Los viajes superlumínicos son una de las bases de la ciencia ficción espacial. Sin embargo, probablemente todos, incluso las personas alejadas de la física, saben que la máxima velocidad posible de movimiento de los objetos materiales o la propagación de cualquier señal es la velocidad de la luz en el vacío. Se denota con la letra cy es casi 300 mil kilómetros por segundo; el valor exacto es c = 299 792 458 m / s.
La velocidad de la luz en el vacío es una de las constantes físicas fundamentales. La imposibilidad de alcanzar velocidades superiores a c se deriva de la teoría de la relatividad especial de Einstein (SRT). Si fuera posible demostrar que las señales se pueden transmitir a velocidades superlumínicas, la teoría de la relatividad caería. Hasta ahora, esto no ha sucedido, a pesar de los numerosos intentos de refutar la prohibición sobre la existencia de velocidades superiores a c. Sin embargo, en estudios experimentales recientes, se han descubierto algunos fenómenos muy interesantes, que indican que bajo condiciones especialmente creadas, se pueden observar velocidades superluminales y no se violan los principios de la teoría de la relatividad.
Para empezar, recordemos los principales aspectos relacionados con el problema de la velocidad de la luz.
En primer lugar: ¿por qué es imposible (en condiciones normales) superar el límite de luz? Porque entonces se viola la ley fundamental de nuestro mundo: la ley de causalidad, según la cual el efecto no puede superar a la causa. Nadie ha visto, por ejemplo, que primero un oso cayera muerto y luego un cazador disparara. A velocidades superiores a s, la secuencia de eventos se invierte, la cinta de tiempo se rebobina. Esto es fácil de verificar a partir del siguiente razonamiento simple.
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Supongamos que estamos en una especie de nave espacial milagrosa, moviéndonos más rápido que la luz. Luego, gradualmente nos pondríamos al día con la luz emitida por la fuente en puntos cada vez más tempranos. Primero, nos pondríamos al día con los fotones emitidos, digamos, ayer, luego los emitidos anteayer, luego una semana, un mes, hace un año, y así sucesivamente. Si la fuente de luz fuera un espejo que refleja la vida, entonces veríamos primero los eventos de ayer, luego anteayer, y así sucesivamente. Podríamos ver, digamos, un anciano que poco a poco se convierte en un hombre de mediana edad, luego en un joven, en un joven, en un niño … Es decir, el tiempo volvería atrás, pasaríamos del presente al pasado. Las causas y los efectos se revertirían.
Aunque este razonamiento ignora por completo los detalles técnicos del proceso de observación de la luz, desde un punto de vista fundamental, demuestra claramente que el movimiento con velocidad superluminal conduce a una situación imposible en nuestro mundo. Sin embargo, la naturaleza ha establecido condiciones aún más estrictas: es inalcanzable moverse no solo con una velocidad superluminal, sino también con una velocidad igual a la velocidad de la luz; solo puedes acercarte a ella. De la teoría de la relatividad se deduce que con un aumento en la velocidad del movimiento surgen tres circunstancias: la masa de un objeto en movimiento aumenta, su tamaño disminuye en la dirección del movimiento y el flujo del tiempo en este objeto se ralentiza (desde el punto de vista de un observador externo en reposo). A velocidades normales, estos cambios son insignificantes, pero a medida que se acercan a la velocidad de la luz, se vuelven más notorios.y en el límite, a una velocidad igual ac, la masa se vuelve infinitamente grande, el objeto pierde completamente su tamaño en la dirección del movimiento y el tiempo se detiene en él. Por tanto, ningún cuerpo material puede alcanzar la velocidad de la luz. ¡Solo la luz misma tiene tal velocidad! (Y también la partícula "omnipresente", el neutrino, que, como un fotón, no puede moverse a una velocidad inferior a s).
