Что быстрее скорость света или болевой. Возможна ли сверхсветовая скорость

Теория относительности завораживает своими парадоксами. Все мы знаем про близнецов, про возможности засунуть длинный самолёт в короткий ящик. Сегодня каждый выпускник школы знает ответы на эти классические загадки, а уж студенты-физики и подавно считают, что тайн в специальной теории относительности для них не осталось.

Всё бы хорошо, если бы не удручающе обстоятельство - невозможность сверхсветовых скоростей. Неужели никак нельзя быстрее?! - думала я в детстве. А может быть можно?! Поэтому приглашаю вас на сеанс, уж и не знаю, чёрной или белой магии имени Альберта Эйнштейна с разоблачением в конце. Впрочем для тех, кому покажется мало, я приготовила ещё и задачку.

UPD: Сутки спустя публикую решение. Много текста формул, графиков в конце.

К Альфе Центавра

Приглашаю вас занять места в нашем межзвёздном корабле, который направляется в сторону Альфы Центавра. От конечной точки маршрута нас отдаляют 4 световых года. Внимание, запускаем двигатели. Поехали! Для удобства пассажиров наш капитан установил такую тягу, чтобы мы ускорялись с величиной и ощущали привычную нам на Земле силу тяжести.

Вот мы уже прилично разогнались, пускай до половины скорости света . Зададим казалось несложный вопрос: с какой же скоростью мы будем приближаться к Альфа Центавра в нашей собственной (корабельной) системе отсчёта. Казалось бы всё просто, если мы летим со скоростью в неподвижной системе отсчёта Земли и Альфы Центавра, то и с нашей точки зрения мы приближаемся к цели со скоростью .

Тот, кто уже почувствовал подвох, совершенно прав. Ответ неверен! Тут надо сделать уточнение, под скоростью приближения к Альфа Центавра я называю изменение оставшегося расстояния до неё, делённое на промежуток времени, за который такое изменение произошло. Всё, разумеется, измеряется в нашей системе отсчёта, связанной с космическим кораблём.

Тут надо вспомнить, о лоренцевском сокращении длины. Ведь разогнавшись до половины скорости света мы обнаружим, что масштаб вдоль направления нашего движения сжался. Напомню формулу:

И теперь, если на скорости в половину скорости света мы измерим расстояние от Земли до Альфы Центавра, мы получил не 4 св. года, а всего лишь 3,46 св.года.

Получается, что только благодаря тому факту, что мы разогнались до мы уже уменьшили расстояние до конечной точки путешествия почти 0,54 св.года. А если мы будем не просто двигаться с большой скоростью, но ещё и ускоряться, то у масштабного фактора появится производная по времени, которая по сути тоже есть скорость приближения и плюсуется к .

Таким образом помимо к нашей обычной, я бы сказала классической, скорости добавляется ещё один член - динамическое сокращение длины оставшегося пути, которое возникает тогда и только тогда, когда есть ненулевое ускорение. Ну что же, возьмём карандаш и посчитаем.

А тех, кому лень следить за вычислениями встречаю на другом берегу спойлера

Текущее расстояние до звезды по линейке капитана корабля, - время на часах в кают-компании, - скорость.

Уже здесь мы видим, что первая частная производная - это скорость, просто скорость со знаком минус, коль скоро мы приближаемся к Альфе Центавра. А вот второе слагаемое - тот самый подвох, о котором, подозреваю, не все задумывались.

Чтобы найти производную скорости по времени во втором слагаемом, надо быть аккуратным, т.к. мы находимся в подвижной системе отсчёта. Проще всего на пальцах её вычислить из формулы сложения релятивистских скоростей. Пусть в момент времени мы движемся со скоростью , а через какой-то промежуток времени прирастили нашу скорость на . Результирующая скорость по формуле теории относительности будет

Теперь соберём вместе (2) и (3), причём производную от (3) надо взять при , т.к. мы рассматриваем малые приращения.

Полюбуемся на конечную формулу

Она удивительна! Если первый член - скорость - ограничен скоростью света, то второй член не ограничен ничем! Возьмите побольше и… второе слагаемое с лёгкостью может превысить .

Что-что! - не поверят некоторые.
- Да-да, именно так, - отвечу я. - Оно может быть больше скорости света, больше двух скоростей света, больше 10 скоростей света. Перефразируя Архимеда, могу сказать: «дайте мне подходящую , и я обеспечу вам сколь угодно большую скорость.»

Что ж а давайте подставим числа, с числами всегда интереснее. Как мы помним, капитан установил ускорение , а скорость уже достигла . Тогда обнаружим, что при светового года, наша скорость приближения сравняется со скоростью света. Если же мы подставим световых года, то

Прописью: «три целых, три десятых скорости света».

Продолжаем удивляться

Давайте посмотрим ещё более внимательно на формулу (5). Ведь не обязательно садиться в релятивистский космический корабль. И скорость, и ускорение могут быть совсем маленькими. Всё дело в волшебной . Вы только вдумайтесь!

Вот я села в машину и нажала на газ. У меня есть скорость и ускорение. И в этот самый момент я могу гарантировать, что где-то примерно сотне-другой миллионов световых лет впереди меня есть объекты, приближающиеся сейчас ко мне быстрее света. Для простоты я ещё не брала в расчёт скорость движения Земли по орбите вокруг Солнца, и Солнца вокруг центра Галактики. С их учётом объекты со сверхсветовой скоростью приближения окажутся уже совсем поблизости - не на космологических масштабах, а где-то на периферии нашей Галактики.

Получается, что невольно даже при минимальных ускорениях, например встав со стула, мы участвуем в сверхсветовом движении.

Удивляемся ещё

Посмотри на формулу (5) совсем-совсем пристально. Давайте узнаем не скорость приближения к Альфе Центавра, а наоборот скорость удаления от Земли. При достаточно большом , например, на полпути к цели, мы можем обнаружить, что к нам приближается и Земля, и Альфа Центавра. Оправившись от удивления, конечно можно догадаться, что виной всему сокращение длины, которое работает не только вперёд, но и назад. Пространство за кормой космического корабля сжимается быстрее, чем мы улетаем от точки старта.

Несложно понять и другой удивительный эффект. Ведь стоит изменить направление ускорения, как второе слагаемое в (5) тут же поменяет знак. Т.е. скорость приближения может запросто стать нулевой, а то и отрицательной. Хотя обычная скоростью у нас по прежнему будет направлена к Альфе Центавра.

