Il viaggio superluminale è uno dei fondamenti della fantascienza spaziale. Tuttavia, probabilmente tutti - anche le persone lontane dalla fisica - sanno che la velocità massima possibile di movimento di oggetti materiali o di propagazione di qualsiasi segnale è la velocità della luce nel vuoto. È indicato dalla lettera c ed è quasi 300mila chilometri al secondo; il valore esatto è c = 299 792 458 m / s.
La velocità della luce nel vuoto è una delle costanti fisiche fondamentali. L'impossibilità di raggiungere velocità superiori a c deriva dalla teoria della relatività speciale (SRT) di Einstein. Se fosse possibile dimostrare che i segnali possono essere trasmessi a velocità superluminali, la teoria della relatività cadrebbe. Finora ciò non è avvenuto, nonostante i numerosi tentativi di confutare il divieto di esistenza di velocità superiori a c. Tuttavia, in recenti studi sperimentali, sono stati scoperti alcuni fenomeni molto interessanti, che indicano che in condizioni appositamente create, si possono osservare velocità superluminali e i principi della teoria della relatività non vengono violati.
Per cominciare, ricordiamo i principali aspetti legati al problema della velocità della luce.
Prima di tutto: perché è impossibile (in condizioni normali) superare il limite di luce? Perché allora la legge fondamentale del nostro mondo viene violata: la legge della causalità, secondo la quale l'effetto non può superare la causa. Nessuno ha mai visto, ad esempio, prima un orso che cade morto e poi un cacciatore ha sparato. A velocità superiori a s, la sequenza degli eventi viene invertita, il nastro del tempo viene riavvolto. Questo è facile da verificare dal seguente semplice ragionamento.
Supponiamo di essere su una sorta di nave miracolosa spaziale, che si muove più velocemente della luce. Quindi raggiungeremmo gradualmente la luce emessa dalla sorgente in punti precedenti e precedenti nel tempo. Per prima cosa, dovremmo raggiungere i fotoni emessi, diciamo, ieri, poi quelli emessi l'altro ieri, poi una settimana, un mese, un anno fa e così via. Se la sorgente di luce fosse uno specchio che riflette la vita, allora vedremmo prima gli eventi di ieri, poi l'altro ieri e così via. Potremmo vedere, diciamo, un vecchio che gradualmente si trasforma in un uomo di mezza età, poi in un giovane, in un giovane, in un bambino … Cioè, il tempo tornerebbe indietro, ci sposteremmo dal presente al passato. Le cause e gli effetti sarebbero invertiti.
Sebbene questo ragionamento ignori completamente i dettagli tecnici del processo di osservazione della luce, da un punto di vista fondamentale, dimostra chiaramente che il movimento con velocità superluminale porta a una situazione impossibile nel nostro mondo. Tuttavia, la natura ha posto condizioni ancora più rigorose: è irraggiungibile muoversi non solo con velocità superluminale, ma anche con una velocità pari alla velocità della luce - puoi solo avvicinarti. Dalla teoria della relatività segue che con un aumento della velocità di movimento, sorgono tre circostanze: la massa di un oggetto in movimento aumenta, le sue dimensioni diminuiscono nella direzione del movimento e il flusso del tempo su questo oggetto rallenta (dal punto di vista di un osservatore esterno "a riposo"). A velocità normali, questi cambiamenti sono trascurabili, ma man mano che si avvicinano alla velocità della luce, diventano più evidenti,e nel limite - ad una velocità pari ac - la massa diventa infinitamente grande, l'oggetto perde completamente la sua dimensione nella direzione del moto e il tempo si ferma su di esso. Pertanto, nessun corpo materiale può raggiungere la velocità della luce. Solo la luce stessa ha una tale velocità! (E anche la particella "onnipervadente": il neutrino, che, come un fotone, non può muoversi a una velocità inferiore a s.)
