Что двигается со скоростью света. Давайте разберемся: почему ничто не может быть быстрее света? Простые примеры сверхсветового перемещения

Группа ученых из эксперимента OPERA в сотрудничестве с Европейской организацией ядерных исследований (CERN) опубликовала сенсационные результаты эксперимента по преодолению скорости света. Результаты опыта опровергают специальную теорию относительности Альберта Эйнштейна, на которой базируется вся современная физика. Теория гласит, что скорость света составляет 299 792 458 м/с, а элементарные частицы не могут двигаться быстрее скорости света.

Тем не менее ученые зафиксировали ее превышение пучком нейтрино на 60 наносекунд при преодолении 732 км. Произошло это 22 сентября в ходе эксперимента, который проводила международная группа физиков-ядерщиков из Италии, Франции, России, Кореи, Японии и других стран.

Эксперимент проходил следующим образом: протонный пучок разгоняли в специальном ускорителе и били им в центр специальной мишени. Так рождались мезоны - частицы, состоящие из кварков.

При распаде мезонов рождаются нейтрино, - разъяснил «Известиям» академик РАН Валерий Рубаков, главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН. - Пучок расположен так, чтобы нейтрино пролетало 732 км и попадало в итальянскую подземную лабораторию в Гран-Сассо. В ней стоит специальный детектор, который фиксирует скорость пучка нейтрино.

Результаты исследования раскололи научный мир. Некоторые учены отказываются поверить результатам.

То, что сделали в CERN, с современных позиций физики невозможно, - заявил «Известиям» академик РАН Спартак Беляев, научный руководитель Института общей и ядерной физики. - Необходимо проверить этот эксперимент и его результаты - возможно, они просто ошиблись. Все проводимые до этого эксперименты укладывались в существующую теорию, а из-за одного единожды проведенного эксперимента поднимать панику не стоит.

Академик Беляев в то же время признает: если удастся доказать, что нейтрино может двигаться быстрее скорости света, это будет переворот.

Нам тогда придется ломать всю физику, - сказал он.

Если результаты подтвердятся, это революция, - согласен академик Рубаков. - Сложно сказать, чем это обернется для обывателей. Вообще, специальную теорию относительности менять, конечно, можно, но сделать это крайне сложно и какая в результате выкристаллизуется теория, не совсем понятно.

Рубаков обратил внимание, что в отчете говорится, что за три года эксперимента зафиксировано и измерено 15 тыс. событий.

Статистика очень хорошая, а в эксперименте участвовала международная группа авторитетных ученых, - резюмирует Рубаков.

Академики подчеркнули, что мире регулярно предпринимаются попытки экспериментально опровергнуть специальную теорию относительности. Однако положительных результатов ни одна из них до сих пор не давала.

Скорость света — одна из универсальных физических констант, она не зависит от выбора инерциальной системы отсчета и описывает свойства пространства-времени в целом. Скорость света в вакууме равна 299 792 458 метров в секунду, и это предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий. Так учат нас школьные книги по физике. Еще можно вспомнить о том, что масса тела как раз не является постоянной и при приближении скорости к скорости света стремится к бесконечности. Именно поэтому со скоростью света движутся фотоны — частицы без массы, а частицам с массой это значительно труднее.

Однако международный коллектив ученых масштабного эксперимента OPERA, расположенного недалеко от Рима, готов поспорить с азбучной истиной.

Ему удалось обнаружить нейтрино, которые, как показали эксперименты, движутся со скоростью больше скорости света,

сообщает пресс-служба Европейской организации ядерных исследований (CERN).

Эксперимент OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) изучает самые инертные частицы Вселенной — нейтрино. Они настолько инертны, что могут пролететь насквозь через весь Земной шар, звезды и планеты, а для того, чтобы они ударились в преграду из железа, размер этой преграды должен быть от Солнца до Юпитера. Каждую секунду через тело каждого человека на Земле проходит порядка 10 14 нейтрино, испущенных Солнцем. Вероятность того, что хотя бы одно из них ударится в ткани человека на протяжении всей его жизни, стремится к нулю. По этим причинам регистрировать и изучать нейтрино чрезвычайно трудно. Лаборатории, которые этим занимаются, находятся глубоко под горами и даже подо льдами Антарктиды.

OPERA получает пучок нейтрино из CERN, где находится Большой адронный коллайдер. Его «младший брат» — суперпротонный синхротрон (SPS) — направляет пучок прямо под землей в сторону Рима. Получаемый пучок нейтрино проходит сквозь толщу земной коры, тем самым очищаясь от других частиц, которые вещество коры задерживает, и попадает прямиком в лабораторию в Гран-Сассо, укрытую под 1200 м скалы.