Ahora sobre la velocidad de transmisión de la señal. Aquí conviene utilizar la representación de la luz en forma de ondas electromagnéticas. ¿Qué es una señal? Se trata de algún tipo de información a transmitir. Una onda electromagnética ideal es una sinusoide infinita de estrictamente una frecuencia, y no puede transportar ninguna información, porque cada período de dicha sinusoide repite exactamente el anterior. La velocidad de movimiento de la fase de una onda sinusoidal, la llamada velocidad de fase, puede en un medio, bajo ciertas condiciones, exceder la velocidad de la luz en el vacío. No hay restricciones aquí, ya que la velocidad de fase no es la velocidad de la señal, todavía no está allí. Para crear una señal, necesitas hacer algún tipo de "marca" en la onda. Tal marca puede ser, por ejemplo, un cambio en cualquiera de los parámetros de onda: amplitud, frecuencia o fase inicial. Pero una vez que se deja la marca,la onda pierde sinusoidalidad. Se modula y consiste en un conjunto de ondas sinusoidales simples con diferentes amplitudes, frecuencias y fases iniciales: un grupo de ondas. La velocidad a la que se mueve la marca en la onda modulada es la velocidad de la señal. Cuando se propaga en un medio, esta velocidad suele coincidir con la velocidad del grupo, que caracteriza la propagación del grupo de ondas antes mencionado en su conjunto (ver Science and Life No. 2, 2000). En condiciones normales, la velocidad del grupo, y por tanto la velocidad de la señal, es menor que la velocidad de la luz en el vacío. No es casualidad que se utilice la expresión "en condiciones normales", porque en algunos casos la velocidad de grupo puede superar co incluso perder su significado, pero entonces no se aplica a la propagación de señales. En el SRT se establece que es imposible transmitir una señal con una velocidad superior a s. Se modula y consiste en un conjunto de ondas sinusoidales simples con diferentes amplitudes, frecuencias y fases iniciales: un grupo de ondas. La velocidad a la que se mueve la marca en la onda modulada es la velocidad de la señal. Cuando se propaga en un medio, esta velocidad suele coincidir con la velocidad del grupo, que caracteriza la propagación del grupo de ondas antes mencionado en su conjunto (ver Science and Life No. 2, 2000). En condiciones normales, la velocidad del grupo, y por tanto la velocidad de la señal, es menor que la velocidad de la luz en el vacío. No es casualidad que se utilice la expresión "en condiciones normales", porque en algunos casos la velocidad del grupo también puede superar co incluso perder su significado, pero entonces no se aplica a la propagación de la señal. En el SRT se establece que es imposible transmitir una señal con una velocidad superior a s. Se modula y consiste en un conjunto de ondas sinusoidales simples con diferentes amplitudes, frecuencias y fases iniciales: un grupo de ondas. La velocidad a la que se mueve la marca en la onda modulada es la velocidad de la señal. Cuando se propaga en un medio, esta velocidad suele coincidir con la velocidad del grupo, que caracteriza la propagación del grupo de ondas antes mencionado en su conjunto (ver Science and Life No. 2, 2000). En condiciones normales, la velocidad del grupo, y por tanto la velocidad de la señal, es menor que la velocidad de la luz en el vacío. No es casualidad que se utilice la expresión "en condiciones normales", porque en algunos casos la velocidad del grupo también puede superar co incluso perder su significado, pero entonces no se aplica a la propagación de la señal. En el SRT se establece que es imposible transmitir una señal con una velocidad superior a s.que consiste en un conjunto de ondas sinusoidales simples con diferentes amplitudes, frecuencias y fases iniciales - un grupo de ondas. La velocidad a la que se mueve la marca en la onda modulada es la velocidad de la señal. Cuando se propaga en un medio, esta velocidad suele coincidir con la velocidad del grupo, que caracteriza la propagación del grupo de ondas antes mencionado en su conjunto (ver Science and Life No. 2, 2000). En condiciones normales, la velocidad del grupo, y por tanto la velocidad de la señal, es menor que la velocidad de la luz en el vacío. No es casualidad que se utilice la expresión "en condiciones normales", porque en algunos casos la velocidad del grupo también puede superar c o incluso perder su significado, pero entonces no se aplica a la propagación de señales. El SRT establece que es imposible transmitir una señal con una velocidad superior a s.que consiste en un conjunto de ondas sinusoidales simples con diferentes amplitudes, frecuencias y fases iniciales - un grupo de ondas. La velocidad a la que se mueve la marca en la onda modulada es la velocidad de la señal. Cuando se propaga en un medio, esta velocidad suele coincidir con la velocidad del grupo, que caracteriza la propagación del grupo de ondas antes mencionado en su conjunto (ver Science and Life No. 2, 2000). En condiciones normales, la velocidad del grupo, y por tanto la velocidad de la señal, es menor que la velocidad de la luz en el vacío. No es casualidad que se utilice la expresión "en condiciones normales", porque en algunos casos la velocidad del grupo también puede superar c o incluso perder su significado, pero entonces no se aplica a la propagación de señales. El SRT establece que es imposible transmitir una señal con una velocidad superior a s.frecuencias y fases iniciales - grupos de ondas. La velocidad a la que se mueve