Szybszy niż światło - Faster-than-light

Diagram czasoprzestrzeni pokazujący, że poruszanie się szybciej niż światło implikuje podróże w czasie w kontekście szczególnej teorii względności.

Szybciej niż światło (również ponadświetlna , FTL i supercausal ) komunikacji i podróży są hipotetyczne propagacji informacji lub względu szybciej niż prędkość światła .

STW powoduje, że jedynie cząsteczki o zerowym masy spoczynkowej może przemieszczać się z prędkością światła. Postawiono hipotezę tachionów , cząstek, których prędkość przekracza prędkość światła, ale ich istnienie naruszałoby przyczynowość , a fizykowie zgadzają się, że nie istnieją. Z drugiej strony to, co niektórzy fizycy nazywają „pozornym” lub „skutecznym” FTL, zależy od hipotezy, że niezwykle zniekształcone regiony czasoprzestrzeni mogą pozwolić materii dotrzeć do odległych miejsc w krótszym czasie niż światło w normalnej lub niezniekształconej czasoprzestrzeni.

Zgodnie z obecnymi teoriami naukowymi, materia musi podróżować z prędkością wolniejszą niż światło (również podświetlną lub STL ) w odniesieniu do lokalnie zniekształconego obszaru czasoprzestrzeni. Pozorny FTL nie jest wykluczony przez ogólną teorię względności ; jednak każda pozorna fizyczna wiarygodność FTL jest obecnie spekulacyjna. Przykładami pozornych propozycji FTL są napęd Alcubierre'a , rury Krasnikowa , przejezdne tunele czasoprzestrzenne i tunelowanie kwantowe .

Superluminalna podróż nieinformacji

W kontekście tego artykułu FTL to transmisja informacji lub materii szybciej niż c , stała równa prędkości światła w próżni, która wynosi 299 792 458 m/s (z definicji metra) lub około 186 282 397 mil na sekundę. To nie to samo, co podróżowanie szybciej niż światło, ponieważ:

• Niektóre procesy propagują się szybciej niż c , ale nie mogą przenosić informacji (zobacz przykłady w następnych sekcjach).
• W niektórych materiałach, w których światło porusza się z prędkością c/n (gdzie n jest współczynnikiem załamania światła ), inne cząstki mogą poruszać się szybciej niż c/n (ale wciąż wolniej niż c ), prowadząc do promieniowania Czerenkowa (patrz prędkość fazowa poniżej ).

Żadne z tych zjawisk nie narusza szczególnej teorii względności ani nie stwarza problemów z przyczynowością , a zatem żadne z nich nie kwalifikuje się jako FTL, jak opisano tutaj.

W poniższych przykładach pewne wpływy mogą wydawać się przemieszczać się szybciej niż światło, ale nie przekazują energii ani informacji szybciej niż światło, więc nie naruszają szczególnej teorii względności.

Codzienny ruch nieba

Dla obserwatora przyziemnego obiekty na niebie wykonują jeden obrót wokół Ziemi w ciągu jednego dnia. Proxima Centauri , najbliższa gwiazda poza Układem Słonecznym , znajduje się około czterech lat świetlnych od nas. W tym układzie odniesienia, w którym Proxima Centauri jest postrzegana jako poruszająca się po kołowej trajektorii o promieniu czterech lat świetlnych, może być opisana jako mająca prędkość wielokrotnie większą niż c jako prędkość obrzeża obiektu poruszającego się w koło jest iloczynem promienia i prędkości kątowej. W widoku geostatycznym możliwe jest również , aby obiekty takie jak komety zmieniały swoją prędkość od podświetlnej do nadświetlnej i odwrotnie, po prostu dlatego, że zmienia się odległość od Ziemi. Komety mogą mieć orbity, które wyniosą je na ponad 1000 AU . Obwód koła o promieniu 1000 AU jest większy niż jeden dzień świetlny. Innymi słowy, kometa znajdująca się w takiej odległości jest superluminalna w geostatycznej, a więc nieinercyjnej ramie.

Jasne plamy i cienie

Jeśli wiązka lasera jest przesuwana po odległym obiekcie, plamka światła lasera może łatwo poruszać się po obiekcie z prędkością większą niż c . Podobnie cień rzucany na odległy obiekt może poruszać się po obiekcie szybciej niż c . W żadnym przypadku światło nie przemieszcza się od źródła do obiektu szybciej niż c , ani żadna informacja nie przemieszcza się szybciej niż światło.

Szybkość zamykania

Szybkość, z jaką dwa obiekty w ruchu w jednym układzie odniesienia zbliżają się do siebie, nazywana jest prędkością wzajemną lub prędkością zamykania. Może to zbliżyć się do dwukrotnej prędkości światła, jak w przypadku dwóch cząstek poruszających się z prędkością bliską prędkości światła w przeciwnych kierunkach względem układu odniesienia.

Wyobraź sobie dwie szybko poruszające się cząstki zbliżające się do siebie z przeciwnych stron akceleratora cząstek typu zderzacza. Szybkość zamykania byłaby szybkością, z jaką zmniejsza się odległość między dwiema cząstkami. Z punktu widzenia obserwatora stojącego w spoczynku względem akceleratora prędkość ta będzie nieco mniejsza niż dwukrotność prędkości światła.

Szczególna teoria względności tego nie zabrania. Mówi nam, że błędem jest używanie względności Galileusza do obliczania prędkości jednej z cząstek, która byłaby mierzona przez obserwatora podróżującego obok drugiej cząstki. Oznacza to, że szczególna teoria względności podaje poprawny wzór dodawania prędkości do obliczenia takiej prędkości względnej .

