Скорость света — самая необычная величина измерения, которая известна на сегодняшний момент. Первым человеком, который попытался объяснить феномен распространения света, был Альберт Эйнштейн. Именно он вывел всем известную формулу E = mc ² , где E — это полная энергия тела, m — масса, а c — скорость света в вакууме.

Формула была впервые опубликована в журнале Annalen der Physik в 1905 году. Примерно в то же время Эйнштейн выдвинул теорию о том, что будет происходить с телом, перемещающимся с абсолютной скоростью. Исходят из того, что скорость света — величина неизменная, он пришёл к выводу, что должны изменяться пространство и время.

Таким образом, при световой скорости предмет будет бесконечно сжиматься, его масса бесконечно увеличиваться, а время практически остановится.

В 1977 году удалось вычислить скорость света, была названа цифра в 299 792 458 ± 1,2 метров в секунду. Для более грубых расчетов всегда принимается значение в 300 000 км/с. Именно от этой величины и отталкиваются все остальные космические измерения. Так появилось понятие «светового года» и «парсека» (3,26 световых лет).

Ни двигаться со скоростью света, ни, тем более, преодолеть её — невозможно. По крайней мере, на данном этапе развития человечества. С другой стороны, писатели-фантасты уже порядка 100 лет пытаются решить эту проблему на страницах своих романов. Возможно, однажды фантастика станет реальностью, ведь еще в XIX веке Жюль Верн предсказал появление вертолёта, самолёта и электрического стула, а тогда это была чистая фантастика!

Очень важно примечание «в вакууме», о котором мы говорили в самом начале. Свет движется по оптоволокну не так быстро, как в вакууме. Проходя через любую известную нам среду, свет движется значительно медленнее, чем в «идеальных» условиях, о которых говорит константа. Воздух не особо мешает свету, но стекло - существенно. Показатель преломления для среды у света это значение скорости света в вакууме, деленное на скорость света в среде. Для стекла этот показатель равен 1,5, поэтому если вы поделите скорость света (300 000 км/с примерно) на 1,5, то получите 200 000 км/c - приблизительная скорость света, проходящего через стекло. Некоторое оптоволокно сделано из пластика, у которого еще больший показатель преломления света, а значит и скорость меньше.

Одной из причин уменьшения скорости является двойственная природа света. Он обладает признаками как частицы, так и волны. Да, свет состоит из фотонов, но они не двигаются по прямой линии, проходя через кабель. И поскольку фотоны сталкиваются с молекулами материала, они движутся в разных направлениях. Преломление света и поглощение среды, в конечном итоге, приводит к потере энергии и данных. Именно потому сигнал не может двигаться бесконечно, и его нужно постоянно усиливать для передачи на длинную дистанцию. Стоит отметить, что замедление света - это лишь малая толика плохих новостей. В оптоволоконный кабель иногда добавляются примеси, которые контролируют скорость света и позволяют транслировать сигнал эффективнее.

Оптоволоконный кабель, конечно, гораздо быстрее передает информацию, чем медный провод, и не так подвержен воздействию электромагнитных помех. Волокно позволяет достичь скорости передачи в несколько сотен Гб/с или даже Тб/с. Домашнее интернет-соединение не демонстрирует такой скорости хотя бы потому, что проводка везде разная. Даже если у вас стоит оптоволокно, возможно, на одном из участков передачи данных есть медный кусок. Но даже с таким оптоволокном информация будет идти к вам со скоростью 50-100 Мб/c, что получше, чем 1-6 Мб/с у DSL-линий. Скорость соединения зависит также от местоположения, провайдера и вашего тарифного плана.

Есть и другие вещи, которые вызывают задержки сигнала (так называемый delay - «дилэй»), когда вы пытаетесь зайти на страничку в Сети или играете в онлайн-игру. Ваш компьютер и сервер, который хранит данные, сообщаются, чтобы данные были синхронизированы и передавались эффективно, и именно это вызывает задержки. Также важна дистанция, которую проходят данные, а в некоторых местах могут быть «узкие проходы», которые задержат их еще больше. Система работает настолько быстро, насколько быстро работает самый медленный ее компонент.

