Le voyage superluminal est l'un des fondements de la science-fiction spatiale. Cependant, probablement tout le monde - même les gens éloignés de la physique - sait que la vitesse maximale possible de mouvement des objets matériels ou de propagation de tout signal est la vitesse de la lumière dans le vide. Il est désigné par la lettre c et fait près de 300 000 kilomètres par seconde; la valeur exacte est c = 299 792 458 m / s.
La vitesse de la lumière dans le vide est l'une des constantes physiques fondamentales. L'impossibilité d'atteindre des vitesses supérieures à c découle de la théorie de la relativité restreinte (SRT) d'Einstein. S'il était possible de prouver que les signaux peuvent être transmis à des vitesses supraluminales, la théorie de la relativité tomberait. Jusqu'à présent, cela ne s'est pas produit, malgré de nombreuses tentatives pour réfuter l'interdiction de l'existence de vitesses supérieures à c. Cependant, dans des études expérimentales récentes, certains phénomènes très intéressants ont été découverts, indiquant que dans des conditions spécialement créées, des vitesses supraluminales peuvent être observées et les principes de la théorie de la relativité ne sont pas violés.
Pour commencer, rappelons les principaux aspects liés au problème de la vitesse de la lumière.
Tout d'abord: pourquoi est-il impossible (dans des conditions normales) de dépasser la limite de luminosité? Parce qu'alors la loi fondamentale de notre monde est violée - la loi de causalité, selon laquelle l'effet ne peut pas dépasser la cause. Personne n'a jamais observé, par exemple, d'abord un ours est tombé mort, puis un chasseur a tiré. À des vitesses dépassant s, la séquence des événements est inversée, la bande de temps est rembobinée. Ceci est facile à vérifier à partir du raisonnement simple suivant.
Supposons que nous soyons sur une sorte de vaisseau miracle spatial, se déplaçant plus vite que la lumière. Ensuite, nous rattraperions progressivement la lumière émise par la source à des moments de plus en plus précoces. D'abord, on rattraperait les photons émis, disons hier, puis ceux émis avant-hier, puis une semaine, un mois, un an, et ainsi de suite. Si la source de lumière était un miroir reflétant la vie, alors nous verrions d'abord les événements d'hier, puis avant-hier, et ainsi de suite. On pouvait voir, disons, un vieil homme qui se transforme peu à peu en homme d'âge moyen, puis en jeune homme, en jeune, en enfant … Autrement dit, le temps reviendrait, nous passerions du présent au passé. Les causes et les effets seraient inversés.
Bien que ce raisonnement ignore complètement les détails techniques du processus d'observation de la lumière, d'un point de vue fondamental, il démontre clairement que le mouvement à une vitesse supraluminale conduit à une situation impossible dans notre monde. Cependant, la nature a posé des conditions encore plus strictes: il est impossible de se déplacer non seulement avec une vitesse ultraluminale, mais aussi avec une vitesse égale à la vitesse de la lumière - vous ne pouvez que vous en approcher. De la théorie de la relativité, il s'ensuit qu'avec une augmentation de la vitesse du mouvement, trois circonstances se présentent: la masse d'un objet en mouvement augmente, sa taille diminue dans le sens du mouvement, et l'écoulement du temps sur cet objet ralentit (du point de vue d'un observateur externe «au repos»). Aux vitesses normales, ces changements sont négligeables, mais à mesure qu'ils se rapprochent de la vitesse de la lumière, ils deviennent plus perceptibles,et à la limite - à une vitesse égale à c - la masse devient infiniment grande, l'objet perd complètement sa taille dans le sens du mouvement et le temps s'arrête dessus. Par conséquent, aucun corps matériel ne peut atteindre la vitesse de la lumière. Seule la lumière elle-même a une telle vitesse! (Et aussi la particule «omniprésente» - le neutrino, qui, comme un photon, ne peut pas se déplacer à une vitesse inférieure à s.)