Разоблачение

Надеюсь, я вас достаточно сбила с толку. Как же так, нас учили, что скорость света максимальна! Нельзя приближаться к чему-либо быстрее скорости света! Но здесь стоит обратить внимание на присказку к любому релятивистскому закону. Она есть в любом учебнике, но кажется, что только загромождает формулировку, хотя именно в ней вся «соль». Эта присказка гласит, что постулаты специальной теории относительности работают «в инерциальной системе отсчёта».

В неинерциальной системе отсчёта Эйнштейн нам ничего не гарантирует. Такие дела!

Тоже самое, чуть более подробно и чуть более сложно

В формуле (5) содержится расстояние . Когда оно равно нулю, т.е. когда мы пытаемся определить скорость локально относительно близких объектов, останется только первое слагаемое , которое, разумеется, не превышает световую скорость. Никаких проблем. И лишь на больших расстояниях, т.е. не локально, мы можем получить сверхсветовые скорости.

Надо сказать, что вообще говоря, относительная скорость удалённых друг от друга объектов - понятие плохо определённое. Наше плоское пространство-время в ускоренной системе отсчёта выглядит искривлённым. Это знаменитый «лифт Эйнштейна» эквивалентный гравитационному полю. А сравнивать две векторные величины в искривлённом пространстве корректно, только когда они находятся в одной точке (в одном касательном пространстве из соответствующего векторного расслоения).

Кстати о нашем парадоксе сверхсветовой скорости можно рассуждать и по-другому, я бы сказала интегрально. Ведь релятивистское путешествия к Альфе Центавра займёт по собственным часам космонавта гораздо меньше 4 лет, поэтому поделив изначальное расстояние на затраченное собственное время, мы получим эффективную скорость больше скорости света. По сути это тот же парадокс близнецов. Кому удобно, может именно так и понимать сверхсветовое перемещение.

Вот и весь фокус. Ваша Капитанша Очевидность.

А напоследок я придумала вам домашнее задание или наброс для обсуждения в комментариях.

Задачка

Земляне и альфацентавры решили обменяться делегациями. С Земли стартовал космический корабль со скорость . Одновременно с ним с Альфы Центавра навстречу отправилась летающая тарелка инопланетян с той же скоростью.

Каково расстояние между кораблями в системе отсчёта корабля землян в момент старта, когда они находились у Земли и Альфы Центавра соответственно? Напишите ответ в комментариях.

UPD: Решение

Итак решение задачи. Сначала рассмотрим её качественно.

Договоримся, что часы на Альфе, Земле, ракете и тарелке синхронизованы (это было сделано заранее), и старт по всем четырём часам состоялся в 12:00.

Рассмотрим пространство время графически в покоящихся координатах . Земля находится в нуле, Альфа на расстоянии по оси . Мировая линия Альфы Центавра, очевидно, просто идёт вертикально вверх. Мировая линия тарелки идёт с наклоном влево, т.к. она вылетела из точки в направлении Земли.

Теперь на этом графике пририсуем оси координат системы отсчёта ракеты, стартовавшей с Земли. Как известно, такое преобразование системы координат (СК) называется бустом. При этом оси наклоняются симметрично относительно диагональной линии, которая показывает световой луч.

Я думаю, в этот момент вам уже всё стало понятно. Смотрите, ось пересекает мировые линии Альфы и летающей тарелки в разных точках. Что же произошло?

Удивительная вещь. Перед стартом с точки зрения ракеты и тарелка и Альфа находились в одной точке, а после набора скорости выясняется, что в движущеёся СК старт ракеты и тарелки не был одновременен. Тарелка, вдруг оказывается, стартовала раньше и успела немного приблизиться к нам. Поэтому сейчас в 12:00:01 по часам ракеты до тарелки уже ближе, чем до Альфы.

А если ракета разгонится ещё, она «перепрыгнет» в следующую СК, где тарелка ещё ближе. Причём такое приближение тарелки происходит только за счёт ускорения и динамического сжатия продольного масштаба (о чём собственно весь мой пост), а не продвижения ракеты в пространстве, т.к. ракета ещё по сути ничего и не успела пролететь. Это приближение тарелки, как раз и есть второй член в формуле (5).

Ну и кроме всего прочего надо учесть обычное лоренцевское сокращение расстояния. Сразу сообщу ответ, что при скоростях ракеты и тарелки по каждая расстояние

• между ракетой и Альфой: 3,46 св. года (обычное лоренцевское сокращение)
• между ракетой и тарелкой: 2,76 св. года

Кому интересно, давайте поколдуем с формулами в четырёхмерном пространстве

Такого рода задачи удобно решать с помощью четырёхмерных векторов. Бояться их не надо, всё делается при помощи самых обычных действий линейной алгебры. Тем более мы движемся только вдоль одной оси, поэтому от четырёх координат остаётся только две: и .

Далее договоримся о простых обозначениях. Скорость света считаем равной единице. Мы, физики, всегда так делаем. :) Ещё обычно единицей считаем постоянную Планка и гравитационную постоянную. Сути это не меняет, зато чертовски облегчает писанину.

Итак повсеместно присутствующий «релятивистский корень» обозначим гамма-фактором для компактности записей, где - скорость земной ракеты:

Теперь запишем в компонентах вектор :

Верхняя компонента - время, нижняя - пространственная координата. Корабли стартуют одновременно в неподвижной системе, поэтому верхняя составляющая вектора равна нулю.

Теперь найдём координаты точки в подвижной системе координат , т.е. . Для этого используем преобразование к движущейся системе отсчёта. Оно называется бустом и делается очень просто. Любой вектор надо умножить на матрицу буста

Умножаем:

Как мы видим, временная компонента этого вектора отрицательна. Это и значит, что точка с точки зрения движущеёся ракеты находится под осью , т.е. в прошлом (что и видно на рисунке выше).

Найдём вектор в неподвижной системе. Временная компонента - некоторый неизвестный пока промежуток времени , пространственная - расстояние, на которое приближается тарелка за время , двигаясь со скоростью :

Теперь тот же самый вектор в системе

Найдём обычную векторную сумму

Почему эту сумму я приравняла справа к таком вектору? По определению точка находится на оси , поэтому временная компонента должна быть равна нулю, а пространственная компонента - это и будет то самое искомое расстояние от ракеты до тарелки. Отсюда получаем систему двух простых уравнений - приравниваем временные компоненты отдельно, пространственные отдельно.