Pouczające jest obliczenie względnej prędkości cząstek poruszających się przy v i − v w układzie akceleratora, co odpowiada prędkości zamykania 2 v  >  c . Wyrażając prędkości w jednostkach c , β  =  v / c :

${\ Displaystyle \ beta _ {\ tekst {rel}} = {\ Frac {\ beta + \ beta {1 + \ beta ^ {2}}} = {\ Frac {2 \ beta} {1 + \ beta ^ {2}}}\równ 1.}$

Właściwe prędkości

Jeśli statek kosmiczny leci z dużą prędkością na planetę o jeden rok świetlny (mierzony w spoczynku Ziemi) od Ziemi, czas potrzebny na dotarcie do tej planety może być krótszy niż rok, mierzony przez zegar podróżnika (chociaż będzie to zawsze być dłuższy niż jeden rok mierzony zegarem na Ziemi). Wartość uzyskana przez podzielenie przebytej odległości, określonej w układzie ziemskim, przez czas potrzebny, mierzony zegarem podróżnika, jest znana jako prędkość właściwa lub prędkość właściwa . Nie ma ograniczeń co do wartości prędkości właściwej, ponieważ prędkość właściwa nie reprezentuje prędkości mierzonej w pojedynczej ramie bezwładnościowej. Sygnał świetlny, który opuścił Ziemię w tym samym czasie, co podróżnik, zawsze docierał do celu przed podróżnikiem.

Możliwa odległość od Ziemi

Ponieważ nie można podróżować szybciej niż światło, można dojść do wniosku, że człowiek nigdy nie może podróżować dalej od Ziemi niż 40 lat świetlnych, jeśli podróżnik jest aktywny w wieku od 20 do 60 lat. Podróżnik nigdy nie byłby wtedy w stanie osiągnąć więcej niż nieliczne systemy gwiezdne, które istnieją w odległości 20-40 lat świetlnych od Ziemi. Jest to błędny wniosek: z powodu dylatacji czasu podróżnik może podróżować tysiące lat świetlnych w ciągu swoich 40 lat aktywności. Jeśli statek kosmiczny przyśpiesza ze stałą prędkością 1 g (we własnym zmieniającym się układzie odniesienia), po 354 dniach osiągnie prędkość nieco mniejszą niż prędkość światła (dla obserwatora na Ziemi), a dylatacja czasu zwiększy prędkość podróżnika. długość życia do tysięcy lat ziemskich, widziana z układu odniesienia Układu Słonecznego –  ale subiektywna długość życia podróżnika przez to nie ulegnie zmianie. Gdyby mieli wrócić na Ziemię, podróżnik przybyłby na Ziemię tysiące lat w przyszłość. Ich prędkość podróży nie byłaby obserwowana z Ziemi jako nadświetlna — ani z punktu widzenia podróżnika by tak nie wyglądała — ale podróżnik zamiast tego doświadczyłby skrócenia długości wszechświata w ich kierunku podróży. Gdy podróżnik zmieni kurs, Ziemia będzie wydawała się przeżywać znacznie więcej czasu niż podróżnik. Tak więc, podczas gdy współrzędna (zwykła) prędkość podróżnika nie może przekroczyć c , jego właściwa prędkość , czyli odległość przebyta od punktu odniesienia Ziemi podzielona przez właściwy czas , może być znacznie większa niż c . Widać to w badaniach statystycznych mionów przemieszczających się znacznie dalej niż c razy ich okres półtrwania (w spoczynku), jeśli podróżują blisko c .

Prędkości fazowe powyżej c

Prędkość fazy o fali elektromagnetycznej , podczas przemieszczania się przez medium, można rutynowo przekracza C , prędkość próżniowego światła. Na przykład dzieje się tak w większości okularów przy częstotliwościach promieniowania rentgenowskiego . Jednak prędkość fazowa fali odpowiada prędkości propagacji teoretycznej jednoczęstotliwościowej (czysto monochromatycznej ) składowej fali o tej częstotliwości. Taka składowa falowa musi mieć nieskończoną długość i stałą amplitudę (w przeciwnym razie nie jest prawdziwie monochromatyczna), a więc nie może przekazywać żadnej informacji. Zatem prędkość fazowa powyżej c nie implikuje propagacji sygnałów o prędkości powyżej c .

Prędkości grupowe powyżej c

W pewnych okolicznościach prędkość grupowa fali może również przekraczać c . W takich przypadkach, które zwykle wiążą się z szybkim tłumieniem natężenia, maksymalna obwiednia impulsu może przemieszczać się z prędkością powyżej c . Jednak nawet ta sytuacja nie implikuje propagacji sygnałów z prędkością powyżej c , mimo że można pokusić się o powiązanie maksimów impulsów z sygnałami. Wykazano, że to ostatnie skojarzenie jest mylące, ponieważ informację o nadejściu impulsu można uzyskać przed osiągnięciem maksimum impulsu. Na przykład, jeśli jakiś mechanizm pozwala na pełną transmisję części wyprzedzającej impulsu, jednocześnie silnie tłumiąc maksimum impulsu i wszystko za nim (zniekształcenie), to maksimum impulsu jest skutecznie przesunięte w czasie do przodu, podczas gdy informacja o impulsie nie nadchodzi szybciej niż c bez tego efektu. Jednak prędkość grupowa może przekraczać c w niektórych częściach wiązki Gaussa w próżni (bez tłumienia). Dyfrakcji powoduje, że szczyt impulsu rozprzestrzeniać szybciej, podczas gdy całkowita moc nie robi.

Uniwersalna ekspansja

Historia Wszechświata — przypuszcza się, że fale grawitacyjne powstają w wyniku kosmicznej inflacji , szybszej od światła ekspansji tuż po Wielkim Wybuchu .