Maintenant sur la vitesse de transmission du signal. Il convient ici d'utiliser la représentation de la lumière sous forme d'ondes électromagnétiques. Qu'est-ce qu'un signal? Il s'agit d'une sorte d'information à transmettre. Une onde électromagnétique idéale est une sinusoïde infinie de strictement une fréquence, et elle ne peut transporter aucune information, car chaque période d'une telle sinusoïde répète exactement la précédente. La vitesse de déplacement de la phase d'une onde sinusoïdale - appelée vitesse de phase - peut dans un milieu, dans certaines conditions, dépasser la vitesse de la lumière dans le vide. Il n'y a pas de restrictions ici, car la vitesse de phase n'est pas la vitesse du signal - elle n'y est pas encore. Pour créer un signal, vous devez faire une sorte de "marque" sur la vague. Une telle marque peut être, par exemple, une modification de l'un des paramètres d'onde - amplitude, fréquence ou phase initiale. Mais une fois la marque faite,l'onde perd sa sinusoïdalité. Il devient modulé, constitué d'un ensemble d'ondes sinusoïdales simples avec différentes amplitudes, fréquences et phases initiales - un groupe d'ondes. La vitesse à laquelle la marque se déplace dans l'onde modulée est la vitesse du signal. Lorsqu'elle se propage dans un milieu, cette vitesse coïncide généralement avec la vitesse du groupe, qui caractérise la propagation du groupe d'ondes susmentionné dans son ensemble (voir Science and Life n ° 2, 2000). Dans des conditions normales, la vitesse du groupe, et donc la vitesse du signal, est inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Ce n'est pas par hasard que l'expression «dans des conditions normales» est utilisée, car dans certains cas la vitesse du groupe peut également dépasser c ou même perdre son sens, mais alors elle ne s'applique pas à la propagation du signal. Le SRT établit qu'il est impossible de transmettre un signal avec une vitesse supérieure à s. Il devient modulé, constitué d'un ensemble d'ondes sinusoïdales simples avec différentes amplitudes, fréquences et phases initiales - un groupe d'ondes. La vitesse à laquelle la marque se déplace dans l'onde modulée est la vitesse du signal. Lorsqu'elle se propage dans un milieu, cette vitesse coïncide généralement avec la vitesse du groupe, qui caractérise la propagation du groupe d'ondes susmentionné dans son ensemble (voir Science and Life, n ° 2, 2000). Dans des conditions normales, la vitesse du groupe, et donc la vitesse du signal, est inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Ce n'est pas par hasard que l'expression «dans des conditions normales» est utilisée, car dans certains cas la vitesse du groupe peut également dépasser c ou même perdre son sens, mais alors elle ne s'applique pas à la propagation du signal. Dans le SRT, il est établi qu'il est impossible de transmettre un signal avec une vitesse supérieure à s. Il devient modulé, constitué d'un ensemble d'ondes sinusoïdales simples avec différentes amplitudes, fréquences et phases initiales - un groupe d'ondes. La vitesse à laquelle la marque se déplace dans l'onde modulée est la vitesse du signal. Lorsqu'elle se propage dans un milieu, cette vitesse coïncide généralement avec la vitesse du groupe, qui caractérise la propagation du groupe d'ondes susmentionné dans son ensemble (voir Science and Life n ° 2, 2000). Dans des conditions normales, la vitesse du groupe, et donc la vitesse du signal, est inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Ce n'est pas par hasard que l'expression «dans des conditions normales» est utilisée, car dans certains cas la vitesse du groupe peut également dépasser c ou même perdre son sens, mais alors elle ne s'applique pas à la propagation du signal. Dans le SRT, il est établi qu'il est impossible de transmettre un signal avec une vitesse supérieure à s.composé d'un ensemble d'ondes sinusoïdales simples avec différentes amplitudes, fréquences et phases initiales - un groupe d'ondes. La vitesse à laquelle la marque se déplace dans l'onde modulée est la vitesse du signal. Lorsqu'elle se propage dans un milieu, cette vitesse coïncide généralement avec la vitesse du groupe, qui caractérise la propagation du groupe d'ondes susmentionné dans son ensemble (voir Science and Life n ° 2, 2000). Dans des conditions normales, la vitesse du groupe, et donc la vitesse du signal, est inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Ce n'est pas par hasard que l'expression «dans des conditions normales» est utilisée, car dans certains cas la vitesse du groupe peut également dépasser c ou même perdre son sens, mais alors elle ne s'applique pas à la propagation du signal. Dans le SRT, il est établi qu'il est impossible de transmettre un signal avec une vitesse supérieure à s.composé d'un ensemble d'ondes sinusoïdales simples avec différentes amplitudes, fréquences et phases initiales - un groupe d'ondes. La vitesse à laquelle la marque se déplace dans l'onde modulée est la vitesse du signal. Lorsqu'elle se propage dans un milieu, cette vitesse coïncide généralement avec la vitesse du groupe, qui caractérise la propagation du groupe d'ondes susmentionné dans son ensemble (voir Science and Life n ° 2, 2000). Dans des conditions normales, la vitesse du groupe, et donc la vitesse du signal, est inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Ce n'est pas par hasard que l'expression «dans des conditions normales» est utilisée, car dans certains cas la vitesse du groupe peut également dépasser c ou même perdre son sens, mais alors elle ne s'applique pas à la propagation du signal. Dans le SRT, il est établi qu'il est impossible de transmettre un signal avec une vitesse supérieure à s.fréquences et phases initiales - groupes d'ondes. La vitesse à laquelle la marque se déplace dans l'onde modulée est la vitesse