Американские физики спасли теорию Эйнштейна: информация действительно не может передаваться быстрее света
Группа американских физиков, не щадя своего времени и средств, помогла торжеству здравого смысла: они доказали, что следствие не может предшествовать своей причине. Эксперименты подтвердили, что недавнее сенсационное исследование, согласно которому свет, казалось, распространялся со скоростью, превышающей его же собственную скорость в вакууме, не противоречит основополагающему для физики понятию причинно-следственной связи.
Согласно Специальной теории относительности Эйнштейна, ни один физический объект не может путешествовать со скоростью, превышающую скорость света в вакууме, обычно обозначаемую как c и примерно равную 300 тысячам км/с. Если бы что-то в этом мире в силах было перегнать световой луч, то это привело бы к возможности наблюдать некое следствие, опережающее по времени то событие, которое послужило его причиной. Вы могли бы, например, прочитать эти слова прежде, чем они были бы написаны.
Эта возможность, казалось, открылась в экспериментах, выполненных три года назад: скорость светового импульса, проходящего через охлажденный газ, состоящий и атомов металла, превысила скорость c. Впрочем, и в то время большинство физиков, конечно, вовсе не опасалось за судьбу теории относительности и причинно-следственных связей. Они объясняли, что в действительности для теории Эйнштейна имеет значение то, насколько быстро мы сможем пересылать информацию, пользуясь тем или иным доступным нам каналом. "Информацией" в данном случае считается любой сигнал, который может как-то реально воздействовать на любой физический объект или систему - например, таковым может служить световой импульс, способный включить некое устройство.
Световой импульс - это пучок световых частиц - фотонов, - которые могут перемещаться с разными скоростями. Этому пучку соответствует некая групповая и фазовая* скорость световой волны, которая вполне может оказаться больше, чем "физическая" скорость отдельных фотонов в среде (впрочем, в квантовой механике это понятие не имеет смысла). Обычно при проходе через прозрачную среду, например, оптическую линзу или стекло окна, скорости всех составляющих частот световых волн пропорционально уменьшаются. Но для некоторых материалов имеются случаи "аномальной дисперсии", при которой скорости некоторого числа компонентов светового импульса увеличиваются вместо замедления. Кое-кто утверждал, что скорость передачи информации может быть связана с подобной "скоростью" и таким образом она способна превысить c, нарушая тем самым причинно-следственную связь. Другие резонно возражали, что скорость передачи информации во всех ситуациях должна быть меньше или хотя бы равна c.
"Большинство людей понимает разницу между групповой скоростью и скоростью, с которой информация может быть передана, - уверяет Артур Догариу (Arthur Dogariu), физик из Научно-исследовательского института фирмы NEC в Принстоне (Нью-Джерси). А Лин Хо (Lene Hau) из Гарвардского университета в Кембридже (штат Массачусетс), который основательно занимался измерением скорости света в сверххолодных газах, соглашается, добавляя: "Важный вопрос: как определять понятие информации?"
Новое исследование, предпринятое Даниэлем Готье (Daniel Gauthier) из Университета Дьюк (Duke University, Дарем, Северная Каролина) и его коллегами, расставило все точки над i. Они изучили, насколько быстро информация может пройти через среду, в которой некоторые скорости светового пучка значительно превышают c.
При передаче информации требуется кодировать сигнал на одном конце канала и считывать этот код на другом конце. Таким образом, для передачи информации сигнал должен как-то меняться - например, свет должен стать более ярким. И максимальная скорость передачи информации при этом соответствует тому самому раннему моменту, когда это изменение вообще может быть обнаружено. Такое обнаружение занимает какое-то конечное время, оно зависит, например, от формы импульса и количества фонового шума. Датчик должен отличить изменение светового потока, которое обозначает приход долгожданной информации от того шума, который возникает из-за случайных колебаний в сигнале, подобных помехам при радиоприеме.
