Сообщение о преодолении скорости света, появившееся на днях во многих СМИ, является не сенсацией, а недоразумением. Оно основано на неправильной интерпретации давно известных опытов, которую уже 15 лет пропагандирует немецкий физик.
На днях многие СМИ запестрели заголовками: «]Эйнштейн в очередной раз разоблачен», «Немецким ученым удалось превзойти скорость света», «Теория Эйнштейна устарела» и т. п. В этих заметках говорится о том, что в экспериментах двух немецких физиков, Гюнтера Нимца (G?nter Nimtz, он и является главным героем истории) и Альфонса Штальхофена, обнаружено сверхсветовое движение и тем самым опровергнута теория относительности Эйнштейна. Сообщение о «перевороте в физике» прошло даже по радио и телевидению. Исходным материалом для этих сообщений явилась заметка в New Scientist — научно-популярном журнале с информацией невысокого качества.
Далекий от науки, пусть и привыкший не доверять СМИ читатель может купиться на такое обилие сообщений и засомневаться — «а может действительно опровергли эту непонятную теорию относительности?» Что ж, расскажем вначале, что скрывается за этой историей, а затем немного поясним суть физической проблемы. Возможность выбрать из билетов на 1500 концертов по доступной цене.
Откуда дровишки?
Бодрые заголовки в СМИ наводят на мысль, что авторам удалось поставить эксперимент какого-то нового типа, который никогда раньше не ставили и который впервые смог обнаружить сверхсветовое движение.
Но заглянем в статью (а точнее, препринт) немцев Macroscopic violation of special relativity («Макроскопические нарушения специальной теории относительности»), с которой и началась шумиха. Это текст на полторы страницы, в котором описание опыта занимает всего лишь несколько строчек. Казалось бы, эксперименту, который должен путем прямого измерения доказать, что импульс микроволнового излучения распространяется быстрее скорости света, должно быть уделено больше места. Однако в статье не приведено практически никаких существенных подробностей: ни параметров импульса, ни характеристик детектора, ни каких-либо графиков. Даже человека, не знакомого с научной литературой, это может удивить — разве так принято описывать результаты сенсационных экспериментов?
Разгадка проста. В этой работе вовсе и нет никакого нового эксперимента. В ней очень кратко описан известный опыт, который в разных вариациях многократно ставился в разных лабораториях, — туннелирование микроволн через барьеры (подробности см. ниже). Его ставил в том числе и сам Нимц, именно поэтому он уже не вдается в детали при его описании. Если пройтись по списку публикаций Нимца, то можно увидеть, что этот же самый тип экспериментов он обсуждает уже свыше десятка лет. Впервые он его описывает в статье 1992 года J. Phys. I., France 2, 1693-1698 (кстати, статья находится в свободном доступе на сайте журнала), а затем повторяет это же обсуждение в разных вариациях в 1997-м, в 2001-м, в 2006 году.
Таким образом, ни новых экспериментов, ни новых результатов, ни даже новых выводов из известных результатов эта статья не содержит. В ней просто автор еще раз повторяет то, что уже многократно говорил последние 15 лет. Но если эти эксперименты действительно сенсационные, то почему о них молчали всe это время?
На самом деле, о них не молчали, но только никакой сенсацией они не являются. Эта тема активно исследовалась уже десятки лет и продолжает изучаться сейчас. Достаточно сказать, что за последние десять лет появилось уже несколько больших обзоров свежих результатов по этой тематике (см. ссылки внизу) — ситуация, характерная для бурно развивающихся областей. Работы Нимца тоже активно обсуждались — и не нашли никакой поддержки. Поскольку его эксперименты очень простые и воспроизводимые, то, выходит, дело не в них самих, а в их интерпретации. Это особенно заметно в тех случаях, когда Нимц придумывает интерпретации к чужим экспериментам, которые однозначно демонстрируют, что даже в самых экзотических случаях информация передается медленнее скорости света (см. статью Nature, v. 425, p. 695-698 (16 October 2003) и последовавшую переписку Нимца с авторами статьи, опубликованную там же).
Получается, Нимц не предлагает каких новых опытов; он расходится с остальными физиками в интерпретации всеми воспроизводимых физических явлений. А именно, он считает, что теория относительности нарушается там, где остальные считают, что она не нарушается. (Такое положение вещей, кстати, само по себе может показаться странным; так это отчасти и есть, см. подробности ниже.)
Можно, конечно, попытаться представить ситуацию в том свете, что он прав, а все остальные — нет, но гораздо естественнее другой вывод. Не требуется быть большим ученым — достаточно хорошего университетского курса физики, — чтобы, почитав статьи Нимца, понять, что он просто плохо понимает физику. Несмотря на все свои регалии.
Суть проблемы
Теперь пояснение для тех, кто хочет немножко разобраться в том, почему эти простые эксперименты вызывают такой спор. Но вначале стоит сказать несколько слов по поводу теории относительности и ее якобы опровержения.
Во-первых, теория относительности основывается на постулате, что никакой материальный предмет и никакая передача информации не может происходить быстрее скорости света. Воображаемое движение образов, не являющееся перемещением материальных предметов и не передающее информацию, может происходить с любой скоростью. Самый известный пример — пятно от быстро вращающегося лазера на достаточно далекой стене.
Во-вторых, надо понимать, что теория относительности была в свое время взята не с потолка, а как бы угадана из сформулированных в конце XIX века свойств электричества и магнетизма. Если бы в этих опытах с микроволнами нарушалась теория относительности, то это означало бы ни много ни мало крах электродинамики — ведь Нимц утверждает, что обнаружил сверхсветовое перемещение сигнала в опытах с классическими (то есть не-квантовыми) электромагнитными волнами.