du signal. Lorsqu'elle se propage dans un milieu, cette vitesse coïncide généralement avec la vitesse du groupe, qui caractérise la propagation du groupe d'ondes susmentionné dans son ensemble (voir Science and Life n ° 2, 2000). Dans des conditions normales, la vitesse du groupe, et donc la vitesse du signal, est inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Ce n'est pas par hasard que l'expression «dans des conditions normales» est utilisée, car dans certains cas la vitesse du groupe peut également dépasser c ou même perdre son sens, mais alors elle ne s'applique pas à la propagation du signal. Dans le SRT, il est établi qu'il est impossible de transmettre un signal avec une vitesse supérieure à s.fréquences et phases initiales - groupes d'ondes. La vitesse à laquelle la marque se déplace dans l'onde modulée est la vitesse du signal. Lorsqu'elle se propage dans un milieu, cette vitesse coïncide généralement avec la vitesse du groupe, qui caractérise la propagation du groupe d'ondes susmentionné dans son ensemble (voir Science and Life n ° 2, 2000). Dans des conditions normales, la vitesse du groupe, et donc la vitesse du signal, est inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Ce n'est pas par hasard que l'expression «dans des conditions normales» est utilisée, car dans certains cas, la vitesse du groupe peut également dépasser c ou même perdre son sens, mais alors elle ne s'applique pas à la propagation du signal. Dans le SRT, il est établi qu'il est impossible de transmettre un signal avec une vitesse supérieure à s. Lorsqu'elle se propage dans un milieu, cette vitesse coïncide généralement avec la vitesse du groupe, qui caractérise la propagation du groupe d'ondes susmentionné dans son ensemble (voir Science and Life n ° 2, 2000). Dans des conditions normales, la vitesse du groupe, et donc la vitesse du signal, est inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Ce n'est pas par hasard que l'expression «dans des conditions normales» est utilisée, car dans certains cas, la vitesse du groupe peut également dépasser c ou même perdre son sens, mais alors elle ne s'applique pas à la propagation du signal. Dans le SRT, il est établi qu'il est impossible de transmettre un signal avec une vitesse supérieure à s. Lorsqu'elle se propage dans un milieu, cette vitesse coïncide généralement avec la vitesse du groupe, qui caractérise la propagation du groupe d'ondes susmentionné dans son ensemble (voir Science and Life n ° 2, 2000). Dans des conditions normales, la vitesse du groupe, et donc la vitesse du signal, est inférieure à la vitesse de la lumière dans le vide. Ce n'est pas par hasard que l'expression «dans des conditions normales» est utilisée, car dans certains cas la vitesse du groupe peut également dépasser c ou même perdre son sens, mais alors elle ne s'applique pas à la propagation du signal. Le SRT établit qu'il est impossible de transmettre un signal avec une vitesse supérieure à s. Ce n'est pas par hasard que l'expression «dans des conditions normales» est utilisée, car dans certains cas la vitesse du groupe peut également dépasser c ou même perdre son sens, mais alors elle ne s'applique pas à la propagation du signal. Le SRT établit qu'il est impossible de transmettre un signal avec une vitesse supérieure à s. Ce n'est pas par hasard que l'expression «dans des conditions normales» est utilisée, car dans certains cas la vitesse du groupe peut également dépasser c ou même perdre son sens, mais alors elle ne s'applique pas à la propagation du signal. Le SRT établit qu'il est impossible de transmettre un signal avec une vitesse supérieure à s.
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Pourquoi cela est-il ainsi? Parce que la même loi de causalité sert d'obstacle à la transmission de tout signal avec une vitesse supérieure à c. Imaginons la situation suivante. À un certain point A, un flash lumineux (événement 1) allume un appareil qui envoie un certain signal radio, et à un point éloigné B, une explosion se produit sous l'action de ce signal radio (événement 2). Il est clair que l'événement 1 (flash) est une cause et l'événement 2 (explosion) est une conséquence qui survient plus tard que la cause. Mais si le signal radio se propageait à une vitesse supraluminale, un observateur près du point B verrait d'abord une explosion, et alors seulement - un flash qui l'atteignait à la vitesse d'un éclair lumineux, la cause de l'explosion. En d'autres termes, pour cet observateur, l'événement 2 se produirait plus tôt que l'événement 1, c'est-à-dire que l'effet serait en avance sur la cause.
Il convient de souligner que «l'interdiction superluminale» de la théorie de la relativité ne s'impose qu'au mouvement des corps matériels et à la transmission des signaux. Dans de nombreuses situations, le mouvement à n'importe quelle vitesse est possible, mais il ne s'agira pas de mouvement d'objets matériels ou de signaux. Par exemple, imaginez deux règles assez longues se trouvant dans le même plan, dont l'une est horizontale et l'autre la coupe à un petit angle. Si la première règle est déplacée vers le bas (dans la direction indiquée par la flèche) à grande vitesse, le point d'intersection des règles peut être amené à courir aussi vite que vous le souhaitez, mais ce point n'est pas un corps matériel. Un autre exemple: si vous prenez une lampe de poche (ou, par exemple, un laser donnant un faisceau étroit) et décrivez rapidement un arc avec elle dans l'air, la vitesse linéaire de la tache lumineuse augmentera avec la distance et à une distance suffisamment grande dépassera c. Le point lumineux se déplacera entre les points A et B à une vitesse ultraluminale, mais ce ne sera pas une transmission de signal de A vers B, car un tel point lumineux ne transporte aucune information sur le point A.