Ekspansja Wszechświata powoduje odległe galaktyki się oddalać od nas szybciej niż z prędkością światła, jeśli właściwa odległość i kosmologicznej czasu są wykorzystywane do obliczenia prędkości galaktyk. Jednak w ogólnej teorii względności prędkość jest pojęciem lokalnym, więc prędkość obliczona za pomocą współrzędnych współbieżnych nie ma żadnego prostego związku z prędkością obliczoną lokalnie. (Zobacz Comoving i właściwe odległości, aby zapoznać się z różnymi pojęciami „prędkości” w kosmologii.) Reguły odnoszące się do prędkości względnych w szczególnej teorii względności, takie jak reguła, że ​​prędkości względne nie mogą wzrosnąć powyżej prędkości światła, nie mają zastosowania do względnych prędkości we współrzędnych poruszających się, które często opisuje się w kategoriach „rozszerzenia przestrzeni” między galaktykami. Uważa się, że to tempo ekspansji osiągnęło szczyt w epoce inflacji, o której sądzi się, że nastąpiło w ułamku sekundy po Wielkim Wybuchu (modele sugerują, że okres ten ^trwałby od około ^10–36 sekund po Wielkim Wybuchu do około 10 ^-33 sekund), gdy wszechświat może szybko rozszerzona o czynnik około 10 ²⁰ do 10 ³⁰ .

Istnieje wiele galaktyk widocznych w teleskopach z wartościami przesunięcia ku czerwieni 1,4 lub wyższym. Wszystkie one obecnie oddalają się od nas z prędkością większą niż prędkość światła. Ponieważ parametr Hubble'a maleje wraz z upływem czasu, w rzeczywistości mogą zaistnieć przypadki, w których galaktyka, która oddala się od nas szybciej niż światło, zdoła wyemitować sygnał, który w końcu do nas dotrze.

Jednakże, ponieważ ekspansja wszechświata przyspiesza , przewiduje się, że większość galaktyk w końcu przekroczy pewien rodzaj kosmologicznego horyzontu zdarzeń, w którym jakiekolwiek światło, które emitują poza tym punktem, nigdy nie będzie w stanie dotrzeć do nas w nieskończonej przyszłości, ponieważ światło nigdy nie osiąga punktu, w którym jego "prędkość osobliwa" w kierunku nas przekracza prędkość rozszerzania się od nas (te dwa pojęcia prędkości są również omówione w Comoving i właściwych odległościach#Używanie właściwej odległości ). Obecna odległość do tego kosmologicznego horyzontu zdarzeń wynosi około 16 miliardów lat świetlnych, co oznacza, że ​​sygnał z wydarzenia zachodzącego obecnie mógłby ostatecznie dotrzeć do nas w przyszłości, gdyby wydarzenie było oddalone o mniej niż 16 miliardów lat świetlnych, ale sygnał nigdy by do nas nie dotarł, gdyby zdarzenie było oddalone o ponad 16 miliardów lat świetlnych.

Obserwacje astronomiczne

Widoczne nadświetlną ruch jest obserwowany w wielu galaktyk radiowych , blazary , kwazarów , a ostatnio również w mikrokwazary . Efekt został przewidziany, zanim został zaobserwowany przez Martina Reesa i można go wyjaśnić jako złudzenie optyczne spowodowane przez obiekt częściowo poruszający się w kierunku obserwatora, podczas gdy obliczenia prędkości zakładają, że tak nie jest. Zjawisko to nie jest sprzeczne z teorią szczególnej teorii względności . Skorygowane obliczenia pokazują, że te obiekty mają prędkości zbliżone do prędkości światła (w stosunku do naszego układu odniesienia). Są to pierwsze przykłady dużych ilości masy poruszających się z prędkością bliską prędkości światła. Laboratoria naziemne były w stanie przyspieszyć do takich prędkości jedynie niewielką liczbę cząstek elementarnych.

Mechanika kwantowa

Pewne zjawiska w mechanice kwantowej , takie jak splątanie kwantowe , mogą dawać powierzchowne wrażenie, że umożliwia przekazywanie informacji szybciej niż światło. Zgodnie z twierdzeniem o braku komunikacji zjawiska te nie pozwalają na prawdziwą komunikację; pozwalają tylko dwóm obserwatorom w różnych miejscach widzieć ten sam system jednocześnie, bez żadnego sposobu kontrolowania tego, co widzi. Załamanie funkcji falowej można postrzegać jako epifenomen dekoherencji kwantowej, która z kolei jest niczym innym jak efektem leżącej u podstaw lokalnej ewolucji funkcji falowej systemu i całego jego otoczenia w czasie. Ponieważ podstawowe zachowanie nie narusza lokalnej przyczynowości ani nie pozwala na komunikację FTL, wynika z tego, że nie ma też dodatkowego efektu załamania się funkcji falowej, rzeczywistego lub pozornego.

Zasada nieoznaczoności implikuje, że pojedyncze fotony mogą podróżować na krótkie odległości z prędkością nieco większą (lub wolniejszą) niż c , nawet w próżni; możliwość tę należy wziąć pod uwagę przy wyliczaniu diagramów Feynmana dla interakcji cząstek. Jednak w 2011 roku wykazano, że pojedynczy foton nie może podróżować szybciej niż c . W mechanice kwantowej cząstki wirtualne mogą poruszać się szybciej niż światło, a zjawisko to jest związane z faktem, że efekty pola statycznego (w którym w kategoriach kwantowych pośredniczą cząstki wirtualne) mogą poruszać się szybciej niż światło (patrz sekcja dotycząca pól statycznych powyżej). Jednak makroskopowo te fluktuacje uśredniają się, więc fotony przemieszczają się po liniach prostych na długich (tj. niekwantowych) odległościach i poruszają się średnio z prędkością światła. Dlatego nie oznacza to możliwości superluminalnej transmisji informacji.

W prasie popularnej pojawiły się różne doniesienia o eksperymentach dotyczących transmisji szybszej od światła w optyce — najczęściej w kontekście pewnego rodzaju zjawiska tunelowania kwantowego . Zazwyczaj takie raporty dotyczą prędkości fazowej lub prędkości grupowej większej niż prędkość światła w próżni. Jednakże, jak stwierdzono powyżej, superluminalna prędkość fazowa nie może być wykorzystana do szybszej niż światło transmisji informacji.

