Lassú fény. A neutrínók gyorsabban haladnak, mint a fénysebesség

A sebesség (megtett távolság / megtett idő) meghatározásához távolság- és időszabványt kell választanunk. A különböző szabványok eltérő sebességméréseket adhatnak.

A fénysebesség állandó?

[Valójában a finomszerkezeti állandó az energiaskálától függ, de itt az alacsony energiájú határára gondolunk.]

Speciális relativitáselmélet

Az SI rendszerben a mérő definíciója is azon a feltételezésen alapul, hogy a relativitáselmélet helyes. A fénysebesség a relativitáselmélet alapállása szerint állandó. Ez a posztulátum két gondolatot tartalmaz:

• A fénysebesség nem függ a megfigyelő mozgásától.
• A fénysebesség nem függ az időbeli és térbeli koordinátáktól.

Az az elképzelés, hogy a fénysebesség független a megfigyelő sebességétől, ellentétes az elképzeléssel. Vannak, akik nem is tudnak egyetérteni azzal, hogy ez a gondolat logikus. 1905-ben Einstein kimutatta, hogy ez az elképzelés logikailag helyes, ha feladjuk a tér és az idő abszolút természetének feltételezését.

1879-ben úgy vélték, hogy a fénynek át kell haladnia valamilyen közegen az űrben, ahogy a hangnak a levegőn és más anyagokon keresztül. Michelson és Morley kísérletet végzett az éter kimutatására a fénysebesség változásainak megfigyelésével, amikor a Föld mozgásának iránya a Naphoz képest egész évben változik. Meglepetésükre nem észleltek változást a fénysebességben.

fénysebesség - abszolút érték terjedési sebesség elektromágneses hullámok vákuumban. A fizikában hagyományosan jelölik latin betű"c" (ejtsd: [tse]). A fény sebessége vákuumban alapvető állandó, amely nem függ az inerciális referenciakeret (IFR) megválasztásától. Azokra az alapvető fizikai állandókra vonatkozik, amelyek nemcsak az egyes testeket, hanem a téridő egészét jellemzik. Által modern ötletek, a fény sebessége vákuumban a részecskék mozgásának és a kölcsönhatások terjedésének maximális sebessége. Az is fontos, hogy ez az érték abszolút. Ez az SRT egyik posztulátuma.

Vákuumban (ürességben)

1977-ben sikerült kiszámítani a fény közelítő sebességét, amely 299 792 458 ± 1,2 m/s, az 1960-as szabványmérő alapján számolva. On pillanatnyilagúgy gondolják, hogy a fény sebessége vákuumban alapvető fizikai állandó, definíció szerint pontosan egyenlő 299 792 458 m/s-val, vagyis körülbelül 1 079 252 848,8 km/h-val. Pontos érték amiatt, hogy 1983 óta a fény vákuumban 1/299 792 458 másodpercnek megfelelő időtartam alatt megtett távolságát veszik szabványos mérőnek. A fény sebességét a c betű jelképezi.

Michelson kísérlete, amely az SRT alapvető fontosságú, kimutatta, hogy a fény sebessége vákuumban nem függ sem a fényforrás, sem a megfigyelő sebességétől. A természetben a következők terjednek fénysebességgel:

tényleges látható fény

más típusok elektromágneses sugárzás(rádióhullámok, röntgensugarak stb.)

A speciális relativitáselméletből az következik, hogy a nyugalmi tömegű részecskék fénysebességre való gyorsítása lehetetlen, mivel ez az esemény sértené alapelv kauzalitás. Azaz kizárt, hogy a jel meghaladja a fénysebességet, vagy a tömeg ilyen sebességű mozgását. Az elmélet azonban nem zárja ki a részecskék tér-időbeli mozgását szuperluminális sebesség. Hipotetikus részecskék, szuperluminális sebességgel mozgó tachionoknak nevezzük. Matematikailag a tachionok könnyen illeszkednek a Lorentz-transzformációba - képzeletbeli tömegű részecskék. Minél nagyobb ezeknek a részecskéknek a sebessége, annál kevesebb energiát hordoznak, és fordítva, minél közelebb van a sebességük a fénysebességhez, annál nagyobb az energiájuk – csakúgy, mint a közönséges részecskék energiája, a tachionok energiája a végtelenbe hajlik. megközelítik a fénysebességet. Ez a legnyilvánvalóbb következménye a Lorentz-transzformációnak, amely nem engedi, hogy a részecske felgyorsuljon a fénysebességre - hogy elmondja a részecskét végtelen szám az energia egyszerűen lehetetlen. Meg kell érteni, hogy egyrészt a tachionok a részecskék egy osztálya, és nem csak egyfajta részecskék, másrészt nem fizikai interakció nem haladhat gyorsabban a fénysebességnél. Ebből következik, hogy a tachionok nem sértik az okság elvét - semmilyen módon nem lépnek kölcsönhatásba a közönséges részecskékkel, és nincs különbség a sebességükben sem. egyenlő sebességgel Sveta.