Из первого уравнения определяем неизвестный параметр , подставляем его во второе уравнение и получаем . Позвольте опустить простые вычисления и сразу записать

Подставив , , получаем

Cкорость распространения света равна 299 792 458 метров в секунду, но предельной величиной она давно уже не является. «Футурист» собрал 4 теории, где свет уже не Михаэль Шумахер.

Американский ученый японского происхождения, специалист в области теоретической физики Митио Каку уверен, что скорость света вполне может быть преодолена.

Большой взрыв

Самым известным примером, когда был преодолен световой барьер, Митио Каку называет Большой взрыв - сверхбыстрый «хлопок», ставший началом расширения Вселенной, до которого она находилась в сингулярном состоянии.

«Ни один материальный объект не может преодолеть световой барьер. Но пустое пространство, безусловно, может двигаться быстрее света. Ничто не может быть более пустым, чем вакуум, значит он может расширяться быстрее скорости света», -– уверен ученый.

Фонарик в ночном небе

Если светить фонарем в ночном небе, то в принципе луч, который идет из одной части Вселенной в другую, находящуюся на расстоянии многих световых лет, может двигаться быстрее скорости света. Проблема в том, что в этом случае не будет материального объекта, который действительно движется быстрее света. Представьте, что вы окружены гигантской сферой диаметром один световой год. Изображение луча света промчится по этой сфере за считанные секунды, несмотря на ее размеры. Но только изображение луча может двигаться по ночному небу быстрее света, а не информация или материальный объект.

Квантовая запутанность

Быстрее скорости света может быть не какой-то объект, а целое явление, а точнее взаимосвязь, которая называется квантовой запутанностью. Это квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или нескольких объектов взаимозависимы. Чтобы получить пару квантовозапутанных фотонов, можно посветить на нелинейный кристалл лазером с определенными частотой и интенсивностью. В результате рассеивания лазерного луча, возникнут фотоны в двух разных конусах поляризации, связь между которыми и будет называться квантовой запутанностью. Итак, квантовая запутанность - это один способов взаимодействия субатомных частиц, и процесс этой связи может происходить быстрее света.

«Если два электрона свести вместе, они будут вибрировать в унисон, в соответствии с квантовой теорией. Но если затем разделить эти электроны множеством световых лет, они все равно будут поддерживать связь друг с другом. Если покачнуть один электрон, другой почувствует эту вибрацию, причем произойдет это быстрее скорости света. Альберт Эйнштейн думал, что это явление опровергнет квантовую теорию, потому что ничто не может двигаться быстрее света, но на самом деле он ошибался», -– говорит Митио Каку.

Кротовые норы

Тема преодоления скорости света обыгрывается во многих научно-фантастических фильмах. Сейчас даже у тех, кто далек от астрофизики, на слуху словосочетание «кротовая нора», благодаря фильму «Интерстеллар». Это особое искривление в системе пространство-время, туннель в пространстве, позволяющий преодолевать огромные расстояния за ничтожно малое время.

О таких искривлениях говорят не только сценаристы фильмов, но и ученые. Митио Каку считает, что кротовая нора (wormhole), или, как ее еще называют, червоточина - один из двух наиболее реальных способов передавать информацию быстрее, чем со скоростью света.

Второй способ, связанный также с изменениями материи - сжатие пространства впереди вас и расширение позади. В этом деформированном пространстве возникает волна, которая движется быстрее скорости света, если управляется темной материей.

Таким образом, единственный реальный шанс для человека научиться преодолевать световой барьер может скрываться в общей теории относительности и искривлении пространства и времени. Однако все упирается в ту самую темную материю: никто так и не знает, существует ли она точно, и стабильны ли кротовые норы.

В (локально) инерциальной системе отсчёта с началом рассмотрим материальную точку, которая в момент времени находится в . Скорость этой точки мы называем сверхсветовой в момент , если выполняется неравенство:

Src="/pictures/wiki/files/50/21ea15551d469cba11529bd16574e427.png" border="0">

где , - это скорость света в вакууме, а время и расстояние от точки до измеряются в упомянутой системе отсчёта.

где - радиус-вектор в невращающейся системе координат, - вектор угловой скорости вращения системы координат. Как видно из уравнения, в неинерциальной системе отсчёта, связанной с вращающимся телом, удалённые объекты могут двигаться со сверхсветовой скоростью , в том смысле, что src="/pictures/wiki/files/54/6fa9a2d9089db2f154c5c90051ce210b.png" border="0">. Это не вступает в противоречие со сказанным во введении, так как . Например, для системы координат связанной с головой человека, находящегося на Земле, координатная скорость движения Луны при обычном повороте головы будет больше скорости света в вакууме. В этой системе при повороте за маленькое время Луна опишет дугу с радиусом приблизительно равным расстоянию между началом системы координат (головой) и Луной.

Фазовая скорость

Фазовая скорость вдоль направления, отклонённого от волнового вектора на угол α. Рассматривается монохроматическая плоская волна.

Труба Красникова

Квантовая механика

Принцип неопределённости в квантовой теории

В квантовой физике состояния частиц описываются векторами гильбертового пространства, которые определяют лишь вероятность получения при измерениях определённых значений физических величин (в соответствии с квантовым принципом неопределённости). Наиболее известно представление этих векторов волновыми функциями , квадрат модуля которых определяет плотность вероятности обнаружения частицы в данном месте. При этом оказывается, что эта плотность может двигаться быстрее скорости света (например, при решении задачи о прохождении частицы через энергетический барьер). При этом эффект превышения скорости света наблюдается только на небольших расстояниях. Ричард Фейнман в своих лекциях выражался об этом так :

… для электромагнитного излучения существует также [ненулевая] амплитуда вероятности двигаться быстрее (или медленнее), чем обычная скорость света. Вы убедились на предыдущей лекции, что свет не всегда двигается только по прямым линиям; сейчас вы увидите, что он не всегда движется со скоростью света! Это может казаться удивительным, что существует [ненулевая] амплитуда для того, чтобы фотон двигался быстрее или медленнее, чем обычная скорость света c

Оригинальный текст (англ.)