Efekt Hartmana

Efekt Hartmana to efekt tunelowania przez barierę, gdzie czas tunelowania ma tendencję do stałego dla dużych barier. Może to być na przykład przerwa między dwoma pryzmatami. Kiedy pryzmaty stykają się, światło przechodzi prosto, ale gdy jest szczelina, światło ulega załamaniu. Istnieje niezerowe prawdopodobieństwo, że foton przejdzie przez szczelinę zamiast podążać za załamaną ścieżką. W przypadku dużych przerw między pryzmatami czas tunelowania zbliża się do wartości stałej, a zatem wydaje się, że fotony przeszły z prędkością ponadświetlną.

Jednak efekt Hartmana nie może być używany do naruszania względności poprzez przesyłanie sygnałów szybciej niż c , ponieważ czas tunelowania „nie powinien być powiązany z prędkością, ponieważ zanikające fale nie rozchodzą się”. Fale zanikające w efekcie Hartmana są spowodowane wirtualnymi cząstkami i nierozchodzącym się polem statycznym, jak wspomniano w powyższych sekcjach dotyczących grawitacji i elektromagnetyzmu.

efekt Kazimierza

W fizyce siła Casimira-Poldera jest siłą fizyczną wywieraną między oddzielnymi obiektami w wyniku rezonansu energii próżni w przestrzeni pośredniej między obiektami. Czasami opisuje się to w kategoriach wirtualnych cząstek oddziałujących z obiektami, dzięki matematycznej postaci jednego z możliwych sposobów obliczania siły efektu. Ponieważ siła siły szybko spada wraz z odległością, można ją zmierzyć tylko wtedy, gdy odległość między obiektami jest bardzo mała. Ponieważ efekt jest spowodowany wirtualnymi cząstkami pośredniczącymi w efekcie pola statycznego, jest on przedmiotem komentarzy dotyczących pól statycznych omówionych powyżej.

Paradoks EPR

Paradoks EPR odnosi się do słynnego myślowego eksperymentu z Albert Einstein , Borys Podolski i Nathan Rosen , który był realizowany eksperymentalnie po raz pierwszy przez Alain Aspect w 1981 i 1982 roku w eksperymencie Aspect . W tym eksperymencie pomiar stanu jednego z układów kwantowych w splątanej parze najwyraźniej natychmiast zmusza drugi układ (który może być odległy) do pomiaru w stanie komplementarnym. Jednak żadne informacje nie mogą być przesyłane w ten sposób; odpowiedź na pytanie, czy pomiar faktycznie wpływa na inny układ kwantowy, sprowadza się do tego, którą interpretację mechaniki kwantowej się akceptuje.

Eksperyment przeprowadzony w 1997 roku przez Nicolasa Gisina zademonstrował nielokalne korelacje kwantowe między cząstkami oddalonymi o ponad 10 kilometrów. Ale, jak zauważono wcześniej, nielokalne korelacje widoczne w splątaniu nie mogą być w rzeczywistości wykorzystane do przesyłania klasycznych informacji szybciej niż światło, dzięki czemu zachowana jest przyczynowość relatywistyczna. Sytuacja jest podobna do dzielenia się zsynchronizowanym rzutem monetą, gdzie druga osoba, która rzuci monetą, zawsze zobaczy coś przeciwnego do tego, co widzi pierwsza osoba, ale żadna z nich nie ma możliwości dowiedzenia się, czy była to pierwsza, czy druga osoba, bez klasycznej komunikacji . Zobacz twierdzenie o braku komunikacji, aby uzyskać więcej informacji. Eksperyment z fizyki kwantowej z 2008 roku przeprowadzony przez Nicolasa Gisina i jego współpracowników ustalił, że w każdej hipotetycznej nielokalnej teorii ukrytej zmiennej prędkość kwantowego nielokalnego połączenia (co Einstein nazwał „upiornym działaniem na odległość”) wynosi co najmniej 10 000 razy prędkość światła.

Gumka kwantowa z opóźnionym wyborem

Opóźnionym wyborem kwantowa gumka jest wersją paradoksu EPR w którym obserwacja (lub nie) z zakłóceniami po przejściu fotonu poprzez Doświadczenie Younga zależy od warunków obserwacji drugiego fotonu uwikłany z pierwszym. Cechą tego eksperymentu jest to, że obserwacja drugiego fotonu może nastąpić później niż obserwacja pierwszego fotonu, co może sprawiać wrażenie, że pomiar późniejszych fotonów „wstecznie” określa, czy wcześniejsze fotony wykazują interferencję lub nie, chociaż wzór interferencji można zobaczyć tylko poprzez skorelowanie pomiarów obu członków każdej pary, a więc nie można go zaobserwować, dopóki oba fotony nie zostaną zmierzone, zapewniając, że eksperymentator obserwujący tylko fotony przechodzące przez szczelinę nie uzyskać informacje o innych fotonach w sposób FTL lub wstecznie w czasie.

Komunikacja superluminalna

Komunikacja szybsza niż światło jest, zgodnie z teorią względności, odpowiednikiem podróży w czasie . To, co mierzymy jako prędkość światła w próżni (lub w pobliżu próżni), jest w rzeczywistości podstawową stałą fizyczną c . Oznacza to, że wszyscy bezwładni i dla współrzędnych prędkości światła obserwatorzy nieinercyjni, niezależnie od ich względnej prędkości , zawsze będą mierzyć cząstki o zerowej masie, takie jak fotony przemieszczające się w punkcie cw próżni. Wynik ten oznacza, że ​​pomiary czasu i prędkości w różnych klatkach nie są już powiązane po prostu stałymi przesunięciami, ale są powiązane transformacjami Poincarégo . Te przekształcenia mają ważne implikacje:

