A viagem superluminal é uma das bases da ficção científica espacial. No entanto, provavelmente todos - mesmo pessoas longe da física - sabem que a velocidade máxima possível de movimento de objetos materiais ou de propagação de quaisquer sinais é a velocidade da luz no vácuo. É denotado pela letra c e tem quase 300 mil quilômetros por segundo; o valor exato é c = 299 792 458 m / s.
A velocidade da luz no vácuo é uma das constantes físicas fundamentais. A impossibilidade de atingir velocidades superiores a c decorre da teoria da relatividade especial de Einstein (SRT). Se fosse possível provar que os sinais podem ser transmitidos em velocidades superluminais, a teoria da relatividade cairia. Até agora, isso não aconteceu, apesar das inúmeras tentativas de refutar a proibição da existência de velocidades superiores a c. No entanto, em estudos experimentais recentes, alguns fenômenos muito interessantes foram descobertos, indicando que sob condições especialmente criadas, as velocidades superluminais podem ser observadas sem violar os princípios da teoria da relatividade.
Para começar, vamos relembrar os principais aspectos relacionados ao problema da velocidade da luz.
Em primeiro lugar: por que é impossível (em condições normais) exceder o limite de luz? Porque então a lei fundamental do nosso mundo é violada - a lei da causalidade, segundo a qual o efeito não pode superar a causa. Ninguém jamais assistiu, por exemplo, primeiro um urso cair morto e depois um caçador atirar. Em velocidades que excedem s, a seqüência de eventos é revertida, a fita do tempo é rebobinada. Isso é fácil de verificar a partir do seguinte raciocínio simples.
Vamos supor que estejamos em algum tipo de nave milagrosa espacial, movendo-se mais rápido que a luz. Então, gradualmente alcançamos a luz emitida pela fonte em pontos cada vez mais antigos no tempo. Primeiro, alcançaríamos os fótons emitidos, digamos, ontem, depois os emitidos antes de ontem, a seguir uma semana, um mês, um ano atrás e assim por diante. Se a fonte de luz fosse um espelho refletindo a vida, veríamos primeiro os eventos de ontem, depois de anteontem e assim por diante. Poderíamos ver, digamos, um velho que gradualmente se transforma em um homem de meia-idade, depois em um jovem, em um jovem, em uma criança … Ou seja, o tempo voltaria, nós passaríamos do presente para o passado. As causas e efeitos seriam revertidos.
Embora esse raciocínio ignore completamente os detalhes técnicos do processo de observação da luz, de um ponto de vista fundamental, ele demonstra claramente que o movimento com velocidade superluminal leva a uma situação impossível em nosso mundo. No entanto, a natureza impôs condições ainda mais rigorosas: é inatingível mover-se não apenas com velocidade superluminal, mas também com velocidade igual à velocidade da luz - você só pode se aproximar dela. Da teoria da relatividade segue-se que, com um aumento na velocidade do movimento, surgem três circunstâncias: a massa de um objeto em movimento aumenta, seu tamanho diminui na direção do movimento e o fluxo do tempo neste objeto diminui (do ponto de vista de um observador externo em "repouso"). Em velocidades normais, essas mudanças são insignificantes, mas à medida que se aproximam da velocidade da luz, elas se tornam mais perceptíveis,e no limite - a uma velocidade igual a c - a massa torna-se infinitamente grande, o objeto perde completamente seu tamanho na direção do movimento e o tempo para nele. Portanto, nenhum corpo material pode atingir a velocidade da luz. Só a própria luz tem essa velocidade! (E também a partícula que "permeia tudo" - neutrino, que, como um fóton, não pode se mover a uma velocidade inferior a s.)
