Сверхсветовое движение

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от , проверенной 20 мая 2020; проверки требуют .

Несмотря на то, что согласно специальной теории относительности скорость света в вакууме является максимально достижимой скоростью распространения сигналов, а энергия частицы положительной массы стремится к бесконечности при приближении её скорости к скорости света, объекты, движение которых не связано с переносом информации (например, фаза колебаний в волне, тень или солнечный зайчик), могут иметь сколь угодно большую скорость[1][2][3][4].

Сверхсветово́е движе́ние — движение со скоростью, превышающей скорость света в вакууме.

Специальная теория относительности (СТО) накладывает жёсткие ограничения на возможность сверхсветового движения тел:

Существует множество ситуаций (как среди определенно реальных, так и среди гипотетических), которые не удовлетворяют условиям данного определения, и на которые, следовательно, не распространяются указанные ограничения.

По поводу движения объектов со сверхсветовой скоростью академик В. Л. Гинзбург писал:[6]

Тот факт, что в физике и астрономии возможны и фактически встречаются скорости, превосходящие скорость света в вакууме, конечно, давно и хорошо известен.

Разумеется, В. Л. Гинзбург ни в коем случае не вёл речь о каких-либо нарушениях постулатов или выводов теории относительности.

Попробуем передать какой-то сигнал из одной точки экрана, по которому бежит зайчик, в другую вместе с этим зайчиком. Это, очевидно, не удастся, так как, что бы мы ни делали с фотонами зайчика в первой точке, это никак не сможет повлиять (например, погасить или сделать ярче) на фотоны зайчика в другой точке, которую он пройдет (они, в отличие от самого́ зайчика, движутся ко второй точке не от первой, а от фонаря).

Несколько сложнее дело обстоит в случае с ножницами. Казалось бы, если мы в первой точке что-то вставим между лезвиями и заклиним их, точка пересечения лезвий перестанет двигаться, и наблюдатель во второй точке получит от нас сигнал, пришедший к нему быстрее света. Однако на самом деле мы не сможем, остановив лезвие в точке 1, остановить его сразу и в точке 2. Более того, волна деформации ножниц, которая может привести к каким-либо изменениям движения лезвия вблизи точки 2, распространяется по материалу ножниц со скоростью звука в этом материале, которая всегда меньше скорости света.

Довольно интересно, что «зайчик», движущийся быстрее света, возникает не только тогда, когда используется вращающийся источник света с узким лучом и экран на очень большом расстоянии. Любая, в частности плоская, световая волна с более или менее широким фронтом, падая на экран под углом, в принципе, создает подобный «зайчик» (степень его выраженности, впрочем, определяется тем, насколько резким является фронт волны), а отраженную волну можно интерпретировать как черенковское излучение от «зайчиков», соответствующих каждому гребню падающей волны.[6]

В этом смысле такие объекты, как световой «зайчик», вполне физичны[1]. Их отличие от обычных только в том, что они не переносят энергию или информацию с собой, то есть состояние «зайчика» в какой-то момент и в каком-то месте не является причиной его состояния или вообще появления затем в другом месте экрана.

В классической механике[12] время и пространство считаются абсолютными, а скорость материальной точки определяется как

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

Поскольку фазовая скорость является не более чем математической величиной, характеризующей фазу чисто монохроматической волны вдоль некоторого направления[16], движение фазы волны в общем случае не совпадает с движением какого-то (причинно-связанного) материального объекта и не может быть использована для передачи информации. В различных конкретных случаях аккуратный анализ устанавливает этот факт. Скорость же передачи сигнала, способного переносить информацию, как правило, определяется групповой скоростью.

Такое движение не является сверхсветовым движением (см. определение термина).
Излучение Вавилова — Черенкова в охлаждающей жидкости ядерного реактора

Скорость света в среде всегда ниже скорости света в вакууме. Поэтому физические объекты могут двигаться в среде со скоростью больше скорости света в этой среде, но меньше скорости света в вакууме. Так происходит, например, в охлаждающей жидкости ядерного реактора, когда через воду проходят электроны, выбитые гамма-квантами со своих орбит, со скоростью большей скорости света в воде. При этом всегда возникает излучение Вавилова — Черенкова[6].

В 1994 году Мигель Алькубьерре предложил использовать для сверхсветового движения особый вид искривления пространства-времени. В предложенной им метрике[18] пространство плоско везде, кроме стенок некоторого пузыря, который движется быстрее света во внешнем пространстве Минковского. При этом оказывается (за счёт необычной геометрии стенок пузыря), что мировая линия центра пузыря остаётся тем не менее времениподобной. Таким образом, состоящий из обычной материи пилот может, сидя в центре подобного пузыря, двигаться в некотором смысле (поскольку движется сам пузырь и пространство внутри него, а не объекты в нем) быстрее света[19].