Il semblerait que la question des vitesses supraluminales soit résolue. Mais dans les années 60 du XXe siècle, les physiciens théoriciens ont émis une hypothèse sur l'existence de particules superluminales appelées tachyons. Ce sont des particules très étranges: théoriquement, elles sont possibles, mais pour éviter les contradictions avec la théorie de la relativité, elles ont dû attribuer une masse de repos imaginaire. La masse physiquement imaginaire n'existe pas, c'est une abstraction purement mathématique. Cependant, cela n'a pas suscité beaucoup d'inquiétude, car les tachyons ne peuvent pas être au repos - ils existent (s'ils existent!) Seulement à des vitesses dépassant la vitesse de la lumière dans le vide, et dans ce cas la masse du tachyon s'avère être réelle. Il y a ici une analogie avec les photons: un photon a une masse au repos nulle, mais cela signifie simplement qu'un photon ne peut pas être au repos - la lumière ne peut pas être arrêtée.
Le plus difficile, comme prévu, était de concilier l'hypothèse du tachyon avec la loi de causalité. Les tentatives dans ce sens, bien qu'ingénieuses, n'ont pas abouti à un succès évident. Personne n'a réussi non plus à enregistrer des tachyons expérimentalement. En conséquence, l'intérêt pour les tachyons en tant que particules élémentaires superluminales s'est progressivement estompé.
Cependant, dans les années 60, un phénomène a été découvert expérimentalement qui a initialement confondu les physiciens. Ceci est décrit en détail dans l'article de A. N. Oraevsky "Ondes superluminales dans les milieux amplificateurs" (Phys. Phys. No. 12, 1998). Ici, nous résumerons brièvement la question, en renvoyant le lecteur intéressé par les détails à l'article spécifié.
Peu de temps après la découverte des lasers - au début des années 60 - le problème s'est posé: obtenir des impulsions lumineuses courtes (environ 1 ns = 10-9 s) de forte puissance. Pour cela, une courte impulsion laser a été passée à travers un amplificateur quantique optique. L'impulsion était divisée en deux parties par un miroir séparateur de faisceau. L'un d'eux, plus puissant, était envoyé vers l'amplificateur, tandis que l'autre se propageait dans l'air et servait d'impulsion de référence avec laquelle on pouvait comparer l'impulsion qui passait à travers l'amplificateur. Les deux impulsions étaient envoyées aux photodétecteurs et leurs signaux de sortie pouvaient être visuellement observés sur l'écran de l'oscilloscope. On s'attendait à ce que l'impulsion lumineuse traversant l'amplificateur subisse un certain retard par rapport à l'impulsion de référence, c'est-à-dire que la vitesse de propagation de la lumière dans l'amplificateur sera inférieure à celle de l'air. Imaginez la surprise des chercheurs lorsqu'ils ont découvert que l'impulsion se propageait à travers l'amplificateur à une vitesse non seulement supérieure à celle de l'air, mais dépassant également la vitesse de la lumière dans le vide à plusieurs reprises!
Après s'être remis du premier choc, les physiciens ont commencé à chercher la raison d'un résultat aussi inattendu. Personne n'avait le moindre doute sur les principes de la théorie spéciale de la relativité, et c'est cela qui a aidé à trouver la bonne explication: si les principes de la relativité restreinte sont préservés, alors la réponse doit être recherchée dans les propriétés du milieu amplificateur.
Sans entrer dans les détails ici, nous signalons seulement qu'une analyse détaillée du mécanisme d'action du milieu amplificateur a complètement clarifié la situation. Le problème consistait en un changement de la concentration de photons lors de la propagation de l'impulsion - un changement dû à un changement du gain du milieu jusqu'à une valeur négative lors du passage de l'arrière de l'impulsion, lorsque le milieu absorbe déjà de l'énergie, car sa propre réserve a déjà été dépensée en raison de sa transmission à l'impulsion lumineuse. L'absorption ne provoque pas une amplification, mais un affaiblissement de l'impulsion, et ainsi l'impulsion est renforcée à l'avant et affaiblie à l'arrière. Imaginons que nous observions une impulsion à l'aide d'un appareil se déplaçant à la vitesse de la lumière dans un milieu amplificateur. Si le milieu était transparent, on verrait l'impulsion figée dans l'immobilité. Dans l'environnement,dans lequel le processus mentionné ci-dessus a lieu, l'amplification du front avant et de l'affaiblissement du front arrière de l'impulsion apparaîtra à l'observateur de telle sorte que le milieu, pour ainsi dire, déplaçait l'impulsion vers l'avant. Mais puisque l'appareil (observateur) se déplace à la vitesse de la lumière et que l'impulsion le dépasse, alors la vitesse de l'impulsion dépasse la vitesse de la lumière! C'est cet effet qui a été enregistré par les expérimentateurs. Et ici, il n'y a vraiment pas de contradiction avec la théorie de la relativité: juste le processus d'amplification est tel que la concentration de photons qui sont sortis plus tôt s'avère être plus que ceux qui sont sortis plus tard. Ce ne sont pas les photons qui se déplacent à une vitesse supraluminale, mais l'enveloppe d'impulsion, en particulier, son maximum, qui est observée sur l'oscilloscope. Mais puisque l'appareil (observateur) se déplace à la vitesse de la lumière et que l'impulsion le dépasse, alors la vitesse de l'impulsion dépasse la vitesse de la lumière! C'est cet effet qui a été enregistré par les expérimentateurs. Et ici, il n'y a vraiment pas de contradiction avec la théorie de la relativité: juste le processus d'amplification est tel que la concentration de photons qui sont sortis plus tôt s'avère être plus que ceux qui sont sortis plus tard. Ce ne sont pas les photons qui se déplacent à une vitesse supraluminale, mais l'enveloppe d'impulsion, en particulier, son maximum, qui est observée sur l'oscilloscope. Mais puisque l'appareil (observateur) se déplace à la vitesse de la lumière et que l'impulsion le dépasse, alors la vitesse de l'impulsion dépasse la vitesse de la lumière! C'est cet effet qui a été enregistré par les expérimentateurs. Et ici, il n'y a vraiment pas de contradiction avec la théorie de la relativité: juste le processus d'amplification est tel que la concentration de photons qui sont sortis plus tôt s'avère être plus que ceux qui sont sortis plus tard. Ce ne sont pas les photons qui se déplacent à une vitesse supraluminale, mais l'enveloppe d'impulsion, en particulier, son maximum, qui est observée sur l'oscilloscope. Ce ne sont pas les photons qui se déplacent à une vitesse supraluminale, mais l'enveloppe d'impulsion, en particulier, son maximum, qui est observée sur l'oscilloscope. Ce ne sont pas les photons qui se déplacent à une vitesse supraluminale, mais l'enveloppe d'impulsion, en particulier son maximum, qui est observée sur l'oscilloscope.