la marca en la onda modulada es la velocidad de la señal. Cuando se propaga en un medio, esta velocidad suele coincidir con la velocidad del grupo, que caracteriza la propagación del grupo de ondas antes mencionado en su conjunto (ver Science and Life No. 2, 2000). En condiciones normales, la velocidad del grupo, y por tanto la velocidad de la señal, es menor que la velocidad de la luz en el vacío. No es casualidad que se utilice la expresión "en condiciones normales", porque en algunos casos la velocidad de grupo puede superar co incluso perder su significado, pero entonces no se aplica a la propagación de señales. En el SRT se establece que es imposible transmitir una señal con una velocidad superior a s.frecuencias y fases iniciales - grupos de ondas. La velocidad a la que se mueve la marca en la onda modulada es la velocidad de la señal. Cuando se propaga en un medio, esta velocidad suele coincidir con la velocidad del grupo, que caracteriza la propagación del grupo de ondas antes mencionado en su conjunto (ver Science and Life No. 2, 2000). En condiciones normales, la velocidad del grupo, y por tanto la velocidad de la señal, es menor que la velocidad de la luz en el vacío. No es casualidad que se utilice la expresión "en condiciones normales", porque en algunos casos la velocidad de grupo puede superar co incluso perder su significado, pero entonces no se aplica a la propagación de señales. En el SRT se establece que es imposible transmitir una señal con una velocidad superior a s. Cuando se propaga en un medio, esta velocidad suele coincidir con la velocidad del grupo, que caracteriza la propagación del grupo de ondas antes mencionado en su conjunto (ver Science and Life No. 2, 2000). En condiciones normales, la velocidad del grupo, y por tanto la velocidad de la señal, es menor que la velocidad de la luz en el vacío. No es casualidad que se utilice la expresión "en condiciones normales", porque en algunos casos la velocidad de grupo puede superar co incluso perder su significado, pero entonces no se aplica a la propagación de señales. En el SRT se establece que es imposible transmitir una señal con una velocidad superior a s. Cuando se propaga en un medio, esta velocidad suele coincidir con la velocidad del grupo, que caracteriza la propagación del grupo de ondas antes mencionado en su conjunto (ver Science and Life No. 2, 2000). En condiciones normales, la velocidad del grupo, y por tanto la velocidad de la señal, es menor que la velocidad de la luz en el vacío. 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¿Por qué esto es tan? Porque la misma ley de causalidad sirve como obstáculo para la transmisión de cualquier señal con una velocidad superior a c. Imaginemos la siguiente situación. En algún punto A, un destello de luz (evento 1) enciende un dispositivo que envía una determinada señal de radio, y en un punto remoto B, ocurre una explosión bajo la acción de esta señal de radio (evento 2). Está claro que el evento 1 (relámpago) es una causa y el evento 2 (explosión) es una consecuencia que ocurre más tarde que la causa. Pero si la señal de radio se propaga a una velocidad superluminal, un observador cerca del punto B vería primero una explosión, y solo entonces, un destello que lo alcanzó a la velocidad de un destello de luz, la causa de la explosión. En otras palabras, para este observador, el evento 2 ocurriría antes que el evento 1, es decir, el efecto estaría por delante de la causa.
Es oportuno enfatizar que la "prohibición superlumínica" de la teoría de la relatividad se impone únicamente al movimiento de cuerpos materiales y transmisión de señales. En muchas situaciones, es posible el movimiento a cualquier velocidad, pero no será movimiento de objetos materiales o señales. Por ejemplo, imagine dos reglas bastante largas que se encuentran en el mismo plano, una de las cuales es horizontal y la otra se cruza en un ángulo pequeño. Si la primera regla se mueve hacia abajo (en la dirección indicada por la flecha) a alta velocidad, se puede hacer que el punto de intersección de las reglas corra tan rápido como desee, pero este punto no es un cuerpo material. Otro ejemplo: si toma una linterna (o, digamos, un láser que emite un haz estrecho) y describe rápidamente un arco en el aire, entonces la velocidad lineal del punto de luz aumentará con la distancia y a una distancia suficientemente grande excederá c. El punto de luz se moverá entre los puntos A y B a una velocidad superluminal, pero esto no será una transmisión de señal de A a B, ya que dicho punto de luz no lleva ninguna información sobre el punto A.
Parecería que se ha resuelto la cuestión de las velocidades superlumínicas. Pero en los años 60 del siglo XX, los físicos teóricos propusieron una hipótesis de la existencia de partículas superlumínicas llamadas taquiones. Se trata de partículas muy extrañas: teóricamente son posibles, pero para evitar contradicciones con la teoría de la relatividad, tuvieron que adscribir una masa en reposo imaginaria. La masa físicamente imaginaria no existe, es una abstracción puramente matemática. Sin embargo, esto no causó mucha alarma, ya que los taquiones no pueden estar en reposo; existen (¡si existen!) Solo a velocidades que exceden la velocidad de la luz en el vacío, y en este caso la masa del taquión resulta ser real. Aquí hay una analogía con los fotones: un fotón tiene una masa en reposo cero, pero esto simplemente significa que un fotón no puede estar en reposo, la luz no puede detenerse.