Среди ряда теоретических трудностей, с которыми столкнулась эта идея, одна заключается в том, что стенки пузыря должны двигаться тоже быстрее света, но уже в обычном локальном смысле. Таким образом, пузырь Алькубьерре должен быть создан заранее — его движение не зависит от пилота.

Другая проблема состоит в необходимости создания для такого двигателя областей пространства с отрицательной плотностью энергии — соответственно заполненных «экзотической материей». На сегодняшний день экспериментально подтверждён только один пример такой субстанции — это вакуум Казимира, получение которого в макроскопических масштабах для создания двигателя Алькубьерре было рассмотрено Чарльзом Риджли[20].

В 1995 году Сергей Красников предложил гипотетический механизм для сверхсветового движения, связанный с искривлением пространства-времени в специально созданных тоннелях[21]. Получающаяся структура аналогична кротовым норам, но не требует изменения топологии пространства. В отличие от пузыря Алькубьерре, труба Красникова пригодна для первой экспедиции к удаленной цели, так как создается (с помощью гипотетической технологии) по мере движения обычного корабля с околосветовой скоростью. В дальнейшем путешественник имеет возможность вернуться через трубу к месту старта в момент времени сразу после своего отбытия[19][22].

В квантовой физике состояния частиц описываются векторами гильбертова 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), но эффект превышения скорости света наблюдается только на небольших расстояниях. В силу же принципа тождественности нельзя сказать, ту же ли самую частицу мы наблюдаем или её новорождённую копию. В своей нобелевской лекции в 2004 году Фрэнк Вильчек привёл следующее рассуждение[23]:

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 частиц, 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).

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).

Это явление носит вероятностный характер и не может быть использовано для передачи информации со сверхсветовой скоростью.

В теории возмущений квантовой теории поля аналогом описания распространения частиц классической физики является пропагатор соответствующего поля. Он описывает амплитуду вероятности распространения частицы, родившейся в одной точке, в другую, где она уничтожается. Здесь нужно различать две возможности:

… 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

… 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

Но виртуальные частицы не могут передавать информацию, а наблюдаемые частицы в конечном и начальном состоянии — обычные, к тому же не взаимодействующие друг с другом (см. S-матрица), потому их пропагаторы вне светового конуса исчезают. Поэтому в квантовой теории поля также не существует сверхсветовых скоростей, которые могли бы быть использованы для сверхсветовой связи.

Свойство нелокальности квантовой теории вызывает существование корреляций между состояниями запутанных подсистем исходной системы, на каких бы расстояниях друг от друга они ни находились. Поэтому появляется возможность мгновенного определения квантового состояния в одном месте на любом расстоянии путём измерения запутанного с ним состояния в другом месте и соответственно, его передача с бесконечной скоростью[источник не указан 2336 дней] — квантовая телепортация. Тем не менее, для безошибочного измерения квантового состояния необходима классическая информация о базисе измерения, которая должна быть передана по классическому каналу связи, естественно, со скоростью, не превышающей скорости света (подробнее см. в основной статье). Хотя подходящий базис для единичного измерения можно угадать, для сверхсветовой связи и безошибочной телепортации ряда квантовых состояний такой подход использовать невозможно. Таким образом, квантовая телепортация невозможна со скоростью большей, чем скорость света. Явление квантовой нелокальности не противоречит принципу причинности в СТО.

Гипотетические частицы тахионы[27], в случае их существования, могут двигаться быстрее света. Они не могут передавать информацию, иначе их наличие противоречило бы принципу причинности.

В толковании специальной теории относительности, если считать энергию и импульс вещественными числами, тахион описывается мнимой массой. Скорость тахиона не может быть меньше скорости света, поскольку при этом энергия бы бесконечно увеличивалась.

Преобразования Лоренца в евклидовом пространстве-времени с мнимой временной осью X0 = icT при V > c переводят частицу в соответствующую ей античастицу, движущуюся с досветовой скоростью с2/V [28]. При V > c фазовая скорость становится групповой, меньшей скорости света, эта гипотеза снимает проблему нарушения причинности.

Следует различать тахионы (движущиеся всегда быстрее света и представляющие собой или просто чисто классические частицы, или довольно специфический тип возбуждений тахионного поля) и тахионные поля (равно гипотетические). Дело в том, что тахионное поле (другие типы его возбуждений), в принципе, может переносить энергию и информацию, однако, насколько известно, эти типы возбуждений распространяются уже не быстрее света.