Agora sobre a velocidade de transmissão do sinal. É apropriado aqui usar a representação da luz na forma de ondas eletromagnéticas. O que é um sinal? Este é algum tipo de informação a ser transmitida. Uma onda eletromagnética ideal é uma sinusóide infinita de apenas uma frequência e não pode transportar nenhuma informação, porque cada período de tal sinusóide repete exatamente o anterior. A velocidade de movimento da fase de uma onda senoidal - a chamada velocidade de fase - pode em um meio, sob certas condições, exceder a velocidade da luz no vácuo. Não há restrições aqui, já que a velocidade da fase não é a velocidade do sinal - ainda não está lá. Para criar um sinal, você precisa fazer algum tipo de "marca" na onda. Essa marca pode ser, por exemplo, uma mudança em qualquer um dos parâmetros da onda - amplitude, frequência ou fase inicial. Mas uma vez que a marca é feita,a onda perde sinusoidalidade. Torna-se modulado, consistindo em um conjunto de ondas senoidais simples com diferentes amplitudes, frequências e fases iniciais - um grupo de ondas. A velocidade com que a marca se move na onda modulada é a velocidade do sinal. Ao se propagar em um meio, essa velocidade geralmente coincide com a velocidade do grupo, o que caracteriza a propagação do grupo de ondas acima mencionado como um todo (ver Science and Life No. 2, 2000). Em condições normais, a velocidade do grupo e, portanto, a velocidade do sinal, é menor que a velocidade da luz no vácuo. Não é por acaso que se utiliza a expressão "em condições normais", pois em alguns casos a velocidade do grupo também pode ultrapassar c ou mesmo perder o sentido, mas aí não se aplica à propagação do sinal. No SRT é estabelecido que é impossível transmitir um sinal com velocidade maior que s. Torna-se modulado, consistindo em um conjunto de ondas senoidais simples com diferentes amplitudes, frequências e fases iniciais - um grupo de ondas. A velocidade com que a marca se move na onda modulada é a velocidade do sinal. Ao se propagar em um meio, essa velocidade geralmente coincide com a velocidade do grupo, o que caracteriza a propagação do grupo de ondas acima mencionado como um todo (ver Science and Life No. 2, 2000). Em condições normais, a velocidade do grupo e, portanto, a velocidade do sinal, é menor que a velocidade da luz no vácuo. Não é por acaso que se utiliza a expressão "em condições normais", pois em alguns casos a velocidade do grupo também pode ultrapassar c ou mesmo perder o sentido, mas aí não se aplica à propagação do sinal. No SRT é estabelecido que é impossível transmitir um sinal com velocidade maior que s. Torna-se modulado, consistindo em um conjunto de ondas senoidais simples com diferentes amplitudes, frequências e fases iniciais - um grupo de ondas. A velocidade com que a marca se move na onda modulada é a velocidade do sinal. Ao se propagar em um meio, essa velocidade geralmente coincide com a velocidade do grupo, o que caracteriza a propagação do grupo de ondas acima mencionado como um todo (ver Science and Life No. 2, 2000). Em condições normais, a velocidade do grupo e, portanto, a velocidade do sinal, é menor que a velocidade da luz no vácuo. Não é por acaso que se utiliza a expressão "em condições normais", pois em alguns casos a velocidade do grupo também pode ultrapassar c ou até perder o sentido, mas aí não se aplica à propagação do sinal. No SRT é estabelecido que é impossível transmitir um sinal com velocidade maior que s.consiste em um conjunto de ondas senoidais simples com diferentes amplitudes, frequências e fases iniciais - um grupo de ondas. A velocidade com que a marca se move na onda modulada é a velocidade do sinal. Ao se propagar em um meio, essa velocidade geralmente coincide com a velocidade do grupo, o que caracteriza a propagação do grupo de ondas acima mencionado como um todo (ver Science and Life No. 2, 2000). Em condições normais, a velocidade do grupo e, portanto, a velocidade do sinal, é menor que a velocidade da luz no vácuo. Não é por acaso que se utiliza a expressão "em condições normais", pois em alguns casos a velocidade do grupo pode ultrapassar c ou até perder o sentido, mas aí não se aplica à propagação do sinal. No SRT é estabelecido que é impossível transmitir um sinal com velocidade maior que s.consiste em um conjunto de ondas senoidais simples com diferentes amplitudes, frequências e fases iniciais - um grupo de ondas. A velocidade com que a marca se move na onda modulada é a velocidade do sinal. Ao se propagar em um meio, essa velocidade geralmente coincide com a velocidade do grupo, o que caracteriza a propagação do grupo de ondas acima mencionado como um todo (ver Science and Life No. 2, 2000). Em condições normais, a velocidade do grupo e, portanto, a velocidade do sinal, é menor que a velocidade da luz no vácuo. Não é por acaso que se utiliza a expressão "em condições normais", pois em alguns casos a velocidade do grupo pode ultrapassar c ou até perder o sentido, mas aí não se aplica à propagação do sinal. No SRT é estabelecido que é impossível transmitir um sinal com velocidade maior que s.frequências e fases iniciais - grupos de ondas. A velocidade com que a marca se move na onda modulada é