• Relatywistyczny pęd masywnej cząstki wzrastałby z prędkością w taki sposób, że przy prędkości światła obiekt miałby nieskończony pęd.
• Przyspieszenie obiektu o niezerowej masie spoczynkowej do c wymagałoby nieskończonego czasu przy dowolnym skończonym przyspieszeniu lub nieskończonego przyspieszenia przez skończoną ilość czasu.
• Tak czy inaczej, takie przyspieszenie wymaga nieskończonej energii.
• Niektórzy obserwatorzy ze względnym ruchem podświetlnym nie zgodzą się co do tego, które z dwóch zdarzeń, które są oddzielone odstępem podobnym do przestrzeni, wystąpi jako pierwsze . Innymi słowy, każda podróż, która jest szybsza od światła, będzie postrzegana jako cofnięcie się w czasie w innych, równie ważnych układach odniesienia, lub będzie wymagała przyjęcia spekulatywnej hipotezy o możliwych naruszeniach Lorentza na obecnie nieobserwowaną skalę (na przykład np. skalę Plancka). Dlatego każda teoria, która dopuszcza „prawdziwe” FTL, musi również radzić sobie z podróżami w czasie i wszystkimi związanymi z nimi paradoksami, albo też zakładać, że niezmienność Lorentza jest symetrią o termodynamicznej naturze statystycznej (stąd symetria złamana w jakiejś obecnie nieobserwowanej skali).
• W szczególnej teorii względności współrzędna prędkości światła gwarantuje jedynie c w układzie inercjalnym ; w układzie nieinercyjnym prędkość współrzędnych może być różna od c . W ogólnej teorii względności żaden układ współrzędnych na dużym obszarze zakrzywionej czasoprzestrzeni nie jest „bezwładnościowy”, więc dopuszczalne jest użycie globalnego układu współrzędnych, w którym obiekty poruszają się szybciej niż c , ale w lokalnym sąsiedztwie dowolnego punktu w zakrzywionej czasoprzestrzeni możemy zdefiniować „lokalny układ bezwładności” i lokalna prędkość światła w tym układzie będzie wynosić c , przy czym masywne obiekty poruszające się przez to lokalne sąsiedztwo mają zawsze prędkość mniejszą niż cw lokalnym układzie bezwładności.

Uzasadnienia

Próżnia Casimira i tunelowanie kwantowe

Szczególna teoria względności postuluje, że prędkość światła w próżni jest niezmienna w układach inercjalnych . Oznacza to, że będzie taki sam w każdym układzie odniesienia poruszającym się ze stałą prędkością. Równania nie podają żadnej konkretnej wartości prędkości światła, która jest wielkością wyznaczoną eksperymentalnie dla ustalonej jednostki długości. Od 1983 roku jednostka długości w układzie SI ( metr ) jest definiowana za pomocą prędkości światła .

Eksperymentalne oznaczenie zostało wykonane w próżni. Jednak próżnia, którą znamy, nie jest jedyną możliwą próżnią, jaka może istnieć. Z próżnią wiąże się energia, zwana po prostu energią próżni , która może być w pewnych przypadkach zmieniona. Przewiduje się, że gdy energia próżni jest obniżona, samo światło porusza się szybciej niż standardowa wartość c . Jest to znane jako efekt Scharnhorsta . Taką próżnię można wytworzyć łącząc ze sobą dwie idealnie gładkie metalowe płytki w odstępach zbliżonych do średnicy atomowej. Nazywa się to próżnią Casimira . Z obliczeń wynika, że ​​światło w takiej próżni będzie poruszało się szybciej o minimalną wartość: foton przemieszczający się między dwiema płytkami oddalonymi od siebie o 1 mikrometr zwiększyłby prędkość fotonu tylko o około jedną część na 10 ³⁶ . W związku z tym nie przeprowadzono jeszcze eksperymentalnej weryfikacji prognozy. Niedawna analiza wykazała, że ​​efekt Scharnhorsta nie może być używany do wysyłania informacji wstecz w czasie z pojedynczym zestawem płytek, ponieważ rama spoczynkowa płytek określałaby „preferowaną ramkę” dla sygnalizacji FTL. Jednakże, gdy wiele par płytek porusza się względem siebie, autorzy zauważyli, że nie mają argumentów, które mogłyby „zagwarantować całkowity brak naruszeń przyczynowości” i powołali się na spekulatywną hipotezę ochrony chronologii Hawkinga, która sugeruje, że pętle sprzężenia zwrotnego wirtualnych cząstek „niekontrolowane osobliwości w zrenormalizowanej energii naprężeń kwantowych” na granicy dowolnego potencjalnego wehikułu czasu, a zatem wymagałoby to teorii grawitacji kwantowej do pełnej analizy. Inni autorzy twierdzą, że pierwotna analiza Scharnhorsta, która wydawała się wykazywać możliwość występowania sygnałów szybszych niż c , zawierała przybliżenia, które mogą być nieprawidłowe, tak że nie jest jasne, czy ten efekt może w ogóle zwiększyć prędkość sygnału.

Fizycy Günter Nimtz i Alfons Stahlhofen z Uniwersytetu w Kolonii twierdzą, że eksperymentalnie naruszyli teorię względności, przesyłając fotony z prędkością większą niż prędkość światła. Mówią, że przeprowadzili eksperyment, w którym fotony mikrofalowe — stosunkowo niskoenergetyczne paczki światła — przemieszczały się „natychmiastowo” między parą pryzmatów, które zostały przesunięte na odległość 1 m od siebie. Ich eksperyment obejmował zjawisko optyczne znane jako „mody zanikające” i twierdzą, że ponieważ mody zanikające mają wyimaginowaną liczbę falową, stanowią „matematyczną analogię” do tunelowania kwantowego . Nimtz twierdził również, że „mody zanikające nie są w pełni opisywane przez równania Maxwella i należy wziąć pod uwagę mechanikę kwantową”. Inni naukowcy, tacy jak Herbert G. Winful i Robert Helling, twierdzili, że w rzeczywistości nie ma nic kwantowo-mechanicznego w eksperymentach Nimtza i że wyniki można w pełni przewidzieć za pomocą równań klasycznego elektromagnetyzmu (równania Maxwella).

