوينهم فيه ، يكون لديهم بالفعل السرعة القصوى. من بعض النواحي ، من الأسهل التفكير في الضوء على أنه طاقة وليس كتيار من الجسيمات ، على الرغم من أن الضوء في الحقيقة كلاهما.

ومع ذلك ، ينتقل الضوء بشكل أبطأ بكثير مما قد نتوقعه. بينما تحب تقنيات الإنترنت التحدث عن الاتصالات التي تعمل "بسرعة الضوء" في الألياف ، ينتقل الضوء بنسبة 40٪ أبطأ في الألياف الزجاجية مما هو عليه في الفراغ.

في الواقع ، تنتقل الفوتونات بسرعة 300000 كم / ثانية ، لكنها تواجه قدرًا معينًا من التداخل الناجم عن الفوتونات الأخرى التي تنبعث من ذرات الزجاج مع مرور الموجة الضوئية الرئيسية. قد لا يكون من السهل فهمه ، لكننا حاولنا على الأقل.

بنفس الطريقة ، في إطار التجارب الخاصة مع الفوتونات الفردية ، كان من الممكن إبطائها بشكل مثير للإعجاب. لكن بالنسبة لمعظم الحالات ، سيكون 300000 حقيقة ، لم نر أو نخلق أي شيء يمكن أن يتحرك بسرعة أو حتى أسرع. هناك نقاط خاصة ، ولكن قبل أن نتطرق إليها ، دعنا نتطرق إلى قضيتنا الأخرى. لماذا من المهم جدًا اتباع قاعدة سرعة الضوء بدقة؟

الجواب يتعلق برجل اسمه ألبرت أينشتاين ، كما هو الحال غالبًا في الفيزياء. تستكشف نظريته النسبية الخاصة الآثار العديدة لحدود سرعته العالمية. من أهم عناصر النظرية فكرة أن سرعة الضوء ثابتة. بغض النظر عن مكانك أو مدى سرعتك ، ينتقل الضوء دائمًا بنفس السرعة.

لكن هذا يثير العديد من المشاكل المفاهيمية.

تخيل الضوء الذي يسقط من مصباح يدوي على مرآة على سقف مركبة فضائية ثابتة. يرتفع الضوء ، وينعكس عن المرآة ، ويسقط على أرضية المركبة الفضائية. لنفترض أنه قطع مسافة 10 أمتار.

تخيل الآن أن هذه المركبة الفضائية تبدأ في التحرك بسرعة هائلة تصل إلى عدة آلاف من الكيلومترات في الثانية. عند تشغيل المصباح ، يتصرف الضوء كما كان من قبل: يضيء لأعلى ، ويضرب المرآة ، وينعكس على الأرض. ولكن للقيام بذلك ، يجب أن ينتقل الضوء بشكل قطري وليس عموديًا. بعد كل شيء ، المرآة تتحرك الآن بسرعة مع المركبة الفضائية.

وفقًا لذلك ، تزداد المسافة التي يتغلب عليها الضوء. لنفترض 5 أمتار. اتضح أن 15 مترًا بشكل عام ، وليس 10.

وعلى الرغم من ذلك ، وعلى الرغم من زيادة المسافة ، فإن نظريات أينشتاين تنص على أن الضوء سيظل يسير بنفس السرعة. نظرًا لأن السرعة هي المسافة مقسومة على الوقت ، نظرًا لأن السرعة ظلت كما هي وزادت المسافة ، يجب أيضًا زيادة الوقت. نعم ، يجب أن يمتد الوقت نفسه. وعلى الرغم من أنه يبدو غريباً ، فقد تم تأكيده تجريبياً.

هذه الظاهرة تسمى تمدد الوقت. يتحرك الوقت بشكل أبطأ بالنسبة للأشخاص الذين يتحركون في مركبات سريعة الحركة مقارنة بأولئك الذين لا يزالون متوقفين.

على سبيل المثال ، يكون الوقت أبطأ بمقدار 0.007 ثانية بالنسبة لرواد الفضاء على متن السفينة الدولية محطة فضاء، التي تتحرك بسرعة 7.66 كم / ث بالنسبة إلى الأرض ، عند مقارنتها بالبشر على هذا الكوكب. الأمر الأكثر إثارة للاهتمام هو الموقف مع جسيمات مثل الإلكترونات المذكورة أعلاه ، والتي يمكن أن تتحرك بالقرب من سرعة الضوء. في حالة هذه الجسيمات ، ستكون درجة التباطؤ هائلة.