Ora sulla velocità di trasmissione del segnale. È opportuno utilizzare qui la rappresentazione della luce sotto forma di onde elettromagnetiche. Cos'è un segnale? Questa è una sorta di informazione da trasmettere. Un'onda elettromagnetica ideale è una sinusoide infinita di una sola frequenza e non può trasportare alcuna informazione, perché ogni periodo di tale sinusoide ripete esattamente quello precedente. La velocità di movimento della fase di un'onda sinusoidale - la cosiddetta velocità di fase - può in un mezzo, in determinate condizioni, superare la velocità della luce nel vuoto. Non ci sono restrizioni qui, poiché la velocità di fase non è la velocità del segnale - non è ancora lì. Per creare un segnale, è necessario creare una sorta di "segno" sull'onda. Un tale segno può essere, ad esempio, un cambiamento in uno qualsiasi dei parametri dell'onda: ampiezza, frequenza o fase iniziale. Ma una volta che il segno è stato fatto,l'onda perde sinusoidalità. Diventa modulato, costituito da un insieme di semplici onde sinusoidali con diverse ampiezze, frequenze e fasi iniziali - un gruppo di onde. La velocità alla quale il segno si muove nell'onda modulata è la velocità del segnale. Quando si propaga in un mezzo, questa velocità di solito coincide con la velocità del gruppo, che caratterizza la propagazione del gruppo di onde sopra menzionato nel suo insieme (vedi Science and Life, n. 2, 2000). In condizioni normali, la velocità del gruppo, e quindi la velocità del segnale, è inferiore alla velocità della luce nel vuoto. Non è un caso che venga utilizzata l'espressione "in condizioni normali", perché in alcuni casi la velocità del gruppo può anche superare c o addirittura perdere il suo significato, ma poi non si applica alla propagazione del segnale. Nell'SRT è stabilito che è impossibile trasmettere un segnale con una velocità maggiore di s. Diventa modulato, costituito da un insieme di semplici onde sinusoidali con diverse ampiezze, frequenze e fasi iniziali - un gruppo di onde. La velocità alla quale il segno si muove nell'onda modulata è la velocità del segnale. Quando si propaga in un mezzo, questa velocità di solito coincide con la velocità di gruppo, che caratterizza la propagazione del gruppo di onde sopra menzionato nel suo insieme (vedi Science and Life n. 2, 2000). In condizioni normali, la velocità del gruppo, e quindi la velocità del segnale, è inferiore alla velocità della luce nel vuoto. Non è un caso che venga utilizzata l'espressione "in condizioni normali", perché in alcuni casi la velocità di gruppo può anche superare c o addirittura perdere il suo significato, ma poi non si applica alla propagazione del segnale. L'SRT stabilisce che è impossibile trasmettere un segnale con una velocità maggiore di s. Diventa modulato, costituito da un insieme di semplici onde sinusoidali con diverse ampiezze, frequenze e fasi iniziali - un gruppo di onde. La velocità alla quale il segno si muove nell'onda modulata è la velocità del segnale. Quando si propaga in un mezzo, questa velocità di solito coincide con la velocità di gruppo, che caratterizza la propagazione del gruppo di onde sopra menzionato nel suo insieme (vedi Science and Life n. 2, 2000). In condizioni normali, la velocità del gruppo, e quindi la velocità del segnale, è inferiore alla velocità della luce nel vuoto. Non è un caso che venga utilizzata l'espressione "in condizioni normali", perché in alcuni casi la velocità di gruppo può anche superare c o addirittura perdere il suo significato, ma poi non si applica alla propagazione del segnale. L'SRT stabilisce che è impossibile trasmettere un segnale con una velocità maggiore di s.costituito da un insieme di semplici onde sinusoidali con diverse ampiezze, frequenze e fasi iniziali - un gruppo di onde. La velocità alla quale il segno si muove nell'onda modulata è la velocità del segnale. Quando si propaga in un mezzo, questa velocità di solito coincide con la velocità di gruppo, che caratterizza la propagazione del gruppo di onde sopra menzionato nel suo insieme (vedi Science and Life n. 2, 2000). In condizioni normali, la velocità del gruppo, e quindi la velocità del segnale, è inferiore alla velocità della luce nel vuoto. Non è un caso che venga utilizzata l'espressione "in condizioni normali", perché in alcuni casi la velocità del gruppo può anche superare c o addirittura perdere il suo significato, ma poi non si applica alla propagazione del segnale. L'SRT stabilisce che è impossibile trasmettere un segnale con una velocità maggiore di s.costituito da un insieme di semplici onde sinusoidali con diverse ampiezze, frequenze e fasi iniziali - un gruppo di onde. La velocità alla quale il segno si muove nell'onda modulata è la velocità del segnale. Quando si propaga in un mezzo, questa velocità di solito coincide con la velocità di gruppo, che caratterizza la propagazione del gruppo di onde sopra menzionato nel suo insieme (vedi Science and Life n. 2, 2000). In condizioni normali, la velocità del gruppo, e quindi la velocità del segnale, è inferiore alla velocità della luce nel vuoto. Non è un caso che venga utilizzata l'espressione "in condizioni normali", perché in alcuni casi la velocità del gruppo può anche superare c o addirittura perdere il suo significato, ma poi non si applica alla propagazione del segnale. Nell'SRT è stabilito che è impossibile trasmettere un segnale con una velocità maggiore di s.frequenze e fasi iniziali - gruppi di onde. La velocità alla quale il segno si muove nell'onda modulata è la velocità del segnale. Quando