a velocidade do sinal. Quando se propaga em um meio, essa velocidade geralmente coincide com a velocidade do grupo, que caracteriza a propagação do grupo de ondas acima mencionado como um todo (ver Ciência e Vida, nº 2, 2000). Em condições normais, a velocidade do grupo e, portanto, a velocidade do sinal, é menor que a velocidade da luz no vácuo. Não é por acaso que se utiliza a expressão "em condições normais", pois em alguns casos a velocidade do grupo também pode ultrapassar c ou mesmo perder o sentido, mas aí não se aplica à propagação do sinal. No SRT é estabelecido que é impossível transmitir um sinal com velocidade maior que s.frequências e fases iniciais - grupos de ondas. A velocidade com que a marca se move na onda modulada é a velocidade do sinal. Ao se propagar em um meio, essa velocidade geralmente coincide com a velocidade do grupo, o que caracteriza a propagação do grupo de ondas acima mencionado como um todo (ver Science and Life No. 2, 2000). Em condições normais, a velocidade do grupo e, portanto, a velocidade do sinal, é menor que a velocidade da luz no vácuo. Não é por acaso que se utiliza a expressão "em condições normais", pois em alguns casos a velocidade do grupo também pode ultrapassar c ou até perder o sentido, mas aí não se aplica à propagação do sinal. No SRT é estabelecido que é impossível transmitir um sinal com velocidade maior que s. Ao se propagar em um meio, essa velocidade geralmente coincide com a velocidade do grupo, o que caracteriza a propagação do grupo de ondas acima mencionado como um todo (ver Science and Life No. 2, 2000). Em condições normais, a velocidade do grupo e, portanto, a velocidade do sinal, é menor que a velocidade da luz no vácuo. Não é por acaso que se utiliza a expressão "em condições normais", pois em alguns casos a velocidade do grupo também pode ultrapassar c ou até perder o sentido, mas aí não se aplica à propagação do sinal. No SRT é estabelecido que é impossível transmitir um sinal com velocidade maior que s. Ao se propagar em um meio, essa velocidade geralmente coincide com a velocidade do grupo, o que caracteriza a propagação do grupo de ondas acima mencionado como um todo (ver Science and Life No. 2, 2000). Em condições normais, a velocidade do grupo e, portanto, a velocidade do sinal, é menor que a velocidade da luz no vácuo. Não é por acaso que se utiliza a expressão "em condições normais", pois em alguns casos a velocidade do grupo também pode ultrapassar c ou até perder o sentido, mas aí não se aplica à propagação do sinal. No SRT é estabelecido que é impossível transmitir um sinal com velocidade maior que s. Não é por acaso que se utiliza a expressão "em condições normais", pois em alguns casos a velocidade do grupo também pode ultrapassar c ou mesmo perder o sentido, mas aí não se aplica à propagação do sinal. No SRT é estabelecido que é impossível transmitir um sinal com velocidade maior que s. Não é por acaso que se utiliza a expressão "em condições normais", pois em alguns casos a velocidade do grupo também pode ultrapassar c ou mesmo perder o sentido, mas aí não se aplica à propagação do sinal. No SRT é estabelecido que é impossível transmitir um sinal com velocidade maior que s.
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Porque isto é assim? Porque a mesma lei de causalidade serve de obstáculo à transmissão de qualquer sinal com velocidade superior a c. Vamos imaginar a seguinte situação. Em algum ponto A, um flash de luz (evento 1) acende um dispositivo que envia um determinado sinal de rádio, e em um ponto remoto B, ocorre uma explosão sob a ação desse sinal de rádio (evento 2). É claro que o evento 1 (flash) é uma causa e o evento 2 (explosão) é uma consequência que ocorre depois da causa. Mas se o sinal de rádio se propagasse a uma velocidade superluminal, um observador próximo ao ponto B veria primeiro uma explosão, e só então - um flash que o atingiu na velocidade de um flash de luz, a causa da explosão. Em outras palavras, para este observador, o evento 2 ocorreria antes do evento 1, ou seja, o efeito estaria à frente da causa.
É apropriado enfatizar que a "proibição superluminal" da teoria da relatividade é imposta apenas ao movimento dos corpos materiais e à transmissão de sinais. Em muitas situações, o movimento em qualquer velocidade é possível, mas não será o movimento de objetos materiais ou sinais. Por exemplo, imagine duas réguas razoavelmente longas no mesmo plano, uma das quais é horizontal e a outra a cruza em um pequeno ângulo. Se a primeira régua for movida para baixo (na direção indicada pela seta) em alta velocidade, o ponto de intersecção das réguas pode ser executado o mais rápido que você quiser, mas esse ponto não é um corpo material. Outro exemplo: se você pegar uma lanterna (ou, digamos, um laser que fornece um feixe estreito) e descrever rapidamente um arco no ar, então a velocidade linear do ponto de luz aumentará com a distância e a uma distância suficientemente grande excederá c. O ponto de luz se moverá entre os pontos A e B a uma velocidade superluminal, mas isso não será uma transmissão de sinal de A para B, uma vez que tal ponto de luz não carrega nenhuma informação sobre o ponto A.