Ainsi, alors que dans les milieux ordinaires il y a toujours une atténuation de la lumière et une diminution de sa vitesse, déterminée par l'indice de réfraction, dans les milieux laser actifs, on observe non seulement une amplification de la lumière, mais également une propagation d'impulsions avec une vitesse supraluminale.
Certains physiciens ont essayé de prouver expérimentalement l'existence d'un mouvement supra-luminal dans l'effet tunnel - l'un des phénomènes les plus étonnants de la mécanique quantique. Cet effet consiste en ce qu'une microparticule (plus précisément, un micro-objet, présentant à la fois les propriétés d'une particule et les propriétés d'une onde dans des conditions différentes) est capable de pénétrer à travers la soi-disant barrière de potentiel - un phénomène complètement impossible en mécanique classique (dans laquelle l'analogue serait une telle situation: Une balle lancée dans le mur se trouverait de l'autre côté du mur, ou le mouvement ondulant communiqué à la corde attachée au mur serait transmis à la corde attachée au mur de l'autre côté). L'essence de l'effet tunnel en mécanique quantique est la suivante. Si un micro-objet avec une certaine énergie rencontre une zone avec de l'énergie potentielle sur son chemin,dépassant l'énergie du micro-objet, cette zone est pour lui une barrière dont la hauteur est déterminée par la différence d'énergie. Mais le micro-objet "suinte" à travers la barrière! Cette possibilité lui est donnée par la célèbre relation d'incertitude de Heisenberg, écrite pour l'énergie et le temps d'interaction. Si l'interaction du micro-objet avec la barrière se produit pendant un temps suffisamment défini, alors l'énergie du micro-objet sera au contraire caractérisée par l'incertitude, et si cette incertitude est de l'ordre de la hauteur de la barrière, alors cette dernière cesse d'être un obstacle insurmontable pour le micro-objet. Ici, la vitesse de pénétration à travers une barrière potentielle est devenue l'objet de recherches par un certain nombre de physiciens, qui estiment qu'elle peut dépasser s. Mais le micro-objet "suinte" à travers la barrière! Cette possibilité lui est donnée par la célèbre relation d'incertitude de Heisenberg, écrite pour l'énergie et le temps d'interaction. Si l'interaction du micro-objet avec la barrière se produit pendant un temps suffisamment défini, alors l'énergie du micro-objet sera au contraire caractérisée par l'incertitude, et si cette incertitude est de l'ordre de la hauteur de la barrière, alors cette dernière cesse d'être un obstacle insurmontable pour le micro-objet. Ici, la vitesse de pénétration à travers une barrière potentielle est devenue l'objet de recherches par un certain nombre de physiciens, qui estiment qu'elle peut dépasser s. Mais le micro-objet "suinte" à travers la barrière! Cette possibilité lui est donnée par la célèbre relation d'incertitude de Heisenberg, écrite pour l'énergie et le temps d'interaction. Si l'interaction du micro-objet avec la barrière se produit pendant un temps suffisamment défini, alors l'énergie du micro-objet sera au contraire caractérisée par l'incertitude, et si cette incertitude est de l'ordre de la hauteur de la barrière, alors cette dernière cesse d'être un obstacle insurmontable pour le micro-objet. Ici, la vitesse de pénétration à travers une barrière potentielle est devenue l'objet de recherches par un certain nombre de physiciens, qui estiment qu'elle peut dépasser s. Si l'interaction du micro-objet avec la barrière se produit pendant un temps suffisamment défini, alors l'énergie du micro-objet sera au contraire caractérisée par l'incertitude, et si cette incertitude est de l'ordre de la hauteur de la barrière, alors cette dernière cesse d'être un obstacle insurmontable pour le micro-objet. Ici, la vitesse de pénétration à travers une barrière potentielle est devenue l'objet de recherches par un certain nombre de physiciens, qui estiment qu'elle peut dépasser s. Si l'interaction du micro-objet avec la barrière se produit pendant un temps suffisamment défini, alors l'énergie du micro-objet sera au contraire caractérisée par l'incertitude, et si cette incertitude est de l'ordre de la hauteur de la barrière, alors cette dernière cesse d'être un obstacle insurmontable pour le micro-objet. Ici, la vitesse de pénétration à travers une barrière potentielle est devenue l'objet de recherches par un certain nombre de physiciens, qui estiment qu'elle peut dépasser s.