Ученые работают над созданием системы передачи данных по воздуху. Представьте себе Wi-Fi-лампочки или Wi-Fi-напыление, о котором мы , или вообще лазерные лучи от здания к зданию. Но все равно свет может двигаться через воздух со скоростью, близкой к скорости света в вакууме, но не больше. Как обойти это ограничение?

Возможность сверхсветовой скорости передачи данных

Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) утверждают, что смогли передать квантовую информацию со сверхсветовой скоростью, благодаря так называемому четырехволновому смешению, которое, по сути, является проявлением одной из форм интерференции в оптоволокне. Эксперимент заключается в передаче короткого 200-наносекундного импульса сквозь нагретый рубидиевый пар и одновременную передачу второго пучка лучей на другой частоте, который должен усилить первый импульс. Фотоны из обоих лучей взаимодействуют с паром и рождают третий луч. Как показывают результаты, третий луч движется быстрее скорости света в вакууме. Примерно на 50-90 наносекунд быстрее. Ученые утверждают, что скорость импульса можно калибровать путем изменения вводных параметров.

Другой вариант сверхсветовой скорости передачи - это квантовая телепортация , один из , который основан на запутанных парах: две частицы, запутанные друг с другом, будут обладать одними и теми же характеристиками, вне зависимости от того, как далеко вы разведете их. Также требуется третья частица, которая будет содержать данные, которые вам нужно передать. С помощью лазера можно телепортировать, в буквальном смысле, одну из частиц куда угодно. Это не похоже на передачу фотона, скорее на замену одного фотона копией оригинала. Этот фотон можно сравнить с третьей частицей на предмет нахождения соответствий или различий, а эта информация уже может быть использована для сравнения двух частиц. Похоже на моментальную передачу данных, но не совсем. Лазерный луч может двигаться только со скоростью света. Однако его можно использовать для передачи зашифрованных данных на спутник, а также для создания квантовых компьютеров, если мы-таки до них доберемся. Такая технология зашла куда дальше, чем любые другие попытки передать информацию быстрее скорости света. На сегодняшний день она работает только в ограниченных пределах, а ученые постоянно работают над увеличением дистанции телепорта.

Ответа на вопрос, может ли значимая информация двигаться быстрее, чем свет, пока нет. Сейчас мы можем переместить лишь несколько частиц, и это хорошо, поскольку в дальнейшем может привести нас к желанной цели. На практике, вам нужно передать организованные биты информации, которые хоть что-то означают и не повреждены, на другую машину, которая сможет их прочитать. В противном случае самая быстрая в мире передача данных не будет стоить и ломаного гроша. Но можете быть уверены, если ученые все же превысят порог скорости света, ваш Интернет заработает быстрее. Намного быстрее, чем начнутся межзвездные перелеты.

Астрофизикам удалось зафиксировать пример преодоления барьера сверхсветовой скорости, в форме импульса, излучаемого пульсаром.

Теоретические выкладки и лабораторные опыты позволили предположить, что объект может преодолеть , не нарушая при этом принципа теории относительности. Теперь же астрофизикам удалось отметить реальный пример этого явления, изучая распространение радиоимпульсов от пульсаров.

Сверхсветовая скорость может быть достигнута при условии аномальной дисперсии, то есть при условии, что показатель преломления среды будет возрастать во время прохождения сквозь нее световой волны. Предположим, что сквозь пространство проходит единичный импульс, состоящий из световых волн разной длины. В этом случае общая скорость импульса может быть больше, чем скорость каждой отдельной волны, хотя энергии импульса продолжает перемещаться со скоростью света. То есть принципы теории относительности нарушены не будут.

Эксперименты проводились группой ученых во главе с Фредериком Дженетом в обсерватории, расположенной в Пуэрто-Рико. Ученые в течение трех дней проводили наблюдение за излучением пульсара PSR B1937+21, расположенного на расстоянии в 10 000 световых лет от Земли. Измерения проводились на частоте 1420,4 МГц при ширине полосы в 1,5 МГц. Наблюдения показали, что центральные импульсы, прибывали раньше расчетного времени, то есть перемещались со скоростью, превышающую скорость света.

