Perjalanan superluminal adalah salah satu fondasi fiksi ilmiah luar angkasa. Namun, mungkin semua orang - bahkan orang yang jauh dari fisika - tahu bahwa kecepatan maksimum pergerakan benda material atau penyebaran sinyal apa pun adalah kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Itu dilambangkan dengan huruf c dan hampir 300 ribu kilometer per detik; nilai pastinya adalah c = 299 792 458 m / s.
Kecepatan cahaya dalam ruang hampa merupakan salah satu konstanta fisika fundamental. Ketidakmungkinan mencapai kecepatan melebihi c mengikuti teori relativitas khusus Einstein (SRT). Jika dimungkinkan untuk membuktikan bahwa sinyal dapat ditransmisikan dengan kecepatan superluminal, teori relativitas akan jatuh. Sejauh ini, hal ini tidak terjadi, meskipun banyak upaya untuk membantah larangan adanya kecepatan lebih dari c. Namun, dalam studi eksperimental baru-baru ini, beberapa fenomena yang sangat menarik telah ditemukan, menunjukkan bahwa dalam kondisi yang diciptakan secara khusus, kecepatan superluminal dapat diamati dan prinsip teori relativitas tidak dilanggar.
Untuk memulainya, mari kita mengingat kembali aspek-aspek utama yang berkaitan dengan masalah kecepatan cahaya.
Pertama-tama: mengapa tidak mungkin (dalam kondisi normal) melebihi batas cahaya? Karena dengan demikian hukum fundamental dunia kita dilanggar - hukum kausalitas, yang menurutnya akibatnya tidak dapat melampaui penyebabnya. Tidak ada yang pernah menyaksikan, misalnya, pertama seekor beruang mati, dan kemudian seorang pemburu menembak. Pada kecepatan melebihi s, urutan kejadian dibalik, pita waktu diputar ulang. Ini mudah untuk diverifikasi dari alasan sederhana berikut.
Mari kita asumsikan bahwa kita berada di semacam kapal ajaib luar angkasa, bergerak lebih cepat daripada cahaya. Kemudian kami akan secara bertahap mengejar cahaya yang dipancarkan oleh sumber pada titik waktu sebelumnya dan sebelumnya. Pertama, kita akan mengejar foton yang dipancarkan, katakanlah kemarin, lalu foton yang dipancarkan sehari sebelum kemarin, lalu seminggu, sebulan, setahun yang lalu, dan seterusnya. Jika sumber cahayanya adalah cermin yang memantulkan kehidupan, maka pertama-tama kita akan melihat peristiwa kemarin, lalu sehari sebelum kemarin, dan seterusnya. Kita bisa melihat, katakanlah, seorang lelaki tua yang berangsur-angsur berubah menjadi lelaki paruh baya, kemudian menjadi seorang pemuda, menjadi remaja, menjadi seorang anak … Artinya, waktu akan berbalik, kita akan bergerak dari masa kini ke masa lalu. Penyebab dan akibatnya akan dibalik.
Meskipun alasan ini sama sekali mengabaikan detail teknis dari proses pengamatan cahaya, dari sudut pandang fundamental, hal ini dengan jelas menunjukkan bahwa pergerakan dengan kecepatan superluminal mengarah pada situasi yang mustahil di dunia kita. Namun, alam telah menetapkan kondisi yang lebih ketat: tidak mungkin untuk bergerak tidak hanya dengan kecepatan superluminal, tetapi juga dengan kecepatan yang sama dengan kecepatan cahaya - Anda hanya dapat mendekatinya. Dari teori relativitas dapat disimpulkan bahwa dengan peningkatan kecepatan gerak, tiga keadaan muncul: massa benda bergerak bertambah, ukurannya mengecil ke arah gerakan, dan aliran waktu pada benda ini melambat (dari sudut pandang pengamat eksternal yang "diam"). Pada kecepatan biasa, perubahan ini dapat diabaikan, tetapi saat mendekati kecepatan cahaya, perubahan ini menjadi lebih terlihat,dan dalam batas - dengan kecepatan yang sama dengan c - massa menjadi sangat besar, objek kehilangan ukurannya sepenuhnya ke arah gerakan dan waktu berhenti di atasnya. Oleh karena itu, tidak ada benda material yang dapat mencapai kecepatan cahaya. Hanya cahaya itu sendiri yang memiliki kecepatan seperti itu! (Dan juga partikel "yang meliputi semua" - neutrino, yang, seperti foton, tidak dapat bergerak dengan kecepatan kurang dari s.)