Впрочем, за электромагнетизм можно не бояться. Свойства классических электрических и магнитных полей проверены и перепроверены уже миллионократно, во всевозможных ситуациях и экзотических устройствах. В том числе, они многократно проверялись и с микроволнами в таких радиотехнических устройствах, как резонаторы и волноводы. И никогда не было намека на то, что уравнения Максвелла — описывающие электрические и магнитные поля — хоть в чем-то нарушались.
В-третьих, часто можно услышать «а почему вы считаете, что теория относительности абсолютно верна?» с дальнейшим развитием в том направлении, что-де закостенелые официальные физики боятся даже подумать о возможности нарушения теории относительности.
На самом деле это не так. Активно изучаются варианты устройства нашего мира, в которых теория относительности слегка нарушается. Слегка — это потому что, нарушив ее сильно, тут же приходишь к противоречию с многочисленными экспериментальными фактами. Один из примеров такой теории обсуждался в заметке Ну очень специальная теория относительности, но есть и немало других примеров.
Так что «подправлять» теорию относительности никто не запрещает, но осмысленно это делать лишь в той области, где она еще не проверена. А в микроволновой радиотехнике она, еще раз повторюсь, перепроверена вдоль и поперек.
Теперь перейдем к сути проблемы. В этих экспериментах изучается процесс туннелирования волн через область, в которой они не могут свободно распространяться. Слово «туннелирование» навевает мысли о квантовой механике, но на самом деле это совершенно общее свойство всех волн — будь то микрочастицы, световые волны, микроволновое излучение или звуковые волны.
Во всех этих случаях можно сконструировать такое устройство, в котором два «проводника волн» разделены зазором, в котором волны затухают, то есть неспособны распространяться бесконечно далеко. Для электрона это может быть потенциальный барьер, для света — нарушенное полное внутреннее отражение (см., например, заметку Даже серебро можно сделать прозрачным), для микроволн — специальная узкая секция в волноводе. Несмотря на это волна может протиснуться через эту область на небольшое конечное расстояние, и значит, может проникнуть (туннелировать) из первого во второй «проводник волн».
Вопрос, который мучает физиков уже свыше полувека, заключается в следующем: каково время туннелирования? Этот безобидно выглядящий вопрос стал предметом долгих споров, поскольку ряд вычислений привел к странному выводу: это время может быть меньше, чем время, за которое свет пересек бы эту область. В вольной интерпретации это значит, что при туннелировании происходит сверхсветовое движение, со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Вся загвоздка состоит в том, что именно считать временем туннелирования. Если бы речь шла о движении точечной частицы, то всe было бы предельно ясно. Но речь идет о движении волны, которая как-то распределена в пространстве и может менять свою форму. Что в этом случае считать «начальным» и «конечным» временем? На скорость чего в этом случае надо смотреть?
Тут есть несколько вариантов. Можно смотреть на гребни волны — тогда получится фазовая скорость. Это наименее физически осмысленное понятие — давно известно, что с ней не связан никакой перенос энергии или информации, и в некоторых случаях (например, в тех же волноводах) она безболезненно превышает скорость света.
Можно вместо этого приготовить волновой пакет (сгусток волн, как на рисунке) и смотреть на движение его максимума. С этим движением связана групповая скорость волны. В обычных средах это «хорошее» понятие, поскольку с групповой скоростью ассоциируется перемещение энергии волнового пакета.
Однако есть экзотические случаи, например прохождение через специально приготовленные активные области, в которых скорость движения максимума может превышать скорость света (см. подробное объяснение). На самом деле в этих случаях максимум вовсе не движется со сверхсветовой скоростью. Просто получается так, что импульс сам «вырастает» на выходе из области, будучи «инициированным» передним фронтом сигнала. Энергия при этом не переносится со сверхсветовой скоростью — она была запасена в активной среде и лишь высвобождается на выходе по сигналу переднего фронта падающего импульса.
Наконец, есть и еще время распространения информации, которое расшифровывается буквально — если мы в какой-то пролетающий мимо импульс закодируем бит информации, то спустя какое время детектор его сможет уловить. Это время распространения резких привнесенных искажений в импульс, в противоположность регулярному периодическому процессу, с которым ассоциируется, например, фазовая скорость.
Специально поставленные эксперименты (см. ссылку на Nature выше) показали, что даже импульсы со сверхсветовыми максимумами переносят информацию медленнее скорости света. Таким образом, те сверхсветовые скорости, которые получались при описанных выше определениях времени, не имеют прямого физического смысла, по крайней мере в отношении теории относительности. Реальная скорость передачи информации (что подразумевает гораздо более тонкий эксперимент, чем проделан Нимцем) во всех, даже самых экзотических случаях получалась меньше скорости света.
Итак, по сути Нимц не признает того, что скорость передачи информации в особых ситуациях может сильно отличаться от групповой скорости волны. Он считает, что они всегда совпадают, — хотя есть прямые опыты, демонстрирующие различие. Именно в этом он расходится с остальными.
Несмотря на то что уже показано, что теория относительности тут не нарушается, исследования этого вопроса продолжаются. Было введено еще несколько определений времени, и сейчас до конца непонятно, что именно описывает каждое из них. Особенно интересной ситуация становится в квантовй механике, где начинают работать особенности, связанные с детектированием квантовых частиц.