… there is also an amplitude for light to go faster (or slower) than the conventional speed of light. You found out in the last lecture that light doesn’t go only in straight lines; now, you find out that it doesn’t go only at the speed of light! It may surprise you that there is an amplitude for a photon to go at speeds faster or slower than the conventional speed, c

Ричард Фейнман, нобелевский лауреат по физике 1965 года.

При этом в силу принципа неразличимости нельзя сказать, ту же ли самую частицу мы наблюдаем, или её новорождённую копию. В своей нобелевской лекции в 2004 году Франк Вилчек привёл следующее рассуждение: :

Представьте себе частицу, двигающуюся в среднем со скоростью, очень близкой к скорости света, но с такой неопределённостью в положении, как этого требует квантовая теория. Очевидно, будет определённая вероятность наблюдать эту частицу двигающейся несколько быстрее, чем в среднем, и, следовательно, быстрее света, что противоречит специальной теории относительности. Единственный известный способ разрешить это противоречие требует привлечения идеи античастиц. Очень грубо говоря, требуемая неопределённость в положении достигается допущением, что акт измерения может затрагивать образование античастиц, каждая из которых неотличима от оригинала, с различными расположениями. Для сохранения баланса сохраняющихся квантовых чисел, дополнительные частицы должны сопровождаться тем же числом античастиц. (Дирак пришёл к предсказанию античастиц через последовательность изобретательных интерпретаций и реинтерпретаций элегантного релятивистского волнового уравнения, которое он вывел, а не через эвристическое рассмотрение, подобное тому, которое я привёл. Неизбежность и всеобщность этих выводов, а также их прямое отношение к базовым принципам квантовой механики и специальной теории относительности стали очевидны только в ретроспективе).

Оригинальный текст (англ.)

Imagine a particle moving on average at very nearly the speed of light, but with an uncertainty in position, as required by quantum theory. Evidently it there will be some probability for observing this particle to move a little faster than average, and therefore faster than light, which special relativity won’t permit. The only known way to resolve this tension involves introducing the idea of antiparticles. Very roughly speaking, the required uncertainty in position is accommodated by allowing for the possibility that the act of measurement can involve the creation of several particles, each indistinguishable from the original, with different positions. To maintain the balance of conserved quantum numbers, the extra particles must be accompanied by an equal number of antiparticles. (Dirac was led to predict the existence of antiparticles through a sequence of ingenious interpretations and re-interpretations of the elegant relativistic wave equation he invented, rather than by heuristic reasoning of the sort I’ve presented. The inevitability and generality of his conclusions, and their direct relationship to basic principles of quantum mechanics and special relativity, are only clear in retrospect).

Франк Вилчек

Эффект Шарнхорста

Скорость волн зависит от свойств среды, в которой они распространяются. Специальная теория относительности утверждает, что разогнать массивное тело до скорости, превышающей скорость света в вакууме, невозможно. В то же время теория не постулирует какое-то конкретное значение для скорости света. Она измеряется экспериментальным путём и может различаться в зависимости от свойств вакуума . Для вакуума, энергия которого меньше энергии обычного физического вакуума , скорость света теоретически должна быть выше , а максимально допустимая скорость передачи сигналов определяется максимально возможной плотностью отрицательной энергии . Одним из примеров такого вакуума является вакуум Казимира , возникающий в тонких щелях и капиллярах размером (диаметром) до десятка нанометров (примерно в сто раз больше размеров типичного атома). Этот эффект можно также объяснить уменьшением количества виртуальных частиц в вакууме Казимира, которые подобно частицам сплошной среды замедляют распространение света. Вычисления, сделанные Шарнхорстом , говорят о превышении скорости света в вакууме Казимира по сравнению с обычным вакуумом на 1/10 24 для щели шириной 1 нм. Было также показано, что превышение скорости света в вакууме Казимира не ведёт к нарушению принципа причинности . Превышение скорости света в вакууме Казимира по сравнению со скоростью света в обычном вакууме экспериментально пока не подтверждено из-за чрезвычайной сложности измерения данного эффекта .

Теории с переменностью скорости света в вакууме

В современной физике существуют гипотезы, согласно которым скорость света в вакууме не является константой, и её значение может изменяться с течением времени (Variable Speed of Light (VSL)) . В наиболее распространенной версии этой гипотезы предполагается, что в начальные этапы жизни нашей вселенной значение константы (скорость света) было значительно больше, чем сейчас. Соответственно, раньше вещество могло двигаться со скоростью, значительно превосходящей современную скорость света.

Верхний предел скорости известен даже школьникам: связав массу и энергию знаменитой формулой E = mc 2 , еще в начале ХХ века указал на принципиальную невозможность ничему, обладающему массой, перемещаться в пространстве быстрее, чем скорость света в вакууме. Однако уже в этой формулировке содержатся лазейки, обойти которые вполне по силам некоторым физическим явлениям и частицам. По крайней мере, явлениям, существующим в теории.

Первая лазейка касается слова «масса»: на безмассовые частицы эйнштейновские ограничения не распространяются. Не касаются они и некоторых достаточно плотных сред, в которых скорость света может быть существенно меньше, чем в вакууме. Наконец, при приложении достаточной энергии само пространство может локально деформироваться, позволяя перемещаться так, что для наблюдателя со стороны, вне этой деформации, движение будет происходить словно быстрее скорости света.

Некоторые такие «сверхскоростные» явления и частицы физики регулярно фиксируют и воспроизводят в лабораториях, даже применяют на практике, в высокотехнологичных инструментах и приборах. Другие, предсказанные теоретически, ученые еще пытаются обнаружить в реальности, а на третьи у них большие планы: возможно, когда-нибудь эти явления позволят и нам перемещаться по Вселенной свободно, не ограничиваясь даже скоростью света.

Квантовая телепортация

Статус: активно развивается

Живого существа – хороший пример технологии, теоретически допустимой, но практически, видимо, неосуществимой никогда. Но если речь идет о телепортации, то есть мгновенном перемещении из одного места в другое небольших предметов, а тем более частиц, она вполне возможна. Чтобы упростить задачу, начнем с простого – частиц.

Кажется, нам понадобятся аппараты, которые (1) полностью пронаблюдают состояние частицы, (2) передадут это состояние быстрее скорости света, (3) восстановят оригинал.

Однако в такой схеме даже первый шаг полностью реализовать невозможно. Принцип неопределенности Гейзенберга накладывает непреодолимые ограничения на точность, с которой могут быть измерены «парные» параметры частицы. Например, чем лучше мы знаем ее импульс, тем хуже – координату, и наоборот. Однако важной особенностью квантовой телепортации является то, что, собственно, измерять частицы и не надо, как не надо ничего и восстанавливать – достаточно получить пару спутанных частиц.