Sekarang tentang kecepatan transmisi sinyal. Di sini tepat untuk menggunakan representasi cahaya dalam bentuk gelombang elektromagnetik. Apakah sinyal itu? Ini adalah semacam informasi yang akan dikirimkan. Gelombang elektromagnetik yang ideal adalah sinusoid tak berhingga dengan satu frekuensi saja, dan tidak dapat membawa informasi apa pun, karena setiap periode sinusoid semacam itu sama persis dengan yang sebelumnya. Kecepatan pergerakan fase gelombang sinusoidal - yang disebut kecepatan fase - dapat dalam medium, dalam kondisi tertentu, melebihi kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Tidak ada batasan di sini, karena kecepatan fase bukanlah kecepatan sinyal - kecepatan fase belum ada. Untuk membuat sinyal, Anda perlu membuat semacam "tanda" pada gelombang. Tanda seperti itu dapat berupa, misalnya, perubahan pada parameter gelombang mana pun - amplitudo, frekuensi, atau fase awal. Tapi begitu tanda itu dibuat,gelombang kehilangan sinusoidalitas. Ini menjadi termodulasi, terdiri dari satu set gelombang sinus sederhana dengan amplitudo, frekuensi, dan fase awal yang berbeda - sekelompok gelombang. Kecepatan pergerakan tanda dalam gelombang termodulasi adalah kecepatan sinyal. Ketika merambat dalam medium, kecepatan ini biasanya bertepatan dengan kecepatan kelompok, yang mencirikan perambatan kelompok gelombang yang disebutkan di atas secara keseluruhan (lihat Sains dan Kehidupan No. 2, 2000). Dalam kondisi normal, kecepatan grup, dan kecepatan sinyal, lebih kecil dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Ini bukan kebetulan bahwa ungkapan "dalam kondisi normal" digunakan, karena dalam beberapa kasus kecepatan grup dapat melebihi c atau bahkan kehilangan artinya, tetapi kemudian tidak berlaku untuk perambatan sinyal. Dalam SRT ditetapkan bahwa tidak mungkin untuk mengirimkan sinyal dengan kecepatan lebih dari s. Itu menjadi termodulasi, terdiri dari satu set gelombang sinus sederhana dengan amplitudo, frekuensi dan fase awal yang berbeda - sekelompok gelombang. Kecepatan pergerakan tanda dalam gelombang termodulasi adalah kecepatan sinyal. Saat merambat dalam medium, kecepatan ini biasanya bertepatan dengan kecepatan kelompok, yang mencirikan perambatan kelompok gelombang yang disebutkan di atas secara keseluruhan (lihat Science and Life, No. 2, 2000). Dalam kondisi normal, kecepatan grup, dan kecepatan sinyal, lebih kecil dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Ini bukan kebetulan bahwa ungkapan "dalam kondisi normal" digunakan, karena dalam beberapa kasus kecepatan grup juga dapat melebihi c atau bahkan kehilangan artinya, tetapi kemudian tidak berlaku untuk perambatan sinyal. Dalam SRT ditetapkan bahwa tidak mungkin untuk mengirimkan sinyal dengan kecepatan lebih dari s. Itu menjadi termodulasi, terdiri dari satu set gelombang sinus sederhana dengan amplitudo, frekuensi dan fase awal yang berbeda - sekelompok gelombang. Kecepatan pergerakan tanda dalam gelombang termodulasi adalah kecepatan sinyal. Saat merambat dalam medium, kecepatan ini biasanya bertepatan dengan kecepatan kelompok, yang mencirikan perambatan kelompok gelombang yang disebutkan di atas secara keseluruhan (lihat Science and Life, No. 2, 2000). Dalam kondisi normal, kecepatan grup, dan kecepatan sinyal, lebih kecil dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Ini bukan kebetulan bahwa ungkapan "dalam kondisi normal" digunakan, karena dalam beberapa kasus kecepatan grup juga dapat melebihi c atau bahkan kehilangan artinya, tetapi kemudian tidak berlaku untuk perambatan sinyal. Dalam SRT ditetapkan bahwa tidak mungkin untuk mengirimkan sinyal dengan kecepatan lebih dari s.terdiri dari sekumpulan gelombang sinusoidal sederhana dengan amplitudo, frekuensi dan fase awal yang berbeda - beda. Kecepatan pergerakan tanda dalam gelombang termodulasi adalah kecepatan sinyal. Saat merambat dalam medium, kecepatan ini biasanya bertepatan dengan kecepatan kelompok, yang mencirikan perambatan kelompok gelombang yang disebutkan di atas secara keseluruhan (lihat Science and Life, No. 2, 2000). Dalam kondisi normal, kecepatan grup, dan kecepatan sinyal, lebih kecil dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Ini bukan kebetulan bahwa ungkapan "dalam kondisi normal" digunakan, karena dalam beberapa kasus kecepatan grup juga dapat melebihi c atau bahkan kehilangan artinya, tetapi kemudian tidak berlaku untuk perambatan sinyal. Dalam SRT ditetapkan bahwa tidak mungkin untuk mengirimkan sinyal dengan kecepatan lebih dari s.terdiri dari sekumpulan gelombang sinusoidal sederhana dengan amplitudo, frekuensi dan fase awal yang berbeda - beda. Kecepatan pergerakan tanda dalam gelombang termodulasi adalah kecepatan sinyal. Ketika merambat dalam medium, kecepatan ini biasanya bertepatan dengan kecepatan kelompok, yang mencirikan perambatan kelompok gelombang yang disebutkan di atas secara keseluruhan (lihat Sains dan Kehidupan No. 2, 2000). Dalam kondisi normal, kecepatan grup, dan kecepatan sinyal, lebih kecil dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Ini bukan kebetulan bahwa ungkapan "dalam kondisi normal" digunakan, karena dalam beberapa kasus kecepatan grup juga dapat melebihi c atau bahkan kehilangan artinya, tetapi kemudian tidak berlaku untuk perambatan sinyal. Dalam SRT ditetapkan bahwa tidak mungkin untuk mengirimkan sinyal dengan kecepatan lebih dari s.frekuensi dan fase awal - kelompok gelombang. Kecepatan pergerakan tanda dalam gelombang