Nimtz powiedział magazynowi New Scientist : „Na razie jest to jedyne naruszenie szczególnej teorii względności, o którym wiem”. Jednak inni fizycy twierdzą, że zjawisko to nie pozwala na szybsze przekazywanie informacji niż światło. Aephraim Steinberg, ekspert w dziedzinie optyki kwantowej z Uniwersytetu w Toronto w Kanadzie, posługuje się analogią pociągu jadącego z Chicago do Nowego Jorku, ale wysadzającego wagony z ogona na każdej stacji po drodze, tak że centrum zawsze - kurczący się główny pociąg porusza się do przodu na każdym przystanku; w ten sposób prędkość środka pociągu przewyższa prędkość któregokolwiek z pojedynczych wagonów.

Winful twierdzi, że analogia pociągu jest wariantem „argumentu przekształcania” dla prędkości tunelowania superluminalnego, ale dalej twierdzi, że argument ten nie jest w rzeczywistości poparty eksperymentem lub symulacjami, które w rzeczywistości pokazują, że przesyłany impuls ma tę samą długość i kształt jak impuls padający. Zamiast tego, Winful twierdzi, że opóźnienie grupowe w tunelowaniu nie jest w rzeczywistości czasem przejścia impulsu (którego długość przestrzenna musi być większa niż długość bariery, aby jego widmo było wystarczająco wąskie, aby umożliwić tunelowanie), ale zamiast tego jest czasem życia energia zmagazynowana w fali stojącej, która tworzy się wewnątrz bariery. Ponieważ energia zmagazynowana w barierze jest mniejsza niż energia zmagazynowana w regionie pozbawionym barier o tej samej długości z powodu niszczącej interferencji, opóźnienie grupowe w ucieczce energii z obszaru bariery jest krótsze niż w wolnej przestrzeni, co według Winfula jest wyjaśnieniem pozornego tunelowania superluminalnego.

Wielu autorów opublikowało artykuły kwestionujące twierdzenie Nimtza, że ​​jego eksperymenty naruszają przyczynowość Einsteina, a w literaturze jest wiele innych artykułów omawiających, dlaczego tunelowanie kwantowe nie jest uważane za naruszanie przyczynowości.

Został później zgłoszony przez Eckle et al. że tunelowanie cząstek rzeczywiście zachodzi w zerowym czasie rzeczywistym. W teście udział elektrony tunelowych, w których grupa Argumentowano do relatywistycznemu przewidywania dla czasu tunelowego należy 500-600 attosekund (e attosekunda jest quintillionth (10 ^-18 ) drugiego). Wszystko, co można było zmierzyć, to 24 attosekundy, co stanowi granicę dokładności testu. Znowu jednak inni fizycy uważają, że eksperymenty tunelowania, w których cząstki wydają się spędzać anomalnie krótki czas wewnątrz bariery, są w rzeczywistości w pełni zgodne z teorią względności, chociaż istnieje różnica zdań co do tego, czy wyjaśnienie obejmuje zmianę kształtu paczki fal, czy też inne efekty.

Porzuć (absolutną) względność

Ze względu na silne empiryczne poparcie dla szczególnej teorii względności , wszelkie jej modyfikacje muszą być z konieczności dość subtelne i trudne do zmierzenia. Najbardziej znaną próbą jest podwójnie szczególna teoria względności , która zakłada, że długość Plancka jest taka sama we wszystkich układach odniesienia i jest związana z pracą Giovanniego Amelino-Camelia i João Magueijo . Istnieją spekulatywne teorie, które twierdzą, że bezwładność jest wytwarzana przez łączną masę wszechświata (np . zasada Macha ), co sugeruje, że reszta układu wszechświata może być preferowana przez konwencjonalne pomiary prawa naturalnego. Jeśli zostanie to potwierdzone, oznaczałoby to, że szczególna teoria względności jest przybliżeniem do ogólniejszej teorii, ale ponieważ odpowiednie porównanie znajdowałoby się (z definicji) poza obserwowalnym wszechświatem , trudno wyobrazić sobie (o wiele mniej skonstruować) eksperymenty w celu sprawdzenia tej hipotezy. Pomimo tej trudności zaproponowano takie eksperymenty.

Zniekształcenie czasoprzestrzeni

Chociaż teoria szczególnej teorii względności zabrania obiektom posiadania prędkości względnej większej niż prędkość światła, a ogólna teoria względności sprowadza się do szczególnej teorii względności w sensie lokalnym (w małych obszarach czasoprzestrzeni, gdzie krzywizna jest znikoma), ogólna teoria względności dopuszcza przestrzeń między odległymi obiektami rozszerzać się w taki sposób, że mają „ prędkość recesji ”, która przekracza prędkość światła, i uważa się, że galaktyki znajdujące się w odległości ponad 14 miliardów lat świetlnych od nas mają dziś prędkość recesji, która jest szybszy niż światło. Miguel Alcubierre wysnuł teorię, że możliwe byłoby stworzenie napędu warp , w którym statek byłby zamknięty w „pęcherzyku warp”, w którym przestrzeń z przodu bańki gwałtownie się kurczy, a przestrzeń z tyłu gwałtownie się rozszerza. w rezultacie bańka może dotrzeć do odległego celu znacznie szybciej niż wiązka światła poruszająca się na zewnątrz bańki, ale bez obiektów wewnątrz bańki przemieszczających się lokalnie szybciej niż światło. Jednak kilka zarzutów podniesionych przeciwko napędowi Alcubierre wydaje się wykluczać możliwość rzeczywistego wykorzystania go w jakikolwiek praktyczny sposób. Inną możliwością przewidzianą przez ogólną teorię względności jest przejezdny tunel czasoprzestrzenny , który mógłby stworzyć skrót między dowolnie odległymi punktami w przestrzeni. Podobnie jak w przypadku napędu Alcubierre, podróżnicy poruszający się przez tunel czasoprzestrzenny nie poruszaliby się lokalnie szybciej niż światło przemieszczające się przez tunel czasoprzestrzenny obok nich, ale byliby w stanie dotrzeć do celu (i powrócić do miejsca początkowego) szybciej niż światło podróżujące poza tunelem czasoprzestrzennym.