En juin 1998, un symposium international sur les problèmes de FTL a eu lieu à Cologne, où les résultats obtenus dans quatre laboratoires ont été discutés - à Berkeley, Vienne, Cologne et Florence.
Et enfin, en 2000, il y a eu des rapports de deux nouvelles expériences dans lesquelles les effets de la propagation superluminale sont apparus. L'une d'elles a été réalisée par Lijun Wong et ses collègues dans un institut de recherche à Princeton (USA). Il en résulte que l'impulsion lumineuse entrant dans la chambre remplie de vapeur de césium augmente sa vitesse 300 fois. Il s'est avéré que la partie principale de l'impulsion quitte la paroi éloignée de la chambre même avant que l'impulsion n'entre dans la chambre à travers la paroi avant. Cette situation contredit non seulement le bon sens, mais, en substance, la théorie de la relativité.
Le message de L. Wong a suscité d'intenses discussions parmi les physiciens, dont la plupart ne sont pas enclins à voir dans les résultats obtenus une violation des principes de relativité. Le défi, pensent-ils, est d'expliquer correctement cette expérience.
Dans l'expérience de L. Wong, l'impulsion lumineuse entrant dans la chambre avec de la vapeur de césium avait une durée d'environ 3 μs. Les atomes de césium peuvent être dans seize états possibles de mécanique quantique, appelés «sous-niveaux magnétiques à l'état fondamental hyperfin». Avec l'aide du pompage laser optique, presque tous les atomes ont été amenés dans un seul de ces seize états, ce qui correspond à une température pratiquement nulle sur l'échelle Kelvin (-273,15 ° C). La chambre à césium mesurait 6 centimètres de long. Dans le vide, la lumière parcourt 6 centimètres en 0,2 ns. Les mesures ont montré que l'impulsion lumineuse traversait la chambre avec du césium en 62 ns de moins que sous vide. En d'autres termes, le temps de transit de l'impulsion à travers le milieu césium a un signe moins! En effet, si 62 ns est soustrait de 0,2 ns, on obtient un temps "négatif". Ce «retard négatif» dans le milieu - un saut de temps incompréhensible - est égal au temps pendant lequel l'impulsion aurait fait 310 traversées de la chambre sous vide. La conséquence de ce «coup d'État temporaire» était que l'impulsion quittant la chambre avait le temps de s'en éloigner de 19 mètres avant que l'impulsion entrante n'atteigne la paroi proche de la chambre. Comment expliquer une situation aussi incroyable (si, bien sûr, il n'y a aucun doute sur la pureté de l'expérience)?ne pas douter de la pureté de l'expérience)?ne pas douter de la pureté de l'expérience)?
A en juger par la discussion en cours, une explication exacte n'a pas encore été trouvée, mais il ne fait aucun doute que les propriétés de dispersion inhabituelles du milieu jouent ici un rôle: les vapeurs de césium, constituées d'atomes excités par la lumière laser, sont un milieu à dispersion anormale. Rappelons brièvement de quoi il s'agit.
La dispersion d'une substance est la dépendance de l'indice de réfraction de phase (conventionnel) n de la longueur d'onde de la lumière l. En dispersion normale, l'indice de réfraction augmente avec la diminution de la longueur d'onde, et cela se produit dans le verre, l'eau, l'air et toutes les autres substances transparentes à la lumière. Dans les substances qui absorbent fortement la lumière, l'évolution de l'indice de réfraction change à l'inverse avec un changement de longueur d'onde et devient beaucoup plus raide: avec une diminution de l (une augmentation de la fréquence w), l'indice de réfraction diminue fortement et dans une certaine région de longueurs d'onde il devient inférieur à l'unité (la vitesse de phase Vph> s). Il s'agit de la dispersion anormale, dans laquelle l'image de la propagation de la lumière dans la matière change radicalement. La vitesse de groupe Vgr devient supérieure à la vitesse de phase des ondes et peut dépasser la vitesse de la lumière dans le vide (et devenir également négative). L. Wong indique que cette circonstance est la raison sous-jacente à la possibilité d'expliquer les résultats de son expérience. Il faut cependant noter que la condition Vgr> c est purement formelle, puisque le concept de vitesse de groupe a été introduit pour le cas d'une petite dispersion (normale), pour des milieux transparents, lorsque le groupe d'ondes ne change presque pas de forme lors de la propagation. Dans les régions de dispersion anormale, par contre, l'impulsion lumineuse se déforme rapidement et le concept de vitesse de groupe perd son sens; dans ce cas, les concepts de vitesse du signal et de vitesse de propagation de l'énergie sont introduits, qui dans les milieux transparents coïncident avec la vitesse du groupe, et dans les milieux avec absorption restent inférieurs à la vitesse de la lumière dans le vide. Mais voici ce qui est intéressant dans l'expérience de Wong: une impulsion lumineuse, ayant traversé un milieu à dispersion anormale, n'est pas déformée - elle conserve exactement sa forme!Et cela correspond à l'hypothèse sur la propagation de l'impulsion avec la vitesse du groupe. Mais si c'est le cas, alors il s'avère qu'il n'y a pas d'absorption dans le milieu, bien que la dispersion anormale du milieu soit précisément due à l'absorption! Wong lui-même, admettant que beaucoup de choses ne sont pas encore claires, pense que ce qui se passe dans sa configuration expérimentale peut, en première approximation, être clairement expliqué comme suit.