si propaga in un mezzo, questa velocità di solito coincide con la velocità del gruppo, che caratterizza la propagazione del gruppo di onde sopra menzionato nel suo insieme (vedi Science and Life, n. 2, 2000). In condizioni normali, la velocità del gruppo, e quindi la velocità del segnale, è inferiore alla velocità della luce nel vuoto. Non è un caso che venga utilizzata l'espressione "in condizioni normali", perché in alcuni casi la velocità del gruppo può anche superare c o addirittura perdere il suo significato, ma poi non si applica alla propagazione del segnale. Nell'SRT è stabilito che è impossibile trasmettere un segnale con una velocità maggiore di s.frequenze e fasi iniziali - gruppi di onde. La velocità alla quale il segno si muove nell'onda modulata è la velocità del segnale. Quando si propaga in un mezzo, questa velocità di solito coincide con la velocità di gruppo, che caratterizza la propagazione del gruppo di onde sopra menzionato nel suo insieme (vedi Science and Life n. 2, 2000). In condizioni normali, la velocità del gruppo, e quindi la velocità del segnale, è inferiore alla velocità della luce nel vuoto. Non è un caso che venga utilizzata l'espressione "in condizioni normali", perché in alcuni casi la velocità di gruppo può anche superare c o addirittura perdere il suo significato, ma poi non si applica alla propagazione del segnale. Nell'SRT è stabilito che è impossibile trasmettere un segnale con una velocità maggiore di s. Quando si propaga in un mezzo, questa velocità di solito coincide con la velocità di gruppo, che caratterizza la propagazione del gruppo di onde sopra menzionato nel suo insieme (vedi Science and Life n. 2, 2000). In condizioni normali, la velocità del gruppo, e quindi la velocità del segnale, è inferiore alla velocità della luce nel vuoto. Non è un caso che venga utilizzata l'espressione "in condizioni normali", perché in alcuni casi la velocità di gruppo può anche superare c o addirittura perdere il suo significato, ma poi non si applica alla propagazione del segnale. Nell'SRT è stabilito che è impossibile trasmettere un segnale con una velocità maggiore di s. Quando si propaga in un mezzo, questa velocità di solito coincide con la velocità di gruppo, che caratterizza la propagazione del gruppo di onde sopra menzionato nel suo insieme (vedi Science and Life n. 2, 2000). In condizioni normali, la velocità del gruppo, e quindi la velocità del segnale, è inferiore alla velocità della luce nel vuoto. Non è un caso che venga utilizzata l'espressione "in condizioni normali", perché in alcuni casi la velocità di gruppo può anche superare c o addirittura perdere il suo significato, ma poi non si applica alla propagazione del segnale. Nell'SRT è stabilito che è impossibile trasmettere un segnale con una velocità maggiore di s. Non è un caso che venga utilizzata l'espressione "in condizioni normali", perché in alcuni casi la velocità di gruppo può anche superare c o addirittura perdere il suo significato, ma poi non si applica alla propagazione del segnale. Nell'SRT è stabilito che è impossibile trasmettere un segnale con una velocità maggiore di s. Non è un caso che venga utilizzata l'espressione "in condizioni normali", perché in alcuni casi la velocità di gruppo può anche superare c o addirittura perdere il suo significato, ma poi non si applica alla propagazione del segnale. L'SRT stabilisce che è impossibile trasmettere un segnale con una velocità maggiore di s.
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Perché è così? Perché la stessa legge di causalità serve da ostacolo alla trasmissione di qualsiasi segnale con una velocità maggiore di c. Immaginiamo la seguente situazione. Ad un certo punto A, un lampo luminoso (evento 1) accende un dispositivo che invia un certo segnale radio, e in un punto remoto B, si verifica un'esplosione sotto l'azione di questo segnale radio (evento 2). È chiaro che l'evento 1 (lampo) è una causa e l'evento 2 (esplosione) è una conseguenza che si verifica dopo la causa. Ma se il segnale radio si propagasse a una velocità superluminale, un osservatore vicino al punto B vedrebbe prima un'esplosione, e solo allora - un lampo che lo raggiunge alla velocità di un lampo leggero, la causa dell'esplosione. In altre parole, per questo osservatore, l'evento 2 si verificherebbe prima dell'evento 1, cioè l'effetto sarebbe prima della causa.
È opportuno sottolineare che il "divieto superluminale" della teoria della relatività è imposto solo al movimento dei corpi materiali e alla trasmissione dei segnali. In molte situazioni è possibile il movimento a qualsiasi velocità, ma non sarà il movimento di oggetti o segnali materiali. Ad esempio, immagina due righelli abbastanza lunghi che giacciono sullo stesso piano, uno dei quali è orizzontale e l'altro lo interseca con un piccolo angolo. Se il primo righello viene spostato verso il basso (nella direzione indicata dalla freccia) ad alta velocità, il punto di intersezione dei righelli può essere fatto correre alla velocità desiderata, ma questo punto non è un corpo materiale. Un altro esempio: se prendi una torcia (o, diciamo, un laser che emette un raggio stretto) e descrivi rapidamente un arco con essa nell'aria, la velocità lineare del punto luminoso aumenterà con la distanza e ad una distanza sufficientemente grande supererà c. Il punto luminoso si muoverà tra i punti A e B a una velocità superluminale, ma questa non sarà una trasmissione del segnale da A a B, poiché tale punto luminoso non trasporta alcuna informazione sul punto A.