Например, для приготовления таких спутанных фотонов нам понадобится осветить нелинейный кристалл лазерным излучением определенной волны. Тогда некоторые из входящих фотонов распадутся на два спутанных – необъяснимым образом связанных, так что любое изменение состояния одного моментально сказывается на состоянии другого. Эта связь действительно необъяснима: механизмы квантовой спутанности остаются неизвестны, хотя само явление демонстрировалось и демонстрируется постоянно. Но это такое явление, запутаться в котором в самом деле легко – достаточно добавить, что до измерения ни одна из этих частиц не имеет нужной характеристики, при этом какой бы результат мы ни получили, измерив первую, состояние второй странным образом будет коррелировать с нашим результатом.

Механизм квантовой телепортации, предложенный в 1993 году Чарльзом Беннеттом и Жилем Брассардом, требует добавить к паре запутанных частиц всего одного дополнительного участника – собственно, того, кого мы собираемся телепортировать. Отправителей и получателей принято называть Алисой и Бобом, и мы последуем этой традиции, вручив каждому из них по одному из спутанных фотонов. Как только они разойдутся на приличное расстояние и Алиса решит начать телепортацию, она берет нужный фотон и измеряет его состояние совместно с состоянием первого из спутанных фотонов. Неопределенная волновая функция этого фотона коллапсирует и моментально отзывается во втором спутанном фотоне Боба.

К сожалению, Боб не знает, как именно его фотон реагирует на поведение фотона Алисы: чтобы понять это, ему надо дождаться, пока она пришлет результаты своих измерений обычной почтой, не быстрее скорости света. Поэтому никакую информацию передать по такому каналу не получится, но факт останется фактом. Мы телепортировали состояние одного фотона. Чтобы перейти к человеку, остается масштабировать технологию, охватив каждую частицу из всего лишь 7000 триллионов триллионов атомов нашего тела, – думается, от этого прорыва нас отделяет не более, чем вечность.

Однако квантовая телепортация и спутанность остаются одними из самых «горячих» тем современной физики. Прежде всего потому, что использование таких каналов связи обещает невзламываемую защиту передаваемых данных: чтобы получить доступ к ним, злоумышленникам понадобится завладеть не только письмом от Алисы к Бобу, но и доступом к спутанной частице Боба, и даже если им удастся до нее добраться и проделать измерения, это навсегда изменит состояние фотона и будет сразу же раскрыто.

Эффект Вавилова – Черенкова

Статус: давно используется

Этот аспект путешествий быстрее скорости света – приятный повод вспомнить заслуги российских ученых. Явление было открыто в 1934 году Павлом Черенковым, работавшим под руководством Сергея Вавилова, три года спустя оно получило теоретическое обоснование в работах Игоря Тамма и Ильи Франка, а в 1958 г. все участники этих работ, кроме уже скончавшегося Вавилова, были награждены Нобелевской премией по физике.

В самом деле, говорит лишь о скорости света в вакууме. В других прозрачных средах свет замедляется, причем довольно заметно, в результате чего на их границе с воздухом можно наблюдать преломление. Коэффициент преломления стекла равен 1,49 – значит, фазовая скорость света в нем в 1,49 раза меньше, а, например, у алмаза коэффициент преломления уже 2,42, и скорость света в нем снижается более чем в два раза. Другим частицам ничто не мешает лететь и быстрее световых фотонов.

Именно это произошло с электронами, которые в экспериментах Черенкова были выбиты высокоэнергетическим гамма-излучением со своих мест в молекулах люминесцентной жидкости. Этот механизм часто сравнивают с образованием ударной звуковой волны при полете в атмосфере на сверхзвуковой скорости. Но можно представить и как бег в толпе: двигаясь быстрее света, электроны проносятся мимо других частиц, словно задевая их плечом – и на каждый сантиметр своего пути заставляя сердито излучать от нескольких до нескольких сотен фотонов.

Вскоре такое же поведение было обнаружено и у всех других достаточно чистых и прозрачных жидкостей, а впоследствии излучение Черенкова зарегистрировали даже глубоко в океанах. Конечно, фотоны света с поверхности сюда действительно не долетают. Зато сверхбыстрые частицы, которые вылетают от небольших количеств распадающихся радиоактивных частиц, время от времени создают свечение, возможно, худо-бедно позволяющее видеть местным жителям.

Излучение Черенкова – Вавилова нашло применение в науке, ядерной энергетике и смежных областях. Ярко светятся реакторы АЭС, битком набитые быстрыми частицами. Точно измеряя характеристики этого излучения и зная фазовую скорость в нашей рабочей среде, мы можем понять, что за частицы его вызвали. Черенковскими детекторами пользуются и астрономы, обнаруживая легкие и энергичные космические частицы: тяжелые невероятно трудно разогнать до нужной скорости, и излучения они не создают.

Пузыри и норы

Вот муравей ползет по листу бумаги. Скорость его невелика, и на то, чтобы добраться от левого края плоскости до правого, у бедняги уходит секунд 10. Но стоит нам сжалиться над ним и согнуть бумагу, соединив ее края, как он моментально «телепортируется» в нужную точку. Нечто подобное можно проделать и с нашим родным пространством-временем, с той лишь разницей, что изгиб требует участия других, невоспринимаемых нами измерений, образуя туннели пространства-времени, – знаменитые червоточины, или кротовые норы.

Кстати, согласно новым теориям, такие кротовые норы – это некий пространственно-временной эквивалент уже знакомого нам квантового феномена запутанности. Вообще, их существование не противоречит никаким важным представлениям современной физики, включая . Но вот для поддержания такого туннеля в ткани Вселенной потребуется нечто, мало похожее на настоящую науку, – гипотетическая «экзотическая материя», которая обладает отрицательной плотностью энергии. Иначе говоря, это должна быть такая материя, которая вызывает гравитационное... отталкивание. Трудно представить, что когда-нибудь эта экзотика будет найдена, а тем более приручена.