termodulasi adalah kecepatan sinyal. Ketika merambat dalam medium, kecepatan ini biasanya bertepatan dengan kecepatan kelompok, yang mencirikan perambatan kelompok gelombang yang disebutkan di atas secara keseluruhan (lihat Sains dan Kehidupan No. 2, 2000). Dalam kondisi normal, kecepatan grup, dan kecepatan sinyal, lebih kecil dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Ini bukan kebetulan bahwa ungkapan "dalam kondisi normal" digunakan, karena dalam beberapa kasus kecepatan grup juga dapat melebihi c atau bahkan kehilangan artinya, tetapi kemudian tidak berlaku untuk perambatan sinyal. Dalam SRT ditetapkan bahwa tidak mungkin untuk mengirimkan sinyal dengan kecepatan lebih dari s.frekuensi dan fase awal - kelompok gelombang. Kecepatan pergerakan tanda dalam gelombang termodulasi adalah kecepatan sinyal. Saat merambat dalam medium, kecepatan ini biasanya bertepatan dengan kecepatan kelompok, yang mencirikan perambatan kelompok gelombang yang disebutkan di atas secara keseluruhan (lihat Science and Life, No. 2, 2000). Dalam kondisi normal, kecepatan grup, dan kecepatan sinyal, lebih kecil dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Ini bukan kebetulan bahwa ungkapan "dalam kondisi normal" digunakan, karena dalam beberapa kasus kecepatan grup juga dapat melebihi c atau bahkan kehilangan artinya, tetapi kemudian tidak berlaku untuk perambatan sinyal. Dalam SRT ditetapkan bahwa tidak mungkin untuk mengirimkan sinyal dengan kecepatan lebih dari s. Saat merambat dalam medium, kecepatan ini biasanya bertepatan dengan kecepatan kelompok, yang mencirikan perambatan kelompok gelombang yang disebutkan di atas secara keseluruhan (lihat Science and Life, No. 2, 2000). Dalam kondisi normal, kecepatan grup, dan kecepatan sinyal, lebih kecil dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Ini bukan kebetulan bahwa ungkapan "dalam kondisi normal" digunakan, karena dalam beberapa kasus kecepatan grup juga dapat melebihi c atau bahkan kehilangan artinya, tetapi kemudian tidak berlaku untuk perambatan sinyal. Dalam SRT ditetapkan bahwa tidak mungkin untuk mengirimkan sinyal dengan kecepatan lebih dari s. Saat merambat dalam medium, kecepatan ini biasanya bertepatan dengan kecepatan kelompok, yang mencirikan perambatan kelompok gelombang yang disebutkan di atas secara keseluruhan (lihat Science and Life, No. 2, 2000). Dalam kondisi normal, kecepatan grup, dan kecepatan sinyal, lebih kecil dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Ini bukan kebetulan bahwa ungkapan "dalam kondisi normal" digunakan, karena dalam beberapa kasus kecepatan grup juga dapat melebihi c atau bahkan kehilangan artinya, tetapi kemudian tidak berlaku untuk perambatan sinyal. Dalam SRT ditetapkan bahwa tidak mungkin untuk mengirimkan sinyal dengan kecepatan lebih dari s. Ini bukan kebetulan bahwa ungkapan "dalam kondisi normal" digunakan, karena dalam beberapa kasus kecepatan grup juga dapat melebihi c atau bahkan kehilangan artinya, tetapi kemudian tidak berlaku untuk perambatan sinyal. Dalam SRT ditetapkan bahwa tidak mungkin untuk mengirimkan sinyal dengan kecepatan lebih dari s. Ini bukan kebetulan bahwa ungkapan "dalam kondisi normal" digunakan, karena dalam beberapa kasus kecepatan grup juga dapat melebihi c atau bahkan kehilangan artinya, tetapi kemudian tidak berlaku untuk perambatan sinyal. Dalam SRT ditetapkan bahwa tidak mungkin untuk mengirimkan sinyal dengan kecepatan lebih dari s.
Video promosi:
Mengapa demikian? Karena hukum kausalitas yang sama berfungsi sebagai penghalang transmisi sinyal apa pun dengan kecepatan lebih besar dari c. Bayangkan situasi berikut ini. Di beberapa titik A, kilatan cahaya (peristiwa 1) menyalakan perangkat yang mengirimkan sinyal radio tertentu, dan di titik B yang jauh, ledakan terjadi di bawah aksi sinyal radio ini (peristiwa 2). Jelas bahwa peristiwa 1 (kilat) adalah penyebab, dan peristiwa 2 (ledakan) adalah konsekuensi yang terjadi setelah penyebabnya. Tetapi jika sinyal radio merambat pada kecepatan superluminal, pengamat yang berada di dekat titik B pertama-tama akan melihat ledakan, dan baru kemudian - kilatan yang mencapai dia dengan kecepatan kilatan cahaya, penyebab ledakan. Dengan kata lain, bagi pengamat ini, peristiwa 2 akan terjadi lebih awal dari peristiwa 1, yaitu, efek akan mendahului penyebabnya.
Adalah tepat untuk ditekankan bahwa "larangan superluminal" dari teori relativitas dipaksakan hanya pada pergerakan benda material dan transmisi sinyal. Dalam banyak situasi, gerakan dengan kecepatan berapa pun dimungkinkan, tetapi ini bukan gerakan benda atau sinyal material. Misalnya, bayangkan dua penggaris yang cukup panjang tergeletak di bidang yang sama, salah satunya horizontal, dan yang lainnya berpotongan pada sudut kecil. Jika penggaris pertama digerakkan ke bawah (dalam arah yang ditunjukkan oleh panah) dengan kecepatan tinggi, titik potong penggaris dapat dibuat untuk berlari secepat yang Anda inginkan, tetapi titik ini bukan badan material. Contoh lain: jika Anda mengambil senter (atau, katakanlah, laser memberikan sinar yang sempit) dan dengan cepat mendeskripsikan busur dengan itu di udara, maka kecepatan linier titik cahaya akan meningkat dengan jarak dan pada jarak yang cukup jauh akan melebihi c. Titik cahaya akan bergerak antara titik A dan B dengan kecepatan superluminal, tetapi ini bukan transmisi sinyal dari A ke B, karena titik cahaya tersebut tidak membawa informasi apa pun tentang titik A.
