Сегодня многие ученые сходятся во мнении, что наш привычный мир выглядел бы совсем иначе, если хотя бы одна из мировых констант имела другое значение, однако это ни на шаг не приближает нас к ответу, почему константы имеют именно такое значение. И всё же, за всю историю науки ни одна из мировых констант не вызывала столько споров и подозрений, как скорость света. Люди практически равнодушно воспринимают величину заряда электрона или, скажем, постоянную Планка, однако вы найдете не слишком много людей, которые с таким же философским безразличием отнесутся к величине скорости света. И тому есть веская психологическая причина. Величина скорости света – это не просто константа. Это наш билет к звездам. И от того, сумеем ли мы преодолеть это ограничение, зависит, сможем ли мы в будущем заселить Вселенную и сделать её своим домом.
Представление о природе света и его физических характеристиках берут своё начало от античных философов, но поскольку мудрецы античности в своих построениях не пользовались никакими экспериментальными проверками, соответственно и их конструкции получались умозрительными и не слишком похожими на истину. Самое лучшее, до чего они могли додуматься – это представление о том, что каждый предмет испускает некие отпечатки (частицы), которые, проникая в глаз наблюдателя, вызывают в нем изображение окружающего мира. Настоящие исследования физики света развернулись ближе к 19 веку после окончательной победы эмпирического подхода к познанию мира и утверждении принципа постановки экспериментов как основополагающего способа выяснения истины. В 1676 г. О. Рёмер после серии наблюдений спутников Юпитера сделал вывод о конечности скорости распространения света и даже определил её величину, оказавшуюся равной 214000 км/с. Значительно позже с 1878 по 1882 гг. А. Майкельсон провел серию точных измерений и получил значение 313274,3 км/с. Ещё позже в 1895г. Вышла работа Х. Лоренца “Опыт построения теории электрических и оптических явлений в движущихся телах”. А в 1902г. В. Кауфман впервые доказал зависимость массы электрона от его скорости.
Эти и многие другие подобные эксперименты значительно продвинули теоретическую и экспериментальную физику и позволили А. Эйнштейну в 1905г. впервые сформулировать специальный принцип относительности и принцип постоянства скорости света и на их основе создать специальную теорию относительности. В этом году вышла его первая статья на эту тему “К электродинамике движущихся сред”, а несколько позже в 1916г. вышла его работа “Основы общей теории относительности”, завершившая построение релятивистской теории гравитации, её физических основ и математического аппарата. Сама теория относительности базируется всего на двух постулатах:
1. Физические законы природы не меняются при переходе от одной инерциальной
системы отсчета (ИСО) к другой.
2. Скорость света не зависит от выбора ИСО.
Пользуясь этими принципами, привязав к каждой из ИСО свою систему координат и попытавшись найти универсальные формулы пересчета значений координат из одной ИСО в другую, Эйнштейн получил весь математический аппарат теории относительности, который мы знаем сегодня как общую теорию относительности (ОТО) и специальную теорию относительности (СТО).
Однако признание принципа независимости скорости света от выбора ИСО неизбежно повлекло за собой ряд причудливых следствий, которые до сих пор будоражат умы и вызывают внутренний протест, поскольку противоречат нашей бытовой логике и непосредственному жизненному опыту. Например, мы привыкли, что если мы догоняем какой – либо предмет, уходящий от нас с постоянной скоростью, то наша скорость относительно этого предмета уменьшается. Согласно СТО, если речь идет о скоростях, близких к скоростям света, то, сколько бы мы не гнались за предметом, летящим со скоростью света, мы его не догоним, поскольку с увеличением нашей скорости будет замедляться наше личное время и поэтому разогнаться выше скорости света мы не сможем. А один предмет не может догнать другой, если их скорости равны.
Применяя в своих выкладках представление о постоянстве скорости света, Эйнштейн получил ряд других интересных следствий, в частности сокращение длины при увеличении скорости, увеличение массы, парадокс близнецов и возможность путешествий во времени (по крайней мере, в будущее). Это общеизвестные следствия, они есть в любом учебнике.