[источник не указан 2336 дней]

Это замечание уместно, поскольку обычно в словоупотреблении не проводят различия между полем и соответствующей частицей (поскольку для обычных — не тахионных — полей/частиц для такого разграничения нет серьёзных причин, так как обычные частицы не имеют сектора мнимой энергии, а поля — сектора неустойчивости; если же даже область неустойчивости есть, обычно кроме неё есть и точки устойчивого/безразличного равновесия — «конденсат» — см. Тахионная конденсация).

[источник не указан 2336 дней]

В некоторых[каких?] вариантах теории струн, в спектре масс частиц появляется тахион. Однако такие модели, как правило, признаются нефизичными, что является основанием для изменения соответствующей теории. Тем не менее, и после изменения такие теории могут продолжать содержать в своём описании термин «тахион» и некоторую часть свойств теорий с тахионным полем.

Теоретически рассматривалась также возможность наличия сверхсветовых скоростей у некоторых видов нейтрино[29].

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[30][31], а максимально допустимая скорость передачи сигналов определяется максимально возможной плотностью отрицательной энергии[30]. Одним из примеров такого вакуума является вакуум Казимира, который становится заметным в тонких щелях и капиллярах размером (диаметром) менее 10 нанометров (примерно в сто раз больше размеров типичного атома). Эффект объясняется уменьшением количества виртуальных частиц в вакууме Казимира, которые, предположительно, подобно частицам сплошной среды замедляют распространение света. Вычисления, сделанные Клаусом 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[30]. 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[30].

Сверхбрадион (англ. superbradyon) — гипотетическая элементарная частица, которая может двигаться со скоростью, превышающей скорость света, но в отличие от тахионов они могут иметь положительные действительные значения массы и энергии. Сверхбрадионы могут являться новым видом существующих частиц, движущихся действительно быстрее света, и способных передавать информацию со сверхсветовой скоростью, нарушая таким образом принцип причинности.

Термин «сверхбрадион»[36], также как и возможность их существования[37][38], предложил испанский физик Луис Гонсалес-Местрес как антоним для термина «брадион» (тардион). Актуальность работ Гонсалеса-Местреса о нарушении лоренц-симметрии была признана в 2002 году журналами CERN Courier[39] и «Нью-Йорк Таймс»[40]. Уже в 1997 году его работа цитировалась Сидни Коулманом и Шелдоном Глэшоу[41].

Согласно Гонсалесу-Местресу, сверхбрадионы могут быть основными составляющими материи на планковском пределе и за ним.

На сегодняшний день не обнаружено явлений, которые могли бы подтвердить существование сверхбрадионов, но если сверхбрадионы могут существовать в нашей Вселенной как свободные частицы, то они могут спонтанно излучать «обычные» частицы, становясь источниками сверхэнергичных космических лучей и прекращать излучать, когда их скорость становится меньшей или равной скорости света. Таким образом, Вселенная может содержать множество таких сверхсветовых частиц со скоростями, близкими к скорости света. Сверхбрадионы могут также дать новый подход к инфляции, тёмной материи и тёмной энергии[43][44].

Коллаборация OPERA 23 сентября 2011 года на конференции в объявила, что в ходе эксперимента в подземной лаборатории Гран-Сассо (Италия) получены данные, согласно которым субатомная частица нейтрино может двигаться со скоростью, превышающей скорость света на 25 ppm (0,0025 %)[45]. Статистическая обработка 16 111 событий[45] в детекторе, связанных с регистрацией мюонных нейтрино, пролетевших 731 278 м[45] от ЦЕРНа до Гран-Сассо, показывает, что, в видимом противоречии с теорией относительности[46], нейтрино со средней энергией 28,2 ГэВ[45] проходят это расстояние на 61,1 наносекунды[45] быстрее света. Статистическая и систематическая погрешность, оцененная авторами, в 6 раз меньше этой величины. Таким образом скорость нейтрино с данной энергией превысила скорость света в вакууме примерно на 7,5 км/с. Зависимость скорости нейтрино от энергии в пределах точности эксперимента не была обнаружена[47].

В мае 2012 года OPERA провела ряд контрольных экспериментов и пришла к окончательному выводу, что причиной ошибочного предположения о сверхсветовой скорости стал технический дефект (незакрученный разъём оптического кабеля приводил к избыточной задержке в цепях синхронизации времени между GPS и установкой) [48][49][50][51].

В марте 2012 года в том же тоннеле были проведены независимые измерения, и сверхсветовых скоростей нейтрино обнаружено не было[53]. Семь нейтринных событий были зарегистрированы 31 октября, 1, 2 и 4 ноября. По анализу коллаборации ICARUS[en] среднее отклонение по этим семи событиям составляло всего +0,3 нс от расчётного прибытия света[54]. ICARUS оборудован независимым от OPERA инструментом для замера времени[55].