Lo más difícil, como se esperaba, fue conciliar la hipótesis del taquión con la ley de causalidad. Los intentos en esta dirección, aunque fueron bastante ingeniosos, no condujeron a un éxito evidente. Nadie logró registrar los taquiones de manera experimental. Como resultado, el interés en los taquiones como partículas elementales superlumínicas se desvaneció gradualmente.
Sin embargo, en los años 60, se descubrió experimentalmente un fenómeno que inicialmente confundió a los físicos. Esto se describe en detalle en el artículo de A. N. Oraevsky "Ondas superluminales en medios amplificadores" (Phys. Phys. No. 12, 1998). Aquí resumiremos brevemente el asunto, remitiendo al lector interesado en detalles al artículo especificado.
Poco después del descubrimiento de los láseres, a principios de los años 60, surgió el problema de obtener pulsos de luz cortos (alrededor de 1 ns = 10-9 s) de alta potencia. Para ello, se pasó un pulso de láser corto a través de un amplificador cuántico óptico. El pulso fue dividido en dos partes por un espejo divisor de rayos. Uno de ellos, más potente, se enviaba al amplificador, mientras que el otro se propagaba en el aire y servía como pulso de referencia con el que se podía comparar el pulso que pasaba por el amplificador. Ambos pulsos se alimentaron a fotodetectores y sus señales de salida se pudieron observar visualmente en la pantalla del osciloscopio. Se esperaba que el pulso de luz que pasaba por el amplificador experimentara un cierto retraso en comparación con el pulso de referencia, es decir, la velocidad de propagación de la luz en el amplificador será menor que en el aire.¡Imagínese la sorpresa de los investigadores cuando descubrieron que el pulso se propagaba a través del amplificador a una velocidad no solo mayor que en el aire, sino que también excedía varias veces la velocidad de la luz en el vacío!
Habiéndose recuperado del primer impacto, los físicos comenzaron a buscar la razón de un resultado tan inesperado. Nadie tenía la más mínima duda sobre los principios de la teoría especial de la relatividad, y esto es lo que ayudó a encontrar la explicación correcta: si se conservan los principios de la SRT, entonces la respuesta debe buscarse en las propiedades del medio amplificador.
Sin entrar en detalles aquí, solo señalamos que un análisis detallado del mecanismo de acción del medio amplificador ha aclarado completamente la situación. El asunto consistía en un cambio en la concentración de fotones durante la propagación del pulso, un cambio debido a un cambio en la ganancia del medio hasta un valor negativo durante el paso de la parte posterior del pulso, cuando el medio ya absorbe energía, porque su propia reserva ya se ha gastado debido a su transmisión al pulso de luz. La absorción no causa amplificación, sino un debilitamiento del impulso y, por lo tanto, el impulso se intensifica en el frente y se debilita en la espalda. Imaginemos que estamos observando un pulso con la ayuda de un dispositivo que se mueve a la velocidad de la luz en un medio amplificador. Si el medio fuera transparente, veríamos el impulso congelado en la inmovilidad. En el ambiente,en el que ocurre el proceso mencionado anteriormente, la amplificación del borde de ataque y el debilitamiento del borde de salida del pulso aparecerán ante el observador de tal manera que el medio, por así decirlo, ha movido el pulso hacia adelante. Pero como el dispositivo (observador) se mueve a la velocidad de la luz y el pulso lo alcanza, ¡entonces la velocidad del pulso excede la velocidad de la luz! Es este efecto el que registraron los experimentadores. Y aquí realmente no hay contradicción con la teoría de la relatividad: simplemente el proceso de amplificación es tal que la concentración de fotones que salieron antes resulta ser mayor que la de los que salieron después. No son los fotones los que se mueven con velocidad superluminal, sino la envolvente del pulso, en particular, su máximo, lo que se observa en el osciloscopio. Pero como el dispositivo (observador) se mueve a la velocidad de la luz y el pulso lo alcanza, ¡entonces la velocidad del pulso excede la velocidad de la luz! Es este efecto el que registraron los experimentadores. Y aquí realmente no hay contradicción con la teoría de la relatividad: simplemente el proceso de amplificación es tal que la concentración de fotones que salieron antes resulta ser mayor que la de los que salieron después. No son los fotones los que se mueven con velocidad superluminal, sino la envolvente del pulso, en particular, su máximo, lo que se observa en el osciloscopio. Pero como el dispositivo (observador) se mueve a la velocidad de la luz y el pulso lo alcanza, ¡entonces la velocidad del pulso excede la velocidad de la luz! Es este efecto el que registraron los experimentadores. Y aquí realmente no hay contradicción con la teoría de la relatividad: simplemente el proceso de amplificación es tal que la concentración de fotones que salieron antes resulta ser mayor que la de los que salieron después. No son los fotones los que se mueven con velocidad superluminal, sino la envolvente del pulso, en particular, su máximo, lo que se observa en el osciloscopio. No son los fotones los que se mueven con velocidad superluminal, sino la envolvente del pulso, en particular, su máximo, lo que se observa en el osciloscopio. No son los fotones los que se mueven con velocidad superluminal, sino la envolvente del pulso, en particular, su máximo, lo que se observa en el osciloscopio.