Группа Готье выяснила, что информация, кодируемая в импульсе, путешествующем через газ из атомов калия (среда с "нужным" типом "аномальной дисперсии"), всегда требует для передачи больше времени, нежели информация в импульсе, путешествующем через вакуум при скорости c. Даже если скорость какого-либо компонента световой волны серьезно опережает скорость света, скорость передачи информации никогда не может превышать c, что и требовалось доказать.
Источники:
Detection rescues cause and effect - Nature News Service
Einstein was right, experimenters find - Spaceflight Now
Duke experiments validate relativity theory's light speed limit - Public release Duke University
Иллюстрация:
Расплывание волнового пакета в диспергирующей среде. Фазовой скоростью принято называть скорость распространения волнового фронта (точки одинаковой фазы, например, максимумы и характеризуют фазовую скорость). А групповая скорость - это скорость распространения огибающей (начала и конца сигнала), то есть модулирующей волны. Рисунок с сайта www.college.ru
_________________________________
* - Групповая скорость совпадает с фазовой в случае, если среда не обладает дисперсией.
Статьи по теме
Американские физики спасли теорию Эйнштейна: информация действительно не может передаваться быстрее света
Группа американских физиков, не щадя своего времени и средств, помогла торжеству здравого смысла: они доказали, что следствие не может предшествовать своей причине. Эксперименты подтвердили, что недавнее сенсационное исследование, согласно которому свет, казалось, распространялся со скоростью, превышающей его же собственную скорость в вакууме, не противоречит основополагающему для физики понятию причинно-следственной связи.
Темная энергия: астрономы узнали время "космического рывка" в истории Вселенной
Адам Рисс и его коллеги с помощью космического телескопа "Хаббл" наблюдали 6 вспышек от отдаленных сверхновых, которые взорвались приблизительно 9-11 млрд лет назад. Выяснилось, что свет от этих взрывов был менее ярок, чем ожидалось, исходя из их красных смещений и современных темпов расширяющейся Вселенной, это доказывает, что расширение Вселенной в те отдаленные времена замедлялось. А вот момент, когда сила темной энергии преодолела гравитацию, положил начало все ускоряющемуся расширению нашей Вселенной, которое продолжается до сих пор.
Скрипка и футбольный мяч: ученые вычисляют форму космоса
Первоначальная обработка данных, полученных зондом WMAP, казалось, подтвердила теорию, что наш мир является бесконечным и "плоским", однако интерпретация очередного массива данных от того же самого зонда дает теперь уже совершенно противоположный результат: окружающий нас космос может быть не только конечным, замкнутым и сравнительно небольшим по объему, но и имеет форму додекаэдра. Это своего рода 12-сторонний зал с волшебными зеркалами, создающими иллюзию бесконечности за счет отображения нескончаемого ряда копий одних и тех же звезд, находящихся, правда, на разных этапах своего развития.
Физики надеются обнаружить изменение фундаментальных констант со временем
Две группы физиков на протяжении последних лет провели целый ряд аккуратных экспериментов в надежде обнаружить непостоянство природных констант, до сих пор считавшихся не изменяющимися со временем. До настоящего момента данные на эту тему добывались астрофизическими методами и указывали на возможность подобных вариаций.
Темная энергия уходит в тень: получено новое свидетельство существования антигравитации
Астрономы Слоановского цифрового обзора неба объявили о получении еще одного независимого свидетельства существования таинственной темной энергии. Исследователи нашли своеобразный отпечаток темной энергии (или, как они называют это явление, "тень" темной энергии) путем изучения корреляций между изображениями миллионов галактик, полученных в ходе реализации программы SDSS, и картой распределения вариаций температуры реликтового излучения, "нарисованной" зондом WMAP.
"Твикинг" гравитации покончит с потребностью в странных силах
Факт существования темной энергии, казалось бы, однозначно подтвержден наблюдениями за удаленными сверхновыми и экспериментами с микроволновым космическим фоном. Однако теперь группа американских физиков показывает, что факт непрерывно ускоряющегося расширения Вселенной, который лег в основу подобной гипотезы, можно объяснить и не призывая на помощь мистическую "дарк энерджи".