Sembrerebbe che la questione delle velocità superluminali sia stata risolta. Ma negli anni '60 del XX secolo, i fisici teorici avanzarono un'ipotesi sull'esistenza di particelle superluminali chiamate tachioni. Queste sono particelle molto strane: teoricamente sono possibili, ma per evitare contraddizioni con la teoria della relatività, hanno dovuto attribuire una massa a riposo immaginaria. La massa fisicamente immaginaria non esiste, è un'astrazione puramente matematica. Tuttavia, questo non ha causato molto allarme, poiché i tachioni non possono essere a riposo - esistono (se esistono!) Solo a velocità che superano la velocità della luce nel vuoto, e in questo caso la massa del tachione risulta essere reale. C'è qualche analogia con i fotoni: un fotone ha massa a riposo zero, ma questo significa semplicemente che un fotone non può essere a riposo - la luce non può essere fermata.
Il più difficile, come previsto, era riconciliare l'ipotesi del tachione con la legge di causalità. I tentativi in questa direzione, sebbene abbastanza ingegnosi, non hanno portato a un successo evidente. Nessuno è riuscito a registrare i tachioni nemmeno sperimentalmente. Di conseguenza, l'interesse per i tachioni come particelle elementari superluminali svanì gradualmente.
Tuttavia, negli anni '60, fu scoperto sperimentalmente un fenomeno che inizialmente confuse i fisici. Questo è descritto in dettaglio nell'articolo di A. N. Oraevsky "Onde superluminali nei mezzi di amplificazione" (Phys. Phys. No. 12, 1998). Qui riassumeremo brevemente l'argomento, rimandando il lettore interessato ai dettagli all'articolo specificato.
Subito dopo la scoperta dei laser - nei primi anni '60 - è sorto il problema di ottenere impulsi luminosi brevi (circa 1 ns = 10-9 s) ad alta potenza. Per questo, un breve impulso laser è stato fatto passare attraverso un amplificatore quantistico ottico. L'impulso è stato diviso in due parti da uno specchio che divide il raggio. Uno di loro, più potente, veniva inviato all'amplificatore, mentre l'altro si propagava nell'aria e fungeva da impulso di riferimento con il quale si poteva confrontare l'impulso che passava attraverso l'amplificatore. Entrambi gli impulsi sono stati inviati ai fotorilevatori e i loro segnali di uscita potevano essere osservati visivamente sullo schermo dell'oscilloscopio. Ci si aspettava che l'impulso luminoso che passa attraverso l'amplificatore subisca un certo ritardo rispetto all'impulso di riferimento, cioè la velocità di propagazione della luce nell'amplificatore sarà inferiore rispetto all'aria. Immaginate la sorpresa dei ricercatori quando hanno scoperto che l'impulso si propagava attraverso l'amplificatore a una velocità non solo maggiore che nell'aria, ma anche più volte superiore alla velocità della luce nel vuoto!
Dopo essersi ripresi dal primo shock, i fisici hanno iniziato a cercare il motivo di un risultato così inaspettato. Nessuno aveva nemmeno il minimo dubbio sui principi della teoria della relatività speciale, ed è stato questo che ha aiutato a trovare la spiegazione corretta: se i principi della relatività speciale sono preservati, la risposta dovrebbe essere cercata nelle proprietà del mezzo di amplificazione.
Senza entrare qui nei dettagli, segnaliamo solo che un'analisi dettagliata del meccanismo d'azione del mezzo amplificatore ha chiarito completamente la situazione. La questione consisteva in un cambiamento nella concentrazione di fotoni durante la propagazione dell'impulso - un cambiamento dovuto a un cambiamento nel guadagno del mezzo fino a un valore negativo durante il passaggio della parte posteriore dell'impulso, quando il mezzo assorbe già energia, perché la sua stessa riserva è già stata spesa a causa della sua trasmissione all'impulso luminoso. L'assorbimento non causa l'amplificazione, ma un indebolimento dell'impulso e, quindi, l'impulso viene potenziato nella parte anteriore e indebolito nella parte posteriore. Immaginiamo di osservare un impulso con l'aiuto di un dispositivo che si muove alla velocità della luce in un mezzo amplificatore. Se il mezzo fosse trasparente, vedremmo l'impulso congelato nell'immobilità. Nell'ambiente,in cui ha luogo il suddetto processo, l'amplificazione dell'anticipo e l'indebolimento del fronte di uscita dell'impulso appariranno all'osservatore in modo tale che il mezzo, per così dire, sposta l'impulso in avanti. Ma poiché il dispositivo (osservatore) si muove alla velocità della luce e l'impulso lo supera, la velocità dell'impulso supera la velocità della luce! È questo effetto che è stato registrato dagli sperimentatori. E qui non c'è davvero contraddizione con la teoria della relatività: solo il processo di amplificazione è tale che la concentrazione di fotoni che è uscita prima risulta essere maggiore di quella che è uscita dopo. Non sono i fotoni che si muovono con velocità superluminale, ma l'inviluppo dell'impulso, in particolare il suo massimo, che si osserva sull'oscilloscopio. Ma poiché il dispositivo (osservatore) si muove alla velocità della luce e l'impulso lo supera, la velocità dell'impulso supera la velocità della luce! È questo effetto che è stato registrato dagli sperimentatori. E qui non c'è davvero contraddizione con la teoria della relatività: solo il processo di amplificazione è tale che la concentrazione di fotoni che è uscita prima risulta essere maggiore di quella che è uscita dopo. Non sono i fotoni che si muovono con velocità superluminale, ma l'inviluppo dell'impulso, in particolare il suo massimo, che si osserva sull'oscilloscopio. Ma poiché il dispositivo (osservatore) si muove alla velocità della luce e l'impulso lo supera, la velocità dell'impulso supera la velocità della luce! È questo effetto che è stato registrato dagli sperimentatori. E qui non c'è davvero contraddizione con la teoria della relatività: solo il processo di amplificazione è tale che la concentrazione di fotoni che è uscita prima risulta essere maggiore di quella che è uscita dopo. Non sono i fotoni che si muovono con velocità superluminale, ma l'inviluppo dell'impulso, in particolare il suo massimo, che si osserva sull'oscilloscopio. Non sono i fotoni che si muovono con velocità superluminale, ma l'inviluppo dell'impulso, in particolare il suo massimo, che si osserva sull'oscilloscopio. Non sono i fotoni che si muovono con velocità superluminale, ma l'inviluppo dell'impulso, in particolare il suo massimo, che si osserva sull'oscilloscopio.