A fénynél lassabban mozgó közönséges részecskéket tardyonoknak nevezzük. A tardionok nem érhetik el a fénysebességet, csak tetszőlegesen közelítik meg, mivel ebben az esetben energiájuk korlátlanul nagy lesz. Minden tardyon nyugalmi tömeggel rendelkezik, ellentétben a tömeg nélküli fotonokkal és gravitonokkal, amelyek mindig fénysebességgel mozognak.

Planck-egységekben a fény sebessége vákuumban 1, vagyis a fény 1 egységnyi Planck-hosszt halad át Planck-időegységenként.

IN átlátható környezet

A fény sebessége átlátszó közegben az a sebesség, amellyel a fény nem vákuumban terjed. A diszperziós közegben fázis- és csoportsebességek különböztethetők meg.

A fázissebesség a közegben lévő monokromatikus fény frekvenciáját és hullámhosszát határozza meg (λ=c/ν). Ez a sebesség általában (de nem feltétlenül) kisebb, mint c. A vákuumban lévő fény fázissebességének és a közegben lévő fénysebességnek az arányát a közeg törésmutatójának nevezzük. A fény csoportsebessége egyensúlyi közegben mindig kisebb, mint c. Nem egyensúlyi közegben azonban meghaladhatja a c-t. Ebben az esetben azonban az impulzus elülső éle még mindig olyan sebességgel mozog, amely nem haladja meg a vákuumban lévő fénysebességet.

Armand Hippolyte Louis Fizeau kísérletileg bebizonyította, hogy a közeg mozgása relatív fénysugár ebben a környezetben is képes befolyásolni a fény terjedési sebességét.

A maximális fénysebességről szóló posztulátum tagadása

IN utóbbi években Gyakran érkeznek hírek arról, hogy az ún kvantum teleportáció kölcsönhatás gyorsabban halad, mint a fénysebesség. Például 2008. augusztus 15 kutatócsoport Dr. Nicolas Gisin, a Genfi Egyetem munkatársa, aki a térben 18 km-re elválasztott kötött fotonállapotokat tanulmányozta, állítólag kimutatta, hogy „a részecskék közötti kölcsönhatás körülbelül százezerszeres fénysebességgel megy végbe”. Korábban szóba került az úgynevezett Hartmann-paradoxon – szuperluminális sebesség az alagúteffektussal – is.

Ezen és hasonló eredmények jelentőségének tudományos elemzése azt mutatja, hogy alapvetően nem használhatók semmilyen jel vagy anyagmozgás szuperluminális továbbítására.

A fénysebesség-mérés története

Az ókori tudósok ritka kivételektől eltekintve végtelennek tartották a fénysebességet. A modern időkben ez a kérdés vita tárgyává vált. Galileo és Hooke elismerte, hogy véges, bár nagyon nagy, míg Kepler, Descartes és Fermat továbbra is védte a fénysebesség végtelenségét.

A fénysebesség első becslését Olaf Roemer (1676) adta meg. Észrevette, hogy amikor a Föld és a Jupiter a különböző oldalak a Naptól a Jupiter Io műholdjának fogyatkozása a számításokhoz képest 22 perccel késik. Ebből a fénysebesség körülbelül 220 000 km/sec értéket kapott - pontatlan, de közel a valódihoz. Fél évszázaddal később az aberráció felfedezése lehetővé tette a fénysebesség végességének megerősítését és értékelésének pontosítását.

Az Európai Szervezet kutatóközpontjában for nukleáris kutatás(CERN) rendkívül fogadott váratlan eredményeket A fizikusok értetlenül állnak: Úgy tűnik, hogy a szubatomi részecskék gyorsabban tudnak haladni, mint a fénysebesség.

A kísérletek eredményei hamarosan felkerülnek az internetre, hogy minden érdeklődő szakember tanulmányozhassa azokat.

Érthető azoknak a tudósoknak az óvatossága, akik nem sietnek új felfedezést bejelenteni - ha az eredmények megerősítést nyernek, akkor egy egész évszázadnyi fejlődés fizikai tudomány kérdéses lesz.

A CERN kutatólaboratóriumának igazgatója "egyszerűen hihetetlennek" nevezte a kísérletek eredményeit.

A modern elképzelések szerint a fénysebesség a határ az Univerzumban. Minden modern fizika– fogalmazott ben magánelmélet Albert Einstein relativitáselmélete azon az elképzelésen alapul, hogy semmi sem lépheti túl ezt az alapvető fizikai állandót.

Több ezer kísérletet végeztek a fénysebesség pontos meghatározására. De egyetlen részecske sem tudta leküzdeni ezt az akadályt.

Antonio Ereditato és munkatársai azonban felfedeztek neutrínókat, vagyis olyan szubatomi részecskéket, amelyeknek úgy tűnik, sikerült meghaladniuk a fénysebességet.