Tampaknya pertanyaan tentang kecepatan superluminal telah terpecahkan. Tetapi di tahun 60-an abad ke-20, fisikawan teoretis mengajukan hipotesis tentang keberadaan partikel superluminal yang disebut tachyons. Ini adalah partikel yang sangat aneh: secara teoritis mereka mungkin, tetapi untuk menghindari kontradiksi dengan teori relativitas, mereka harus menganggap massa diam imajiner. Massa imajiner secara fisik tidak ada, ini adalah abstraksi matematis murni. Namun, ini tidak menimbulkan banyak kekhawatiran, karena tachyon tidak bisa diam - mereka ada (jika ada!) Hanya dengan kecepatan yang melebihi kecepatan cahaya dalam ruang hampa, dan dalam hal ini massa tachyon ternyata nyata. Ada beberapa analogi di sini dengan foton: foton memiliki massa istirahat nol, tetapi ini berarti bahwa foton tidak dapat diam - cahaya tidak dapat dihentikan.
Yang paling sulit, seperti yang diharapkan, adalah mendamaikan hipotesis tachyon dengan hukum kausalitas. Upaya ke arah ini, meskipun cukup cerdik, tidak membuahkan hasil yang jelas. Tidak ada yang berhasil mendaftarkan tachyons secara eksperimental. Akibatnya, ketertarikan pada tachyons sebagai partikel elementer superluminal secara bertahap memudar.
Namun, di tahun 60-an, sebuah fenomena eksperimental ditemukan yang awalnya membingungkan fisikawan. Hal ini dijelaskan secara rinci dalam artikel oleh A. N. Oraevsky "Gelombang superluminal dalam media penguat" (Phys. Phys. No. 12, 1998). Di sini kami akan meringkas masalah secara singkat, merujuk pembaca yang tertarik dengan detail ke artikel tertentu.
Segera setelah penemuan laser - di awal tahun 60-an - masalah muncul untuk mendapatkan pulsa cahaya berdaya tinggi yang pendek (sekitar 1 ns = 10-9 dtk). Untuk ini, pulsa laser pendek dilewatkan melalui penguat kuantum optik. Denyut nadi dibagi menjadi dua bagian oleh cermin pemecah sinar. Salah satunya, lebih kuat, dikirim ke amplifier, sementara yang lain disebarkan di udara dan berfungsi sebagai pulsa referensi yang dengannya seseorang dapat membandingkan pulsa yang melewati amplifier. Kedua pulsa diumpankan ke detektor foto, dan sinyal keluarannya dapat diamati secara visual pada layar osiloskop. Diharapkan pulsa cahaya yang melewati amplifier akan mengalami penundaan tertentu di dalamnya dibandingkan dengan pulsa referensi, yaitu kecepatan rambat cahaya di amplifier akan lebih kecil daripada di udara. Bayangkan betapa terkejutnya para peneliti ketika mereka menemukan bahwa denyut nadi merambat melalui penguat dengan kecepatan tidak hanya lebih besar dari pada di udara, tetapi juga melebihi kecepatan cahaya dalam ruang hampa beberapa kali!
Setelah pulih dari kejutan pertama, fisikawan mulai mencari alasan untuk hasil yang tidak terduga tersebut. Tidak seorang pun memiliki keraguan sedikit pun tentang prinsip-prinsip teori relativitas khusus, dan inilah yang membantu untuk menemukan penjelasan yang benar: jika prinsip-prinsip relativitas khusus dipertahankan, maka jawabannya harus dicari dalam sifat media penguat.
Tanpa membahas detail di sini, kami hanya menunjukkan bahwa analisis terperinci dari mekanisme aksi media penguat telah sepenuhnya memperjelas situasi. Titik terdiri dari perubahan konsentrasi foton selama perambatan pulsa - perubahan karena perubahan penguatan medium hingga nilai negatif selama lewatnya bagian belakang pulsa, ketika medium sudah menyerap energi, karena cadangannya sendiri telah habis karena transmisinya ke pulsa cahaya. Penyerapan tidak menyebabkan penguatan, tetapi melemahnya impuls, dan, dengan demikian, impuls ditingkatkan di depan dan melemah di belakang. Mari kita bayangkan bahwa kita mengamati denyut nadi dengan bantuan perangkat yang bergerak dengan kecepatan cahaya dalam media penguat. Jika medianya transparan, kita akan melihat impuls membeku dalam imobilitas. Di lingkungan,di mana proses yang disebutkan di atas terjadi, amplifikasi tepi depan dan melemahnya tepi trailing pulsa akan tampak kepada pengamat sedemikian rupa sehingga media seolah-olah telah menggerakkan pulsa ke depan. Tetapi karena alat (pengamat) bergerak dengan kecepatan cahaya, dan pulsa menyusulnya, maka kecepatan pulsa melebihi kecepatan cahaya! Efek inilah yang dicatat oleh para peneliti. Dan di sini benar-benar tidak ada kontradiksi dengan teori relativitas: hanya proses amplifikasinya saja sehingga konsentrasi foton yang keluar lebih awal ternyata lebih banyak daripada yang keluar nanti. Bukan foton yang bergerak dengan kecepatan superluminal, tetapi selubung pulsa, khususnya, maksimumnya, yang diamati pada osiloskop. Tetapi karena alat (pengamat) bergerak dengan kecepatan cahaya, dan pulsa menyusulnya, maka kecepatan pulsa melebihi kecepatan cahaya! Efek inilah yang dicatat oleh para peneliti. Dan di sini benar-benar tidak ada kontradiksi dengan teori relativitas: hanya proses amplifikasinya saja sehingga konsentrasi foton yang keluar lebih awal ternyata lebih banyak daripada yang keluar nanti. Bukan foton yang bergerak dengan kecepatan superluminal, tetapi selubung pulsa, khususnya, maksimumnya, yang diamati pada osiloskop. Tetapi karena alat (pengamat) bergerak dengan kecepatan cahaya, dan pulsa menyusulnya, maka kecepatan pulsa melebihi kecepatan cahaya! Efek inilah yang dicatat oleh para peneliti. Dan di sini benar-benar tidak ada kontradiksi dengan teori relativitas: hanya proses amplifikasinya saja sehingga konsentrasi foton yang keluar lebih awal ternyata lebih banyak daripada yang keluar nanti. Bukan foton yang bergerak dengan kecepatan superluminal, tetapi selubung pulsa, khususnya, maksimumnya, yang diamati pada osiloskop. Bukan foton yang bergerak dengan kecepatan superluminal, tetapi selubung pulsa, khususnya, maksimumnya, yang diamati pada osiloskop. Bukan foton yang bergerak dengan kecepatan superluminal, tetapi selubung pulsa, khususnya, maksimumnya, yang diamati pada osiloskop.