Parece que a questão das velocidades superluminais foi resolvida. Mas na década de 60 do século XX, os físicos teóricos propuseram a hipótese da existência de partículas superluminais chamadas taquions. São partículas muito estranhas: teoricamente são possíveis, mas para evitar contradições com a teoria da relatividade, elas tiveram que atribuir uma massa de repouso imaginária. Massa fisicamente imaginária não existe, é uma abstração puramente matemática. No entanto, isso não causou muito alarme, uma vez que os tachyons não podem estar em repouso - eles existem (se existirem!) Apenas a velocidades que excedem a velocidade da luz no vácuo e, neste caso, a massa do tachyon acaba sendo real. Há alguma analogia aqui com os fótons: um fóton tem massa em repouso zero, mas isso significa simplesmente que um fóton não pode estar em repouso - a luz não pode ser parada.
O mais difícil, como esperado, era reconciliar a hipótese do tachyon com a lei da causalidade. As tentativas nessa direção, embora fossem bastante engenhosas, não levaram a um sucesso óbvio. Ninguém conseguiu registrar tachyons experimentalmente também. Como resultado, o interesse pelos táquions como partículas elementares superluminais gradualmente desapareceu.
No entanto, na década de 60, foi descoberto experimentalmente um fenômeno que inicialmente confundiu os físicos. Isto é descrito em detalhes no artigo de A. N. Oraevsky "Superluminal waves in amplifying media" (Phys. Phys. No. 12, 1998). Aqui faremos um breve resumo do assunto, referindo o leitor interessado em detalhes ao artigo especificado.
Logo após a descoberta dos lasers - no início dos anos 60 - surgiu o problema de se obter pulsos de luz de alta potência curtos (cerca de 1 ns = 10-9 s). Para isso, um curto pulso de laser foi passado por um amplificador quântico óptico. O pulso foi dividido em duas partes por um espelho divisor de feixe. Um deles, mais potente, era enviado para o amplificador, enquanto o outro se propagava no ar e servia como pulso de referência com o qual se podia comparar o pulso que passava pelo amplificador. Ambos os pulsos foram alimentados para fotodetectores, e seus sinais de saída puderam ser observados visualmente na tela do osciloscópio. Esperava-se que o pulso de luz que passa pelo amplificador sofresse certo atraso em relação ao pulso de referência, ou seja, a velocidade de propagação da luz no amplificador seria menor que no ar. Imagine a surpresa dos pesquisadores quando descobriram que o pulso se propagava através do amplificador a uma velocidade não apenas maior do que no ar, mas também ultrapassando a velocidade da luz no vácuo várias vezes!
Tendo se recuperado do primeiro choque, os físicos começaram a procurar o motivo de um resultado tão inesperado. Ninguém tinha a menor dúvida sobre os princípios da teoria da relatividade especial, e é isso que ajudou a encontrar a explicação correta: se os princípios da relatividade especial são preservados, então a resposta deve ser buscada nas propriedades do meio amplificador.
Sem entrar em detalhes aqui, apenas apontamos que uma análise detalhada do mecanismo de ação do meio amplificador esclareceu completamente a situação. A matéria consistia em uma mudança na concentração de fótons durante a propagação do pulso - uma mudança devido a uma mudança no ganho do meio até um valor negativo durante a passagem da parte traseira do pulso, quando o meio já absorve energia, porque sua própria reserva já foi gasta devido à sua transmissão para o pulso de luz. A absorção não causa amplificação, mas enfraquecimento do impulso e, assim, o impulso é intensificado na frente e enfraquecido atrás. Vamos imaginar que estamos observando um pulso com a ajuda de um dispositivo se movendo à velocidade da luz em um meio amplificador. Se o meio fosse transparente, veríamos o impulso congelado na imobilidade. No ambiente,em que o processo mencionado acima ocorre, a amplificação da borda anterior e o enfraquecimento da borda posterior do pulso aparecerão para o observador de tal maneira que o médium, por assim dizer, moveu o pulso para frente. Mas, uma vez que o dispositivo (observador) se move na velocidade da luz, e o pulso o alcança, então a velocidade do pulso excede a velocidade da luz! É esse efeito que foi registrado pelos experimentadores. E aqui realmente não há contradição com a teoria da relatividade: apenas o processo de amplificação é tal que a concentração de fótons que saiu antes acaba sendo maior do que aquela que saiu depois. Não são os fótons que se movem com velocidade superluminal, mas o envelope de pulso, em particular, seu máximo, que é observado no osciloscópio. Mas, uma vez que o dispositivo (observador) se move na velocidade da luz, e o pulso o alcança, então a velocidade do pulso excede a velocidade da luz! É esse efeito que foi registrado pelos experimentadores. E aqui realmente não há contradição com a teoria da relatividade: apenas o processo de amplificação é tal que a concentração de fótons que saiu antes acaba sendo maior do que aquela que saiu depois. Não são os fótons que se movem com velocidade superluminal, mas o envelope de pulso, em particular, seu máximo, que é observado no osciloscópio. Mas, uma vez que o dispositivo (observador) se move na velocidade da luz, e o pulso o alcança, então a velocidade do pulso excede a velocidade da luz! É esse efeito que foi registrado pelos experimentadores. E aqui realmente não há contradição com a teoria da relatividade: apenas o processo de amplificação é tal que a concentração de fótons que saiu antes acaba sendo maior do que aquela que saiu depois. Não são os fótons que se movem com velocidade superluminal, mas o envelope de pulso, em particular, seu máximo, que é observado no osciloscópio. Não são os fótons que se movem com velocidade superluminal, mas o envelope de pulso, em particular, seu máximo, que é observado no osciloscópio. Não são os fótons que se movem com velocidade superluminal, mas o envelope de pulso, em particular, seu máximo, que é observado no osciloscópio.