Подземный путь в 732 км нейтрино преодолевают за 2,5 миллисекунды.

Детектор проекта OPERA, состоящий из примерно 150 тысяч элементов и весящий 1300 т, «ловит» нейтрино и изучает их. В частности, основной целью является изучение так называемых нейтринных осцилляций — переходов из одного типа нейтрино в другой.

Ошеломляющие результаты о превышении скорости света подкреплены серьезной статистикой: лаборатория в Гран-Сассо наблюдала около 15 тыс. нейтрино. Ученые выяснили, что

нейтрино движутся со скоростью, на 20 миллионных долей превышающей скорость света — «непогрешимый» предел скорости.

Этот результат стал для них неожиданностью, его объяснения пока не предложено. Естественно, для его опровержения или подтверждения требуются независимые эксперименты, проведенные другими группами на другом оборудовании, — этот принцип «двойного слепого контроля» реализован и на Большом адронном коллайдере CERN. Коллаборация OPERA незамедлительно опубликовала свои результаты, чтобы дать возможность коллегам по всему миру проверить их. Детальное описание работ доступно на сайте препринтов Arxiv.Org .

Официальное представление результатов состоится сегодня на семинаре в CERN в 18.00 по Москве, будет вестись онлайн-трансляция .

«Эти данные стали полной неожиданностью. После месяцев сбора, анализа и очистки данных, а также перекрестных проверок мы не нашли ни в алгоритме обработке данных, ни в детекторе возможного источника системной ошибки. Поэтому мы публикуем наши результаты, продолжаем работу, а также надеемся, что независимые измерения других групп помогут понять природу этого наблюдения», — заявил руководитель эксперимента OPERA Антонио Эредитато из Университета Берна, слова которого приводит пресс-служба CERN.

«Когда ученые-экспериментаторы обнаруживают некий неправдоподобный результат и не могут найти артефакта, который бы его объяснял, они обращаются к своим коллегам из других групп, чтобы началось более широкое исследование вопроса. Это хорошая научная традиция, и коллаборация OPERA сейчас следует ей.

Если наблюдения превышения скорости света подтвердятся, это может изменить наше понимание физики, но мы должны удостовериться в том, что они не имеют другого, более банального объяснения.

Для этого и нужны независимые эксперименты», — заявил научный директор CERN Серджо Бертолуччи.

Проводимые в OPERA измерения чрезвычайно точны. Так, расстояние от точки пуска нейтрино до точки их регистрации (более 730 км) известно с точностью до 20 см, а время пролета измеряется с точностью до 10 наносекунд.

Эксперимент OPERA работает с 2006 года. В нем принимают участие примерно 200 физиков из 36 институтов и 13 стран, в том числе и из России.

Посвященная прямому измерению скорости движения нейтрино. Результаты звучат сенсационно: скорость нейтрино оказалась слегка - но статистически достоверно! - больше скорости света. Статья коллаборации содержит анализ разнообразных источников погрешностей и неопределенностей, однако реакция подавляющего большинства физиков остается очень скептической, прежде всего потому, что такой результат не согласуется с другими экспериментальными данными по свойствам нейтрино.

Подробности эксперимента

Идея эксперимента (см. OPERA experiment) очень проста. Нейтринный пучок рождается в ЦЕРНе, летит сквозь Землю в итальянскую лабораторию Гран-Сассо и проходит там сквозь специальный нейтринный детектор OPERA. Нейтрино очень слабо взаимодействуют с веществом, но из-за того, что их поток из ЦЕРНа очень велик, некоторые нейтрино всё же сталкиваются с атомами внутри детектора. Там они порождают каскад заряженных частиц и тем самым оставляют в детекторе свой сигнал. Нейтрино в ЦЕРНе рождаются не непрерывно, а «всплесками», и если мы знаем момент рождения нейтрино и момент его поглощения в детекторе, а также расстояние между двумя лабораториями, мы можем вычислить скорость движения нейтрино.

Расстояние между источником и детектором по прямой составляет примерно 730 км и измерено оно с точностью 20 см (точное расстояние между реперными точками составляет 730 534,61 ± 0,20 метров). Правда, процесс, приводящий к рождению нейтрино, вовсе не локализован с такой точностью. В ЦЕРНе пучок протонов высокой энергии вылетает из ускорителя SPS, сбрасывается на графитовую мишень и порождает в ней вторичные частицы, в том числе мезоны. Они по-прежнему летят вперед с околосветовой скоростью и на лету распадаются на мюоны с испусканием нейтрино. Мюоны тоже распадаются и порождают дополнительные нейтрино. Затем все частицы, кроме нейтрино, поглощаются в толще вещества, а те беспрепятственно долетают до места детектирования. Общая схема этой части эксперимента приведена на рис. 1.