Более того, есть даже экспериментальные подтверждения предсказанных СТО эффектов. Например, наблюдение картины распада мюона. (Мюон – частица, выбиваемая жестким космическим излучением из атомов верхней части земной атмосферы). Его времени жизни недостаточно для преодоления всей толщи земной атмосферы. Однако он успешно преодолевает атмосферу, и детекторы в лабораториях на поверхности земли его фиксируют. Это возможно только при условии, что его собственное время замедляется в полном согласии с теорией СТО. Кроме того, до обнаружения он должен успеть пролететь всю толщу атмосферы, то есть толщина земной атмосферы для него должна быть меньше, а это есть уже то самое Лоренцевское сокращение длины. Несмотря на то, что экспериментальные проверки показывают практически полное совпадение с предсказаниями, а сама теория насчитывает уже тысячи ученых сторонников по всему миру, споры вокруг СТО не только не утихают, а с каждым годом всё больше усиливаются.
В ученых кругах зреет ощущение, что мир стоит на пороге очередной революции в физике и массового уточнения или пересмотра исходных постулатов многих устоявшихся теорий. Как всегда всё началось с появления экспериментальных данных и умозрительных построений, не согласующихся с текущими представлениями о физике реальности. Представим себе, например, такой мысленный эксперимент.
Берем две линейки одинаковой длины, и разгоняем их до субсветовой скорости параллельно друг другу. Согласно СТО, они сокращаются, как и положено на одну и ту же величину - случай 1) на рис. 1. Повторим эксперимент. Условия аналогичные, но в этом случае мы одну из линеек аккуратно распилим пополам, но разгонять будем всё – равно как целую линейку, плотно приставив половинки друг к другу. Рис. 1. Случай 2).
В итоге, в случае 2) после разгона распиленная линейка 2 тоже окажется укороченной, при этом между распиленными половинками линейки должен появится зазор, которого раньше не было, так как половинки, являясь самостоятельными предметами и укорачиваться должны независимо друг от друга. Если это произойдет, следовательно, мы должны признать, что линейка каким-то образом знает, что она распилена, что врядли возможно, если мы говорим о неодушевленном предмете. Если же укорочение произойдет по типу случая 1), тоесть распиленная линейка 2. укоротится равномерно с обеих сторон, как и раньше, когда она была целой, то возникнет странный вопрос, почему половинки линейки, являясь самостоятельными предметами, укорачиваются только с одной стороны.
Данный мысленный эксперимент показывает, что СТО несет внутри себя некоторое серьезное противоречие, которое рано или поздно всплывет наружу и приведет к пересмотру всей теории или её отдельных постулатов. Этот мысленный эксперимент не единственный, который можно придумать для постановки в тупик адептов СТО. Возьмем, к примеру, задачу с двумя ракетами, рассмотренную Мамаевым А. В. [1]
Условия эксперимента следующие: Две ракеты стартуют с платформы одновременно и летят в противоположных направлениях. Внутри каждой ракеты находится таймер, который отсчитывает промежуток времени Т0 и затем включает передатчик, закрепленный там же на ракете.
Передатчик подает сигнал приемнику, который находится в центре на платформе и на рисунке помечен жирной точкой. Приемник приводит в действие взрыватель, и платформа разлетается вдребезги. Но по условиям эксперимента взрыв платформы произойдет только в том случае, если сигналы от передатчиков ракет придут на приемник платформы одновременно. Конструкция таймеров, закрепленных на ракетах, в этом эксперименте имеет значение, и представлена на рисунке 3. Отсчет времени производится следующим образом. Излучатель 1 посылает импульс света по направлению к зеркалу. Свет достигает зеркала, отражается от него и летит по направлению к фотоприемнику 2. Фотоприемник соединен со счетчиком импульсов, который в свою очередь в нужный момент посылает сигнал передатчику, который излучает сигнал от ракеты по направлению к платформе.