Assim, enquanto nos meios comuns sempre há uma atenuação da luz e uma diminuição em sua velocidade, determinada pelo índice de refração, nos meios laser ativos, não apenas a amplificação da luz é observada, mas também a propagação do pulso com velocidade superluminal.
Alguns físicos tentaram provar experimentalmente a existência de movimento superluminal no efeito de tunelamento - um dos fenômenos mais surpreendentes da mecânica quântica. Esse efeito consiste no fato de uma micropartícula (mais precisamente, um microobjeto, exibindo tanto as propriedades de uma partícula quanto as propriedades de uma onda sob diferentes condições) ser capaz de penetrar na chamada barreira de potencial - fenômeno completamente impossível na mecânica clássica (em que o análogo seria tal situação: Uma bola lançada na parede seria do outro lado da parede, ou o movimento ondulante transmitido à corda amarrada à parede seria transmitido à corda amarrada à parede do outro lado). A essência do efeito de tunelamento na mecânica quântica é a seguinte. Se um micro-objeto com uma certa energia encontra uma área com energia potencial em seu caminho,excedendo a energia do micro-objeto, esta área é para ele uma barreira, cuja altura é determinada pela diferença de energia. Mas o micro-objeto "penetra" pela barreira! Essa possibilidade é dada a ele pela conhecida relação de incerteza de Heisenberg, escrita para a energia e o tempo de interação. Se a interação do micro-objeto com a barreira ocorre por um tempo suficientemente definido, então a energia do micro-objeto será, ao contrário, caracterizada pela incerteza, e se essa incerteza for da ordem da altura da barreira, então esta deixa de ser um obstáculo intransponível para o micro-objeto. Aqui, a velocidade de penetração através de uma barreira potencial tornou-se objeto de pesquisa por vários físicos, que acreditam que pode ultrapassar s. Mas o micro-objeto "penetra" pela barreira! Essa possibilidade é dada a ele pela conhecida relação de incerteza de Heisenberg, escrita para a energia e o tempo de interação. Se a interação do micro-objeto com a barreira ocorre por um tempo suficientemente definido, então a energia do micro-objeto será, ao contrário, caracterizada pela incerteza, e se essa incerteza for da ordem da altura da barreira, então esta deixa de ser um obstáculo intransponível para o micro-objeto. Aqui, a velocidade de penetração através de uma barreira potencial tornou-se objeto de pesquisa por vários físicos, que acreditam que pode ultrapassar s. Mas o micro-objeto "penetra" pela barreira! Essa possibilidade é dada a ele pela conhecida relação de incerteza de Heisenberg, escrita para a energia e o tempo de interação. Se a interação do micro-objeto com a barreira ocorre por um tempo suficientemente definido, então a energia do micro-objeto será, ao contrário, caracterizada pela incerteza, e se essa incerteza for da ordem da altura da barreira, então esta deixa de ser um obstáculo intransponível para o micro-objeto. Aqui, a velocidade de penetração através de uma barreira potencial tornou-se objeto de pesquisa por vários físicos, que acreditam que pode ultrapassar s. Se a interação do micro-objeto com a barreira ocorre por um tempo suficientemente definido, então a energia do micro-objeto será, ao contrário, caracterizada pela incerteza, e se essa incerteza for da ordem da altura da barreira, então esta deixa de ser um obstáculo intransponível para o micro-objeto. Aqui, a velocidade de penetração através de uma barreira potencial tornou-se objeto de pesquisa por vários físicos, que acreditam que pode ultrapassar s. Se a interação do micro-objeto com a barreira ocorre por um tempo suficientemente definido, então a energia do micro-objeto será, ao contrário, caracterizada pela incerteza, e se essa incerteza for da ordem da altura da barreira, então esta deixa de ser um obstáculo intransponível para o micro-objeto. Aqui, a velocidade de penetração através de uma barreira potencial tornou-se objeto de pesquisa por vários físicos, que acreditam que pode ultrapassar s.