Une impulsion lumineuse se compose de nombreux composants avec différentes longueurs d'onde (fréquences). La figure montre trois de ces composants (vagues 1 à 3). À un moment donné, les trois ondes sont en phase (leurs maxima coïncident); ici, ils s'additionnent, se renforcent et forment une impulsion. Au fur et à mesure que les ondes se propagent plus loin dans l'espace, les ondes sont déphasées et par conséquent «s'éteignent» les unes les autres.
Dans la région de dispersion anormale (à l'intérieur de la cellule au césium), l'onde qui était plus courte (vague 1) s'allonge. A l'inverse, la vague qui était la plus longue des trois (vague 3) devient la plus courte.
Par conséquent, les phases des vagues changent en conséquence. Lorsque les ondes ont traversé la cellule au césium, leurs fronts d'onde sont restaurés. Ayant subi une modulation de phase inhabituelle dans une substance à dispersion anormale, les trois ondes considérées sont à nouveau en phase à un certain point. Ici, ils se replient à nouveau et forment une impulsion exactement de la même forme que celle entrant dans le milieu césium.
Habituellement dans l'air et dans pratiquement n'importe quel milieu transparent à dispersion normale, une impulsion lumineuse ne peut pas maintenir avec précision sa forme lorsqu'elle se propage sur une distance éloignée, c'est-à-dire que tous ses composants ne peuvent pas être mis en phase en un point éloigné le long du trajet de propagation. Et dans des conditions normales, une impulsion lumineuse à un point aussi éloigné apparaît après un certain temps. Cependant, en raison des propriétés anormales du milieu utilisé dans l'expérience, l'impulsion à un point éloigné s'est avérée être phasée de la même manière que lors de l'entrée dans ce milieu. Ainsi, l'impulsion lumineuse se comporte comme si elle avait un retard de temps négatif sur son chemin vers un point éloigné, c'est-à-dire qu'elle y arriverait pas plus tard, mais avant qu'elle ait dépassé l'environnement!
La plupart des physiciens sont enclins à associer ce résultat à l'apparition d'un précurseur de faible intensité dans le milieu dispersif de la chambre. Le fait est que lors de la décomposition spectrale d'une impulsion, le spectre contient des composantes de fréquences arbitrairement élevées d'amplitude négligeable, ce que l'on appelle le précurseur, devançant la «partie principale» de l'impulsion. La nature de l'établissement et la forme du précurseur dépendent de la loi de dispersion dans le milieu. Dans cet esprit, il est proposé d'interpréter la séquence des événements de l'expérience de Wong comme suit. La vague entrante, "étirant" le signe avant-coureur devant elle-même, s'approche de la caméra. Avant que le pic de l'onde entrante ne frappe la paroi proche de la chambre, le précurseur initie une impulsion dans la chambre, qui atteint la paroi éloignée et en est réfléchie, formant une «onde arrière». Cette vaguese propage 300 fois plus vite que c, atteint le mur proche et rencontre la vague entrante. Les pics d'une vague rencontrent les creux d'une autre, donc ils se détruisent et il ne reste plus rien. Il s'avère que l'onde entrante "rend la dette" aux atomes de césium, qui lui "prêtent" de l'énergie à l'autre extrémité de la chambre. Quiconque n'observerait que le début et la fin de l'expérience ne verrait qu'une impulsion de lumière qui "sautait" dans le temps, se déplaçant plus vite avec. Je ne verrais qu'une impulsion de lumière qui "sautait" dans le temps, se déplaçant plus vite avec. Je ne verrais qu'une impulsion de lumière qui "sautait" dans le temps, se déplaçant plus vite avec.
L. Wong estime que son expérience n'est pas en accord avec la théorie de la relativité. L'énoncé sur l'inaccessibilité de la vitesse superluminale, pense-t-il, ne s'applique qu'aux objets avec une masse au repos. La lumière peut être représentée soit sous forme d'ondes, auxquelles le concept de masse est généralement inapplicable, soit sous forme de photons de masse au repos, comme on le sait, égale à zéro. Par conséquent, la vitesse de la lumière dans le vide, selon Wong, n'est pas la limite. Néanmoins, Wong admet que l'effet qu'il a découvert ne permet pas de transférer des informations à une vitesse supérieure à s.