Pertanto, mentre nei mezzi ordinari c'è sempre un'attenuazione della luce e una diminuzione della sua velocità, determinata dall'indice di rifrazione, nei mezzi laser attivi si osserva non solo l'amplificazione della luce, ma anche la propagazione degli impulsi con velocità superluminale.
Alcuni fisici hanno tentato di provare sperimentalmente l'esistenza del movimento superluminale nell'effetto tunnel, uno dei fenomeni più sorprendenti della meccanica quantistica. Questo effetto consiste nel fatto che una microparticella (più precisamente un microoggetto, che esibisce sia le proprietà di una particella che le proprietà di un'onda in diverse condizioni) è in grado di penetrare attraverso la cosiddetta barriera potenziale - un fenomeno che è del tutto impossibile nella meccanica classica (in cui l'analogo sarebbe una tale situazione: Una palla lanciata nel muro si troverebbe dall'altra parte del muro, oppure il movimento ondulatorio impartito alla fune legata al muro sarebbe trasmesso alla fune legata al muro dall'altra parte). L'essenza dell'effetto tunneling nella meccanica quantistica è la seguente. Se un microoggetto con una certa energia incontra un'area con potenziale energia sul suo cammino,superando l'energia del microoggetto, quest'area è per esso una barriera, la cui altezza è determinata dalla differenza di energia. Ma il microoggetto "filtra" attraverso la barriera! Questa possibilità gli è data dalla nota relazione di incertezza di Heisenberg, scritta per l'energia e il tempo di interazione. Se l'interazione del microoggetto con la barriera avviene per un tempo sufficientemente definito, allora l'energia del microoggetto sarà invece caratterizzata dall'incertezza, e se questa incertezza è dell'ordine dell'altezza della barriera, allora quest'ultima cessa di essere un ostacolo insormontabile per il microoggetto. Qui la velocità di penetrazione attraverso una potenziale barriera è diventata oggetto di ricerca da parte di numerosi fisici, i quali ritengono che possa superare s. Ma il microoggetto "filtra" attraverso la barriera! Questa possibilità gli è data dalla nota relazione di incertezza di Heisenberg, scritta per l'energia e il tempo di interazione. Se l'interazione del microoggetto con la barriera avviene per un tempo sufficientemente definito, allora l'energia del microoggetto sarà invece caratterizzata dall'incertezza, e se questa incertezza è dell'ordine dell'altezza della barriera, allora quest'ultima cessa di essere un ostacolo insormontabile per il microoggetto. Qui la velocità di penetrazione attraverso una potenziale barriera è diventata oggetto di ricerca da parte di numerosi fisici, i quali ritengono che possa superare s. Ma il microoggetto "filtra" attraverso la barriera! Questa possibilità gli è data dalla nota relazione di incertezza di Heisenberg, scritta per l'energia e il tempo di interazione. Se l'interazione del microoggetto con la barriera avviene per un tempo sufficientemente definito, allora l'energia del microoggetto sarà invece caratterizzata dall'incertezza, e se questa incertezza è dell'ordine dell'altezza della barriera, allora quest'ultima cessa di essere un ostacolo insormontabile per il microoggetto. Qui la velocità di penetrazione attraverso una potenziale barriera è diventata oggetto di ricerca da parte di numerosi fisici, i quali ritengono che possa superare s. Se l'interazione del microoggetto con la barriera avviene per un tempo sufficientemente definito, allora l'energia del microoggetto sarà invece caratterizzata dall'incertezza, e se questa incertezza è dell'ordine dell'altezza della barriera, allora quest'ultima cessa di essere un ostacolo insormontabile per il microoggetto. Qui la velocità di penetrazione attraverso una potenziale barriera è diventata oggetto di ricerca da parte di numerosi fisici, i quali ritengono che possa superare s. Se l'interazione del microoggetto con la barriera avviene per un tempo sufficientemente definito, allora l'energia del microoggetto sarà invece caratterizzata dall'incertezza, e se questa incertezza è dell'ordine dell'altezza della barriera, allora quest'ultima cessa di essere un ostacolo insormontabile per il microoggetto. Qui la velocità di penetrazione attraverso una potenziale barriera è diventata oggetto di ricerca da parte di numerosi fisici, i quali ritengono che possa superare s.