Así, mientras que en los medios ordinarios siempre hay una atenuación de la luz y una disminución en su velocidad, determinada por el índice de refracción, en los medios láser activos no solo se observa la amplificación de la luz, sino también la propagación del pulso con velocidad superluminal.
Algunos físicos han intentado probar experimentalmente la existencia de movimiento superluminal en el efecto túnel, uno de los fenómenos más sorprendentes de la mecánica cuántica. Este efecto consiste en que una micropartícula (más precisamente, un microobjeto, que exhibe tanto las propiedades de una partícula como las propiedades de una onda en diferentes condiciones) es capaz de atravesar la llamada barrera de potencial, fenómeno completamente imposible en la mecánica clásica (en la que el análogo sería tal situación: Una pelota lanzada contra la pared estaría al otro lado de la pared, o el movimiento ondulante impartido a la cuerda atada a la pared se transmitiría a la cuerda atada a la pared del otro lado). La esencia del efecto túnel en la mecánica cuántica es la siguiente. Si un microobjeto con cierta energía se encuentra con un área con energía potencial en su camino,superando la energía del microobjeto, esta área es para él una barrera, cuya altura está determinada por la diferencia de energía. ¡Pero el microobjeto "se filtra" a través de la barrera! Esta posibilidad le es dada por la conocida relación de incertidumbre de Heisenberg, escrita para la energía y el tiempo de interacción. Si la interacción del microobjeto con la barrera se produce durante un tiempo suficientemente definido, entonces la energía del microobjeto, por el contrario, se caracterizará por la incertidumbre, y si esta incertidumbre es del orden de la altura de la barrera, entonces esta última deja de ser un obstáculo insuperable para el microobjeto. Aquí, la velocidad de penetración a través de una barrera potencial se ha convertido en objeto de investigación por parte de varios físicos, que creen que puede superar los s.¡Pero el microobjeto "se filtra" a través de la barrera! Esta posibilidad le es dada por la conocida relación de incertidumbre de Heisenberg, escrita para la energía y el tiempo de interacción. Si la interacción del microobjeto con la barrera se produce durante un tiempo suficientemente definido, entonces la energía del microobjeto, por el contrario, se caracterizará por la incertidumbre, y si esta incertidumbre es del orden de la altura de la barrera, entonces esta última deja de ser un obstáculo insuperable para el microobjeto. Aquí, la velocidad de penetración a través de una barrera potencial se ha convertido en objeto de investigación por parte de varios físicos, que creen que puede superar los s.¡Pero el microobjeto "se filtra" a través de la barrera! Esta posibilidad le es dada por la conocida relación de incertidumbre de Heisenberg, escrita para la energía y el tiempo de interacción. Si la interacción del microobjeto con la barrera se produce durante un tiempo suficientemente definido, entonces la energía del microobjeto, por el contrario, se caracterizará por la incertidumbre, y si esta incertidumbre es del orden de la altura de la barrera, entonces esta última deja de ser un obstáculo insuperable para el microobjeto. Aquí, la velocidad de penetración a través de una barrera potencial se ha convertido en objeto de investigación por parte de varios físicos, que creen que puede superar los s. Si la interacción del microobjeto con la barrera se produce durante un tiempo suficientemente definido, entonces la energía del microobjeto, por el contrario, se caracterizará por la incertidumbre, y si esta incertidumbre es del orden de la altura de la barrera, entonces esta última deja de ser un obstáculo insuperable para el microobjeto. Aquí, la velocidad de penetración a través de una barrera potencial se ha convertido en objeto de investigación por parte de varios físicos, que creen que puede superar los s. Si la interacción del microobjeto con la barrera se produce durante un tiempo suficientemente definido, entonces la energía del microobjeto, por el contrario, se caracterizará por la incertidumbre, y si esta incertidumbre es del orden de la altura de la barrera, entonces esta última deja de ser un obstáculo insuperable para el microobjeto. Aquí, la velocidad de penetración a través de una barrera potencial se ha convertido en objeto de investigación por parte de varios físicos, que creen que puede superar los s.