Пульсаром называют нейтронную звезду, которая вращается с огромной скоростью и периодически излучает импульсы энергии. На скорость прохождения импульсов в пространстве может оказать влияние несколько разных факторов. К примеру, попав в магнитное поле, импульсы могут поменять плоскость поляризации, при столкновении со свободными электронами импульс распадется, а «встреча» с нейтральным водородом обернется поглощением импульса.

Дженет считает, что на скорость перемещения импульсов немалое влияние оказывает и аномальная дисперсия. По версии ученых импульсы проходят через водородное облако с резонансной частотой 1420,4 МГц. Под влиянием дисперсии групповая скорость излучения изменилась, дойдя до сверхсветовых значений. И импульсы, имеющие частоты близкие к резонансным, прибыли к Земле быстрее остальных. Это напоминает изменение скорости когда вы делаете пополнение счета Билайн и любого другого оператора.

По версии ученых, достижение сверхсветовых скоростей стало возможным при «взаимодействии масштабов времени среды и самого импульса». Такое явление уже удавалось наблюдать в условиях лабораторий, но вот в естественной среде подобное наблюдение было сделано впервые. Открытие позволит ученым-астрономам изучить состав межзвездного вещества, в частности облаков из не ионизированного водорода, расположенных в нашей галактике.

Научная фантастика или научный факт?

БАРЬЕР СКОРОСТИ СВЕТА, НАКОНЕЦ-ТО, ПЕРЕПРЫГНУТ! В США сделана попытка опровергнуть очередную научную догму. Постулат, в свое время выдвинутый А.Эйнштейном, констатирует, что скорость света, достигающая в вакууме 300 тыс. км/с — это максимум, который может быть достигнут в природе. Профессор Раймонд Чу, из университета Беркли, в своих экспериментах достиг скорости, превышающей классическую в 1,7 раза. Ныне исследователи из института корпорации NEC в Принстоне пошли еще дальше.МОЩНЫЙ ИМПУЛЬС СВЕТА пропускался через 6-сантиметровую «колбу», заполненную специально приготовленным газообразным цезием, — описывает ход опыта корреспондент газеты «Санди Тайме», ссылаясь на руководителя эксперимента доктора Лиджу-на Ванга.

И приборы показали невероятную вещь — пока основная часть света со своей обычной скоростью проходила сквозь цезиевую ячейку, какие-то шустрые фотоны успевали добежать до противоположной стены лаборатории, находящейся примерно в 18 м, и отметиться на расположенных там датчиках. Физики подсчитали и убедились: если частицы-«торопыги» пролетали 18 м за то же время, за какое нормальные фотоны проходили сквозь 6-сантиметровую «колбу», — значит, их скорость в 300 раз превышала скорость света! А это нарушает незыблемость эйнштейновской константы, колеблет сами устои теории относительности…

Чтобы хоть как-то оградить авторитет великого физика, исследователи из Принстона выдвинули предположение, что «быстрые фотоны» вовсе и не преодолевают расстояние от источника света до датчиков, а как бы исчезают в одном месте и мгновенно возникают уже в другом. То есть налицо так называемый эффект нуль- ранспортировки, или телепортации, о которой так много писали фантасты в своих романах. Впрочем, в ходе дальнейших проверочных экспериментов выяснилось, что некоторые фотоны вроде бы прибывают в точку назначения даже раньше, чем включается их источник!

Согласитесь, этот факт нарушает уже не только постулаты теории относительности Эйнштейна, но и фундаментальные представления о природе Времени, которое, как принято считать, течет только в одну сторону и не может быть повернуто вспять.

Логичным здесь было бы только одно объяснение — «колба» с газообразным цезием работает как своеобразная «машина времени», посылающая часть световых фотонов в прошлое, что и позволяет им достигать датчиков раньше, чем включался источник света. СТОЛЬ НЕВЕРОЯТНЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ученых из Принстона не могли не привлечь внимания их коллег из других исследовательских организаций. И не все из них высказались по этому поводу скептически.

