Возможна ли «сверхсветовая» скорость?

В конце ХХ столетия была выполнена серия так называемых «сверхсветовых» опытов, одним из которых является опыт Л. Вонга, описанный в [1]. Суть этого опыта заключается в следующем. Световой импульс длительностью 3 мкс входил в ячейку с парами цезия, длиной 6 см, покрытой парафином с целью поддержания основного состояния поляризации (рис. 1).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки.

Два оптических луча накачки D₁ и D₂, настроенные на атомы цезия (Cs), подготавливают перевод атомов на основной подуровень. Два лазерных луча накачки и исследуемый лазерный луч, полученный из обычного широкополосного диодного лазера, движутся через камеру параллельно маленькому магнитному полю B . Две λ / 4 платы (QMP1&2) используются, чтобы перевести три луча света в соответствующие состояния с круговой поляризацией и затем отделить их при анализе.

Стеклянная ячейка длиной 6 см заполнена парами цезия. Ячейка покрыта парафином с целью поддержания основного состояния поляризации. Атомная ячейка помещена в небольшое (1.0 G) однородное магнитное поле, параллельное направлению распространения света.

На входе в камеру и на выходе из нее установлены фотоприемники, подключенные к осциллографу, на экране которого можно наблюдать моменты прохождения импульса света через камеру. Длина цезиевой камеры составляла 6 сантиметров. В вакууме свет проходит 6 сантиметров за 0,2 нс. Через камеру же с цезием, как показали выполненные измерения, световой импульс проходил за время, на 62 нс меньшее, чем в вакууме, вследствие чего выходящий из камеры импульс успел удалиться от нее на 19 метров, прежде чем приходящий импульс достиг ближней стенки камеры. Таким образом, если экспериментальные данные верны, скорость света в ячейке больше скорости света в вакууме в 330 (!) раз.

Полученный результат сами экспериментаторы интерпретируют следующим образом.

«Специальная теория относительности Эйнштейна и принцип причинной связи подразумевает, что скорость перемещения любого объекта не может превышать скорости света в вакууме (c). Тем не менее, существуют различные предложения для наблюдения скорости, большей скорости c распространения импульсов света в вакууме: использование аномальной дисперсии около поглотительной линии, нелинейных и линейных способов увеличения или туннельных барьеров. Однако во всех предыдущих экспериментальных демонстрациях импульсы света испытывают или очень большое поглощение, или серьезное изменение формы, заканчивающиеся спорами или различными интерпретациями. Здесь мы используем приобретенную вспомогательную линейную аномальную дисперсию, чтобы продемонстрировать сверхсветовое распространение света в атомном цезиевом газе. Скорость группы лазерного импульса в этой области превышает c и может даже стать отрицательной, в то время как форма импульса сохранена. Мы измерили индекс групповой скорости ng = (310 ± 5); практически, это означает, что импульс света, движущейся через атомную ячейку паров цезия, появляется на выходе намного ранее, чем если бы импульс проходил то же самое расстояние в вакууме, что пик импульса, кажется, оставляет ячейку раньше, чем входит в нее (подчеркнуто мной - В.П,). Наблюдаемое сверхскоростное распространение импульса света не имеет разногласия с причинной связью, являющейся прямым следствием классического вмешательства между различными компонентами частоты в аномальной области дисперсии».

Как отмечается в [2], «Судя по развернувшейся дискуссии, точное объяснение еще не найдено, но несомненно, что здесь играют роль необычные дисперсионные свойства среды…». Теперь посмотрим, что в этом опыте является безусловными фактами, а что – их произвольной интерпретацией. Известно, что скорость распространения электромагнитных полей в вакууме определяется простым соотношением:

с = (1 / №^)1/2

где µ0 – магнитная и ε0 – электрическая постоянные.

Как известно, электрическая постоянная ε₀ определяется из электростатических измерений, результаты которых зависят от значения, приписываемого магнитной постоянной µ₀. Мы не можем произвольно выбрать другие значения для ε₀ и µ₀. С учетом этого требования существует только одно значение скорости распространения электромагнитных полей в вакууме, которое определяется электрическими и магнитными свойствами вакуума. Подставляя числовые значения электрической и магнитной постоянных, получим числовое значение этой уникальной скорости:

с = (1 / 4п • 10 -7 • 8,85 • 10^-12)¹ / ² = 3,0 • 10 8 м/с.

Так как эта скорость определяется исключительно физическими свойствами вакуума, значение скорости распространения в вакууме электромагнитных полей, равное 3,0 · 108 м/с, никакого отношения к теории относительности не имеет, тем более, что в этой теории утверждается всего лишь независимость скорости распространения света в вакууме от состояния движения источника света. И только!

Известно, что скорость света в любой среде – твердых телах, жидкостях и газах – определяется соотношением:

С = с / n, где n — коэффициент преломления для данной среды.Очевидно, что если каким-либо образом удастся уменьшить коэффициент преломления какой-либо среды до величины, меньшей 1, то скорость света в этой среде может быть больше скорости света в вакууме. Предположим, что свет в цезиевой ячейке действительно движется со скоростью, в 330 раз большей скорости света. В этом случае расстояние 6 см внутри ячейки свет пройдет за время в 330 раз меньшее, чем в вакууме. Только и всего! Однако и в этом случае, прежде чем выйти из камеры, свет должен сначала войти в нее. Как объясняет лауреат Нобелевской премии Р. Фейнман в [3]:

" Наблюдателю кажется, что свет или любая другая электрическая волна распространяется сквозь вещество... Но на самом деле поле создается движением... зарядов... Известно, что любой предмет состоит из атомов, содержащих электроны... поле внешнего источника действует на эти атомы и раскачивает электроны... Электроны, в свою очередь создают поле; их можно рассматривать как новые излучатели".