Jadi, sementara di media biasa selalu ada redaman cahaya dan penurunan kecepatannya, ditentukan oleh indeks bias, di media laser aktif, tidak hanya amplifikasi cahaya yang diamati, tetapi juga propagasi pulsa dengan kecepatan superluminal.
Beberapa fisikawan telah mencoba secara eksperimental membuktikan keberadaan gerakan superluminal dalam efek tunneling - salah satu fenomena paling menakjubkan dalam mekanika kuantum. Efek ini terdiri dari fakta bahwa mikropartikel (lebih tepatnya, benda mikro, yang menunjukkan sifat partikel dan sifat gelombang dalam kondisi yang berbeda) mampu menembus apa yang disebut penghalang potensial - sebuah fenomena yang sama sekali tidak mungkin dalam mekanika klasik (di mana analog akan menjadi situasi seperti itu: Bola yang dilempar ke dinding akan berada di sisi lain dinding, atau gerakan bergelombang yang diberikan ke tali yang diikat ke dinding akan ditransmisikan ke tali yang diikat ke dinding di sisi lain) Inti dari efek penerowongan dalam mekanika kuantum adalah sebagai berikut. Jika benda mikro dengan energi tertentu bertemu dengan area dengan energi potensial dalam perjalanannya,melebihi energi benda mikro, area ini untuknya sebagai penghalang, yang ketinggiannya ditentukan oleh perbedaan energi. Tapi benda mikro "merembes" melalui penghalang! Kemungkinan ini diberikan kepadanya oleh hubungan ketidakpastian Heisenberg yang terkenal, yang ditulis untuk energi dan waktu interaksi. Jika interaksi objek mikro dengan penghalang terjadi untuk waktu yang cukup pasti, maka energi objek mikro akan, sebaliknya, dicirikan oleh ketidakpastian, dan jika ketidakpastian ini adalah urutan ketinggian penghalang, maka yang terakhir tidak lagi menjadi penghalang yang tidak dapat diatasi untuk objek mikro. Di sini kecepatan penetrasi melalui penghalang potensial telah menjadi subjek penelitian oleh sejumlah fisikawan, yang percaya bahwa itu dapat melebihi s. Tapi benda mikro "merembes" melalui penghalang! Kemungkinan ini diberikan kepadanya oleh hubungan ketidakpastian Heisenberg yang terkenal, yang ditulis untuk energi dan waktu interaksi. Jika interaksi objek mikro dengan penghalang terjadi untuk waktu yang cukup pasti, maka energi objek mikro akan, sebaliknya, dicirikan oleh ketidakpastian, dan jika ketidakpastian ini adalah urutan ketinggian penghalang, maka yang terakhir tidak lagi menjadi penghalang yang tidak dapat diatasi untuk objek mikro. Di sini kecepatan penetrasi melalui penghalang potensial telah menjadi subjek penelitian oleh sejumlah fisikawan, yang percaya bahwa itu dapat melebihi s. Tapi benda mikro "merembes" melalui penghalang! Kemungkinan ini diberikan kepadanya oleh hubungan ketidakpastian Heisenberg yang terkenal, yang ditulis untuk energi dan waktu interaksi. Jika interaksi objek mikro dengan penghalang terjadi untuk waktu yang cukup pasti, maka energi objek mikro akan, sebaliknya, dicirikan oleh ketidakpastian, dan jika ketidakpastian ini adalah urutan ketinggian penghalang, maka yang terakhir tidak lagi menjadi penghalang yang tidak dapat diatasi untuk objek mikro. Di sini kecepatan penetrasi melalui penghalang potensial telah menjadi subjek penelitian oleh sejumlah fisikawan, yang percaya bahwa itu dapat melebihi s. Jika interaksi objek mikro dengan penghalang terjadi untuk waktu yang cukup pasti, maka energi objek mikro akan, sebaliknya, dicirikan oleh ketidakpastian, dan jika ketidakpastian ini adalah urutan ketinggian penghalang, maka yang terakhir tidak lagi menjadi penghalang yang tidak dapat diatasi untuk objek mikro. Di sini kecepatan penetrasi melalui penghalang potensial telah menjadi subjek penelitian oleh sejumlah fisikawan, yang percaya bahwa itu dapat melebihi s. Jika interaksi objek mikro dengan penghalang terjadi untuk waktu yang cukup pasti, maka energi objek mikro akan, sebaliknya, dicirikan oleh ketidakpastian, dan jika ketidakpastian ini adalah urutan ketinggian penghalang, maka yang terakhir tidak lagi menjadi penghalang yang tidak dapat diatasi untuk objek mikro. Di sini kecepatan penetrasi melalui penghalang potensial telah menjadi subjek penelitian oleh sejumlah fisikawan, yang percaya bahwa itu dapat melebihi s.