Для простоты принимаем, что потери времени для прохождения сигнала во внешних цепях нет, и отсчет времени осуществляется только за счет времени путешествия светового импульса от излучателя 1 к зеркалу и оттуда к фотоприемнику. Опуская не очень сложные, в принципе, математические выкладки, данные автором в [2], можно отметить следующее.
Очевидно, что в ИСО, связанной с платформой, сигналы от ракет приходят на приемник одновременно и платформа взрывается, так как ракеты стартуют одновременно, одновременно берут курс в противоположных направлениях, летят с одинаковой скоростью и таймеры в них срабатывают одновременно. Если же мы в качестве покоящейся системы отсчета выберем одну из ракет, пусть это будет ракета 1, (мы имеем право так поступить, так как согласно постулатам СТО все ИСО равноправны), то мы обнаружим, что при субсветовой скорости расстояние, пройденное светом в таймере ракеты 2 сокращается, следовательно таймер в движущейся ракете 2 срабатывает раньше и сигнал к платформе также отправляется раньше, чем в ракете 1. И приходит он туда тоже раньше, чем сигнал от ракеты 1. Следовательно, сигналы от ракет не могут достичь платформы одновременно, и взрыва не последует.
Таким образом, получается странная ситуация. В зависимости от выбора системы отсчета платформа или взрывается и перестает существовать, или остается невредимой, что создает противоречие, не решаемое в рамках существующей СТО, так как здравый смысл подсказывает нам, что платформа – это же не квантовый объект, она не может и существовать и не существовать одновременно. Она либо существует, либо не существует и промежуточного «третьего» состояния у неё быть не может.
Подобные мысленные эксперименты, а также экспериментальные данные, допускающие альтернативные СТО варианты трактовок, позволили к. т. н. Мамаеву А. В. разработать и предложить теорию, названную автором «новой теорией относительности» - НТО, согласно которой в природе существуют скорости выше скорости света, и движение со сколь угодно большой скоростью разрешено. Причем большинство эффектов, предсказываемых СТО, имеют место и в НТО, а сама СТО входит в НТО как частный случай за исключением некоторых ошибочных положений. В частности, в НТО принимается, что масса не зависит от скорости, как считал раньше Эйнштейн. В НТО считается, что от скорости зависит заряд частицы, отсюда вытекает следствие, что многие элементарные частицы, например, нейтрино, пи-мезоны и т.д. на самом деле являются ни чем иным как сверхсветовыми электронами.
Например, приведенный выше экспериментальный факт регистрации мюонов у поверхности земли может быть объяснен с точки зрения НТО гораздо более высокой скоростью этих частиц (сверхсветовой), которая позволяет им долетать до земли быстрее, чем принято считать. Что же касается самой скорости, то даже из общефилософских соображений кажется очень странным, что скорость света является верхним пределом скоростей в природе. Такие характеристики как температура, напряженность поля, давление и т.д., верхних границ не имеют, а скорость почему-то должна иметь? Это кажется нелогичным, и, скорее всего, верхнего предела скорости в природе действительно нет. То, что мы пока не обнаружили сверхсветовых скоростей, вовсе не означает, что их не существует в природе. Это говорит лишь о несовершенстве нашей измерительной аппаратуры.
Дело тут вот в чем. Для того чтобы зафиксировать какой - либо быстрый процесс, измерительная аппаратура должна внутри себя иметь переключение со скоростью на порядок более высокой, чем скорость изменения измеряемой величины. Рассмотрим, к примеру, упрощенную блок – схему измерителя скоростей частиц.