Nel giugno 1998 si è svolto a Colonia un simposio internazionale sui problemi FTL, dove sono stati discussi i risultati ottenuti in quattro laboratori: a Berkeley, Vienna, Colonia e Firenze.
Infine, nel 2000, ci sono state segnalazioni di due nuovi esperimenti in cui sono comparsi gli effetti della propagazione superluminale. Uno di questi è stato eseguito da Lijun Wong e dai colleghi di un istituto di ricerca a Princeton (USA). Il risultato è che l'impulso luminoso che entra nella camera riempita di vapore di cesio aumenta la sua velocità 300 volte. Si è scoperto che la parte principale dell'impulso lascia la parete più lontana della camera anche prima che l'impulso entri nella camera attraverso la parete frontale. Questa situazione contraddice non solo il buon senso, ma, in sostanza, la teoria della relatività.
Il messaggio di L. Wong ha provocato intense discussioni tra i fisici, la maggior parte dei quali non è incline a vedere nei risultati ottenuti una violazione dei principi della relatività. La sfida, credono, è spiegare correttamente questo esperimento.
Nell'esperimento di L. Wong, l'impulso luminoso che entrava nella camera con vapore di cesio aveva una durata di circa 3 μs. Gli atomi di cesio possono trovarsi in sedici possibili stati quantomeccanici, chiamati "sottolivelli di stato fondamentale magnetici iperfini". Con l'aiuto del pompaggio laser ottico, quasi tutti gli atomi sono stati portati in uno solo di questi sedici stati, corrispondente alla temperatura zero quasi assoluta sulla scala Kelvin (-273,15 ° C). La camera di cesio era lunga 6 centimetri. Nel vuoto, la luce viaggia di 6 centimetri in 0,2 ns. Le misurazioni hanno mostrato che l'impulso luminoso è passato attraverso la camera con il cesio in 62 ns in meno rispetto al vuoto. In altre parole, il tempo di transito dell'impulso attraverso il mezzo al cesio ha un segno meno! Infatti, se si sottrae 62 ns da 0,2 ns, si ottiene un tempo "negativo". Questo "ritardo negativo" nel mezzo - un salto temporale incomprensibile - è uguale al tempo durante il quale l'impulso avrebbe fatto 310 attraversare la camera nel vuoto. La conseguenza di questo "ribaltamento temporaneo" fu che l'impulso in uscita dalla camera ebbe il tempo di allontanarsi da essa di 19 metri prima che l'impulso in arrivo raggiungesse la parete vicina della camera. Come si spiega una situazione così incredibile (se, ovviamente, non ci sono dubbi sulla purezza dell'esperimento)?per non dubitare della purezza dell'esperimento)?per non dubitare della purezza dell'esperimento)?
A giudicare dalla discussione in corso, non è stata ancora trovata una spiegazione esatta, ma non c'è dubbio che le proprietà di dispersione insolite del mezzo qui giocano un ruolo: i vapori di cesio, costituiti da atomi eccitati dalla luce laser, sono un mezzo con dispersione anomala. Ricordiamo brevemente di cosa si tratta.
La dispersione di una sostanza è la dipendenza dell'indice di rifrazione di fase (convenzionale) n dalla lunghezza d'onda della luce l. Con la normale dispersione, l'indice di rifrazione aumenta al diminuire della lunghezza d'onda e ciò si verifica nel vetro, nell'acqua, nell'aria e in tutte le altre sostanze trasparenti alla luce. Nelle sostanze che assorbono fortemente la luce, l'andamento dell'indice di rifrazione cambia in senso opposto al variare della lunghezza d'onda e diventa molto più ripido: con una diminuzione di l (un aumento della frequenza w), l'indice di rifrazione diminuisce bruscamente e in una certa regione di lunghezze d'onda diventa inferiore all'unità (la velocità di fase Vph> s). Questa è la dispersione anomala, in cui il quadro della propagazione della luce nella materia cambia radicalmente. La velocità di gruppo Vgr diventa maggiore della velocità di fase delle onde e può superare la velocità della luce nel vuoto (e anche diventare negativa). L. Wong indica questa circostanza come la ragione alla base della possibilità di spiegare i risultati del suo esperimento. Va notato, tuttavia, che la condizione Vgr> c è puramente formale, poiché il concetto di velocità di gruppo è stato introdotto per il caso di dispersione bassa (normale), per mezzi trasparenti, quando un gruppo di onde quasi non cambia forma durante la propagazione. Nelle regioni di dispersione anomala, invece, l'impulso luminoso si deforma rapidamente e il concetto di velocità di gruppo perde il suo significato; in questo caso vengono introdotti i concetti di velocità del segnale e velocità di propagazione dell'energia, che nei mezzi trasparenti coincidono con la velocità del gruppo, e nei mezzi con assorbimento rimangono inferiori alla velocità della luce nel vuoto. Ma ecco ciò che è interessante nell'esperimento di Wong: un impulso luminoso, passato attraverso un mezzo con dispersione anomala, non si deforma - mantiene esattamente la sua forma!E questo corrisponde all'ipotesi sulla propagazione dell'impulso con la velocità del gruppo. Ma se è così, allora si scopre che non c'è assorbimento nel mezzo, sebbene la dispersione anomala del mezzo sia dovuta proprio all'assorbimento! Lo stesso Wong, ammettendo che molto non è ancora chiaro, crede che ciò che sta accadendo nella sua configurazione sperimentale possa, in prima approssimazione, essere spiegato chiaramente come segue.
