Сверхсветовые скорости в природе

Совсем иной метод применили для поиска тахионов американские физики А. Глисон, М. Гундцик и Е. Сударман. Они предположили, что тахионы сильно взаимодействуют с протонами, мезонами и другими частицами, но время жизни тахионов чрезвычайно мало. Поэтому тахионы могут лишь на очень короткое время появляться в процессах взаимодействия до световых частиц и сразу же поглощаться этими частицами (или же исчезать в результате распада).

Теория допускает, что появление тахионов при взаимодействии до световых частиц приведет к определенным и характерным искажениям в спектрах распределения ядерных частиц по импульсам и углам разлета. Более того, положение и форма этих искажений зависят от времени жизни, массы, электрического заряда и других характеристик тахионов.

При изучении экспериментальных распределений рассеянных частиц в ядерных реакциях действительно были обнаружены аномалии, которые хорошо объясняются, если допустить, что сталкивающиеся частицы обмениваются заряженными и нейтральными тахионами с массой, несколько превышающей массу протона, и временем жизни около сек. Эти аномалии не зависят от энергии сталкивающихся частиц и наблюдаются во многих реакциях. Интерпретировать их в рамках современной теории, не учитывающей тахионы, довольно сложно.

Конечно, и опыты Клая с Кроухом, и результаты, полученные американскими физиками, еще нельзя считать доказательством существования сверхсветовых частиц. Для однозначного ответа нужны значительно более полные экспериментальные данные и их всесторонний теоретический анализ.

Так, в одном из опытов регистрировали случаи поглощения тахиона протоном или электроном. Первоначально покоившиеся частицы должны были получить от тахионов импульсы. Опыты проводили глубоко под землей, при практически полном отсутствии фона космических лучей. Точность измерений была очень высокой. Тем не менее, не удалось обнаружить ни одного случая поглощения тахионов. Последовал вывод о том, что если тахионы существуют, то их взаимодействие с до световым веществом исключительно слабо - приблизительно в раз слабее, чем взаимодействие протона с электроном. Но возможна другая, более логичная интерпретация результатов: если нет специальных источников тахионов, плотность их очень мала, как мала, например, плотность световых квантов в темной комнате.

Таким образом, ответ на вопрос, существуют ли в природе тахионы, пока не получен.

4.2 Эффект Шарнхорста

Эффект Шарнхорста - гипотетический опыт, в котором световой сигнал может двигаться между двумя близко расположенными пластинами быстрее скорости света. Явление предсказано Клаусом Шарнхорстом из Гумбольдтского университета (Германия) и Гэбриэлом Бартоном из университета Сассекса (Англия).

В соответствии с принципом неопределённости Гейзенберга пустое пространство, считающееся полным вакуумом, на самом деле заполнено виртуальными субатомными частицами, называемыми вакуумными флуктуациями. Когда фотон движется в вакууме, он взаимодействует с этими виртуальными частицами и при поглощении может породить пару электрон-позитрон. Эта пара нестабильна и быстро аннигилирует (аннигиляция - реакция превращения частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных) с испусканием фотона, аналогичного поглощённому. По оценке время существования энергии фотона в виде пары электрон-позитрон заметно снижает наблюдаемую скорость фотона в вакууме, так как фотон превращается в частицы с до световой скоростью. На основе этого вывода было сделано предположение, что скорость фотона увеличится при движении между пластинами Казимира. Из-за ограниченного пространства между пластинами некоторые виртуальные частицы, существующие в вакууме, будут иметь длины волн, превышающие расстояние между пластинами. Вследствие этого плотность виртуальных частиц между пластинами будет меньше, чем плотность виртуальных частиц снаружи. Таким образом, фотон, движущийся между пластинами, будет тратить меньше времени на взаимодействие с виртуальными частицами, снижающими его скорость. Конечным результатом станет увеличение скорости фотона, и чем ближе будут располагаться пластины, тем выше будет скорость света. Однако предсказанный эффект будет минимальным. Фотон, проходящий между двумя пластинами, расположенными на расстоянии 1 мкм, увеличит скорость на . Такое изменение скорости слишком мало для обнаружения существующими приборами, что не позволяет обнаружить эффект Шарнхорста в настоящее время.