Руководители Итальянского государственного исследовательского совета сообщили, что недавно им тоже удалось разогнать микроволны со скоростью, на 25% превышающей скорость света. Поэтому в полной достоверности сообщения американцев они не сомневаются. И все же пока еще трудно однозначно оценить результаты экспериментов в Принстоне, так как в сообщениях, появившихся в зарубежной печати, сенсационные опыты описываются лишь в общих чертах.

Самым вероятным объяснением их, как это уже не раз бывало, в итоге может оказаться элементарная ошибка приборов. Но если, допустим, сенсация подтвердится, то это поможет объяснить и другие загадочные нарушения причинно-следственных связей, над которыми до сих пор тщетно бьются ученые. Возьмем, к примеру, странный дар предвидения, которым обладают некоторые живые существа. Так, еще в 1930-е гг. врач- микробиолог С.Т.Вельтхофер обнаружил, что коринебактерии (одноклеточные микробы, живущие в дыхательных путях человека) начинают активно размножаться в определенные периоды времени (за несколько суток до того, как астрономы фиксируют на Солнце очередную вспышку).

Суть явления понятна: возрастающая солнечная радиация (причина) губительна для этих бактерий, и срабатывает защитный механизм, заставляющий их усиленно размножаться (следствие), чтобы сохранить популяцию. Странно другое — как микробы заранее «определяют» время возникновения вспышки на Солнце?

Никаких физических предвестников, которые заранее могли бы предупредить о солнечном выбросе, приборы не регистрировали. Налицо временной феномен, когда
следствие наблюдается раньше причины. Существование световых фотонов-«торопыг», достигающих мишени еще до того, как происходит вспышка, могло бы объяснить его. А ПОКА ЭКСПЕРИМЕНТАТОРЫ СПОРЯТ, могут или не могут существовать сверхскоростные фотоны, теоретики пытаются не только объяснить наблюдающиеся явления, но и найти им практическое применение.

Как считает, например, сотрудник Главной астрономической обсерватории в Пулково, кандидат физико-математических наук Сергей Красников, космические корабли скорого будущего смогут двигаться намного быстрее скорости света. Как явствует из слов ученого, ему удалось обнаружить своего рода «лазейку» в законах физики, которая позволяет предположить, что даже до самых удаленных районов Вселенной можно будет добраться практически мгновенно, если воспользоваться возникшими еще во время Большого Взрыва естественными тоннелями — так называемыми «кротовинами», связывающими самые отдаленные уголки пространства.

О возможности существования таких тоннелей ученые подозревают уже давно. Но если раньше многие полагали, что они бывают только крошечного диаметра (наличие именно таких и подтвердили, похоже, эксперименты в Принстоне), то Красников своими расчетами доказывает, что «кротовины» могут быть и столь солидного диаметра, что сквозь них смогут проскакивать и большие космические корабли, мгновенно одолевая пространство и время. Более того, если допустить, что время в этих тоннелях имеет свойство течь в обратную сторону, то получается: «кротовины» могут работать одновременно и «машинами времени», переносящими проникающие сквозь них объекты в более ранние времена!

Так что корабли, выскакивающие из «кротовин», могут одновременно оказываться не только за тысячи парсеков от нашей планеты, но и на миллионы лет раньше нашей эры… Так все это или не так, должны показать дальнейшие исследования. Ведь надо еще найти эти тоннели и обследовать их. Но первый шаг в поисках, похоже, уже сделан… Еще в 1994 г. российский орбитальный рентгеновский телескоп «Гранат» засек в космосе две вспышки излучений, исходящих от какого-то источника гигантской мощности. Данные об этом было переданы Международному астрономическому союзу с тем, чтобы астрофизики, располагающие необходимой аппаратурой, проследили, что последует за невиданным выбросом энергии.

Тема «Двигателя, позволяющего летать со сверхсветовой скоростью», «Путешествия в многомерном пространстве» и всего, что имеет отношение к теме полета со скоростью, превышающей световую, пока что не выходит за рамки домыслов, хотя в каких-то аспектах и соприкасается с миром науки.

Сегодня мы находимся на стадии, когда знаем, что мы кое-что знаем, а чего-то не знаем, но уж точно не знаем, можно ли перемещаться со скоростью, превышающей скорость света.