Un impulso luminoso è costituito da molti componenti con diverse lunghezze d'onda (frequenze). La figura mostra tre di questi componenti (onde 1-3). Ad un certo punto, tutte e tre le onde sono in fase (i loro massimi coincidono); qui, sommandosi, si rafforzano a vicenda e formano un impulso. Quando le onde si propagano ulteriormente nello spazio, le onde sono sfasate e quindi si "estinguono" a vicenda.
Nella regione di dispersione anomala (all'interno della cellula di cesio), l'onda che era più corta (onda 1) diventa più lunga. Al contrario, l'onda che era la più lunga delle tre (onda 3) diventa la più corta.
Di conseguenza, le fasi delle onde cambiano di conseguenza. Quando le onde sono passate attraverso la cella di cesio, i loro fronti d'onda vengono ripristinati. Dopo aver subito un'insolita modulazione di fase in una sostanza con dispersione anomala, le tre onde in esame sono di nuovo in fase ad un certo punto. Qui si piegano di nuovo e formano un impulso esattamente della stessa forma dell'ingresso nel mezzo di cesio.
Di solito nell'aria e praticamente in qualsiasi mezzo trasparente con dispersione normale, un impulso luminoso non può mantenere accuratamente la sua forma quando si propaga su una distanza lontana, cioè tutti i suoi componenti non possono essere messi in fase in nessun punto distante lungo il percorso di propagazione. E in condizioni normali, dopo un po 'di tempo appare un impulso luminoso in un punto così distante. Tuttavia, a causa delle proprietà anomale del mezzo utilizzato nell'esperimento, l'impulso in un punto distante si è rivelato essere in fase nello stesso modo in cui si entra in questo mezzo. Pertanto, l'impulso luminoso si comporta come se avesse un ritardo di tempo negativo nel suo cammino verso un punto lontano, cioè arriverebbe a esso non più tardi, ma prima di aver superato l'ambiente!
La maggior parte dei fisici è incline ad associare questo risultato alla comparsa di un precursore a bassa intensità nel mezzo dispersivo della camera. Il fatto è che durante la decomposizione spettrale di un impulso, lo spettro contiene componenti di frequenze arbitrariamente alte con ampiezza trascurabile, il cosiddetto precursore, che precedono la "parte principale" dell'impulso. La natura dell'istituzione e la forma del precursore dipendono dalla legge di dispersione nel mezzo. In quest'ottica, si propone di interpretare la sequenza di eventi nell'esperimento di Wong come segue. L'onda in arrivo, "allungando" il presagio di fronte a sé, si avvicina alla telecamera. Prima che il picco dell'onda in arrivo colpisca la parete vicina della camera, il precursore avvia un impulso nella camera, che raggiunge la parete più lontana e si riflette da essa, formando una "onda all'indietro". Questa ondatadiffondendosi 300 volte più velocemente di c, raggiunge il muro vicino e incontra l'onda in arrivo. I picchi di un'onda incontrano gli avvallamenti di un'altra, quindi si distruggono a vicenda e di conseguenza non rimane nulla. Si scopre che l'onda in arrivo "restituisce il debito" agli atomi di cesio, che gli "hanno prestato" energia all'altra estremità della camera. Chiunque osservasse solo l'inizio e la fine dell'esperimento vedrebbe solo un impulso di luce che "saltava" in avanti nel tempo, muovendosi più velocemente con. Vorrei vedere solo un impulso di luce che "saltava" in avanti nel tempo, muovendosi più velocemente. Vorrei vedere solo un impulso di luce che "saltava" in avanti nel tempo, muovendosi più velocemente.
L. Wong crede che il suo esperimento non sia d'accordo con la teoria della relatività. L'affermazione sull'irraggiungibilità della velocità superluminale, secondo lui, è applicabile solo agli oggetti con massa a riposo. La luce può essere rappresentata sia sotto forma di onde, alle quali il concetto di massa è generalmente inapplicabile, sia sotto forma di fotoni con massa a riposo, com'è noto, uguale a zero. Pertanto, la velocità della luce nel vuoto, ritiene Wong, non è il limite. Tuttavia, Wong ammette che l'effetto che ha scoperto non consente di trasferire le informazioni a una velocità superiore a s.