Em junho de 1998, um simpósio internacional sobre problemas de FTL aconteceu em Colônia, onde os resultados obtidos em quatro laboratórios foram discutidos - em Berkeley, Viena, Colônia e Florença.
E, finalmente, em 2000, houve relatos de dois novos experimentos nos quais apareceram os efeitos da propagação superluminal. Um deles foi realizado por Lijun Wong e colegas de trabalho de um instituto de pesquisa em Princeton (EUA). O resultado é que o pulso de luz que entra na câmara cheia de vapor de césio aumenta sua velocidade 300 vezes. Descobriu-se que a parte principal do pulso sai da parede oposta da câmara ainda mais cedo do que o pulso entra na câmara pela parede frontal. Essa situação contradiz não apenas o bom senso, mas, em essência, a teoria da relatividade.
A mensagem de L. Wong provocou intensa discussão entre os físicos, muitos dos quais não estão inclinados a ver nos resultados obtidos uma violação dos princípios da relatividade. O desafio, eles acreditam, é explicar corretamente esta experiência.
No experimento de L. Wong, o pulso de luz entrando na câmara com vapor de césio teve uma duração de cerca de 3 μs. Os átomos de césio podem estar em dezesseis estados mecânicos quânticos possíveis, chamados de "subníveis de estado fundamental hiperfino magnético". Com a ajuda do bombeamento de laser óptico, quase todos os átomos foram colocados em apenas um desses dezesseis estados, correspondendo a temperatura quase zero absoluta na escala Kelvin (-273,15 ° C). A câmara de césio tinha 6 centímetros de comprimento. No vácuo, a luz viaja 6 centímetros em 0,2 ns. As medições mostraram que o pulso de luz passou pela câmara com césio em menos 62 ns do que no vácuo. Em outras palavras, o tempo de trânsito do pulso pelo meio de césio tem um sinal negativo! Na verdade, se 62 ns for subtraído de 0,2 ns, teremos um tempo "negativo". Este "atraso negativo" no meio - um salto de tempo incompreensível - é igual ao tempo durante o qual o pulso teria feito 310 passagens através da câmara no vácuo. A conseqüência dessa "reviravolta temporária" foi que o impulso que saiu da câmara teve tempo de se afastar 19 metros antes que o impulso de entrada atingisse a parede próxima da câmara. Como pode uma situação tão incrível ser explicada (se, é claro, não há dúvida sobre a pureza do experimento)?não duvidar da pureza do experimento)?não duvidar da pureza do experimento)?
A julgar pelo desdobramento da discussão, uma explicação exata ainda não foi encontrada, mas não há dúvida de que as propriedades de dispersão incomuns do meio desempenham um papel aqui: os vapores de césio, consistindo de átomos excitados por luz laser, são um meio com dispersão anômala. Vamos relembrar brevemente o que é.
A dispersão de uma substância é a dependência do índice de refração n da fase (convencional) no comprimento de onda da luz l. Com a dispersão normal, o índice de refração aumenta com a diminuição do comprimento de onda, e isso ocorre em vidro, água, ar e todas as outras substâncias transparentes à luz. Em substâncias que absorvem luz fortemente, o curso do índice de refração muda para o oposto com uma mudança no comprimento de onda e se torna muito mais acentuado: com uma diminuição em l (um aumento na frequência w), o índice de refração diminui drasticamente e em uma certa região de comprimentos de onda torna-se menor que a unidade (a velocidade de fase Vph> s) Esta é a dispersão anômala, na qual o quadro da propagação da luz na matéria muda radicalmente. A velocidade do grupo Vgr torna-se maior do que a velocidade da fase das ondas e pode exceder a velocidade da luz no vácuo (e também se tornar negativa). EU. Wong aponta essa circunstância como a razão subjacente à possibilidade de explicar os resultados de seu experimento. Deve-se notar, entretanto, que a condição Vgr> c é puramente formal, uma vez que o conceito de velocidade de grupo foi introduzido para o caso de baixa dispersão (normal), para meios transparentes, quando um grupo de ondas quase não muda de forma durante a propagação. Em regiões de dispersão anômala, por outro lado, o pulso de luz se deforma rapidamente e o conceito de velocidade de grupo perde o sentido; neste caso, são introduzidos os conceitos de velocidade do sinal e velocidade de propagação da energia, que nos meios transparentes coincidem com a velocidade do grupo, e nos meios com absorção permanecem menores que a velocidade da luz no vácuo. Mas eis o que é interessante no experimento de Wong: um pulso de luz, tendo passado por um meio com dispersão anômala, não está deformado - ele exatamente retém sua forma!E isso corresponde à suposição sobre a propagação do pulso com a velocidade do grupo. Mas se for assim, então acontece que não há absorção no meio, embora a dispersão anômala do meio seja devida precisamente à absorção! O próprio Wong, admitindo que muito ainda não está claro, acredita que o que está acontecendo em sua configuração experimental pode, em uma primeira aproximação, ser claramente explicado como segue.