Таким образом, необычным в этом опыте является не столько движение света со «сверхсветовой» скоростью, сколько то, что кажется, будто пик импульса оставляет ячейку раньше, чем входит в нее , чего не может быть, иначе может показаться, что пик импульса входит в ячейку прежде, чем излучается лазером; даже прежде, чем вообще вся установка оказывается включенной. Так что же происходит в данном опыте в действительности?

Как указано в [1], лазер, излучающий пробный импульс, может работать либо в постоянном, либо в импульсном режиме. При работе в импульсном режиме продолжительность излучения равна 3 мкс. Тогда длина импульса будет равна

L и = с t и = 3 • 10 8 м / с • 3 • 10^-6 с = 9 • 10² м

Так как длина импульса в данном эксперименте больше расстояния между фотоприемниками, то при движении входного импульса рано или поздно импульс одновременно будет находиться в двух фотоприемниках. Когда передний фронт очередного импульса достигает первого фотоприемника, потенциал электрода осциллографа, подключенного к данному фотоприемнику, повышается, тогда как потенциал электрода, подключенного ко второму (выходному) фотоприемнику оказывается равным нулю, поскольку передний фронт того же импульса еще не достиг второго фотоприемника. За время, равное 0,2 нс, в течение которого передний фронт импульса движется ко второму фотоприемнику, на экране осциллографа существует всплеск только от одного фотоприемника, форма которого (но не длительность!) повторяет форму входного импульса, что и наблюдается в действительности.

Когда передний фронт импульса достигает второго фотоприемника, потенциал электрода осциллографа, подключенного ко второму фотоприемнику, повышается и становится равным потенциалу электрода, подключенного к первому фотоприемнику. Так как теперь потенциалы обоих электродов осциллографа равны, изображение сигнала, связанного с первым фотоприемником, на экране осциллографа исчезает.

Исчезновение сигнала на экране осциллографа может быть интерпретировано как полное прохождение импульса через первый фотоприемник, тогда как в действительности исчезновение сигнала означает, что входной импульс одновременно находится и в первом, и во втором фотоприемниках.

Когда задний фронт входного импульса уходит из первого фотоприемника, потенциал этого фотоприемника становится равным нулю. Так как импульс еще не ушел из второго фотоприемника, потенциал этого фотоприемника не равен нулю, поэтому на экране осциллографа возникает изображение импульса, связанное со вторым фотоприемником. Появление этого изображения может быть интерпретировано как выход импульса из камеры, тогда как в действительности его появление означает, что задний фронт импульса ушел из первого фотоприемника.

Время, в течение которого импульс от первого фотоприемника существует на экране осциллографа, равно времени, в течение которого передний фронт этого же импульса достигнет второго фотоприемника. Так как расстояние между фотоприемниками равно 6 см, то время существования импульса от первого фотоприемника оказывается равным 0,2 нс, что и наблюдается в действительности. Точно так же время, в течение которого импульс от второго фотоприемника существует на экране осциллографа, будет равно времени, в течение которого задний фронт импульса пройдет расстояние 6 см, т.е. 0,2 нс, что и наблюдается в действительности. Таким образом, путь 6 см внутри камеры импульс света проходит со скоростью 3,0 · 10⁸ м/с.

Итак, в какой-то момент времени задний фронт импульса проходит второй фотоприемник, и только через 62 нс после этого появляется передний фронт следующего импульса в первом фотоприемнике. Этот установленный наблюдениями экспериментальный факт интерпретируется так, как будто «Приходящий импульс еще не успел подойти к ближней стенке камеры (т.е. еще не появился в первом фотоприемнике – В.П.), как прошедший сквозь нее (т.е. появившийся во втором фотодетекторе – В.П.) удалился на 19 м» [1].

В действительности, появление всплеска во втором фотоприемнике связано с задним фронтом предыдущего импульса, тогда как появление через 62 нс всплеска в первом фотоприемнике связано с передним фронтом следующего импульса. Тот факт, что следующий импульс появляется в первом фотоприемнике через 62 нс после предыдущего означает всего лишь, что интервал между двумя последовательными излучениями лазером световых импульсов равен 62 нс. В этом можно было убедиться, попеременно отключая один из фотоприемников. При отключенном втором фотоприемнике на экране осциллографа получилась бы полная картина прохождения входных импульсов через первый фотоприемник в виде последовательности импульсов длительностью 3 мкс с интервалом 62 нс между ними. При отключенном первом фотоприемнике на экране осциллографа получилась бы полная картина прохождения выходных импульсов через второй фотоприемник в виде последовательности импульсов длительностью 3 мкс с интервалом 62 нс между ними.

Таким образом, ничего необычного, требующего для своего объяснения применения теории относительности, в этом опыте не наблюдается. Как заметил Эдгар По, «В глубокомыслии легко перемудрить. Истина не всегда обитает на дне колодца. В насущных вопросах она..., скорее, лежит на поверхности. Мы ищем ее на дне ущелий, а она поджидает нас на горных вершинах... Чрезмерная глубина лишь путает и затемняет мысль». Что и произошло в данном случае.