Ennek már három éve nagy csoport több tucat ország fizikusai dolgoznak az OPERA projekten (Oscillation Project with Emulsion-Tracking Apparatus vagy egy kísérlet a neutrínó oszcillációinak tanulmányozására),

A kísérlet célja bizonyos neutrínótípusok (elektron-, müon- és tau-neutrínók) átalakulásának hipotézise bizonyítása.

Dr. Ereditato és munkatársai a CERN-ből egy olaszországi földalatti laboratóriumba csak egyfajta neutrínó-müon sugarát küldik.

Céljuk, hogy kiderítsék, az elküldött részecskék közül mennyi érkezik már tau neutrínó formájában a Gran Sasso laboratóriumba.

A kísérletek során a kutatók észrevették, hogy a részecskék a fénynél valamivel gyorsabban 732 km távolságot tettek meg. Hogy pontosak legyünk, a különbség egy hatvanmilliárd másodperc volt.

A fizikusok körülbelül 15 ezer alkalommal mérték ezt a neutrínó mozgási sebességet. Ezek a statisztikák arra utalnak arról beszélünk tudományos felfedezésről.

Egy ilyen felfedezés lényege azonban annyira hihetetlen, és nem csak a tudományos közösségben, hanem az Univerzum egészének megértésében is akkora felfordulást válthat ki, hogy a kutatók különösen óvatosak.

Úgy döntöttek, hogy kutatásukat nyilvánossá teszik az interneten, hogy alá lehessen vetni gondos elemzés globális léptékben.

Ha a tudósoknak igazuk van, a részecskék utazhatnak az időben

Fizikusok kutatóközpont Az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN) egy kísérlet során megállapította, hogy a szubatomi részecskék a fénysebességet meghaladó sebességgel mozoghatnak.

A CERN-ből az olaszországi Gran Sasso földalatti laboratóriumba 732 km-re küldött neutrínósugár a hírek szerint több milliárd másodperccel korábban érkezett meg a célállomáshoz, mintha fénysebességgel haladt volna.

Ha a kísérleti adatok beigazolódnak, megcáfolják Einstein relativitáselméletét, amely szerint semmi sem mozoghat gyorsabban a fénysebességnél.

A tudósok szerint a neutrínó sugarai 60 nanomásodperccel haladták meg azt, ami ellentmond annak a feltételezésnek, hogy az elemi részecskék nem mozoghatnak gyorsabban a fénysebességnél.

A kísérlet eredményeiről Ruben Sahakyannal, a University College London fizikaprofesszorával beszélgetett a BBC orosz szolgálata.

BBC: Ön a Gran Sasso laboratóriumban dolgozott, és valószínűleg nagyon jól ismeri az Opera-kísérletet.

Ruben Sahakyan: Több mint 10 éve hagytam el a Gran Sasso laboratóriumot, amikor az Opera éppen épült. Az „Opera” egy olyan kísérlet, amely olyan jelenséget keres, mint a neutrínó oszcillációja, vagyis az egyik neutrínótípus átalakulása a másikba.

A neutrínó az alapvető részecskék, az univerzum úgynevezett építőkövei. Van számuk érdekes tulajdonságok, beleértve az egyik típusból a másikba való átalakítást. Az "Opera" ezt a problémát hivatott feltárni.

Ez az eredmény (az adatok, amelyek szerint a neutrínók gyorsabban haladnak, mint a fénysebesség) az általuk végzett kísérlet mellékterméke volt.

BBC: Meggyőzőek a tudósok által bemutatott eredmények?

R.S.: A közzétett eredmények meggyőzőnek tűnnek. IN kísérleti tudomány az eredmény megbízhatóságának numerikus mértéke van, vagyis a mérésének legalább ötszörösére kell haladnia a mérési hibánál. Az övék pedig hatszor magasabb.

Másrészt ez egy összetett mérés, sok eleme van, és minden szakaszban sokféleképpen lehet tévedni. Ezért egészséges szkepticizmussal kell felfognunk. A szerzők becsületére legyen mondva, nem értelmezik az eredményt, hanem egyszerűen közlik a kísérlet során kapott adatokat.

BBC: Hogyan reagált a világ tudományos közössége ezekre az adatokra?

R.S.: A nemzetközi közösség egészséges szkepticizmussal, sőt konzervativizmussal reagált. Hiszen ez egy komoly kísérlet, nem populista kijelentés.

Ha ezek az adatok bebizonyosodnak, a következmények túl komolyak ahhoz, hogy félvállról vegyük.

A világról alkotott alapvető elképzeléseink megváltoznak. Most az emberek a kísérlet szisztematikus hibáinak további publikációira várnak, és ami a legfontosabb, független kísérletekből származó adatokra.

BBC: Melyek például?