Um pulso de luz consiste em muitos componentes com diferentes comprimentos de onda (frequências). A figura mostra três desses componentes (ondas 1-3). Em algum ponto, todas as três ondas estão em fase (seus máximos coincidem); aqui eles, somando, reforçam-se mutuamente e formam um impulso. À medida que as ondas se propagam no espaço, elas ficam fora de fase e, portanto, "se extinguem".
Na região de dispersão anômala (dentro da célula de césio), a onda que era mais curta (onda 1) torna-se mais longa. Por outro lado, a onda que era a mais longa das três (onda 3) se torna a mais curta.
Consequentemente, as fases das ondas mudam de acordo. Quando as ondas passam pela célula de césio, suas frentes de onda são restauradas. Tendo sofrido uma modulação de fase incomum em uma substância com dispersão anômala, as três ondas em consideração estão novamente em fase em um determinado ponto. Aqui eles se dobram novamente e formam um pulso exatamente da mesma forma que entram no meio de césio.
Normalmente no ar e em praticamente qualquer meio transparente com dispersão normal, um pulso de luz não pode manter sua forma com precisão ao se propagar a uma distância distante, ou seja, todos os seus componentes não podem ser faseados em qualquer ponto distante ao longo do caminho de propagação. E em condições normais, um pulso de luz em um ponto tão distante aparece depois de algum tempo. No entanto, devido às propriedades anômalas do meio usado no experimento, o pulso em um ponto distante acabou por ser faseado da mesma maneira que ao entrar neste meio. Assim, o pulso de luz se comporta como se tivesse um retardo de tempo negativo em seu caminho para um ponto distante, ou seja, ele chegaria a ele não mais tarde, mas antes do que passou pelo ambiente!
A maioria dos físicos está inclinada a associar esse resultado ao aparecimento de um precursor de baixa intensidade no meio dispersivo da câmara. O fato é que, na decomposição espectral de um pulso, o espectro contém componentes de frequências arbitrariamente altas com amplitude desprezível, o chamado precursor que vai além da "parte principal" do pulso. A natureza do estabelecimento e a forma do precursor dependem da lei de dispersão no meio. Com isso em mente, a sequência de eventos no experimento de Wong é proposta para ser interpretada da seguinte forma. A onda que se aproxima, "esticando" o precursor à sua frente, se aproxima da câmera. Antes que o pico da onda de entrada atinja a parede próxima da câmara, o precursor inicia um impulso na câmara, que atinge a parede mais distante e é refletido a partir dela, formando uma "onda para trás". Esta ondaespalhando-se 300 vezes mais rápido do que c, atinge a parede próxima e encontra a onda de entrada. Os picos de uma onda encontram os vales de outra, então eles se destroem e não sobra nada como resultado. Acontece que a onda que chega "devolve a dívida" aos átomos de césio, que "emprestam" energia a eles na outra extremidade da câmara. Qualquer um que observasse apenas o início e o fim do experimento veria apenas um pulso de luz que "saltou" para frente no tempo, movendo-se mais rápido com. Eu veria apenas um pulso de luz que "saltou" para frente no tempo, movendo-se mais rápido com. Eu veria apenas um pulso de luz que "saltou" para frente no tempo, movendo-se mais rápido com.
L. Wong acredita que seu experimento não concorda com a teoria da relatividade. A afirmação sobre a inatingibilidade da velocidade superluminal, ele acredita, é aplicável apenas a objetos com massa de repouso. A luz pode ser representada tanto na forma de ondas, às quais o conceito de massa geralmente é inaplicável, quanto na forma de fótons com massa de repouso, como se sabe, igual a zero. Portanto, a velocidade da luz no vácuo, acredita Wong, não é o limite. No entanto, Wong admite que o efeito que descobriu não permite transferir informações a uma velocidade maior que s.