«Les informations ici sont déjà à la pointe de l'impulsion», déclare P. Milonny, physicien au Laboratoire national américain de Los Alamos. "Et vous pouvez avoir l'impression d'envoyer des informations plus rapidement que la lumière, même si vous ne les envoyez pas."
La plupart des physiciens estiment que les nouveaux travaux ne portent pas un coup dur aux principes fondamentaux. Mais tous les physiciens ne croient pas que le problème est résolu. Le professeur A. Ranfagni du groupe de recherche italien, qui a mené une autre expérience intéressante en 2000, estime que la question reste ouverte. Cette expérience, menée par Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni et Rocco Ruggeri, a révélé que les ondes radio centimétriques circulent en avion ordinaire à une vitesse 25% supérieure à c.
En résumé, nous pouvons dire ce qui suit
Les travaux de ces dernières années ont montré que dans certaines conditions, une vitesse supra-luminale peut effectivement avoir lieu. Mais qu'est-ce que voyager à une vitesse ultra-lumineuse? La théorie de la relativité, comme déjà mentionné, interdit une telle vitesse pour les corps matériels et pour les signaux porteurs d'informations. Néanmoins, certains chercheurs tentent constamment de démontrer comment surmonter la barrière lumineuse des signaux. La raison en est que dans la théorie de la relativité restreinte, il n'y a pas de justification mathématique rigoureuse (basée, par exemple, sur les équations de Maxwell pour le champ électromagnétique) pour l'impossibilité de transmettre des signaux à une vitesse supérieure à s. Une telle impossibilité en SRT est établie, pourrait-on dire, purement arithmétique, en partant de la formule d'Einstein pour l'addition des vitesses,mais ceci est fondamentalement confirmé par le principe de causalité. Einstein lui-même, considérant la question de la transmission de signal superluminale, a écrit que dans ce cas "… nous sommes obligés de considérer un mécanisme de transmission de signal, lorsque l'action réalisée précède la cause. Mais, bien que ce résultat d'un point de vue purement logique ne contienne pas, à mon avis, pas de contradictions, cela contredit encore tellement le caractère de toute notre expérience que l'impossibilité de l'hypothèse V> c semble être suffisamment prouvée. " Le principe de causalité est la pierre angulaire qui sous-tend l'impossibilité de transmettre un signal FTL. Et cette pierre, apparemment, fera trébucher tous, sans exception, les recherches de signaux superluminaux, peu importe combien les expérimentateurs aimeraient trouver de tels signaux,car c'est la nature de notre monde.
Mais quand même, imaginons que les mathématiques de la relativité fonctionneront toujours à des vitesses plus rapides que la lumière. Cela signifie qu'en théorie, nous pouvons toujours savoir ce qui se passerait si le corps dépassait la vitesse de la lumière.
Imaginez deux vaisseaux spatiaux se dirigeant de la Terre vers une étoile distante de 100 années-lumière de notre planète. Le premier navire quitte la Terre à 50% de la vitesse de la lumière, il faudra donc 200 ans pour tout le voyage. Le deuxième navire, équipé d'un hypothétique entraînement de chaîne, voyagera à 200% de la vitesse de la lumière, mais 100 ans après le premier. Que va-t-il se passer?
Selon la théorie de la relativité, la bonne réponse dépend en grande partie du point de vue de l'observateur. Depuis la Terre, il semblera que le premier navire a déjà parcouru une distance considérable avant d'être rattrapé par le deuxième navire, qui se déplace quatre fois plus vite. Mais du point de vue des gens sur le premier navire, tout est un peu différent.
Le vaisseau n ° 2 se déplace plus vite que la lumière, ce qui signifie qu'il peut même dépasser la lumière qu'il émet. Cela conduit à une sorte d '"onde lumineuse" (analogue au son, mais à la place des vibrations de l'air, les ondes lumineuses vibrent ici), qui génère plusieurs effets intéressants. Rappelez-vous que la lumière du navire n ° 2 se déplace plus lentement que le navire lui-même. En conséquence, un doublage visuel se produira. En d'autres termes, dans un premier temps, l'équipage du navire n ° 1 verra que le deuxième navire est apparu à côté de lui comme sorti de nulle part. Ensuite, la lumière du deuxième navire atteindra le premier avec un léger retard, et le résultat sera une copie visible qui se déplacera dans la même direction avec un léger retard.
Quelque chose de similaire peut être observé dans les jeux informatiques, lorsque, à la suite d'une défaillance du système, le moteur charge le modèle et ses algorithmes au point final du mouvement plus rapidement que l'animation elle-même se termine, de sorte que plusieurs prises se produisent. C'est probablement pourquoi notre conscience ne perçoit pas l'aspect hypothétique de l'Univers, dans lequel les corps se déplacent à une vitesse supraluminale - peut-être est-ce pour le mieux.
PS … mais dans le dernier exemple je n'ai pas compris quelque chose, pourquoi la position réelle du navire est associée à la "lumière émise par celui-ci"? Eh bien, laissez-les le voir comme quelque chose qui n'est pas là, mais en réalité, il dépassera le premier navire!