Pada bulan Juni 1998, sebuah simposium internasional tentang masalah FTL diadakan di Cologne, dimana hasil yang diperoleh di empat laboratorium dibahas - di Berkeley, Wina, Cologne dan di Florence.
Dan akhirnya, pada tahun 2000, ada laporan dari dua eksperimen baru di mana efek dari propagasi superluminal muncul. Salah satunya dilakukan oleh Lijun Wong dan rekan kerja di sebuah lembaga penelitian di Princeton (AS). Hasilnya adalah pulsa cahaya yang masuk ke ruang yang diisi dengan uap cesium meningkatkan kecepatannya 300 kali lipat. Ternyata bagian utama dari denyut nadi keluar dari dinding jauh ruangan bahkan lebih awal dari denyut nadi masuk ke ruangan melalui dinding depan. Situasi ini bertentangan tidak hanya dengan akal sehat, tetapi, pada dasarnya, teori relativitas.
Pesan L. Wong memprovokasi diskusi yang intens di kalangan fisikawan, yang sebagian besar tidak cenderung melihat hasil yang diperoleh melanggar prinsip relativitas. Mereka yakin, tantangannya adalah menjelaskan eksperimen ini dengan benar.
Dalam percobaan L. Wong, pulsa cahaya yang memasuki ruangan dengan uap cesium berdurasi sekitar 3 μs. Atom Cesium bisa berada dalam enam belas kemungkinan keadaan kuantum-mekanis, yang disebut "sublevel keadaan dasar magnetik hyperfine." Dengan bantuan pemompaan laser optik, hampir semua atom dibawa ke hanya satu dari enam belas keadaan ini, sesuai dengan suhu nol absolut pada skala Kelvin (-273,15oC). Ruang caesium memiliki panjang 6 sentimeter. Dalam ruang hampa, cahaya bergerak 6 sentimeter dalam 0,2 ns. Pengukuran menunjukkan bahwa pulsa cahaya melewati ruang dengan sesium dalam waktu 62 ns lebih cepat daripada di ruang hampa. Dengan kata lain, waktu transit pulsa melalui medium cesium bertanda minus! Memang, jika 62 ns dikurangkan dari 0,2 ns, kita mendapatkan waktu "negatif". Ini "penundaan negatif" dalam medium - lompatan waktu yang tidak dapat dipahami - sama dengan waktu selama pulsa membuat 310 melewati ruang dalam ruang hampa. Konsekuensi dari "pembalikan sementara" ini adalah bahwa dorongan yang keluar dari ruangan memiliki waktu untuk menjauh darinya sejauh 19 meter sebelum impuls yang masuk mencapai dinding dekat ruangan tersebut. Bagaimana situasi yang luar biasa seperti itu dapat dijelaskan (jika, tentu saja, tidak ada keraguan tentang kemurnian eksperimen)?tidak meragukan kemurnian percobaan)?tidak meragukan kemurnian percobaan)?
Dilihat dari diskusi yang sedang berlangsung, penjelasan yang tepat belum ditemukan, tetapi tidak ada keraguan bahwa sifat dispersi yang tidak biasa dari medium berperan di sini: uap cesium, yang terdiri dari atom yang tereksitasi oleh sinar laser, adalah medium dengan dispersi anomali. Mari kita mengingat secara singkat apa itu.
Dispersi suatu zat adalah ketergantungan fase (konvensional) indeks bias n pada panjang gelombang cahaya l. Dengan dispersi normal, indeks bias meningkat dengan menurunnya panjang gelombang, dan ini terjadi pada gelas, air, udara dan semua zat lain yang transparan terhadap cahaya. Dalam zat yang sangat menyerap cahaya, arah indeks bias berubah menjadi sebaliknya dengan perubahan panjang gelombang dan menjadi lebih curam: dengan penurunan l (peningkatan frekuensi w), indeks bias menurun tajam dan di daerah panjang gelombang tertentu menjadi kurang dari satu (kecepatan fase Vph> s). Ini adalah dispersi anomali, di mana gambaran penyebaran cahaya dalam materi berubah secara radikal. Kecepatan kelompok Vgr menjadi lebih besar dari kecepatan fase gelombang dan dapat melebihi kecepatan cahaya dalam ruang hampa (dan juga menjadi negatif). L. Wong menunjukkan keadaan ini sebagai alasan yang mendasari kemungkinan untuk menjelaskan hasil eksperimennya. Perlu dicatat, bagaimanapun, bahwa kondisi Vgr> c murni formal, karena konsep kecepatan kelompok diperkenalkan untuk kasus dispersi rendah (normal), untuk media transparan, ketika sekelompok gelombang hampir tidak berubah bentuknya selama perambatan. Sebaliknya, di daerah dispersi yang tidak normal, pulsa cahaya berubah bentuk dengan cepat dan konsep kecepatan kelompok kehilangan maknanya; Dalam hal ini, diperkenalkan konsep kecepatan sinyal dan kecepatan perambatan energi, yang pada media transparan bertepatan dengan kecepatan kelompok, dan pada media dengan penyerapan tetap kurang dari kecepatan cahaya dalam ruang hampa. Tapi inilah yang menarik dalam eksperimen Wong: pulsa cahaya, setelah melewati medium dengan dispersi yang tidak normal, tidak berubah bentuk - ia tetap mempertahankan bentuknya!Dan ini sesuai dengan asumsi tentang perambatan pulsa dengan kecepatan kelompok. Tetapi jika demikian, maka ternyata tidak ada absorpsi di dalam medium tersebut, meskipun anomali dispersi medium tersebut justru disebabkan oleh absorpsi! Wong sendiri, mengakui banyak hal yang masih belum jelas, percaya bahwa apa yang terjadi dalam pengaturan eksperimentalnya dapat, pada perkiraan pertama, dijelaskan dengan jelas sebagai berikut.