Весь каскад, приводящий к появлению нейтринного пучка, может растянуться на сотни метров. Однако поскольку все частицы в этом сгустке летят вперед с околосветовой скоростью, для времени детектирования нет практически никакой разницы, родилось нейтрино сразу или через километр пути (однако имеет большое значение, когда именно тот исходный протон, который привел к рождению данного нейтрино, вылетел из ускорителя). В результате рожденные нейтрино по большому счету просто повторяют профиль исходного протонного пучка. Поэтому ключевым параметром здесь является именно временной профиль пучка протонов, вылетающих из ускорителя, в особенности - точное положение его переднего и заднего фронтов, а этот профиль измеряется с хорошим временны м разрешением (см. рис. 2).

Каждый сеанс сброса протонного пучка на мишень (по-английски такой сеанс называется spill , «выплеск») длится примерно 10 микросекунд и приводит к рождению огромного числа нейтрино. Однако практически все они пролетают Землю (и детектор) насквозь без взаимодействия. В тех же редких случаях, когда детектор всё-таки регистрирует нейтрино, невозможно сказать, в какой именно момент в течение 10-микросекундного интервала оно было испущено. Анализ можно провести лишь статистически, то есть накопить много случаев детектирования нейтрино и построить их распределение по временам относительно момента начала отсчета для каждого сеанса. В детекторе за начало отсчета принимается тот момент времени, когда условный сигнал, движущийся со скоростью света и излученный ровно в момент переднего фронта протонного пучка, достигает детектора. Точное измерение этого момента стало возможно благодаря синхронизации часов в двух лабораториях с точностью в несколько наносекунд.

На рис. 3 показан пример такого распределения. Черные точки - это реальные нейтринные данные, зарегистрированные детектором и просуммированные по большому числу сеансов. Красная кривая показывает условный «опорный» сигнал, который двигался бы со скоростью света. Видно, что данные начинаются примерно на 1048,5 нс раньше опорного сигнала. Это, впрочем, еще не означает, что нейтрино действительно на микросекунду опережает свет, а является лишь поводом для того, чтобы тщательно перемерить все длины кабелей, скорости срабатывания аппаратуры, времена задержки электроники и так далее. Эта перепроверка была выполнена, и оказалось, что она смещает «опорный» момент на 988 нс. Таким образом, получается, что нейтринный сигнал действительно обгоняет опорный, но лишь примерно на 60 наносекунд. В пересчете на скорость нейтрино это отвечает превышению скорости света примерно на 0,0025%.

Погрешность этого измерения была оценена авторами анализа в 10 наносекунд, что включает в себя и статистическую, и систематическую погрешности. Таким образом, авторы утверждают, что они «видят» сверхсветовое движение нейтрино на уровне статистической достоверности в шесть стандартных отклонений.

Отличие результатов от ожиданий на шесть стандартных отклонений уже достаточно велико и называется в физике элементарных частиц громким словом «открытие». Однако надо правильно понимать это число: оно лишь означает, что вероятность статистической флуктуации в данных очень мала, но не говорит о том, насколько надежна методика обработки данных и насколько хорошо физики учли все инструментальные погрешности. В конце концов, в физике элементарных частиц имеется немало примеров, когда необычные сигналы с исключительно большой статистической достоверностью не подтверждались другими экспериментами.

Чему противоречат сверхсветовые нейтрино?

Вопреки широко распространенному мнению, специальная теория относительности не запрещает само по себе существование частиц, движущихся со сверхсветовой скоростью. Однако для таких частиц (их обобщенно называют «тахионы») скорость света тоже является пределом, но только снизу - они не могут двигаться медленнее нее. При этом зависимость энергии частиц от скорости получается обратной: чем больше энергия, тем ближе скорость тахионов к скорости света.

Гораздо более серьезные проблемы начинаются в квантовой теории поля. Эта теория приходит на смену квантовой механике, когда речь идет про квантовые частицы с большими энергиями. В этой теории частицы - это не точки, а, условно говоря, сгустки материального поля, и рассматривать их отдельно от поля нельзя. Оказывается, что тахионы понижают энергию поля, а значит, делают вакуум нестабильным. Пустоте тогда выгоднее спонтанно рассыпаться на огромное число этих частиц, и потому рассматривать движение одного тахиона в обычном пустом пространстве просто бессмысленно. Можно сказать, что тахион - это не частица, а нестабильность вакуума.