Принцип действия заключается в том, что частица, пролетая через два последовательно установленных детектора частиц, вызывает появление импульсов в линиях связи и по этим импульсам «самописец» регистрирует время прохождения частицей первого и второго детектора. Зная расстояние между детекторами, мы можем вычислить скорость частицы. Трудность здесь в том, что сам сигнал в линиях связи не распространяется выше скорости света и получается ситуация, что пока сигнал идет в линии от первого детектора до фиксирующего устройства, сама частица уже может миновать второй детектор. Следовательно, никаких сверхсветовых скоростей мы зафиксировать не сможем. Для фиксации сверхсветовых скоростей необходимо либо разрабатывать сверхскоростные регистрирующие устройства, либо применять специальные методы экспериментов, например, сделать детекторы независимыми друг от друга регистраторами событий пролета частиц, а затем сравнивать полученные графики по времени, либо применять какие-то иные технологические ухищрения. Кроме того, вполне возможно, что на данный момент мы уже фиксируем нашими приборами сверхсветовые скорости, но объясняем это каким-то альтернативным способом, не позволяющим нам понять истинный смысл того, что мы видим на самом деле.
Например, там же у Мамаева приводится пример альтернативного объяснения процессов, происходящих внутри ускорителей элементарных частиц. Речь идет о протонном ускорителе HERA (Hadron Electron Ring Accelerator). Диаметр главного кольца этого ускорителя равен 6336 м, он снабжен сверхпроводящими магнитами и имеет три дополнительных предускорителя - линейный ускоритель протонов LINAC III, синхротрон DESY III и синхротрон PETRA II. При разгоне протонного пучка предускоритель LINAC III ускоряет протоны до энергии 50 МэВ, DESY III ускоряет от 50 МэВ до 7,5 ГэВ, а синхротрон PETRA II ускоряет пучек от 7,5 ГэВ до 40 ГэВ и, наконец, инжекция в главное кольцо ускорителя происходит при энергии пучка около 40 ГэВ, затем уже в главном кольце HERA производится разгон до 920 ГэВ.
Эксперимент, о котором идет речь, заключался в фиксации времени пролета через ускоритель разогнанных протонных пучков. Для этого производилось заполнение ускорителя протонными пучками, по официальной терминологии «банчами». Серия из десяти подряд идущих банчей формировала «вагон», а шесть таких «вагонов» составляли «поезд». Всего в канал коллайдера в данном эксперименте один за другим было выпущено три таких поезда, разделенных временными промежутками.
Согласно точке зрения авторов эксперимента, в итоге детекторами, расположенными в районе мишени был зафиксирован период обращения поезда протонов Т0, равный 21,140 мкс. и скорость V/Co = 0,999725 световых. При этом отдельные пики на графиках зависимости числа попаданий протонов в мишень от времени авторы интерпретировали как отвечающие отдельным банчам. Мамаев предложил интерпретировать эти пики не как отдельные банчи, а как вагоны [3] и, соответственно, группы таких пиков как поезда. В этом случае из графиков видно, что период обращения одного поезда по кольцу коллайдера составляет около 300 нс. Откуда, зная длину кольца, получим отношение скорости движения протонных пучков к скорости света:
То есть, скорость движения протонного поезда в этом эксперименте в 70(!) с лишним раз превысила скорость света! Незаметить такой сенсационный результат опыта можно только в одном случае – если свято верить в незыблемость всех без исключения постулатов СТО и не пытаться рассматривать иные альтернативные интерпретации, которые в принципе вполне могут оказаться близки к истине. Так можно сколько угодно накачивать частицы энергией, гонять их по коллайдеру со скоростями в десятки световых и при этом постоянно жаловаться, что никак не удается преодолеть световой барьер.
Таким образом, хотя сложность экспериментальной аппаратуры, сложность наблюдаемых явлений и возможность нескольких альтернативных объяснений результатов опытов и не дает нам на данном этапе твердо определиться с какой – то однозначной точкой зрения на возможность сверхсветовых скоростей, обращает на себя внимание факт, что для физиков сверхсветовые скорости – это как тот самый Джон из анекдота, который никому не нужен только лишь потому, что его никто специально не ищет. По крайней мере, экспериментов, направленных на преодоление барьера скорости света и целенаправленной регистрации сверхсветовых скоростей, в мире ставится не слишком много.
Но не стоит думать, что СТО не допускает путешествий со сверхсветовыми скоростями. Ещё в 1935 г. Альберт Эйнштейн и Натан Розен издали работу, в которой они обосновали возможность существования так называемых «мостов», которые позволяют сокращать путешествие в нашем трехмерном пространстве.