يشير ستيفن كولثامر ، الفيزيائي التجريبي بجامعة أكسفورد في المملكة المتحدة ، إلى مثال جسيمات تسمى الميونات.

الميونات غير مستقرة: فهي تتحلل بسرعة إلى جسيمات أبسط. سريع جدًا لدرجة أن معظم الميونات التي تغادر الشمس لابد أن تكون قد اضمحلت بحلول الوقت الذي تصل فيه إلى الأرض. لكن في الواقع ، تصل الميونات إلى الأرض من الشمس بأحجام هائلة. فيزيائيون لفترة طويلةحاولت أن أفهم لماذا.

يقول كولثامر: "الإجابة على هذا اللغز هي أن الميونات تتولد بمثل هذه الطاقة التي تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء". "إحساسهم بالوقت ، إذا جاز التعبير ، فإن ساعتهم الداخلية بطيئة."

"تبقى الميونات على قيد الحياة" لفترة أطول مما كان متوقعًا بالنسبة لنا ، وذلك بفضل التفاف زمني حقيقي وطبيعي. عندما تتحرك الكائنات بسرعة بالنسبة للكائنات الأخرى ، يتناقص طولها ويتقلص أيضًا. هذه العواقب ، تمدد الوقت وتقليل الطول ، هي أمثلة على كيفية تغير الزمكان اعتمادًا على حركة الأشياء - أنا أو أنت أو مركبة فضائية - التي لها كتلة.

المهم ، كما قال أينشتاين ، أن الضوء لا يتأثر لأنه ليس له كتلة. هذا هو السبب في أن هذه المبادئ تسير جنبا إلى جنب. إذا كان بإمكان الأشياء أن تتحرك أسرع من الضوء ، فإنها ستطيع القوانين الأساسية التي تصف كيفية عمل الكون. هذه هي المبادئ الأساسية. الآن يمكننا التحدث عن بعض الاستثناءات والاستطراد.

من ناحية ، على الرغم من أننا لم نر أي شيء يسافر أسرع من الضوء ، فإن هذا لا يعني أنه لا يمكن التغلب على حد السرعة نظريًا في ظل ظروف محددة للغاية. خذ على سبيل المثال توسع الكون نفسه. تتحرك المجرات في الكون بعيدًا عن بعضها بسرعة أكبر بكثير من سرعة الضوء.

هناك موقف آخر مثير للاهتمام يتعلق بالجسيمات التي تشترك في نفس الخصائص في نفس الوقت ، بغض النظر عن مدى تباعدها. هذا هو ما يسمى ب "التشابك الكمي". سوف يدور الفوتون لأعلى ولأسفل بشكل عشوائي من حالتين محتملتين ، لكن اختيار اتجاه الدوران سينعكس بدقة على فوتون آخر في أي مكان آخر إذا كانا متشابكين.

سيحصل عالمان ، كل منهما يدرس الفوتون الخاص بهما ، على نفس النتيجة في نفس الوقت ، أسرع مما يمكن أن تسمح به سرعة الضوء.

ومع ذلك ، في كلا المثالين ، من المهم ملاحظة أنه لا توجد معلومات تنتقل أسرع من سرعة الضوء بين جسمين. يمكننا حساب تمدد الكون ، لكن لا يمكننا رصد أجسام أسرع من الضوء فيها: لقد اختفت عن الأنظار.

أما بالنسبة للعالمين بفوتوناتهما ، فعلى الرغم من أنهما يمكنهما الحصول على نفس النتيجة في نفس الوقت ، إلا أنهما لم يتمكنا من إعلام بعضهما البعض عنها بشكل أسرع من انتقال الضوء بينهما.

يقول كولثامر: "هذا لا يسبب لنا أي مشاكل ، لأنه إذا كان بإمكانك إرسال إشارات أسرع من الضوء ، فستحصل على مفارقات غريبة حيث يمكن للمعلومات بطريقة ما أن تعود بالزمن إلى الوراء".

هناك طريقة أخرى ممكنة لجعل السفر أسرع من الضوء ممكنًا تقنيًا: الصدوع في الزمكان التي تسمح للمسافر بالهروب من قواعد السفر التقليدية.

يعتقد جيرالد كليفر من جامعة بايلور في تكساس أننا في يوم من الأيام سنكون قادرين على بناء مركبة فضائية تسافر أسرع من الضوء. الذي يتحرك عبر الثقب الدودي. الثقوب الدودية هي حلقات في الزمكان تتناسب بشكل جيد مع نظريات أينشتاين. يمكنهم السماح لرائد فضاء بالقفز من أحد طرفي الكون إلى الطرف الآخر باستخدام شذوذ في الزمكان ، وهو شكل من أشكال الاختصار الكوني.