R.S.: Van egy amerikai kísérlet "Mínusz", amely megerősítheti ezt a mérést. Nagyon hasonlít az Operára. A gyorsító neutrínósugarat állít elő, majd 730 kilométerre küldi és egy földalatti laboratóriumban megméri. A mérés lényege egyszerű: ismeri a forrás és a detektor közötti időt, méri az érkezési időt, és így határozza meg a sebességet.

Az ördög a részletekben rejlik. „Mínusz” négy éve is végzett hasonló mérést, de akkor az általuk mért érték és a hiba összehasonlítható volt egymással. Az övék kulcsprobléma az volt, hogy nem volt pontos távolságuk.

A forrás és a detektor közötti 730 kilométert nehéz abszolút pontossággal mérni, és az Operának nemrég sikerült geodéziai módszerekkel lemérnie ezt a távolságot 20 centiméterre. "Mínusz" megpróbálja ugyanezt, majd ellenőrizni tudja a kísérlet adatait.

BBC: Ha a kísérlet eredménye megerősítést nyer, hogyan érinti ez a világról alkotott hagyományos elképzeléseket?

R.S.: Ha ez beigazolódik, az eredmény komoly lesz. Ma már két elmélet magyarázza tudományos szempont a minket körülvevő egész világ képe: a mikrovilág kvantumelmélete és Einstein relativitáselmélete.

A kísérlet eredménye (a neutrínók a fénysebességet meghaladó sebességgel mozognak) egyenesen ellentmond Einstein relativitáselméletének, amely szerint a fénysebesség bármely referenciapontban állandó, és semmi sem tudja megelőzni a fénysebességet.

Létezik hatalmas mennyiség szédítő következmények, különösen az időutazás lehetősége (részecskék esetében).

Orvos műszaki tudományok A. GOLUBEV

A hullámterjedési sebesség fogalma csak diszperzió hiányában egyszerű.

Lin Westergaard Heu az installáció közelében, ahol egy egyedülálló kísérletet végeztek.

Tavaly tavasszal szenzációs hírekről számoltak be a tudományos és népszerű tudományos magazinok világszerte. amerikai fizikusok egyedülálló kísérletet végeztek: sikerült 17 méter/másodpercre csökkenteni a fénysebességet.

Mindenki tudja, hogy a fény óriási sebességgel halad - csaknem 300 ezer kilométer per másodperc. Értékének pontos értéke vákuumban = 299792458 m/s - alapvető fizikai állandó. A relativitáselmélet szerint ez a maximum lehetséges sebesség jelátvitel.

Bármilyen átlátszó közegben a fény lassabban terjed. V sebessége az n közeg törésmutatójától függ: v = c/n. A levegő törésmutatója 1,0003, a vízé - 1,33, a különböző típusú üvegeké - 1,5-1,8. Az egyik legtöbb nagy értékek A gyémánt törésmutatója 2,42. Így a fénysebesség az közönséges anyagok legfeljebb 2,5-szeresére csökken.

1999 elején a Rowland Institute fizikusainak egy csoportja tudományos kutatás a Harvard Egyetemen (Massachusetts, USA) és a Stanford Egyetemen (Kalifornia) makroszkopikus vizsgálatokat végeztek. kvantumhatás- az úgynevezett önindukált transzparencia, a lézerimpulzusok átengedése normál körülmények között átlátszatlan közegen. Ez a közeg nátriumatomok voltak egy speciális állapotban, amelyet Bose-Einstein kondenzátumnak neveznek. Lézerimpulzussal besugározva megszerzi optikai tulajdonságok, amelyek 20 milliószorosára csökkentik az impulzus csoportsebességét a vákuum sebességéhez képest. A kísérletezőknek sikerült 17 m/s-ra növelniük a fénysebességet!

Mielőtt ennek az egyedülálló kísérletnek a lényegét ismertetnénk, emlékezzünk meg néhány fizikai fogalom jelentéséről.

Csoportsebesség. Amikor a fény egy közegben terjed, két sebességet különböztetünk meg - fázis és csoport. A v f fázissebesség egy ideális monokromatikus hullám fázisának mozgását jellemzi - szigorúan egy frekvenciájú végtelen szinuszhullám, és meghatározza a fény terjedésének irányát. A fázissebesség a közegben megfelel a fázis törésmutatónak - ugyanannak, amelynek értékeit mérik különféle anyagok. A fázis törésmutatója, így a fázissebesség a hullámhossztól függ. Ezt a függőséget diszperziónak nevezik; különösen bomláshoz vezet fehér fény a prizmán át a spektrumba.

De igazi fényhullám különböző frekvenciájú hullámok halmazából áll, amelyek egy bizonyos spektrális intervallumban vannak csoportosítva. Az ilyen halmazt hullámcsoportnak, hullámcsomagnak vagy fényimpulzusnak nevezzük. Ezek a hullámok a diszperzió miatt különböző fázissebességgel terjednek a közegben. Ebben az esetben az impulzus megnyúlik, és alakja megváltozik. Ezért egy impulzus mozgásának, egy hullámcsoport egészének leírásához bevezetjük a csoportsebesség fogalmát. Ennek csak szűk spektrum esetén és gyenge diszperziójú közegben van értelme, amikor az egyes komponensek fázissebességei között kicsi a különbség. A helyzet jobb megértése érdekében egyértelmű analógiát adhatunk.