Своеобразной альтернативой кротовым норам может служить еще более экзотическая деформация пространства-времени – движение внутри пузыря искривленной структуры этого континуума. Идею высказал в 1993 году физик Мигеле Алькубьерре, хотя в произведениях фантастов она звучала намного раньше. Это как космический корабль, который движется, сжимая и сминая пространство-время перед своим носом и снова разглаживая его позади. Сам корабль и его экипаж при этом остаются в локальной области, где пространство-время сохраняет обычную геометрию, и никаких неудобств не испытывают. Это прекрасно видно по популярному в среде мечтателей сериалу «Звездный путь», где такой «варп-двигатель» позволяет путешествовать, не скромничая, по всей Вселенной.

Статус: от фантастического до теоретического

Фотоны – частицы безмассовые, как и и некоторые другие: их масса в покое равна нулю, и чтобы не исчезнуть окончательно, они вынуждены всегда двигаться, и всегда – со скоростью света. Однако некоторые теории предполагают существование и куда более экзотических частиц – тахионов. Масса их, фигурирующая в нашей любимой формуле E = mc 2 , задается не простым, а мнимым числом, включающим особый математический компонент, квадрат которого дает отрицательное число. Это очень полезное свойство, и сценаристы любимого нами сериала «Звездный путь» объясняли работу своего фантастического двигателя именно «обузданием энергии тахионов».

В самом деле, мнимая масса делает невероятное: тахионы должны терять энергию, ускоряясь, поэтому для них все в жизни обстоит совсем не так, как мы привыкли думать. Сталкиваясь с атомами, они теряют энергию и ускоряются, так что следующее столкновение будет еще более сильным, которое отнимет еще больше энергии и снова ускорит тахионы вплоть до бесконечности. Понятно, что такое самоувлечение просто нарушает базовые причинно-следственные зависимости. Возможно, поэтому изучают тахионы пока лишь теоретики: ни единого примера распада причинно-следственных связей в природе пока никто не видел, а если вы увидите, ищите тахион, и Нобелевская премия вам обеспечена.

Однако теоретики все же показали, что тахионы, может, и не существуют, но в далеком прошлом вполне могли существовать, и, по некоторым представлениям, именно их бесконечные возможности сыграли важную роль в Большом взрыве. Присутствием тахионов объясняют крайне нестабильное состояние ложного вакуума, в котором могла находиться Вселенная до своего рождения. В такой картине мира движущиеся быстрее света тахионы – настоящая основа нашего существования, а появление Вселенной описывается как переход тахионного поля ложного вакуума в инфляционное поле истинного. Стоит добавить, что все это вполне уважаемые теории, несмотря на то, что главные нарушители законов Эйнштейна и даже причинно-следственной связи оказываются в ней родоначальниками всех причин и следствий.

Скорость тьмы

Статус: философический

Если рассуждать философски, тьма – это просто отсутствие света, и скорости у них должны быть одинаковые. Но стоит подумать тщательнее: тьма способна принимать форму, перемещающуюся куда быстрее. Имя этой формы – тень. Представьте, что вы показываете пальцами силуэт собаки на противоположной стене. Луч от фонаря расходится, и тень от вашей руки становится намного больше самой руки. Достаточно малейшего движения пальца, чтобы тень от него на стене сместилась на заметное расстояние. А если мы будем отбрасывать тень на Луну? Или на воображаемый экран еще дальше?..

Едва заметное мановение – и она перебежит с любой скоростью, которая задается лишь геометрией, так что никакой Эйнштейн ей не указ. Впрочем, с тенями лучше не заигрываться, ведь они легко обманывают нас. Стоит вернуться в начало и вспомнить, что тьма – это просто отсутствие света, поэтому никакой физический объект при таком движении не передается. Нет ни частиц, ни информации, ни деформаций пространства-времени, есть только наша иллюзия того, что это отдельное явление. В реальном же мире никакая тьма не сможет сравниться в скорости со светом.

Со школьной скамьи нас учили - превысить скорость света невозможно, и поэтому перемещение человека в космическом пространстве является большой неразрешимой проблемой (как долететь до ближайшей солнечной системы, если свет сможет преодолеть это расстояние только за несколько тысяч лет?). Возможно, американские ученые нашли способ летать на сверхскоростях, не только не обманув, но и следуя фундаментальным законам Альберта Эйнштейна. Во всяком случае так утверждает автор проекта двигателя деформации пространства Гарольд Уайт.

Мы в редакции сочли новость совершенно фантастической, поэтому сегодня, в преддверии Дня космонавтики, публикуем репортаж Константина Какаеса для журнала Popular Science о феноменальном проекте NASA, в случае успеха которого человек сможет отправиться за пределы Солнечной системы.

В сентябре 2012 года несколько сотен ученых, инженеров и космических энтузиастов собрались вместе для второй публичной встречи группы под названием 100 Year Starship. Группой руководит бывший астронавт Май Джемисон, и основана она DARPA. Цель конференции - «сделать возможным путешествие человека за пределы Солнечной системы к другим звездам в течение ближайших ста лет». Большинство участников конференции признают, что подвижки в пилотируемом изучении космического пространства слишком незначительны. Несмотря на миллиарды долларов, затраченных в последние несколько кварталов, космические агентства могут почти столько же, сколько могли в 1960-х. Собственно, 100 Year Starship созвана, чтобы все это исправить.

Но ближе к делу. Спустя несколько дней конференции ее участники дошли до самых фантастических тем: регенерация органов, проблема организованной религии на борту корабля и так далее. Одна из наиболее любопытных презентаций на собрании 100 Year Starship называлась «Механика деформационного поля 102», и провел ее Гарольд «Сонни» Уайт из NASA. Ветеран агентства, Уайт руководит продвинутой импульсной программой в космическом центре Джонсона (JSC). Вместе с пятью коллегами он создал «Дорожную карту космических двигательных систем», которая озвучивает цели NASA в ближайших космических путешествиях. На плане перечисляются все виды двигательных проектов: от усовершенствованных химических ракет до далеко идущих разработок, вроде антиматерии или ядерных машин. Но область исследований Уайта самая футуристичная из всех: она касается двигателя деформации пространства.

так обычно изображают пузырь Алькубьерре

Согласно плану, такой двигатель обеспечит перемещения в пространстве со скоростью, превышающей скорость света. Общепризнанно, что это невозможно, поскольку является явным нарушением теории относительности Эйнштейна. Но Уайт утверждает обратное. В качестве подтверждения своих слов он апеллирует к так называемым пузырям Алькубьерре (уравнения, выходящие из теории Эйнштейна, согласно которым тело в космическом пространстве способно достигать сверхсветовых скоростей, в отличие от тела в нормальных условиях). В презентации он рассказал, как недавно сумел добиться теоретических результатов, которые напрямую ведут к созданию реального двигателя деформации пространства.