Существование фотонов, движущихся быстрее скорости света, поставлено под сомнение, так как это может нарушить причинно-следственные связи, так как при этом информация распространяется быстрее скорости света. Однако несколько авторов указывают, что эффект Шарнхорста не может привести к причинно-следственным парадоксам.

5. Эксперименты

5.1 Коллаборация OPERA

OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) - эксперимент по изучению нейтринных осцилляций (нейтринные осцилляции - превращения нейтрино (электронного, мюонного или тау-онного) в нейтрино другого сорта (поколения), или же в антинейтрино.). Он направлен на доказательство гипотезы превращения одних типов нейтрино (электронные, мюонные и тау-нейтрино) в другие. Нейтрино - нейтральная фундаментальная частица с полуцелым спином, участвующая только в слабом и гравитационном взаимодействиях, и относящаяся к классу лептонов. В 2010 году в рамках эксперимента были получены прямые доказательства того, что мюонные нейтрино могут превращаться в тау-нейтрино.

Для эксперимента используется пучок мюонных нейтрино, создаваемый протонным суперсинхротроном (SPS) ЦЕРН в Женеве направленный в подземную лабораторию Гран-Сассо (LNGS), где находится детектор OPERA, использующийся в первую очередь для выявления тау-нейтрино появляющихся от осцилляций мюонных нейтрино. Путь в 732 километра от ЦЕРН до лаборатории Гран-Сассо занимает у частиц 3 миллисекунды. Детектор проекта OPERA состоит из примерно 150 тысяч элементов общей массой 1300 тонн: свинцовых пластин прослоенных эмульсионной плёнкой весом 8,3 кг каждая. Кроме них аппарат комплектуется электронными детекторами и другой вспомогательной инфраструктурой. Его сооружение было начато в 2003 году и завершено весной-летом 2008 года. В данный момент эксперимент в своей активной фазе.

В проекте OPERA принимают участие примерно 200 физиков из 36 институтов и 13 стран, в том числе и из России.

Рис. 9 - Детектор OPERA

22 сентября 2011 года в архиве электронных препринтов появился препринт статьи, в которой авторами анализируются возможные причины, приводящие к сверхсветовой скорости перемещения нейтрино от источника до детектора. Однозначной трактовки полученных результатов нет. За несколько недель было опубликовано несколько десятков работ, посвященных данному наблюдению. Например, в одной из работ высказано предположение, что «сверхсветовая скорость» была вызвана неучтенными релятивистскими эффектами движения спутников GPS относительно пучка нейтрино.

Позднее эксперимент был повторен тем же проектом на той же установке с измененной методикой: нейтрино отправлялись короткими импульсами длительностью 3 нс с интервалом в 524 нс, в результате чего было достоверно зарегистрировано 20 нейтрино. Измерение их скорости подтвердило первоначальные предположения об их движении со сверхсветовой скоростью.

В феврале 2012 года удалось выявить некоторые предполагаемые аппаратные ошибки в работе использованного нейтринного детектора OPERA. Однако, это не прояснило ситуацию окончательно, поскольку у этих погрешностей было разноимённое (в плюс и минус) влияние, а их точная величина - не установлена. Первый возможный источник погрешности - осциллятор, который используется для получения метки времени для синхронизации с GPS, что может привести к переоценке времени полёта нейтрино. Второй - оптический разъём волокна, которое передаёт сигнал GPS на часы OPERA. Его неправильная работа, вероятно, приводит к недооценке времени полёта нейтрино.

Повторные опыты были проведены в рамках эксперимента ICARUS. Этот детектор нейтрино также расположен в лаборатории Гран-Сассо и также способен ловить частицы, посылаемые из ЦЕРНа. Результаты опытов с короткими пучками частиц на ICARUS показали, что нейтрино достигли детектора в точном соответствии с теорией, то есть они не двигались быстрее света в вакууме.

Рис. 10 - Схема эксперимента, система синхронизации и карта, на которой показаны расположение ЦЕРН, Гран-Сассо и траектория движения нейтрино

В марте 2012 года в том же тоннеле были проведены независимые измерения, и сверхсветовых скоростей нейтрино они не обнаружили. Семь нейтринных событий были зарегистрированы 31 октября, 1, 2 и 4 ноября. По анализу коллаборации ICARUS среднее отклонение по этим семи событиям составляло всего +0,3 нс от расчётного прибытия света. ICARUS оборудован независимым от OPERA инструментом для замера времени.