Gerald Cleaver i Richard Obousy, profesor i student Uniwersytetu Baylor , wysunęli teorię, że manipulowanie dodatkowymi wymiarami przestrzennymi teorii strun wokół statku kosmicznego o niezwykle dużej ilości energii stworzy „bańkę”, która może spowodować, że statek będzie poruszał się szybciej niż prędkość światła. Fizycy uważają, że aby stworzyć tę bańkę, manipulowanie 10. wymiarem przestrzennym zmieniłoby ciemną energię w trzech dużych wymiarach przestrzennych: wysokości, szerokości i długości. Cleaver powiedział, że pozytywna ciemna energia jest obecnie odpowiedzialna za przyspieszenie tempa ekspansji naszego wszechświata w miarę upływu czasu.

Naruszenie symetrii Lorentza

Możliwość naruszenia symetrii Lorentza była poważnie rozważana w ciągu ostatnich dwóch dekad, szczególnie po opracowaniu realistycznej teorii pola efektywnego, która opisuje to możliwe naruszenie, tak zwanego rozszerzenia modelu standardowego . Te ogólne ramy umożliwiły eksperymentalne poszukiwania za pomocą eksperymentów z ultrawysokiej energii promieniowania kosmicznego oraz szerokiej gamy eksperymentów w grawitacji, elektronach, protonach, neutronach, neutrinach, mezonach i fotonach. Przerwanie rotacji i niezmienność impulsów powoduje w teorii zależność od kierunku, a także niekonwencjonalną zależność energetyczną, która wprowadza nowe efekty, w tym oscylacje neutrin naruszające Lorentza i modyfikacje relacji dyspersyjnych różnych gatunków cząstek, co w naturalny sposób może powodować, że cząstki poruszają się szybciej niż światło .

W niektórych modelach złamanej symetrii Lorentza postuluje się, że symetria jest nadal wbudowana w najbardziej fundamentalne prawa fizyki, ale spontaniczne złamanie symetrii niezmienności Lorentza krótko po Wielkim Wybuchu mogło pozostawić „pole reliktowe” w całym wszechświecie. powoduje, że cząstki zachowują się różnie w zależności od ich prędkości względem pola; jednak istnieją również modele, w których symetria Lorentza jest łamana w bardziej fundamentalny sposób. Jeśli symetria Lorentza może przestać być fundamentalną symetrią w skali Plancka lub w jakiejś innej fundamentalnej skali, można sobie wyobrazić, że ostatecznymi składnikami materii są cząstki o krytycznej prędkości różnej od prędkości światła.

W obecnych modelach naruszenia symetrii Lorentza oczekuje się, że parametry fenomenologiczne będą zależne od energii. Dlatego, jak powszechnie wiadomo, istniejące ograniczenia niskoenergetyczne nie mogą być stosowane do zjawisk wysokoenergetycznych; jednak wiele poszukiwań naruszenia Lorentza przy wysokich energiach zostało przeprowadzonych przy użyciu rozszerzenia modelu standardowego . Oczekuje się, że naruszenie symetrii Lorentza stanie się silniejsze w miarę zbliżania się do skali fundamentalnej.

Nadciekłe teorie próżni fizycznej

W tym podejściu fizyczna próżnia jest postrzegana jako nadciek kwantowy, który jest zasadniczo nierelatywistyczny, podczas gdy symetria Lorentza nie jest dokładną symetrią natury, ale raczej przybliżonym opisem obowiązującym tylko dla małych fluktuacji tła nadciekłego. W ramach tego podejścia zaproponowano teorię, w której przypuszcza się, że próżnia fizyczna jest kwantową cieczą Bosego, której funkcja falowa stanu podstawowego jest opisana logarytmicznym równaniem Schrödingera . Wykazano, że relatywistyczne oddziaływanie grawitacyjne powstaje jako mod wzbudzenia kolektywnego o małej amplitudzie , podczas gdy relatywistyczne cząstki elementarne można opisać modami cząstkowymi w granicy niskich pędów. Ważnym faktem jest to, że przy bardzo dużych prędkościach zachowanie modów cząsteczkowych staje się odmienne od relatywistycznego - mogą one osiągnąć prędkość graniczną światła przy skończonej energii; ponadto propagacja szybsza niż światło jest możliwa bez wymagania, aby poruszające się obiekty miały wyobrażoną masę .

Wyniki lotu neutrin FTL

Eksperyment MINOS

W 2007 roku współpraca MINOS przedstawiła wyniki pomiaru czasu lotu neutrin o energii 3 GeV, dające prędkość przekraczającą prędkość światła o istotność 1,8 sigma. Jednak pomiary te uznano za statystycznie spójne z neutrinami poruszającymi się z prędkością światła. Po modernizacji detektorów dla projektu w 2012 r. MINOS skorygował ich początkowy wynik i znalazł zgodność z prędkością światła. Przeprowadzone zostaną dalsze pomiary.

Anomalia neutrin OPERA

22 września 2011 r. wstępny wydruk z OPERA Collaboration wykazał wykrycie neutrin mionowych 17 i 28 GeV, wysłanych 730 kilometrów (454 mil) z CERN pod Genewą w Szwajcarii do Narodowego Laboratorium Gran Sasso we Włoszech, podróżując szybciej niż światło przez względna kwota2,48 x 10 ^-5 (około 1 na 40000), statystyka 6,0-sigma znaczenia. W dniu 17 listopada 2011 r. drugi eksperyment kontrolny przeprowadzony przez naukowców OPERA potwierdził ich wstępne wyniki. Jednak naukowcy byli sceptycznie nastawieni do wyników tych eksperymentów, których znaczenie było kwestionowane. W marcu 2012 r. współpraca z ICARUS nie zdołała odtworzyć wyników OPERA za pomocą ich sprzętu, wykrywając czas podróży neutrin z CERN do Narodowego Laboratorium Gran Sasso nie do odróżnienia od prędkości światła. Później zespół OPERA zgłosił dwie wady w konfiguracji sprzętu, które spowodowały błędy znacznie wykraczające poza pierwotny przedział ufności : nieprawidłowo podłączony kabel światłowodowy , co spowodowało pozornie szybsze pomiary niż światło, oraz zbyt szybkie tykanie oscylatora zegara.