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En junio de 1998 se celebró en Colonia un simposio internacional sobre problemas de FTL, donde se debatieron los resultados obtenidos en cuatro laboratorios: Berkeley, Viena, Colonia y Florencia.
Y finalmente, en 2000, hubo informes de dos nuevos experimentos en los que aparecieron los efectos de la propagación superluminal. Uno de ellos fue realizado por Lijun Wong y compañeros de trabajo en un instituto de investigación en Princeton (EE. UU.). Su resultado es que el pulso de luz que ingresa a la cámara llena de vapor de cesio aumenta su velocidad 300 veces. Resultó que la parte principal del pulso abandona la pared lejana de la cámara incluso antes de que el pulso entre en la cámara a través de la pared frontal. Esta situación contradice no solo el sentido común, sino, en esencia, la teoría de la relatividad.
El mensaje de L. Wong provocó una intensa discusión entre los físicos, la mayoría de los cuales no están dispuestos a ver en los resultados obtenidos una violación de los principios de la relatividad. El desafío, creen, es explicar correctamente este experimento.
En el experimento de L. Wong, el pulso de luz que entraba en la cámara con vapor de cesio tenía una duración de aproximadamente 3 μs. Los átomos de cesio pueden estar en dieciséis posibles estados de la mecánica cuántica, llamados "subniveles magnéticos hiperfinos del estado fundamental". Con la ayuda del bombeo de láser óptico, casi todos los átomos se llevaron a solo uno de estos dieciséis estados, lo que corresponde a una temperatura casi cero absoluta en la escala Kelvin (-273,15 ° C). La cámara de cesio tenía 6 centímetros de largo. En el vacío, la luz viaja 6 centímetros en 0.2 ns. Las mediciones mostraron que el pulso de luz pasó a través de la cámara con cesio en 62 ns menos que en el vacío. En otras palabras, el tiempo de tránsito del pulso a través del medio de cesio tiene un signo menos. De hecho, si se restan 62 ns de 0,2 ns, obtenemos un tiempo "negativo". Este "retraso negativo" en el medio - un salto de tiempo incomprensible - es igual al tiempo durante el cual el pulso habría hecho 310 pases a través de la cámara en el vacío. La consecuencia de este "vuelco temporal" fue que el impulso que abandonaba la cámara tuvo tiempo de alejarse 19 metros antes de que el impulso entrante alcanzara la pared cercana de la cámara. ¿Cómo se puede explicar una situación tan increíble (si, por supuesto, no hay dudas sobre la pureza del experimento)?para no dudar de la pureza del experimento)?para no dudar de la pureza del experimento)?
A juzgar por la discusión que se desarrolla, aún no se ha encontrado una explicación exacta, pero no hay duda de que las propiedades de dispersión inusuales del medio juegan un papel aquí: los vapores de cesio, que consisten en átomos excitados por luz láser, son un medio con dispersión anómala. Recordemos brevemente de qué se trata.
La dispersión de una sustancia es la dependencia del índice de refracción de fase (convencional) n de la longitud de onda de la luz l. Con la dispersión normal, el índice de refracción aumenta al disminuir la longitud de onda, y esto ocurre en el vidrio, el agua, el aire y todas las demás sustancias transparentes a la luz. En sustancias que absorben fuertemente la luz, el curso del índice de refracción cambia al opuesto con un cambio en la longitud de onda y se vuelve mucho más pronunciado: con una disminución en l (un aumento en la frecuencia w), el índice de refracción disminuye bruscamente y en una cierta región de longitudes de onda se vuelve menor que la unidad (la velocidad de fase Vph> s). Esta es la dispersión anómala, en la que la imagen de la propagación de la luz en la materia cambia radicalmente. La velocidad de grupo Vgr se vuelve mayor que la velocidad de fase de las ondas y puede exceder la velocidad de la luz en el vacío (y también volverse negativa). L. Wong señala esta circunstancia como la razón subyacente a la posibilidad de explicar los resultados de su experimento. Cabe señalar, sin embargo, que la condición Vgr> c es puramente formal, ya que se introdujo el concepto de velocidad de grupo para el caso de dispersión pequeña (normal), para medios transparentes, cuando el grupo de ondas casi no cambia de forma durante la propagación. En regiones de dispersión anómala, en cambio, el pulso de luz se deforma rápidamente y el concepto de velocidad de grupo pierde su significado; en este caso, se introducen los conceptos de velocidad de señal y velocidad de propagación de energía, que en medios transparentes coinciden con la velocidad de grupo, y en medios con absorción quedan menores que la velocidad de la luz en el vacío. Pero esto es lo que es interesante en el experimento de Wong: un pulso de luz, que ha pasado a través de un medio con dispersión anómala, no se deforma, ¡conserva exactamente su forma!Y esto corresponde a la suposición sobre la propagación del pulso con la velocidad de grupo. Pero si es así, resulta que no hay absorción en el medio, ¡aunque la dispersión anómala del medio se debe precisamente a la absorción! El propio Wong, admitiendo que aún hay mucho por aclarar, cree que lo que está sucediendo en su configuración experimental puede, en una primera aproximación, explicarse claramente de la siguiente manera.