Значительно позже Стивен Хокинг развивая эту теорию, предложил термин «кротовые норы» или «червоточины». Червоточина представляет собой такое значительное искривление пространства – времени, что часть пространства в области искривления прогибается и образует туннель, через который путешественник может попасть в отдаленную область вселенной, в которую открывается второй конец червоточины. Предполагается, что для создания таких деформаций пространства, чтобы образовалась червоточина, требуются огромные напряженности гравитационного или электромагнитного полей. Поэтому такие объекты могут существовать только в окрестностях черных дыр, а возможно только в самой черной дыре. Согласно некоторым современным концепциям часть черных дыр могут быть связаны через область сингулярности с парными им белыми дырами в других вселенных или такими же черными дырами в других частях нашей вселенной, что позволит в будущем использовать черные дыры для межзвездных перелетов. Более того, Хокинг считает, что путешествия со сверхсветовыми скоростями должны быть неразрывно связаны с путешествиями во времени и что одно невозможно без другого. То есть, например, путешествие со сколь угодно большой скоростью можно рассматривать как путешествие с обычной скоростью, при котором заключительный этап путешествия сопровождается прыжком назад во времени, сокращающем время путешествия практически вплоть до нуля [4].
Между прочим, все эти варианты замечательно обыграны в сериале «Фарскейп». Там представлены даже не одна, а целых три концепции перемещений. Живые корабли левиафаны перемещались в пространстве с помощью «звездных прорывов» или гиперпрыжков, военные корабли скаренов по – видимому перемещались со сверхсветовыми скоростями, и, наконец, главная интрига сериала заключена во всеобщих поисках способов перемещения с помощью черных дыр.
При всей привлекательности идеи преодоления барьера скорости света с помощью червоточин, эта концепция имеет ряд недостатков, осложняющих конструирование на её основе сверхсветовых двигателей. Прежде всего, следует отметить, что до сих пор ни одной червоточины в природе не обнаружено. Ни в окрестностях солнечной системы, ни в дальнем космосе наши телескопы не фиксируют появление из червоточин каких-либо космических тел. Физики – теоретики выходят из положения, объясняя этот факт тем, что якобы, червоточины существуют, но они настолько малы, что заметить их можно только на субатомном уровне.
Второй недостаток заключается в том, что те решения уравнений, которые в рамках СТО допускают существование червоточин макроскопических размеров, пригодных для путешествий со сверхсветовыми скоростями, требуют, чтобы стенки этих червоточин были выстланы экзотической материей с отрицательной плотностью энергии. Причем пока никто толком не знает, что это за материя и как получить хотябы её кусочек.
В данный момент целый ряд физиков, в числе которых наш постсоветский соотечественник из республики Молдова, Лешан К.З., разрабатывают так называемую дырочную теорию телепортации, которая является в какой-то мере альтернативной теории перемещений с помощью червоточин [5]. В своих теоретических построениях Лешан обращает внимание читателей на тот факт, что гравитационные поля, по сути, являются самыми проникающими полями в природе. Гравитационные взаимодействия невозможно экранировать никаким известным человечеству материалом. Это означает, в частности, что при открытии червоточины в неё смогут пройти не только люди или космические корабли, но и гравитационные поля. Сам тоннель с точки зрения стороннего наблюдателя представляет собой просто дыру в пространстве с нулевой глубиной, тоесть тоннель не имеет протяженности. Это означает, что в открытую брешь в пространстве, прежде всего устремятся щупальца гравитации от удаленных космических тел, и благодаря тоннелю эти удаленные объекты начнут напрямую взаимодействовать со всеми объектами по эту сторону тоннеля. Если, скажем, мы попытаемся открыть тоннель между нашей галактикой и какой-либо из удаленных галактик, то наша галактика неожиданно обнаружит, что она находится в столкновении с другой галактикой, и обе галактики теперь начнут вращаться вокруг нового общего центра масс, которым будет являться горловина тоннеля. Соответственно, все звезды и планеты в нашей галактике начнут менять свои орбиты, что вероятнее всего закончится катастрофой вселенского масштаба.