Tachiony

W szczególnej teorii względności, to jest niemożliwe do przyspieszenia obiektu do prędkości światła, lub za masywny obiekt, aby przenieść się z prędkością światła. Jednak może istnieć możliwość istnienia obiektu, który zawsze porusza się szybciej niż światło. Hipotetyczne cząstki elementarne o tej właściwości nazywane są tachionami lub cząstkami tachionowymi. Próby ich kwantyzacji nie doprowadziły do ​​wytworzenia cząstek szybszych od światła, a zamiast tego pokazały, że ich obecność prowadzi do niestabilności.

Różni teoretycy sugerowali, że neutrino może mieć naturę tachioniczną, podczas gdy inni kwestionowali taką możliwość.

Ogólna teoria względności

Ogólna teoria względności została opracowana po szczególnej teorii względności, aby uwzględnić pojęcia takie jak grawitacja . Utrzymuje zasadę, że żaden obiekt nie może przyspieszyć do prędkości światła w układzie odniesienia dowolnego przypadkowego obserwatora. Pozwala jednak na zniekształcenia czasoprzestrzeni, które pozwalają obiektowi poruszać się szybciej niż światło z punktu widzenia odległego obserwatora. Jednym z takich zniekształceń jest napęd Alcubierre'a , o którym można myśleć, że wytwarza falę w czasoprzestrzeni, która niesie ze sobą obiekt. Innym możliwym systemem jest tunel czasoprzestrzenny , który jak skrótem łączy dwie odległe lokacje. Oba zniekształcenia musiałyby stworzyć bardzo silną krzywiznę w wysoce zlokalizowanym regionie czasoprzestrzeni, a ich pola grawitacyjne byłyby ogromne. Aby przeciwdziałać niestabilnej naturze i zapobiec załamywaniu się zniekształceń pod własnym „ciężarem”, należałoby wprowadzić hipotetyczną materię egzotyczną lub negatywną energię.

Ogólna teoria względności uznaje również, że wszelkie środki umożliwiające podróżowanie szybciej niż światło mogą być również wykorzystywane do podróży w czasie . Rodzi to problemy z przyczynowością . Wielu fizyków uważa, że ​​powyższe zjawiska są niemożliwe i że przyszłe teorie grawitacji je zabronią. Jedna z teorii głosi, że stabilne tunele czasoprzestrzenne są możliwe, ale każda próba wykorzystania sieci tuneli czasoprzestrzennych do naruszenia przyczynowości doprowadziłaby do ich rozpadu. W teorii strun Eric G. Gimon i Petr Hořava twierdzili, że w supersymetrycznym pięciowymiarowym wszechświecie Gödla , poprawki kwantowe do ogólnej teorii względności skutecznie odcinają regiony czasoprzestrzeni z krzywymi zamkniętymi w czasie, które naruszają przyczynowość. W szczególności w teorii kwantowej występuje rozmazana supertuba, która przecina czasoprzestrzeń w taki sposób, że chociaż w pełnej czasoprzestrzeni przeszła przez każdy punkt zamknięta krzywa przypominająca czas, nie ma pełnych krzywych w obszarze wewnętrznym ograniczonym przez rurę.

W fikcji i kulturze popularnej

Podróże FTL to powszechny trop w science fiction .

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

• Falla, DF; Floyd, MJ (2002). „Nadświetlny ruch w astronomii”. Europejski Czasopismo Fizyki . 23 (1): 69–81. Kod bib : 2002EJPh...23...69F . doi : 10.1088/0143-0807/23/1/310 .
• Kaku, Michio (2008). "Szybszy niż światło". Fizyka Niemożliwego . Allen Lane . s. 197–215. Numer ISBN 978-0-7139-9992-1.
• Nimtz, Günter (2008). Zerowa przestrzeń czasowa . Wiley-VCH . Numer ISBN 978-3-527-40735-4.
• Cramer, JG (2009). „Szybsze niż światło implikacje splątania kwantowego i nielokalności”. W Millis, MG; i in. (wyd.). Granice nauki o napędzie . Amerykański Instytut Aeronautyki i Astronautyki . s. 509-529. Numer ISBN 978-1-56347-956-4.

Zewnętrzne linki

• Pomiar prędkości neutrin detektorem OPERA w wiązce CNGS
• Encyklopedia fizyki i technologii laserowej na temat „transmisji nadświetlnej” , zawierająca więcej szczegółów na temat prędkości fazowej i grupowej oraz przyczynowości
• Markus Pössel: Szybsze niż światło (FTL) prędkości w eksperymentach tunelowania: bibliografia z adnotacjami
• Alcubierre, Miguel; Napęd warp: hiperszybka podróż w ramach ogólnej teorii względności , klasycznej i kwantowej grawitacji 11 (1994), L73–L77
• Usystematyzowany obraz propagacji fali superluminalnej
• Często zadawane pytania dotyczące teorii względności i podróży FTL
• FAQ Fizyki Usenetu: czy możliwe jest podróżowanie lub komunikacja FTL?
• Względność, FTL i przyczynowość
• Yan, Kun (2006). „Tendencja równania analityczne stabilnych nuklidów i nadświetlne prawa ruchu prędkości materii w geoprzestrzeni”. Postęp w geofizyce . 21 : 38. Kod bib : 2006PrGeo..21...38Y .
• Glasser, Ryan T. (2012). „Stymulowane generowanie superluminalnych impulsów świetlnych poprzez mieszanie czterofalowe”. Fizyczne listy kontrolne . 108 (17): 173902. arXiv : 1204.0810 . Kod bib : 2012PhRvL.108q3902G . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.173902 . PMID  22680868 . S2CID  46458102 .
• Stożkowe i paraboloidalne superluminalne akceleratory cząstek
• Względność i FTL (=ruch superluminalny) Strona główna podróży