Sebuah pulsa cahaya terdiri dari banyak komponen dengan panjang gelombang (frekuensi) yang berbeda. Gambar menunjukkan tiga komponen ini (gelombang 1-3). Di beberapa titik, ketiga gelombang berada dalam fase (maksimumnya bertepatan); di sini mereka, menambahkan, memperkuat satu sama lain dan membentuk suatu dorongan. Ketika gelombang merambat lebih jauh di ruang angkasa, gelombang keluar dari fase dan dengan demikian "memadamkan" satu sama lain.
Di daerah dispersi anomali (di dalam sel cesium), gelombang yang lebih pendek (gelombang 1) menjadi lebih panjang. Sebaliknya, gelombang yang paling panjang dari ketiganya (gelombang 3) menjadi yang terpendek.
Akibatnya, fase gelombang berubah sesuai. Ketika gelombang telah melewati sel cesium, muka gelombang mereka dipulihkan. Setelah mengalami modulasi fase yang tidak biasa dalam suatu zat dengan dispersi yang tidak normal, ketiga gelombang yang dipertimbangkan kembali berada dalam fase pada titik tertentu. Di sini mereka melipat lagi dan membentuk denyut dengan bentuk yang persis sama saat memasuki media caesium.
Biasanya di udara dan di hampir semua media transparan dengan dispersi normal, pulsa cahaya tidak dapat secara akurat mempertahankan bentuknya saat merambat pada jarak yang jauh, yaitu, semua komponennya tidak dapat bertahap pada titik yang jauh di sepanjang jalur propagasi. Dan dalam kondisi normal, pulsa cahaya pada titik yang begitu jauh muncul setelah beberapa saat. Namun, karena sifat anomali media yang digunakan dalam percobaan, denyut nadi pada titik yang jauh ternyata dilakukan bertahap dengan cara yang sama seperti saat memasuki media ini. Dengan demikian, pulsa cahaya berperilaku seolah-olah memiliki waktu tunda negatif dalam perjalanan ke titik yang jauh, yaitu, ia akan tiba di sana tidak lebih lambat, tetapi lebih awal dari ia telah melewati lingkungan!
Sebagian besar fisikawan cenderung mengaitkan hasil ini dengan kemunculan prekursor intensitas rendah di media dispersif ruangan. Faktanya adalah bahwa dalam dekomposisi spektral pulsa, spektrum mengandung komponen frekuensi tinggi yang sewenang-wenang dengan amplitudo yang dapat diabaikan, yang disebut prekursor, yang berada di depan "bagian utama" pulsa. Sifat pembentukan dan bentuk prekursor bergantung pada hukum dispersi dalam medium. Dengan pemikiran ini, urutan kejadian dalam percobaan Wong diusulkan untuk ditafsirkan sebagai berikut. Gelombang yang masuk, "merentangkan" pertanda di depannya, mendekati kamera. Sebelum puncak gelombang masuk menghantam dinding dekat ruangan, prekursor memulai impuls dalam ruangan, yang mencapai dinding jauh dan dipantulkan darinya, membentuk "gelombang mundur". Gelombang inimenyebar 300 kali lebih cepat dari c, mencapai dinding dekat dan memenuhi gelombang yang masuk. Puncak satu gelombang bertemu palung gelombang lainnya, sehingga mereka saling menghancurkan dan tidak ada yang tersisa sebagai hasilnya. Ternyata gelombang masuk "mengembalikan hutang" ke atom cesium, yang "meminjamkan" energi padanya di ujung ruangan yang lain. Siapa pun yang hanya mengamati awal dan akhir eksperimen hanya akan melihat denyut cahaya yang "melompat" ke depan pada waktunya, dengan bergerak lebih cepat. Saya hanya akan melihat denyut cahaya yang "melompat" ke depan tepat waktu, dengan bergerak lebih cepat. Saya hanya akan melihat denyut cahaya yang "melompat" ke depan tepat waktu, dengan bergerak lebih cepat.
L. Wong percaya bahwa eksperimennya tidak sesuai dengan teori relativitas. Pernyataan tentang ketidakmampuan kecepatan superluminal, menurutnya, hanya berlaku untuk objek dengan massa diam. Cahaya dapat direpresentasikan baik dalam bentuk gelombang, yang konsep massa umumnya tidak dapat diterapkan, atau dalam bentuk foton dengan massa diam, seperti yang diketahui, sama dengan nol. Karena itu, kecepatan cahaya dalam ruang hampa, menurut Wong, bukanlah batasnya. Meski demikian, Wong mengakui bahwa efek yang ia temukan tidak memungkinkan untuk mentransfer informasi dengan kecepatan lebih dari s.
“Informasi di sini sudah berada di ujung tombak denyut nadi,” kata P. Milonny, fisikawan di Laboratorium Nasional Los Alamos AS. "Dan Anda bisa mendapatkan kesan mengirim informasi lebih cepat daripada cahaya, bahkan saat Anda tidak mengirimnya."