“As informações aqui já estão na vanguarda do pulso”, diz P. Milonny, físico do Laboratório Nacional de Los Alamos dos Estados Unidos. "E você pode ter a impressão de enviar informações mais rápido que a luz, mesmo quando não as está enviando."
A maioria dos físicos acredita que o novo trabalho não atinge os princípios fundamentais. Mas nem todos os físicos acreditam que o problema está resolvido. O professor A. Ranfagni, do grupo de pesquisa italiano, que realizou outra experiência interessante em 2000, acredita que a questão permanece em aberto. Este experimento, conduzido por Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni e Rocco Ruggeri, descobriu que as ondas de rádio de banda centimétrica em viagens aéreas comuns a uma velocidade 25% maior do que c.
Em resumo, podemos dizer o seguinte
O trabalho nos últimos anos mostrou que, sob certas condições, a velocidade superluminal pode realmente ocorrer. Mas o que exatamente está viajando em velocidade superluminal? A teoria da relatividade, como já mencionada, proíbe essa velocidade para corpos materiais e para sinais que transportam informações. No entanto, alguns pesquisadores estão tentando persistentemente demonstrar como superar a barreira da luz para sinais. A razão para isso reside no fato de que na teoria da relatividade especial não há justificativa matemática rigorosa (baseada, digamos, nas equações de Maxwell para o campo eletromagnético) para a impossibilidade de transmitir sinais com uma velocidade maior que s. Tal impossibilidade no SRT é estabelecida, pode-se dizer, de forma puramente aritmética, a partir da fórmula de Einstein para adição de velocidades,mas isso é fundamentalmente confirmado pelo princípio de causalidade. O próprio Einstein, considerando a questão da transmissão do sinal superluminal, escreveu que neste caso "… somos forçados a considerar um mecanismo de transmissão de sinal, ao usar o qual a ação alcançada precede a causa. Mas, embora este resultado de um ponto de vista puramente lógico não contenha, em minha opinião, sem contradições, ainda contradiz o caráter de toda a nossa experiência, tanto que a impossibilidade da suposição V> c parece estar suficientemente provada. " O princípio da causalidade é a pedra angular que fundamenta a impossibilidade de transmissão do sinal FTL. E esta pedra, aparentemente, tropeçará em todas as pesquisas, sem exceção, por sinais superluminais, não importa o quanto os experimentadores gostariam de encontrar tais sinais,pois esta é a natureza de nosso mundo.
Mesmo assim, vamos imaginar que a matemática da relatividade ainda funcionará em velocidades mais rápidas do que a luz. Isso significa que teoricamente ainda podemos descobrir o que aconteceria se o corpo ultrapassasse a velocidade da luz.
Imagine duas espaçonaves partindo da Terra em direção a uma estrela a 100 anos-luz de distância de nosso planeta. A primeira nave deixa a Terra a 50% da velocidade da luz, então levará 200 anos para toda a viagem. A segunda nave, equipada com um motor de dobra hipotético, viajará a 200% da velocidade da luz, mas 100 anos após a primeira. O que vai acontecer?
De acordo com a teoria da relatividade, a resposta correta depende muito da perspectiva do observador. Da Terra, parecerá que a primeira nave já percorreu uma distância considerável antes de ser ultrapassada pela segunda nave, que se move quatro vezes mais rápido. Mas do ponto de vista do pessoal do primeiro navio, tudo é um pouco diferente.
A nave 2 se move mais rápido que a luz, o que significa que pode até ultrapassar a luz que emite. Isso leva a uma espécie de "onda de luz" (análoga ao som, só que em vez de vibrações de ar, as ondas de luz vibram aqui), que gera vários efeitos interessantes. Lembre-se de que a luz da nave 2 se move mais lentamente do que a própria nave. Como resultado, ocorrerá uma duplicação visual. Em outras palavras, a princípio a tripulação do navio nº 1 verá que o segundo navio apareceu próximo a ele como se saído do nada. Então, a luz da segunda nave alcançará a primeira com um pequeno atraso, e o resultado será uma cópia visível que se moverá na mesma direção com um pequeno atraso.
Algo semelhante pode ser visto em jogos de computador, quando, como resultado de uma falha do sistema, o motor carrega o modelo e seus algoritmos no ponto final do movimento mais rápido do que a própria animação termina, de forma que várias tomadas ocorrem. É provavelmente por isso que nossa consciência não percebe o aspecto hipotético do Universo, no qual os corpos se movem em velocidade superluminal - talvez seja melhor assim.
PS … mas no último exemplo não entendi algo, porque a posição real da nave está associada à “luz emitida por ela”? Bem, que eles o vejam como algo que não está lá, mas na realidade ele alcançará o primeiro navio!