Un pulso de luz consta de muchos componentes con diferentes longitudes de onda (frecuencias). La figura muestra tres de estos componentes (ondas 1-3). En algún momento, las tres ondas están en fase (sus máximos coinciden); aquí ellos, sumando, se refuerzan y forman un impulso. A medida que las ondas se propagan más en el espacio, las ondas están desfasadas y por lo tanto se "humedecen" entre sí.
En la región de dispersión anómala (dentro de la celda de cesio), la onda que fue más corta (onda 1) se vuelve más larga. Por el contrario, la onda que fue la más larga de las tres (onda 3) se convierte en la más corta.
En consecuencia, las fases de las ondas cambian en consecuencia. Cuando las ondas han pasado a través de la celda de cesio, sus frentes de onda se restauran. Habiendo sufrido una modulación de fase inusual en una sustancia con dispersión anómala, las tres ondas consideradas vuelven a estar en fase en un punto determinado. Aquí se pliegan de nuevo y forman un pulso exactamente de la misma forma que al entrar en el medio de cesio.
Por lo general, en el aire y en prácticamente cualquier medio transparente con dispersión normal, un pulso de luz no puede mantener con precisión su forma cuando se propaga a una distancia distante, es decir, todos sus componentes no pueden ponerse en fase en ningún punto distante a lo largo de la ruta de propagación. Y en condiciones normales, aparece un pulso de luz en un punto tan distante después de un tiempo. Sin embargo, debido a las propiedades anómalas del medio utilizado en el experimento, el pulso en un punto distante resultó estar escalonado de la misma manera que al entrar en este medio. Por lo tanto, el pulso de luz se comporta como si tuviera un retardo de tiempo negativo en su camino hacia un punto distante, es decir, ¡llegaría a él no más tarde, sino antes de que haya pasado el ambiente!
La mayoría de los físicos se inclinan a asociar este resultado con la aparición de un precursor de baja intensidad en el medio dispersivo de la cámara. El hecho es que en la descomposición espectral de un pulso, el espectro contiene componentes de frecuencias arbitrariamente altas con amplitud insignificante, el llamado precursor, que va por delante de la "parte principal" del pulso. La naturaleza del establecimiento y la forma del precursor dependen de la ley de dispersión en el medio. Con esto en mente, se propone que la secuencia de eventos en el experimento de Wong se interprete de la siguiente manera. La ola entrante, "estirando" al presagio frente a sí misma, se acerca a la cámara. Antes de que el pico de la onda entrante golpee la pared cercana de la cámara, el precursor inicia un impulso en la cámara, que alcanza la pared lejana y se refleja en ella, formando una "onda hacia atrás". Esta olaextendiéndose 300 veces más rápido que c, alcanza la pared cercana y se encuentra con la ola entrante. Los picos de una ola se encuentran con los valles de otra, por lo que se destruyen entre sí y no queda nada como resultado. Resulta que la onda entrante "devuelve la deuda" a los átomos de cesio, que le "prestan" energía en el otro extremo de la cámara. Cualquiera que solo observe el comienzo y el final del experimento vería solo un pulso de luz que "saltó" hacia adelante en el tiempo, moviéndose más rápido. Solo veía un pulso de luz que "saltaba" hacia adelante en el tiempo, moviéndose más rápido. Solo veía un pulso de luz que "saltaba" hacia adelante en el tiempo, moviéndose más rápido.
L. Wong cree que su experimento no concuerda con la teoría de la relatividad. El enunciado sobre la inalcanzabilidad de la velocidad superluminal, cree, es aplicable solo a objetos con masa en reposo. La luz se puede representar en forma de ondas, a las que el concepto de masa es generalmente inaplicable, o en forma de fotones con una masa en reposo, como se sabe, igual a cero. Por lo tanto, la velocidad de la luz en el vacío, cree Wong, no es el límite. Sin embargo, Wong admite que el efecto que descubrió no permite transferir información a una velocidad superior a s.
“La información aquí ya está en la vanguardia del pulso”, dice P. Milonny, físico del Laboratorio Nacional de Los Alamos de EE. UU. "Y puede tener la impresión de enviar información más rápido que la luz, incluso cuando no la envía".