Понятно, что звучит это все совершенно фантастически: подобные разработки - это настоящая революция, которая развяжет руки всем астрофизикам мира. Вместо того, чтобы тратить 75 тысяч лет на путешествие к Альфа-Центавре, ближайшей к нашей звездной системе, астронавты на корабле с таким двигателем смогут совершить это путешествие за пару недель.

В свете закрытия программы запуска шаттлов и все возрастающей роли частных полетов к околоземной орбите NASA заявляет, что переориентируется на далекоидущие, намного более смелые планы, выходящие далеко за рамки путешествий на Луну. Достичь этих целей можно только с помощью развития новых двигательных систем - чем быстрее, тем лучше. Несколько дней спустя после конференции глава NASA Чарльз Болден, повторил слова Уайта: «Мы хотим перемещаться быстрее скорости света и без остановок на Марсе».

ОТКУДА МЫ ЗНАЕМ ПРО ЭТОТ ДВИГАТЕЛЬ

Первое популярное использование выражения «двигатель деформации пространства» датируется 1966 годом, когда Джен Родденберри выпустил «Звездный путь». Следующие 30 лет этот двигатель существовал только как часть этого фантастического сериала. Физик по имени Мигель Алькубьерре посмотрел один из эпизодов этого сериала как раз в тот момент, когда трудился над докторской в области общей теории относительности и задавался вопросом, возможно ли создание двигателя деформации пространства в реальности. В 1994 году он опубликовал документ, излагающий эту позицию.

Алькубьерре представил в космосе пузырь. В передней части пузыря время-пространство сокращается, а в задней - расширяется (как было при Большом взрыве, по мнению физиков). Деформация заставит корабль гладко скользить в космическом пространстве, как если бы он серфил на волне, несмотря на окружающий шум. В принципе деформированный пузырь может двигаться сколько угодно быстро; ограничения в скорости света, по теории Эйнштейна, распространяются только в контексте пространства-времени, но не в таких искажениях пространства-времени. Внутри пузыря, как предполагал Алькубьерре, пространство-время не изменится, а космическим путешественникам не будет нанесено никакого вреда.

Уравнения Эйнштейна в общей теории относительности сложно решить в одном направлении, выясняя, как материя искривляет пространство, но это осуществимо. Используя их, Алькубьерре определил, что распределение материи есть необходимое условие для создания деформированного пузыря. Проблема только в том, что решения приводили к неопределенной форме материи под названием отрицательная энергия.

Говоря простым языком, гравитация - это сила притяжения между двумя объектами. Каждый объект вне зависимости от его размеров оказывает некоторую силу притяжения на окружающую материю. По мнению Эйнштейна, эта сила является искривлением пространства-времени. Отрицательная энергия, однако, гравитационно отрицательна, то есть отталкивающа. Вместо того чтобы соединять время и пространство, отрицательная энергия отталкивает и разобщает их. Грубо говоря, чтобы такая модель работала, Алькубьерре необходима отрицательная энергия, чтобы расширять пространство-время позади корабля.

Несмотря на то, что никто и никогда особенно не измерял отрицательную энергию, согласно квантовой механике, она существует, а ученые научились создавать ее в лабораторных условиях. Один из способов ее воссоздания - через Казимиров эффект: две параллельно проводящие пластины, расположенные близко друг к другу, создают некоторое количество отрицательной энергии. Слабое место модели Алькубьерре в том, что для ее осуществления требуется огромное количество отрицательной энергии, на несколько порядков выше, чем, по оценкам ученых, ее можно произвести.

Уайт говорит, что он нашел, как пойти в обход этого ограничения. В компьютерном симуляторе Уайт изменил геометрию деформационного поля так, что в теории он мог бы производить деформированный пузырь, используя в миллионы раз меньше отрицательной энергии, чем требовалось по оценкам Алькубьерра, и, возможно, достаточно мало, чтобы космический корабль мог нести средства его производства. «Открытия, - говорит Уайт, - меняют метод Алькубьерре с непрактичного на вполне правдоподобный».

РЕПОРТАЖ ИЗ ЛАБОРАТОРИИ УАЙТА

Космический центр Джонсона расположился рядом с лагунами Хьюстона, откуда открывается путь к заливу Гальвестон. Центр немного напоминает пригородный кампус колледжа, только направленный на подготовку астронавтов. В день моего посещения Уайт встречает меня в здании 15, многоэтажном лабиринте коридоров, офисов и лабораторий, в которых проводятся испытания двигателя. На Уайте рубашка поло с эмблемой Eagleworks (так он называет свои эксперименты по созданию двигателя), на которой вышит орел, парящий над футуристическим космическим кораблем.

Уайт начинал свою карьеру с работы инженером - проводил исследования в составе роботической группы. Со временем он взял на себя командование всем крылом, занимающимся роботами на МКС, одновременно заканчивая писать докторскую в области физики плазмы. Только в 2009-м он сменил свои интересы на изучение движения, и эта тема захватила его настолько, что стала основной причиной, по которой он отправился работать на NASA.

«Он довольно необычный человек, - говорит его босс Джон Эпплуайт, возглавляющий отделение двигательных систем. - Он совершенно точно большой фантазер, но одновременно и талантливый инженер. Он умеет превращать свои фантазии в реальный инженерный продукт». Примерно в то же время, когда он присоединился к NASA, Уайт попросил разрешения открыть собственную лабораторию, посвященную продвинутым двигательным системам. Он сам и придумал название Eagleworks и даже попросил NASA создать логотип для его специализации. Тогда и началась эта работа.

Уайт ведет меня к своему офису, который делит с коллегой, занимающимся поисками воды на Луне, а после ведет вниз к Eagleworks. На ходу он рассказывает мне про свою просьбу открыть лабораторию и называет это «долгим трудным процессом поиска продвинутого движения, чтобы помочь человеку исследовать космос».