Képzeljük el, hogy hét sportoló áll fel a rajtvonalon, különböző színű mezbe öltözve a spektrum színei szerint: piros, narancs, sárga stb. A rajtpisztoly jelére egyszerre futni kezd, de a „ piros” atléta gyorsabban fut, mint a „narancs”, a „narancs” gyorsabb, mint a „sárga” stb., így láncba nyúlnak, amelynek hossza folyamatosan növekszik. Most képzeljük el, hogy olyan magasságból nézzük őket felülről, hogy nem tudjuk megkülönböztetni az egyes futókat, csak egy tarka foltot látunk. Lehet-e beszélni ennek a foltnak a mozgási sebességéről egészében? Lehetséges, de csak akkor, ha nem nagyon homályos, amikor a különböző színű futók sebessége között kicsi a különbség. IN egyébként a folt az útvonal teljes hosszán átnyúlhat, és a sebesség kérdése értelmét veszti. Ez erős diszperziónak – a sebességek nagy elterjedésének – felel meg. Ha a futók majdnem azonos színű, csak árnyalatokban (mondjuk a sötétvöröstől a világospirosig) eltérő mezbe öltöznek, ez összhangban van a szűk spektrum esetével. Ekkor a futók sebessége nem sokban tér el egymástól a csoport mozgás közben meglehetősen kompakt marad és egy nagyon határozott sebességértékkel jellemezhető, amit csoportsebességnek nevezünk.

Bose-Einstein statisztika. Ez az úgynevezett kvantumstatisztika egyik fajtája – ez az elmélet olyan rendszerek állapotát írja le, amelyek nagyon sok részecskét tartalmaznak, amelyek engedelmeskednek a kvantummechanika törvényeinek.

Minden részecskét - mind az atomban lévőket, mind a szabadokat - két osztályra osztják. Egyikükre érvényes a Pauli-kizárási elv, miszerint minden energiaszinten nem lehet több részecske. Az ebbe az osztályba tartozó részecskéket fermionoknak nevezzük (ezek elektronok, protonok és neutronok; ugyanebbe az osztályba tartoznak a páratlan számú fermionból álló részecskék), eloszlásuk törvényét pedig Fermi-Dirac statisztikának nevezik. Egy másik osztály részecskéit bozonoknak nevezzük, és nem engedelmeskednek a Pauli-elvnek: egy energiaszinten korlátlan számú bozon halmozódhat fel. Ebben az esetben Bose-Einstein statisztikáról beszélünk. A bozonok közé tartoznak a fotonok, néhány rövid életű elemi részecskék (például pi-mezonok), valamint páros számú fermionból álló atomok. Nagyon alacsony hőmérsékletek a bozonok a legalacsonyabb - alapvető - energiaszinten gyűlnek össze; akkor azt mondják, hogy Bose-Einstein kondenzáció lép fel. A kondenzátum atomjai elvesztik egyéni tulajdonságok, és több millióan kezdenek egy egészként viselkedni, az övék hullámfüggvényekösszeolvad, és a viselkedést egyetlen egyenlet írja le. Ez azt jelenti, hogy a kondenzátum atomjai koherenssé váltak, mint a fotonok a lézersugárzásban. Kutatók az amerikaiakból Nemzeti Intézet szabványok és technológiák a Bose-Einstein kondenzátum ezen tulajdonságát használták fel egy „atomi lézer” létrehozására (lásd: „Tudomány és Élet”, 1997. 10. szám).

Önmaguk által előidézett átláthatóság. Ez a nemlineáris optika – az erős fényterek optikájának – egyik hatása. Abból áll, hogy egy nagyon rövid és erős fényimpulzus csillapítás nélkül halad át a folyamatos sugárzást vagy hosszú impulzusokat elnyelő közegen: egy átlátszatlan közeg átlátszóvá válik számára. Az önindukált átlátszóság ritka gázoknál figyelhető meg, amelyek impulzusideje 10 -7 - 10 -8 s, kondenzált közegben pedig kevesebb, mint 10 -11 s. Ebben az esetben az impulzus késése következik be - csoportsebessége nagymértékben csökken. Ezt a hatást először McCall és Khan mutatta be 1967-ben rubinon 4 K hőmérsékleten. 1970-ben a vákuumban lévő fénysebességnél három nagyságrenddel (1000-szer) kisebb impulzussebességnek megfelelő késleltetést kaptak rubídiumban. gőz.