La mayoría de los físicos creen que el nuevo trabajo no da un golpe aplastante a los principios fundamentales. Pero no todos los físicos creen que el problema está resuelto. El profesor A. Ranfagni del grupo de investigación italiano, que llevó a cabo otro interesante experimento en 2000, cree que la cuestión sigue abierta. Este experimento, realizado por Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni y Rocco Ruggeri, encontró que las ondas de radio de banda centimétrica en viajes aéreos normales a velocidades un 25% mayores que c.
En resumen, podemos decir lo siguiente
El trabajo de los últimos años ha demostrado que, en determinadas condiciones, la velocidad superluminal puede tener lugar. Pero, ¿qué es exactamente viajar a velocidad superluminal? La teoría de la relatividad, como ya se mencionó, prohíbe tal velocidad para los cuerpos materiales y para las señales que transportan información. Sin embargo, algunos investigadores están tratando de demostrar persistentemente cómo superar la barrera de luz para las señales. La razón de esto radica en el hecho de que en la teoría especial de la relatividad no existe una justificación matemática rigurosa (basada, por ejemplo, en las ecuaciones de Maxwell para el campo electromagnético) para la imposibilidad de transmitir señales con una velocidad superior a s. Tal imposibilidad en SRT se establece, se podría decir, puramente aritméticamente, a partir de la fórmula de Einstein para la suma de velocidades,pero esto está fundamentalmente confirmado por el principio de causalidad. El mismo Einstein, considerando la cuestión de la transmisión de señales superlumínicas, escribió que en este caso "… nos vemos obligados a considerar un mecanismo de transmisión de señales, cuando se utiliza el cual la acción lograda precede a la causa. Pero, aunque este resultado desde un punto de vista puramente lógico no contiene, en mi opinión, no hay contradicciones, aún contradice tanto el carácter de nuestra experiencia entera que la imposibilidad del supuesto V> c parece estar suficientemente probada”. El principio de causalidad es la piedra angular que subyace a la imposibilidad de transmisión de señales FTL. Y esta piedra, aparentemente, tropezará con todas, sin excepción, las búsquedas de señales superlumínicas, sin importar cuánto les gustaría a los experimentadores encontrar tales señales,porque esta es la naturaleza de nuestro mundo.
Pero aún así, imaginemos que las matemáticas de la relatividad seguirán funcionando a velocidades más rápidas que la luz. Esto significa que, en teoría, aún podemos averiguar qué pasaría si el cuerpo superara la velocidad de la luz.
Imagínese dos naves espaciales que se dirigen desde la Tierra hacia una estrella a 100 años luz de distancia de nuestro planeta. La primera nave sale de la Tierra al 50% de la velocidad de la luz, por lo que tomará 200 años para todo el viaje. La segunda nave, equipada con un hipotético motor warp, viajará al 200% de la velocidad de la luz, pero 100 años después de la primera. ¿Lo que sucederá?
Según la teoría de la relatividad, la respuesta correcta depende en gran medida de la perspectiva del observador. Desde la Tierra parecerá que la primera nave ya ha recorrido una distancia considerable antes de ser alcanzada por la segunda nave, que se mueve cuatro veces más rápido. Pero desde el punto de vista de la gente del primer barco, todo es un poco diferente.
La nave n. ° 2 se mueve más rápido que la luz, lo que significa que incluso puede superar la luz que emite. Esto conduce a una especie de "onda de luz" (análoga al sonido, solo que en lugar de vibraciones de aire, aquí vibran ondas de luz), que genera varios efectos interesantes. Recuerde que la luz del barco n. ° 2 se mueve más lentamente que el barco mismo. Como resultado, se producirá una duplicación visual. En otras palabras, al principio la tripulación del barco # 1 verá que el segundo barco apareció junto a él como si saliera de la nada. Entonces, la luz del segundo barco llegará al primero con un ligero retraso, y el resultado será una copia visible que se moverá en la misma dirección con un ligero retraso.
Algo similar se puede ver en los juegos de computadora, cuando, como resultado de una falla del sistema, el motor carga el modelo y sus algoritmos en el punto final del movimiento más rápido de lo que termina la animación, por lo que ocurren múltiples tomas. Probablemente esta sea la razón por la que nuestra conciencia no percibe el aspecto hipotético del Universo, en el que los cuerpos se mueven a una velocidad superluminal; tal vez esto sea lo mejor.
PD … pero en el último ejemplo no entendí algo, ¿por qué la posición real de la nave está asociada con la "luz que emite"? Bueno, que lo vean como algo que no está allí, ¡pero en realidad alcanzará al primer barco!