Уайт демонстрирует мне объект и показывает его центральную функцию - нечто, что он называет «квантовый вакуумный плазменный двигатель» (QVPT). Это приспособление внешне похоже на огромный красный бархатный пончик с проводами, плотно оплетающими сердцевину. Это одна из двух инициатив Eagleworks (вторая - деформационный двигатель). Еще это секретная разработка. Когда я спрашиваю, что это, Уайт отвечает, что может сказать только, что эта технология даже круче, чем деформационный двигатель). Согласно отчету NASA за 2011 год, написанному Уайтом, аппарат использует квантовые флуктации в пустом пространстве в качестве источника топлива, а значит, космический корабль, приводимый в движение QVPT, не требует топлива.

Двигатель использует квантовые флуктации в пустом пространстве в качестве источника топлива,
а значит, космический корабль,
приводимый в движение QVPT, не требует топлива.

Когда девайс работает, система Уайта выглядит кинематографически идеально: цвет лазера красный, и два луча скрещены, как сабли. Внутри кольца находятся четыре керамических конденсатора, сделанных из титаната бария, который Уайт заряжает до 23 тысяч вольт. Уайт провел последние два с половиной года, разрабатывая эксперимент, и он говорит, что конденсаторы демонстрируют огромную потенциальную энергию. Однако, когда я спрашиваю, как создать отрицательную энергию, необходимую для деформированного пространства-времени, он уклоняется от ответа. Он объясняет, что подписал соглашение о неразглашении, и потому не может раскрывать подробности. Я спрашиваю, с кем он заключал эти соглашения. Он говорит: «С людьми. Они приходят и хотят поговорить. Больше подробностей я вам сообщить не могу».

ПРОТИВНИКИ ИДЕИ ДВИГАТЕЛЯ

Пока что теория деформированного путешествия довольно интуитивна - деформация времени и пространства, чтобы создать движущийся пузырь, - и в ней есть несколько значительных недостатков. Даже если Уайт значительно уменьшит количество отрицательной энергии, запрашиваемой Алькубьерре, ее все равно потребуется больше, чем способны произвести ученые, заявляет Лоуренс Форд, физик-теоретик в университете Тафтс, за последние 30 лет написавший множество статей на тему отрицательной энергии. Форд и другие физики заявляют, что есть фундаментальные физические ограничения, причем дело не столько в инженерных несовершенствах, сколько в том, что такое количество отрицательной энергии не может существовать в одном месте длительное время.

Другая сложность: для создания деформационного шара, который двигается быстрее света, ученым потребуется произвести отрицательную энергию вокруг космического корабля и в том числе над ним. Уайт не считает, что это проблема; он весьма туманно отвечает, что двигатель, скорее всего, будет работать благодаря некоему имеющемуся «аппарату, который создает необходимые условия». Однако создание этих условий перед кораблем будет означать обеспечение постоянной поставки отрицательной энергии, перемещаемой быстрей скорости света, что снова противоречит общей теории относительности.

Наконец, двигатель деформации пространства ставит концептуальный вопрос. В общей теории относительности путешествие на сверхсветовой скорости эквивалентно путешествию во времени. Если такой двигатель реален, Уайт создает машину времени.

Эти препятствия рождают некоторые серьезные сомнения. «Не думаю, что известная нам физика и ее законы позволяют допустить, что он чего-то добьется своими экспериментами», - говорит Кен Олум, физик из университета Тафтс, который также участвовал в дебатах насчет экзотического движения на собрании «100-летия звездного корабля». Ноа Грэхам, физик из колледжа Миддлбёри, читавший две работы Уайта по моей просьбе, написал мне e-mail: «Не вижу ценных научных доказательств, помимо отсылок к его предыдущим работам».

Алькубьерре, ныне физик в Национальном автономном университете Мексики, и сам высказывает сомнение. «Даже если я стою на космическом корабле и у меня есть в наличии отрицательная энергия, мне ни за что не поместить ее туда, куда требуется, - говорит он мне по телефону из своего дома в Мехико. - Нет, идея-то волшебная, мне нравится, я же ее сам и написал. Но в ней есть пара серьезных недостатков, которые я уже сейчас, с годами, вижу, и я не знаю ни единого способа их исправить».

БУДУЩЕЕ СВЕРХСКОРОСТЕЙ

Слева от главных ворот Джонсонского научного центра лежит на боку ракета «Сатурн-В», ее ступени разъединены для демонстрации внутреннего содержимого. Он гигантский - размер одного из множества двигателей равен размеру маленького автомобиля, а сама ракета на пару футов длиннее, чем футбольное поле. Это, конечно, вполне красноречивое свидетельство особенностей космического плавания. Кроме того, ей 40 лет, и время, которое она представляет - когда NASA было частью огромного национального плана по отправлению человека не Луну, - давно прошло. Сегодня JSC - это просто место, которое когда-то было великим, но с тех пор покинуло космический авангард.

Прорыв в движении может означать новую эру для JSC и NASA, и в какой-то степени часть этой эры начинается уже сейчас. Зонд Dawn («Рассвет»), запущенный в 2007-м, изучает кольцо астероидов при помощи ионных двигателей. В 2010-м японцы ввели в эксплуатацию «Икар», первый межпланетный звездный корабль, приводимый в движение солнечным парусом, еще один вид экспериментального движения. И в 2016-м ученые планируют испытать VASMIR, систему, работающую на плазме, сделанную специально для высокой двигательной тяги в ISS. Но когда эти системы, возможно, доставят астронавтов на Марс, они все еще не будут способны забросить их за пределы Солнечной системы. Чтобы добиться этого, по словам Уайта, NASA потребуется пойти на более рискованные проекты.

Деформационный двигатель - возможно, самое притянутое за уши из насовских усилий по созданию проектов движения. Научное сообщество заявляет, что Уайт не может создать его. Эксперты заявляют, что он работает против законов природы и физики. Несмотря на это, за проектом стоит NASA. «Его субсидируют не на том высоком государственном уровне, на котором должны были бы, - говорит Апплуайт. - Я думаю, что у дирекции есть какой-то особенный интерес в том, чтобы он продолжал свою работу; это одна из тех теоретических концепций, в случае успехов которых игра меняется полностью».

В январе Уайт собрал свой деформационный интерферометр и двинулся к следующей цели. Eagleworks перерос собственный дом. Новая лаборатория больше и, как он заявляет с энтузиазмом, «сейсмически изолирована», имея в виду, что он защищен от колебаний. Но, возможно, лучшее в новой лаборатории (и самое впечатляющее) - то, что NASA создало Уайту такие же условия, что были у Нила Армстронга и Базза Олдрина на Луне. Что ж, посмотрим.