Térjünk most rá az 1999-es egyedülálló kísérletre. Len Westergaard Howe, Zachary Dutton, Cyrus Berusi (Rowland Institute) és Steve Harris (Stanford Egyetem) végezte. Sűrű nátriumatomfelhőt hűtöttek le, amelyet mágneses mező tartott, amíg át nem tértek az alapállapotba - a legalacsonyabb energiájú szintre. Ebben az esetben csak azokat az atomokat izoláltuk, amelyek mágnesesek dipólusmomentum az iránnyal ellentétes irányba volt irányítva mágneses mező. A kutatók ezután lehűtötték a felhőt 435 nK alá (nanokelvin vagy 0,000000435 K, majdnem abszolút nulla).

Ezt követően a kondenzátumot a gyenge gerjesztési energiájának megfelelő frekvenciájú lineárisan polarizált lézerfény „csatolósugárral” világították meg. Az atomok magasabbra költöztek energiaszintés abbahagyta a fény elnyelését. Ennek eredményeként a kondenzátum átlátszóvá vált a következő személyek számára. lézersugárzás. És itt nagyon furcsa és szokatlan hatások jelentek meg. A mérések azt mutatták, hogy mikor bizonyos feltételeket A Bose-Einstein kondenzátumon áthaladó impulzus több mint hét nagyságrenddel – ez 20 milliós tényező – a fény lassulásának megfelelő késést tapasztal. A fényimpulzus sebessége 17 m/s-ra, hossza pedig többszörösére csökkent - 43 mikrométerre.

A kutatók úgy vélik, hogy a kondenzátum lézeres felmelegedésének elkerülésével még tovább lassíthatják a fényt – talán akár több centiméter/másodperc sebességre is.

Egy ilyen szokatlan jellemzőkkel rendelkező rendszer lehetővé teszi az anyag kvantumoptikai tulajdonságainak tanulmányozását, valamint különféle eszközök létrehozását a jövő kvantumszámítógépei számára, például egyfotonos kapcsolókat.

A neutrínó sebességének közvetlen mérésére szolgál. Az eredmények szenzációsan hangzanak: a neutrínó sebessége kissé – de statisztikailag szignifikáns – volt! - nagyobb sebesség Sveta. Az együttműködési cikk különféle hiba- és bizonytalansági források elemzését tartalmazza, de a fizikusok túlnyomó többségének reakciója továbbra is nagyon szkeptikus, elsősorban azért, mert ez az eredmény nincs összhangban a neutrínók tulajdonságaira vonatkozó egyéb kísérleti adatokkal.

A kísérlet részletei

A kísérlet ötlete (lásd OPERA kísérlet) nagyon egyszerű. A CERN-ben megszületik egy neutrínósugár, amely átrepül a Földön az olasz Gran Sasso laboratóriumba, és ott halad át egy speciális OPERA neutrínódetektoron. A neutrínók nagyon gyengén lépnek kölcsönhatásba az anyaggal, de mivel a CERN-ből származó fluxusuk olyan nagy, néhány neutrínó még mindig ütközik a detektor belsejében lévő atomokkal. Ott töltött részecskék kaszkádját generálják, és ezáltal a jelüket a detektorban hagyják. A CERN-ben a neutrínók nem folyamatosan, hanem „kitörésekben” születnek, és ha ismerjük a neutrínók születésének és a detektorban való elnyelődésének pillanatát, valamint a két laboratórium közötti távolságot, akkor kiszámíthatjuk a neutrínók születési sebességét. neutrino.

A forrás és az érzékelő közötti távolság egyenes vonalban körülbelül 730 km, és 20 cm-es pontossággal mérik (a pontos távolság referenciapontok 730 534,61 ± 0,20 méter). Igaz, a neutrínók születéséhez vezető folyamatot nem lokalizálják ilyen pontossággal. A CERN-ben nagyenergiájú protonnyalábot bocsátanak ki az SPS-gyorsítóból, egy grafitcélpontra ejtik, és másodlagos részecskéket, köztük mezonokat generálnak. Még mindig közel fénysebességgel repülnek előre, és müonokká bomlanak le, miközben neutrínókat bocsátanak ki. A müonok is bomlanak, és további neutrínókat termelnek. Ekkor a neutrínók kivételével minden részecske felszívódik az anyag vastagságában, és szabadon eléri az észlelési helyet. Általános séma A kísérlet ezen része az ábrán látható. 1.

A neutrínó nyaláb megjelenéséhez vezető teljes kaszkád több száz méterig nyúlhat. Mivel azonban Minden ebben a kötegben a részecskék közel fénysebességgel repülnek előre, az észlelési idő alatt gyakorlatilag nincs különbség, hogy a neutrínó azonnal vagy egy kilométeres utazás után született (azonban megvan; nagy érték, amikor pontosan az eredeti proton, amely ennek a neutrínónak a megszületéséhez vezetett, kirepült a gyorsítóból). Ennek eredményeként a keletkezett neutrínók általában egyszerűen megismétlik az eredeti protonsugár profilját. Ezért itt a kulcsparaméter pontosan a gyorsítóból kibocsátott protonnyaláb időprofilja, különös tekintettel az elülső és a hátsó élek pontos helyzetére, és ezt a profilt kellő időben mérik. s m felbontású (lásd 2. ábra).