Kebanyakan fisikawan percaya bahwa karya baru ini tidak menghancurkan prinsip-prinsip fundamental. Tetapi tidak semua fisikawan percaya bahwa masalahnya sudah terpecahkan. Profesor A. Ranfagni dari kelompok peneliti Italia, yang melakukan eksperimen menarik lainnya pada tahun 2000, percaya bahwa pertanyaan tersebut tetap terbuka. Eksperimen yang dilakukan oleh Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni dan Rocco Ruggeri ini menemukan bahwa gelombang radio pita sentimeter dalam perjalanan udara biasa dengan kecepatan 25% lebih besar dari c.
Singkatnya, kita dapat mengatakan yang berikut ini
Pekerjaan dalam beberapa tahun terakhir telah menunjukkan bahwa dalam kondisi tertentu, kecepatan superluminal sebenarnya dapat terjadi. Tapi apa sebenarnya yang bepergian dengan kecepatan superluminal? Teori relativitas, sebagaimana telah disebutkan, melarang kecepatan seperti itu untuk benda material dan untuk sinyal yang membawa informasi. Namun demikian, beberapa peneliti sangat gigih mencoba mendemonstrasikan bagaimana mengatasi penghalang cahaya untuk sinyal. Alasan untuk ini terletak pada kenyataan bahwa dalam teori relativitas khusus tidak ada pembenaran matematis yang ketat (berdasarkan, katakanlah, persamaan Maxwell untuk medan elektromagnetik) untuk ketidakmungkinan transmisi sinyal dengan kecepatan lebih besar dari s. Kemustahilan seperti itu dalam SRT ditetapkan, bisa dikatakan, murni secara aritmatika, berangkat dari rumus Einstein untuk penambahan kecepatan,tetapi ini pada dasarnya dikonfirmasi oleh prinsip kausalitas. Einstein sendiri, mempertimbangkan pertanyaan tentang transmisi sinyal superluminal, menulis bahwa dalam kasus ini "… kita dipaksa untuk mempertimbangkan mekanisme transmisi sinyal, ketika menggunakan tindakan yang dicapai mendahului penyebabnya. Tetapi, meskipun hasil ini dari sudut pandang logis murni tidak mengandung, menurut pendapat saya, tidak ada kontradiksi, itu masih sangat bertentangan dengan karakter seluruh pengalaman kita sehingga ketidakmungkinan asumsi V> c tampaknya cukup terbukti. " Prinsip kausalitas merupakan landasan yang mendasari ketidakmungkinan transmisi sinyal FTL. Dan batu ini, tampaknya, akan tersandung semua, tanpa kecuali, pencarian sinyal superluminal, tidak peduli seberapa besar peneliti ingin menemukan sinyal tersebut,karena inilah sifat dunia kita.
Namun, mari kita bayangkan matematika relativitas masih akan bekerja pada kecepatan yang lebih cepat daripada cahaya. Artinya secara teoritis kita masih bisa mengetahui apa yang akan terjadi jika kebetulan benda tersebut melebihi kecepatan cahaya.
Bayangkan dua pesawat luar angkasa bergerak dari Bumi menuju sebuah bintang yang jaraknya 100 tahun cahaya dari planet kita. Kapal pertama meninggalkan Bumi dengan kecepatan 50% kecepatan cahaya, jadi akan memakan waktu 200 tahun untuk seluruh perjalanan. Kapal kedua, dilengkapi dengan penggerak warp hipotetis, akan melakukan perjalanan dengan kecepatan 200% kecepatan cahaya, tetapi 100 tahun setelah yang pertama. Apa yang akan terjadi?
Menurut teori relativitas, jawaban yang benar sangat bergantung pada perspektif pengamat. Dari Bumi akan terlihat bahwa kapal pertama telah menempuh jarak yang cukup jauh sebelum disusul oleh kapal kedua yang bergerak empat kali lebih cepat. Tetapi dari sudut pandang orang-orang di kapal pertama, semuanya sedikit berbeda.
Kapal # 2 bergerak lebih cepat dari cahaya, yang berarti ia bahkan dapat menyalip cahaya yang dipancarkannya sendiri. Hal ini mengarah pada semacam "gelombang cahaya" (analog dengan suara, hanya sebagai pengganti getaran udara, gelombang cahaya bergetar di sini), yang menghasilkan beberapa efek menarik. Ingatlah bahwa cahaya dari kapal # 2 bergerak lebih lambat daripada kapal itu sendiri. Akibatnya, penggandaan visual akan terjadi. Dengan kata lain, pada awalnya awak kapal # 1 akan melihat bahwa kapal kedua muncul di sebelahnya seolah-olah entah dari mana. Kemudian, cahaya dari kapal kedua akan mencapai kapal pertama dengan sedikit penundaan, dan hasilnya adalah salinan yang terlihat akan bergerak ke arah yang sama dengan sedikit penundaan.
Hal serupa dapat dilihat dalam permainan komputer, ketika, sebagai akibat dari kegagalan sistem, mesin memuat model dan algoritme pada titik akhir gerakan lebih cepat daripada animasi itu sendiri berakhir, sehingga terjadi banyak pengambilan. Mungkin inilah sebabnya kesadaran kita tidak memahami aspek hipotetis Semesta, di mana tubuh bergerak dengan kecepatan superluminal - mungkin ini yang terbaik.
PS … tapi di contoh terakhir saya tidak mengerti sesuatu, mengapa posisi sebenarnya kapal dikaitkan dengan "cahaya yang dipancarkan olehnya"? Nah, biarkan mereka melihatnya sebagai sesuatu yang tidak ada di sana, tetapi pada kenyataannya dia akan menyalip kapal pertama!