لن يتجاوز الجسم الذي ينتقل عبر ثقب دودي سرعة الضوء ، ولكن يمكن نظريًا أن يصل إلى وجهته بشكل أسرع من الضوء الذي يتبع المسار "الطبيعي". ولكن قد لا تكون الثقوب الدودية متاحة للسفر عبر الفضاء على الإطلاق. هل يمكن أن تكون هناك طريقة أخرى لتعديل الزمكان بشكل فعال ليذهب أسرع من 300000 كم / ثانية بالنسبة لأي شخص آخر؟

استكشف كليفر أيضًا فكرة "محرك Alcubierre" الذي اقترحه الفيزيائي النظري ميغيل ألكوبيير في عام 1994. يصف حالة يتقلص فيها الزمكان أمام المركبة الفضائية ، ويدفعها إلى الأمام ، ويتوسع خلفها ، ويدفعها أيضًا إلى الأمام. يقول كليفر: "لكن بعد ذلك ، كانت هناك مشاكل: كيفية القيام بذلك وكم الطاقة اللازمة."

في عام 2008 ، قام هو وطالبه الخريج ريتشارد أوبوسي بحساب مقدار الطاقة المطلوبة.

"لقد تخيلنا سفينة بحجم 10 م × 10 م × 10 م - 1000 متر مكعب - وحسبنا أن كمية الطاقة اللازمة لبدء العملية ستكون مكافئة لكتلة كوكب المشتري بالكامل."

بعد ذلك ، يجب "سكب" الطاقة باستمرار حتى لا تنتهي العملية. لا أحد يعرف ما إذا كان هذا ممكنًا في أي وقت ، أو كيف ستبدو التقنيات المطلوبة. يقول كليفر: "لا أريد أن يُقال لي لعدة قرون بعد ذلك كما لو أنني توقعت شيئًا لن يحدث أبدًا ، لكن حتى الآن لا أرى حلولًا".

لذلك ، لا يزال السفر بسرعة تفوق سرعة الضوء خيالًا في الوقت الحالي. حتى الآن ، الطريقة الوحيدة لزيارة كوكب خارج المجموعة الشمسية أثناء وجودك على قيد الحياة هي الانغماس في الرسوم المتحركة المعلقة بعمق. ومع ذلك ، ليس كل شيء بهذا السوء. في معظم الحالات تحدثنا عن الضوء المرئي. لكن في الواقع ، الضوء أكثر من ذلك بكثير. من موجات الراديو والميكروويف إلى الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة غاما المنبعثة من الذرات أثناء تحللها ، تتكون هذه الأشعة الجميلة من نفس الشيء: الفوتونات.

يكمن الاختلاف في الطاقة ، وبالتالي في الطول الموجي. تشكل هذه الأشعة معًا الطيف الكهرومغناطيسي. حقيقة أن موجات الراديو تنتقل بسرعة الضوء ، على سبيل المثال ، مفيدة بشكل لا يصدق للاتصالات.

في بحثه ، أنشأ Kolthammer دائرة تستخدم الفوتونات لإرسال إشارات من جزء من الدائرة إلى جزء آخر ، لذا فهي تستحق التعليق على فائدة سرعة الضوء المذهلة.

"حقيقة أننا بنينا البنية التحتية للإنترنت ، على سبيل المثال ، وقبل ذلك الراديو الذي يعتمد على الضوء ، لها علاقة بالسهولة التي يمكننا بها نقلها" ، يلاحظ. ويضيف أن الضوء يعمل كقوة اتصال للكون. عندما تدخل الإلكترونات هاتف محمولتبدأ في الارتعاش ، وتطير الفوتونات وتتسبب في ارتعاش الإلكترونات في الهاتف الخلوي الآخر أيضًا. هذه هي الطريقة التي ولدت بها مكالمة هاتفية. تبعث ارتعاش الإلكترونات في الشمس أيضًا الفوتونات - بأعداد هائلة - والتي ، بالطبع ، تشكل الضوء الذي يعطي الحياة على الأرض الدفء والضوء.

الضوء هو اللغة العالمية للكون. سرعتها - 299.792.458 كم / ثانية - تظل ثابتة. وفي الوقت نفسه ، المكان والزمان مرنان. ربما لا ينبغي أن نفكر في كيفية التحرك أسرع من الضوء ، ولكن كيف نتحرك بشكل أسرع في هذا الفضاء وهذه المرة؟ ناضجة إلى الجذر ، إذا جاز التعبير؟