Minden egyes protonnyalábot célpontra ejtő munkamenet (angolul az ilyen munkamenetet hívják bukás, „burst”) körülbelül 10 mikromásodpercig tart, és hatalmas számú neutrínó születéséhez vezet. Azonban szinte mindegyik kölcsönhatás nélkül repül át a Földön (és a detektoron). Ugyanabban ritka esetekben Amikor a detektor neutrínót észlel, lehetetlen megmondani, hogy a 10 mikroszekundumos intervallum mely pontján bocsátott ki. Az elemzést csak statisztikailag lehet elvégezni, azaz felhalmozni sok neutrínó-detektálási esetet, és megszerkeszteni azok időbeli eloszlását az egyes szekciók kiindulási pontjához képest. A detektorban kiindulópontnak azt a pillanatot tekintjük, amikor a hagyományos, fénysebességgel mozgó és pontosan a protonnyaláb elülső élének pillanatában kibocsátott jel eléri a detektort. Pontos mérés Ezt a pillanatot a két laboratórium óráinak néhány nanoszekundumos pontossággal történő szinkronizálása tette lehetővé.

ábrán. A 3. ábra egy ilyen eloszlásra mutat példát. A fekete pontok valódi neutrínó adatok, amelyeket a detektor rögzített és összegzett nagy számbanüléseken. A piros görbe egy hagyományos "referencia" jelet mutat, amely fénysebességgel haladna. Látható, hogy az adatok körülbelül 1048,5 ns-nál kezdődnek korábban referenciajel. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a neutrínók valójában egy mikroszekundummal megelőzik a fényt, hanem csak arra ad okot, hogy gondosan megmérjük az összes kábelhosszt, a berendezés reakciósebességét, az elektronikus késleltetési időket stb. Ezt az újraellenőrzést elvégezték, és kiderült, hogy 988 ns-al ellensúlyozza a „referencia” nyomatékot. Így kiderül, hogy a neutrínó jel valóban megelőzi a referenciajelet, de csak körülbelül 60 nanomásodperccel. A neutrínó sebességét tekintve ez a fénysebesség körülbelül 0,0025%-os túllépésének felel meg.

Ennek a mérésnek a hibáját az elemzés készítői 10 nanoszekundumra becsülték, amely statisztikai és szisztematikus hibákat is tartalmaz. Így a szerzők azt állítják, hogy „látják” a szuperluminális neutrínó mozgását hat statisztikai megbízhatósági szinten. szórások.

Az eredmények és a várakozások közötti különbség hat szórással már elég nagy, és ezt a fizikában nevezik elemi részecskék nagy szó "nyitás". Ezt a számot azonban helyesen kell érteni: ez csak azt jelenti, hogy a valószínűség statisztikai Az adatok ingadozása nagyon kicsi, de nem jelzi, mennyire megbízható az adatfeldolgozási technika, és mennyire vették figyelembe a fizikusok az összes műszeres hibát. Végtére is, a részecskefizikában sok példa van arra, hogy szokatlan jelek kivételesen nagyok statisztikai megbízhatóság más kísérletek nem erősítették meg.

Minek mondanak ellent a szuperluminális neutrínók?

A közhiedelemmel ellentétben, speciális elmélet A relativitáselmélet önmagában nem tiltja a szuperluminális sebességgel mozgó részecskék létezését. Az ilyen részecskék (általában „tachionoknak” nevezik) számára azonban a fénysebesség is korlát, de csak alulról - ennél lassabban nem mozoghatnak. Ebben az esetben a részecskék energiájának sebességtől való függése fordított: minél nagyobb az energia, annál közelebb van a tachionok sebessége a fénysebességhez.

Sokkal több komoly problémákat kezdődik a kvantumtérelméletben. Ez az elmélet helyettesíti kvantummechanika ha arról van szó kvantum részecskék nagy energiákkal. Ebben az elméletben a részecskék nem pontok, hanem viszonylagosan egy anyagi mező rögök, és nem tekinthetők külön a mezőnek. Kiderült, hogy a tachionok csökkentik a mező energiáját, ami azt jelenti, hogy instabillá teszik a vákuumot. Ilyenkor előnyösebb, ha az űr spontán nagyszámú részecskévé bomlik fel, és ezért egyszerűen értelmetlen egy tachion mozgását a közönséges üres térben figyelembe venni. Azt mondhatjuk, hogy a tachion nem részecske, hanem a vákuum instabilitása.

A tachion-fermionok esetében valamivel bonyolultabb a helyzet, de ott is felmerülnek hasonló nehézségek, amelyek megakadályozzák egy önkonzisztens tachion-kvantumtérelmélet megalkotását, beleértve a közönséges relativitáselméletet is.