"Le informazioni qui sono già al limite del polso", afferma P. Milonny, fisico del Los Alamos National Laboratory degli Stati Uniti. "E puoi avere l'impressione di inviare informazioni più velocemente della luce, anche quando non le stai inviando."
La maggior parte dei fisici crede che il nuovo lavoro non sferri un colpo schiacciante ai principi fondamentali. Ma non tutti i fisici credono che il problema sia risolto. Il professor A. Ranfagni del gruppo di ricerca italiano, che ha condotto un altro interessante esperimento nel 2000, ritiene che la questione rimanga aperta. Questo esperimento, condotto da Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni e Rocco Ruggeri, ha rilevato che le onde radio in banda centimetrica nel normale viaggio aereo a velocità superiori del 25% rispetto a c.
In sintesi, possiamo dire quanto segue
Il lavoro negli ultimi anni ha dimostrato che in determinate condizioni, la velocità superluminale può effettivamente verificarsi. Ma cos'è esattamente viaggiare a velocità superluminale? La teoria della relatività, come già accennato, proibisce una tale velocità per i corpi materiali e per i segnali che trasportano informazioni. Tuttavia, alcuni ricercatori stanno cercando con insistenza di dimostrare come superare la barriera fotoelettrica per i segnali. La ragione di ciò sta nel fatto che nella teoria della relatività speciale non esiste una giustificazione matematica rigorosa (basata, diciamo, sulle equazioni di Maxwell per il campo elettromagnetico) per l'impossibilità di trasmettere segnali con una velocità maggiore di s. Tale impossibilità in SRT è stabilita, si potrebbe dire, puramente aritmeticamente, procedendo dalla formula di Einstein per l'addizione delle velocità,ma questo è fondamentalmente confermato dal principio di causalità. Lo stesso Einstein, considerando la questione della trasmissione del segnale superluminale, scrisse che in questo caso "… siamo costretti a considerare un meccanismo di trasmissione del segnale, quando si usa il quale l'azione ottenuta precede la causa. Ma, sebbene questo risultato da un punto di vista puramente logico non contenga, a mio avviso, nessuna contraddizione, contraddice ancora il carattere di tutta la nostra esperienza così tanto che l'impossibilità dell'assunzione V> c sembra essere sufficientemente provata ". Il principio di causalità è la pietra angolare che sta alla base dell'impossibilità di trasmissione del segnale FTL. E questa pietra, a quanto pare, inciamperà tutti, senza eccezioni, alla ricerca di segnali superluminali, non importa quanto gli sperimentatori vorrebbero trovare tali segnali,perché questa è la natura del nostro mondo.
Ma ancora, immaginiamo che la matematica della relatività funzionerà ancora a velocità superiori alla luce. Ciò significa che in teoria possiamo ancora scoprire cosa accadrebbe se il corpo superasse la velocità della luce.
Immagina due veicoli spaziali diretti dalla Terra verso una stella distante 100 anni luce dal nostro pianeta. La prima nave lascia la Terra al 50% della velocità della luce, quindi ci vorranno 200 anni per l'intero viaggio. La seconda nave, dotata di un ipotetico motore a curvatura, viaggerà al 200% della velocità della luce, ma 100 anni dopo la prima. Cosa accadrà?
Secondo la teoria della relatività, la risposta corretta dipende in gran parte dalla prospettiva dell'osservatore. Dalla Terra sembrerà che la prima nave abbia già percorso una distanza considerevole prima di essere sorpassata dalla seconda nave, che si sta muovendo quattro volte più velocemente. Ma dal punto di vista delle persone sulla prima nave, tutto è un po 'diverso.
La nave n. 2 si muove più velocemente della luce, il che significa che può persino superare la luce che emette da sola. Questo porta a una sorta di "onda luminosa" (analoga al suono, solo che al posto delle vibrazioni dell'aria, le onde luminose qui vibrano), che genera diversi effetti interessanti. Ricorda che la luce della nave n. 2 si muove più lentamente della nave stessa. Di conseguenza, si verificherà un raddoppio visivo. In altre parole, all'inizio l'equipaggio della nave n. 1 vedrà che la seconda nave è apparsa accanto ad essa come dal nulla. Quindi, la luce della seconda nave raggiungerà la prima con un leggero ritardo e il risultato sarà una copia visibile che si muoverà nella stessa direzione con un leggero ritardo.
Qualcosa di simile può essere visto nei giochi per computer, quando, a seguito di un errore di sistema, il motore carica il modello e i suoi algoritmi nel punto finale del movimento più velocemente di quanto finisce l'animazione stessa, in modo che si verifichino più riprese. Questo è probabilmente il motivo per cui la nostra coscienza non percepisce l'aspetto ipotetico dell'Universo, in cui i corpi si muovono a velocità superluminale - forse questo è il meglio.
PS … ma nell'ultimo esempio non ho capito qualcosa, perché la posizione reale della nave è associata alla "luce emessa da essa"? Bene, lascia che lo vedano come qualcosa che non c'è, ma in realtà supererà la prima nave!