Плохая новость заключается в том, что основы современных научных знаний, накопленных к данному моменту, свидетельствуют о том, что движение со скоростью, превышающей световую, невозможно. Это артефакт Специальной теории относительности Эйнштейна.

Да, существуют иные концепции - сверхсветовых частиц, кротовых нор (туннели в пространстве - прим. перев.), инфляционной вселенной, деформации пространства и времени, квантовых парадоксов... Все эти идеи обсуждаются в серьезной научной литературе, но пока еще рано говорить об их реальности.

Один из вопросов, появляющихся в связи с движением со сверхсветовой скоростью, это временные парадоксы: нарушение причинно-следственных связей и что подразумевается под путешествием во времени. Как будто темы полета со сверхсветовой скоростью мало, так еще и реальна ли разработка сценария, при котором сверхсветовая скорость даст возможность путешествия во времени. Путешествие во времени считается гораздо более невозможным, чем световой полет.

В чем основное отличие?

Едва преодолев звуковой барьер, люди задались вопросом: «А почему бы нам теперь еще и не преодолеть световой барьер, так ли уж сильно это отличается?» Слишком рано говорить о преодолении светового барьера, но кое-что уже известно наверняка - это совершенно иная проблема, нежели преодоление звукового барьера. Звуковой барьер был преодолен объектом, сделанным из материала, а не звука.

Атомы и молекулы материала соединены электромагнитными полями, из чего состоит и свет. В случае с преодолением барьера скорости света, предмет, пытающийся преодолеть этот барьер, состоит из того же, что и сам барьер. Как объект может двигаться быстрее того, что связывает его атомы? Как мы уже отмечали, это уже совсем другая проблема, нежели преодоление звукового барьера.

Специальная теория относительности

Можно очень кратко изложить «Специальную теорию относительности». На самом деле она очень проста по своей конструкции… Начните с двух простых правил.

Правило №1: пройденное вами расстояние (d) зависит от скорости вашего движения (v) и времени движения (t). Если вы едете со скоростью 55 миль в час, вы проедете за час 55 миль. Просто.

Правило №2: Это потрясающая вещь - как бы быстро вы не двигались, вы постоянно будете отмечать, что скорость света остается неизменной.

Соедините их вместе и сравните, что «видит» один путешественник по сравнению с тем, кто движется с другой скоростью - вот тут и появляются проблемы. Давайте попробуем иную картину. Закройте глаза. Представьте, что из всех органов чувств у вас задействован лишь слух. Вы воспринимаете только звуки. Вы определяет предметы только по тому, какой звук они издают.

Итак, если проехал паровоз, его гудок хоть как-то изменился? Мы знаем, что он звучит на определенной ноте, но из-за движения поезда она меняется вследствие действия так называемого эффекта Доплера. То же самое происходит и со светом. Все вокруг себя мы знаем благодаря присутствию света или, если обобщить, электромагнетизму. То, что мы видим, чувствуем (молекулы воздуха отскакивают от нашей кожи), слышим (молекулы ударяются между собой под давлением волн), даже течение времени - все это управляется электромагнитными силами.

Так что если мы начинаем двигаться на скоростях, приближающихся к скорости, через которую мы получаем всю информацию, наша информация искажается. В общем, это вот так просто. Понимания этого достаточно, если с этим пытаешься что-то делать. Но это уже другой вопрос.

Барьер скорости света

Барьер скорости света является одним из следствий Специальной теории относительности. На это можно взглянуть иначе. Чтобы двигаться быстрее, нужно добавить энергии. Но когда вы начинаете приближаться к скорости света, необходимый для движения объем энергии взлетает до бесконечности. Для перемещения массы со скоростью света требуется бесконечная энергия. Оказывается, здесь вы сталкиваетесь с реальным барьером.

Можно ли обойти Специальную теорию относительности? Вероятно.

Проводятся ли какие-то исследования в этом направлении? Да, но в небольшом объеме.

В дополнение к индивидуальной теоретической работе таких физиков, как Мэт Виссер (Matt Visser), Майкл Моррис (Michael Morris), Мигель Алькубьерре (Miguel Alcubierre) и других существует качественно новая программа НАСА в области физики реактивного движения.

Оригинал публикации.