Ez azonban szintén nem utolsó szó elméletben. Ahogyan a kísérletezők mindent mérnek, ami mérhető, a teoretikusok is minden lehetséges hipotetikus modellt tesztelnek, amelyek nem mondanak ellent a rendelkezésre álló adatoknak. Különösen vannak olyan elméletek, amelyekben a relativitáselmélet posztulátumaitól kismértékű, még észre sem vett eltérés megengedett - például maga a fénysebesség is változó érték lehet. Az ilyen elméleteknek még nincs közvetlen kísérleti alátámasztása, de még nem zártak le.

E rövid vázlat alatt elméleti lehetőségeketÖsszegezhetjük: annak ellenére, hogy egyes elméleti modellekben szuperluminális sebességű mozgás is lehetséges, ezek kizárólag hipotetikus konstrukciók maradnak. Minden ma elérhető kísérleti adatot szabványos elméletek írnak le szuperluminális mozgás nélkül. Ezért, ha legalább néhány részecske esetében megbízhatóan igazolható lenne, kvantumelmélet a mezőket gyökeresen át kellene alakítani.

Ebben az értelemben az OPERA eredményét kell az „első jelnek” tekinteni? Még nem. A szkepticizmus talán legfontosabb oka továbbra is az a tény, hogy az OPERA eredménye nem egyezik más, a neutrínókra vonatkozó kísérleti adatokkal.

Először is, a híres SN1987A szupernóva-robbanás során neutrínókat is rögzítettek, amelyek több órával a fényimpulzus előtt érkeztek. Ez nem azt jelenti, hogy neutrínók jöttek gyorsabb a fénynél, de csak azt a tényt tükrözi, hogy a neutrínók többet bocsátanak ki korai szakaszban mag összeomlása szupernóva-robbanás során, mint a fény. Mivel azonban a neutrínók és a fény 170 ezer éves utazás után nem tértek el néhány óránál többel, ez azt jelenti, hogy sebességük nagyon közel van, és legfeljebb milliárdoddal tér el egymástól. Az OPERA kísérlet ezerszer nagyobb eltérést mutat.

Itt persze elmondhatjuk, hogy a szupernóva-robbanások során keletkező neutrínók és a CERN-ből származó neutrínók energiája nagymértékben különbözik (a szupernóvákban több tíz MeV, a leírt kísérletben pedig 10-40 GeV), a neutrínók sebessége pedig az energia függvényében változik. . De ez egy változás ebben az esetben„rossz” irányban működik: elvégre minél nagyobb a tachionok energiája, annál közelebb kell lennie a sebességükhöz a fénysebességhez. Természetesen itt is előrukkolhatunk a tachion-elmélet valamilyen olyan módosításával, amelyben ez a függőség teljesen más lenne, de ebben az esetben a „kettős hipotetikus” modellről kell beszélnünk.

Továbbá az elmúlt években a neutrínó rezgésekre vonatkozó rengeteg kísérleti adatból az következik, hogy az összes neutrínó tömege csak az elektronvolt töredékében tér el egymástól. Ha az OPERA eredményét a neutrínók szuperluminális mozgásának megnyilvánulásaként érzékeljük, akkor legalább egy neutrínó tömegének négyzetes értéke –(100 MeV) 2 nagyságrendű lesz (a negatív négyzetes tömeg a neutrínók matematikai megnyilvánulása). az a tény, hogy a részecskét tachionnak tekintik). Akkor ezt el kell ismernünk Minden A neutrínótípusok tachionok és megközelítőleg azonos tömegűek. A másik oldalon közvetlen mérés A trícium atommagok béta-bomlásában a neutrínó tömege azt mutatja, hogy a neutrínó tömege (abszolút értékben) nem haladhatja meg a 2 elektronvoltot. Más szóval, ezeket az adatokat nem lehet majd összeegyeztetni egymással.

Ebből a következő következtetés vonható le: az OPERA együttműködés deklarált eredménye nehezen illeszthető bele bármilyen, még a legegzotikusabb elméleti modellbe is.

mi lesz ezután?

Minden nagy részecskefizikai együttműködésben szokásos gyakorlat, hogy minden egyes elemzést a résztvevők egy kis csoportja végez el, és csak azután mutatják be az eredményeket általános vitára. Jelen esetben a jelek szerint ez a szakasz túl rövid volt, aminek következtében az együttműködésben nem minden résztvevő vállalta a cikk aláírását (a teljes listán 216 kísérleti résztvevő szerepel, de az előnyomatnak csak 174 szerzője van). Ezért a közeljövőben a jelek szerint számos további ellenőrzésre kerül sor az együttműködésen belül, és csak ezután kerül a cikk nyomtatásra.

Természetesen most elméleti dolgozatok folyamára számíthatunk különféle egzotikus magyarázatokkal erre az eredményre. Amíg azonban a közölt eredményt megbízhatóan nem ellenőrizték, addig nem tekinthető teljes értékű felfedezésnek.