Информация же, изложенная в различных СМИ, получилась излишне сенсационной и упрощённой, а результаты искажёнными и отрывочными. В частности, в результате политизации ситуации и давления со стороны СМИ, некоторым учёным, как к примеру руководителю коллаборации OPERA Антонио Эредитато, пришлось подать в отставку, несмотря на то, что большая часть коллаборации в ходе голосования выступила против отставки. Помимо этого руководители ЦЕРНа неоднократно подчёркивали, что с точки зрения научной этики коллаборация действовала безупречно.

Заключение

Работы последних лет показывают, что при определённых условиях сверхсветовая скорость действительно может иметь место. Но что именно движется со сверхсветовой скоростью? Теория относительности, как уже упоминалось, запрещает такую скорость для материальных тел и для сигналов, несущих информацию. Тем не менее, некоторые исследователи весьма настойчиво пытаются продемонстрировать преодоление светового барьера именно для сигналов. Причина этого кроется в том, что в специальной теории относительности нет строгого математического обоснования невозможности передачи сигналов со скоростью больше скорости света. Такая невозможность в СТО устанавливается, чисто арифметически, исходя из эйнштейновской формулы сложения скоростей, но фундаментальным образом это подтверждается принципом причинности. Сам Эйнштейн, рассматривая вопрос о сверхсветовой передаче сигналов, писал, что в этом случае „…мы вынуждены считать возможным механизм передачи сигнала, при использовании которого достигаемое действие предшествует причине.

Принцип причинности - вот тот краеугольный камень, который лежит в основе невозможности сверхсветовой передачи сигналов. И об этот камень, по-видимому, будут спотыкаться все без исключения поиски сверхсветовых сигналов, как бы экспериментаторам не хотелось такие сигналы обнаружить.

В заключение следует подчеркнуть, что всё вышеизложенное относится именно к нашему миру, к нашей Вселенной. Такая оговорка сделана потому, что в последнее время в астрофизике и космологии появляются новые гипотезы, допускающие существование множества скрытых от нас Вселенных, соединённых топологическими туннелями-перемычками. Для внешнего наблюдателя входы в эти туннели обозначаются аномальными полями тяготения, подобно чёрным дырам. Перемещения в таких туннелях, как предполагают авторы гипотез, позволят обойти ограничение скорости движения, накладываемое в обычном пространстве скоростью света, и, следовательно, реализовать идею о создании машины времени… Не исключено, что в подобных Вселенных действительно могут происходить необычные для нас вещи. И хотя пока что такие гипотезы слишком уж напоминают сюжеты из научной фантастики, вряд ли следует категорически отвергать принципиальную возможность многоэлементной модели устройства материального мира. Другое дело, что все эти другие Вселенные, скорее всего, останутся чисто математическими построениями физиков-теоретиков.

Список литературы

1. Статья из физической энциклопедии «Сверхсветовая скорость», т.4 - М. :Большая Российская Энциклопедия.

2. А. Голубев «Возможна ли сверхсветовая скорость?» (Наука и жизнь, № 2, 2001).

3. В.С. Барашенков «И снова: свет быстрее света» («ЗС» № 4/1997).

4. Дж. Фейнберг «Частицы со скоростью, большей скорости света» (англ.) // Scientific American : науч.-поп.. - февраль 1970.

5. Дж. А. Бенфорд, Д. Л. Бука и У. А. Ньюком «Тахионный антителефон» (англ.) // Physical Review D : научная. - American Physical Society, 1972. - Т. 2.

6. С. В. Красников «Сверхсветовые перемещения в (полу)классической ОТО».

7. Эффект Черенкова - Вавилова - статья из Физической энциклопедии.

8. Мамедов Дж.М., Является ли c=const доказанным? // Журнал "Современные наукоемкие технологии". № 11. 2010.

9. Причинности принцип Физическая энциклопедия. - Т. IV. - С. 119-121.

10. «Нейтрино», Физическая энциклопедия, т.3 - М.:Большая Российская Энциклопедия.

11. Уизем Дж. Б. Линейные и нелинейные волны. - М.: Мир. - 1977.

12. Rabinovich M.I., Trubetskov D.I. Oscillations and waves in linear and nonlinear systems. - Kewver-Academic Publ., Amsterdam. - 1989.

13. http://Сверхсветовое_движение/ОТО/Двигатель%20Алькубьерре.

Размещено на Allbest.ru