Копейкина опровергают американцы, но Эйнштейн пока не пострадал
Альберт Эйнштейн, возможно, был прав, постулировав, что скорость гравитации равна скорости света, но вопреки заявлению Копейкина и Фомалонта, сделанному ими в самом начале этого года, это положение все еще не доказано экспериментально. Очередной удар по позициям нашего соотечественника Сергея Копейкина нанесли специалисты из Лаборатории Беркли.
Впервые удалось измерить скорость гравитации
Впервые с приемлемой точностью удалось измерить скорость гравитации. Измерялось небольшое видимое изменение позиции квазара, вызванное изгибом пути радиоволн от этого источника в поле тяготения Юпитера. Результат важен с точки зрения "закрытия" некоторых вариантов современных теорий и поддержки других - он связан с космологическими теориями множественных вселенных и так называемой теории струн или суперструн.
Астрономы, как им и положено, считают звезды
Похоже, астрономы наконец решили заняться тем делом, которое им издавна приписывает народная молва. Или просто им надоели бесчисленные "детские" вопросы: "А сколько, собственно, звезд на небе?" По крайней мере, на проходящей сейчас в Сиднее Генеральной ассамблее Международного астрономического союза был сделан на эту тему специальный доклад.
Замаскированная квантовая почта может объяснить молчание внеземных цивилизаций
Если внеземные цивилизации действительно существуют и при этом не являются исключительной редкостью, то почему мы так и не смогли до сих пор получить от них никаких сигналов? Два физика объясняют эту ситуацию исключительной осторожностью инопланетян. При этом они считают, что есть возможность отправлять сигналы, не открывая своего местоположения.
Магическое число научит летать и плавать
Одно-единственное "магическое" число описывает движения летающих и плавающих живых организмов, начиная от какой-нибудь моли и кончая дельфинами. Изучение его значения проливает свет на "летные навыки" давно исчезнувших с лица земли созданий и может помочь военным инженерам проектировать крошечных крылатых шпионов, которые могли бы обследовать занятые врагом здания, не привлекая к себе лишнего внимания.
Последняя нерешенная проблема классической физики близка к решению благодаря сверхтекучему гелию
Это кажется невероятным, но теории гидродинамической турбулентности в завершенном виде не существует до сих пор, созданы только так называемые полуэмпирические теории турбулентности. Вообще это является одной из важнейших проблем современной теорфизики. Теперь сделан важный шаг в описании турбулентности в сверхтекучем гелии-3, что может помочь, наконец, в решении проблемы турбулентности и в классических жидкостях.
Теория относительности топит субмарины
Бразильский физик решил задачку, "подброшенную" релятивистской теорией, так называемый "парадокс субмарины". Для разбора этого "парадокса" пришлось использовать Общую теорию относительности и включить в решение эффект искривляющих пространство гравитационных сил, получив своеобразный модифицированный релятивистский закон Архимеда.
Получен рекордный ультрахолодный "атомный снежок"
2500 атомов натрия охладили до половины миллиардной части градуса выше абсолютного нуля - температуры, при которой колебания атомов почти полностью замирают. В результате получается ни много ни мало как принципиально новое, пятое состояние вещества - так называемый конденсат Бозе - Эйнштейна.
Super-WIMPs: темная материя может оказаться необнаружимой в принципе
90 % всей материи Вселенной не просто скрывается в виде "не испускающего свет" вещества, а содержится в форме частиц, названных super-WIMPs (сверхслабо- взаимодействующие массивные частицы), перед которыми, в отличие от "просто" WIMPs, совершенно бессильны все известные способы обнаружения темного вещества.
"Частица бога" не откроет тайну американцам
Один из ключевых вопросов современной физики высоких энергий - подтверждение или опровержение существования теоретически предсказанной еще в 1964 году экзотичной субатомной частицы, называемой бозоном Хиггса. Предполагается, что бозон Хиггса сыграл основную роль в механизме, посредством которого некоторые частицы (кварки, лептоны) во время Большого взрыва приобрели массу, а другие остались безмассовыми (фотоны).