В случае тахионов-фермионов ситуация несколько сложнее, но и там тоже возникают сравнимые трудности, мешающие созданию самосогласованной тахионной квантовой теории поля, включающей обычную теорию относительности.

Впрочем, это тоже не последнее слово в теории. Так же, как экспериментаторы измеряют всё, что поддается измерению, теоретики тоже проверяют все возможные гипотетические модели, которые не противоречат имеющимся данным. В частности, существуют теории, в которых допускается небольшое, не замеченное пока отклонение от постулатов теории относительности - например, скорость света сама по себе может быть переменной величиной. Прямой экспериментальной поддержки у таких теорий пока нет, но они пока и не закрыты.

Под этой краткой зарисовкой теоретических возможностей можно подвести такой итог: несмотря на то что в некоторых теоретических моделях движение со сверхсветовой скоростью возможно, они остаются исключительно гипотетическими конструкциями. Все имеющиеся на сегодня экспериментальные данные описываются стандартными теориями без сверхсветового движения. Поэтому если бы оно достоверно подтвердилось хоть для каких-нибудь частиц, квантовую теорию поля пришлось бы кардинально переделывать.

Стоит ли считать результат OPERA в этом смысле «первой ласточкой»? Пока нет. Пожалуй, самым главным поводом для скепсиса остается тот факт, что результат OPERA не согласуется с другими экспериментальными данными по нейтрино.

Во-первых, во время знаменитой вспышки сверхновой SN1987A были зарегистрированы и нейтрино, которые пришли за несколько часов до светового импульса. Это не означает, что нейтрино шли быстрее света, а лишь отражает тот факт, что нейтрино излучаются на более раннем этапе коллапса ядра при вспышке сверхновой, чем свет. Однако раз нейтрино и свет, проведя в пути 170 тысяч лет, не разошлись более, чем на несколько часов, значит, скорости у них очень близки и различаются не более чем на миллиардные доли. Эксперимент же OPERA показывает в тысячи раз более сильное расхождение.

Тут, конечно, можно сказать, что нейтрино, рождающиеся при вспышках сверхновых, и нейтрино из ЦЕРНа сильно различаются по энергии (несколько десятков МэВ в сверхновых и 10–40 ГэВ в описываемом эксперименте), а скорость нейтрино меняется в зависимости от энергии. Но это изменение в данном случае работает в «неправильную» сторону: ведь чем выше энергия тахионов, тем ближе их скорость должна быть к скорости света. Конечно, и тут можно придумать какую-то модификацию тахионной теории, в которой эта зависимость была бы совсем другой, но в таком случае придется уже обсуждать «дважды-гипотетическую» модель.

Далее, из множества экспериментальных данных по нейтринным осцилляциям, полученным за последние годы, следует, что массы всех нейтрино отличаются друг от друга лишь на доли электронвольта. Если результат OPERA воспринимать как проявление сверхсветового движения нейтрино, то тогда величина квадрата массы хотя бы одного нейтрино будет порядка –(100 МэВ) 2 (отрицательный квадрат массы - это и есть математическое проявление того, что частица считается тахионом). Тогда придется признать, что все сорта нейтрино - тахионы и обладают примерно такой массой. С другой стороны, прямое измерение массы нейтрино в бета-распаде ядер трития показывает, что масса нейтрино (по модулю) не должна превышать 2 электронвольта. Иными словами, все эти данные согласовать друг с другом не удастся.

Вывод отсюда можно сделать такой: заявленный результат коллаборации OPERA трудно вместить в какие-либо, даже в самые экзотические теоретические модели.

Что дальше?

Во всех больших коллаборациях в физике элементарных частиц нормальной практикой является ситуация, когда каждый конкретный анализ выполняется небольшой группой участников, и лишь затем результаты выносятся на общее обсуждение. В данном случае, по-видимому, этот этап был слишком кратким, в результате чего далеко не все участники коллаборации согласились подставить свою подпись под статьей (полный список насчитывает 216 участников эксперимента, а у препринта имеется лишь 174 автора). Поэтому в ближайшее время, по всей видимости, внутри коллаборации будет проведено множество дополнительных проверок, и только после этого статья будет послана в печать.

Конечно, сейчас можно ожидать и поток теоретических статей с разнообразными экзотическими объяснениями этого результата. Однако пока заявленный результат не будет надежно перепроверен, считать его полноправным открытием нельзя.

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.