Что такое скорость света? Возможна ли передача информации быстрее скорости света? Возможна ли сверхсветовая скорость

Cкорость распространения света равна 299 792 458 метров в секунду, но предельной величиной она давно уже не является. «Футурист» собрал 4 теории, где свет уже не Михаэль Шумахер.

Американский ученый японского происхождения, специалист в области теоретической физики Митио Каку уверен, что скорость света вполне может быть преодолена.

Большой взрыв

Самым известным примером, когда был преодолен световой барьер, Митио Каку называет Большой взрыв - сверхбыстрый «хлопок», ставший началом расширения Вселенной, до которого она находилась в сингулярном состоянии.

«Ни один материальный объект не может преодолеть световой барьер. Но пустое пространство, безусловно, может двигаться быстрее света. Ничто не может быть более пустым, чем вакуум, значит он может расширяться быстрее скорости света», -– уверен ученый.

Фонарик в ночном небе

Если светить фонарем в ночном небе, то в принципе луч, который идет из одной части Вселенной в другую, находящуюся на расстоянии многих световых лет, может двигаться быстрее скорости света. Проблема в том, что в этом случае не будет материального объекта, который действительно движется быстрее света. Представьте, что вы окружены гигантской сферой диаметром один световой год. Изображение луча света промчится по этой сфере за считанные секунды, несмотря на ее размеры. Но только изображение луча может двигаться по ночному небу быстрее света, а не информация или материальный объект.

Квантовая запутанность

Быстрее скорости света может быть не какой-то объект, а целое явление, а точнее взаимосвязь, которая называется квантовой запутанностью. Это квантовомеханическое явление, при котором квантовые состояния двух или нескольких объектов взаимозависимы. Чтобы получить пару квантовозапутанных фотонов, можно посветить на нелинейный кристалл лазером с определенными частотой и интенсивностью. В результате рассеивания лазерного луча, возникнут фотоны в двух разных конусах поляризации, связь между которыми и будет называться квантовой запутанностью. Итак, квантовая запутанность - это один способов взаимодействия субатомных частиц, и процесс этой связи может происходить быстрее света.

«Если два электрона свести вместе, они будут вибрировать в унисон, в соответствии с квантовой теорией. Но если затем разделить эти электроны множеством световых лет, они все равно будут поддерживать связь друг с другом. Если покачнуть один электрон, другой почувствует эту вибрацию, причем произойдет это быстрее скорости света. Альберт Эйнштейн думал, что это явление опровергнет квантовую теорию, потому что ничто не может двигаться быстрее света, но на самом деле он ошибался», -– говорит Митио Каку.

Кротовые норы

Тема преодоления скорости света обыгрывается во многих научно-фантастических фильмах. Сейчас даже у тех, кто далек от астрофизики, на слуху словосочетание «кротовая нора», благодаря фильму «Интерстеллар». Это особое искривление в системе пространство-время, туннель в пространстве, позволяющий преодолевать огромные расстояния за ничтожно малое время.

О таких искривлениях говорят не только сценаристы фильмов, но и ученые. Митио Каку считает, что кротовая нора (wormhole), или, как ее еще называют, червоточина - один из двух наиболее реальных способов передавать информацию быстрее, чем со скоростью света.

Второй способ, связанный также с изменениями материи - сжатие пространства впереди вас и расширение позади. В этом деформированном пространстве возникает волна, которая движется быстрее скорости света, если управляется темной материей.

Таким образом, единственный реальный шанс для человека научиться преодолевать световой барьер может скрываться в общей теории относительности и искривлении пространства и времени. Однако все упирается в ту самую темную материю: никто так и не знает, существует ли она точно, и стабильны ли кротовые норы.

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

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

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

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

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

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

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

Научная фантастика или научный факт?

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

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

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

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

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

Возможность сверхсветовой скорости передачи данных

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

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

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

Астрофизики из Университета Бэйлора (США) разработали математическую модель гиперпространственного привода, позволяющего преодолевать космические расстояния со скоростью выше скорости света в 10³² раз, что позволяет в течение пары часов слетать в соседнюю галактику и вернуться обратно.

При полете люди не будут ощущать перегрузок, которые ощущаются в современных авиалайнерах, правда, в металле такой двигатель сможет появиться разве что через несколько сотен лет.

Механизм действия привода основан на принципе двигателя деформации пространства (Warp Drive), который предложил в 1994 г. мексиканский физик Мигель Алькубиерре. Американцам осталось лишь доработать модель и произвести более детальные подсчеты.
"Если перед кораблем сжимать пространство, а позади него, наоборот, расширять, то вокруг корабля появляется пространственно-временной пузырь, - говорит один из авторов исследования , Ричард Обоуси. - Он окутывает корабль и вырывает его из обычного мира в свою систему координат. За счет разницы давления пространства-времени этот пузырь способен двигаться в любом направлении, преодолевая световой порог на тысячи порядков".

Предположительно, деформироваться пространство вокруг корабля сможет за счет малоизученной пока темной энергии. "Темная энергия - очень плохо изученная субстанция, открытая сравнительно недавно и объясняющая, почему галактики как бы разлетаются друг от друга, - рассказал старший научный сотрудник отдела релятивистской астрофизики Государственного астрономического института им. Штернберга МГУ Сергей Попов. - Существует несколько ее моделей, но какой-то общепринятой пока нет. Американцы взяли за основу модель, основанную на дополнительных измерениях, и говорят, что можно локально менять свойства этих измерений. Тогда получится, что в разных направлениях могут быть разные космологические константы. И тогда корабль в пузыре начнет двигаться".

Объяснить такое "поведение" Вселенной может "теория струн", согласно которой все наше пространство пронизано множеством других измерений. Их взаимодействие между собой порождает отталкивающую силу, которая способна расширять не только вещество, как, например, галактики, но и само тело пространства. Этот эффект получил название "инфляция Вселенной".

"С первых секунд своего существования Вселенная растягивается, - поясняет доктор физико-математических наук, сотрудник Астро-космического центра Физического института им. Лебедева Руслан Мецаев. - И этот процесс продолжается до сих пор". Зная все это, можно попытаться расширять или сужать пространство искусственно. Для этого предполагается воздействовать на иные измерения, тем самым кусок пространства нашего мира начнет движение в нужном направлении под действием сил темной энергии.

При этом законы теории относительности не нарушаются. Внутри пузыря останутся те же самые законы физического мира, а скорость света будет предельной. На эту ситуацию не распространяется и так называемый эффект близнецов, повествующий о том, что при космических путешествиях со световыми скоростями время внутри корабля значительно замедляется и космонавт, вернувшись на Землю, встретит своего брата-близнеца уже глубоким стариком. Двигатель Warp Drive избавляет от этой неприятности, потому как толкает пространство, а не корабль.

Американцы уже подыскали и цель для будущего полета. Это планета Gliese 581 (Глизе 581), на которой климатические условия и сила тяжести приближаются к земным. Расстояние до нее составляет 20 световых лет, и даже при условии, что Warp Drive будет работать в триллионы раз слабее максимальной мощности, время в пути до нее составит всего несколько секунд.