Таким образом, то, что мы не наблюдаем в природе открытых червоточин, может свидетельствовать в пользу того, что существование такого вида объектов запрещено законами физики. Дырочная теория предлагает альтернативный способ перемещений в пространстве, основанный на дырочной структуре вакуума.
С точки зрения современной физики вакуум на квантовом уровне представляет собой как бы кипящую пену из участков нашего трехмерного пространства и участков того, что философы обзывают вместительным словом «ничто». Это не привычная нам пустота, тоесть просто четырехмерное пространство – время, лишенное тел и полей, а именно «ничто» как философская категория, как особое первородное состояние материи. В дырочной теории для простоты рассмотрения участки лишенные нашего четырехмерного пространства – времени называют «дырками». Таким образом, физический вакуум представляет собой кипящий суп из беспорядочно чередующихся квантов пространства и дырок.
Постулаты дырочной теории утверждают, что никакое физическое тело, обладающее трехмерной пространственной геометрией и временными характеристиками в области «ничто» существовать не может. Если же оно там каким-то чудом окажется, то в тот же момент времени оно будет выброшено обратно в наше пространство – время. Отсюда следует эффектный возможный способ перемещений. Для перемещения космического корабля из точки А в точку Б, отстоящую от точки А на большое расстояние, следует разогнать корабль до некоторой скорости, затем окружить его квантовыми дырками таким образом, чтобы дырки образовали вокруг тела сплошную изолированную от внешней среды поверхность. Дырочная теория утверждает, что в этом случае корабль мгновенно окажется вырезан из нашего пространственно – временного континуума и вывалится из нашей вселенной в область «ничто», а так как в области «ничто» никакое трехмерное тело существовать не может, то корабль мгновенно окажется вброшенным обратно в нашу вселенную. При этом, поскольку понятие «расстояние» для области «ничто» не применимо, оно принимается там нулевым, то наш корабль окажется вброшен в наш континуум на сколь угодно близком расстоянии к целевой точке Б по ходу первоначальной траектории движения. В дырочной теории предполагаются даже эффекты левитации, имеющие место в случаях, если, например, дырочную поверхность сделать незамкнутой. Тоесть покрыть корабль дырками только с верхней части корпуса. В этом случае за счет серии как бы микроперемещений в пространстве над верхней части корпуса, появится «подсасывающая» вверх сила, которая скомпенсирует силу гравитации и удержит корабль от падения.
Резюмируя вышеизложенное можно сделать вывод, что современная теоретическая физика уже располагает теориями, которые при должном развитии могут в ближайшем будущем обеспечить человечеству преодоление светового барьера и открыть тем самым дорогу к звездам. Вековой опыт человечества показывает, что никакие физические законы не являются абсолютными запретами.
Сегодня все знают, что куски железа сами по себе тонут в воде и не держатся в воздухе, однако понимание этого факта не остановило человечество в своё время от создания авиации и флота. Как в своё время сказал Альберт Эйнштейн: «господь бог хитроумен, но не коварен».
Литература
1. http://acmephysics.narod.ru - личный сайт к.т.н. Мамаева А.В., с подробным изложением НТО.
2. http://acmephysics.narod.ru/b_r/cgm.htm
3. http://acmephysics.narod.ru/b_r/hera3.htm
4. Кратчайшая история времени / Стивен Хокинг, Леонард Млодинов; [пер. с англ. Б. Оралбекова под ред. А. Г. Сергеева]. — СПб. : Амфора. ТИД Амфора, 2006. - 180 с.
5. К.З. Лешан, Дырочная интерпретация квантовой механики, Квантовая магия, Том 4, вып. 1, 2007.
| Nurpi | 2015-09-19 10:44:39 | |
| C начала работы эту страницу посетило
|
|
(c) Copyright 2004 - 2024 reshebnik.net.ru |
|
