Скорость света в вакууме, c = 299 792 458 метров в секунду, -- наиболее фундаментальный предел скорости в физике. Специальная теория относительности Эйнштейна установила, что ни один объект с массой не может быть ускорен до скорости света. Но теория относительности утверждает нечто более тонкое, чем полагает большинство: она категорически не запрещает частицы, которые всегда были сверхсветовыми. Поиск таких частиц продолжается уже более века.
1. Скорость света как барьер, а не стена
Специальная теория относительности разделяет вселенную на три кинематических сектора. Обычная материя (брадионы) всегда движется ниже c. Безмассовые частицы, такие как фотоны (люксоны), всегда движутся ровно со скоростью c. Третий сектор, занимаемый гипотетическими сверхсветовыми частицами (тахионами), описывает объекты, которые всегда движутся выше c.
Ключевой вывод состоит в том, что скорость света функционирует как барьер, а не стена. Брадионы не могут быть протолкнуты через c снизу, а тахионы не могут быть замедлены через c сверху. Каждый класс навсегда заключён на своей стороне разделительной черты. Математика специальной теории относительности полностью непротиворечива в каждом секторе. Ничто в уравнениях преобразования Лоренца не даёт логического противоречия при применении к v > c, при условии что частица никогда не находилась на уровне c или ниже.
2. Исторические предложения о сверхсветовых частицах
Идея о том, что частицы могут превышать скорость света, предшествует Эйнштейну. В 1904 году немецкий физик Арнольд Зоммерфельд проанализировал картину электромагнитного излучения заряженной частицы, движущейся быстрее света, обнаружив, что она будет создавать конус излучения, аналогичный ударной волне сверхзвукового самолёта. Это «черенковоподобное» излучение для сверхсветовых зарядов было чисто теоретическим упражнением в то время.
Современная теоретическая основа была заложена в 1962 году Олексой-Мироном Билануком, В.К. Дешпанде и Э.К. Джорджем Сударшаном в Сиракузском университете. Их статья «Мета-относительность» продемонстрировала, что сверхсветовые частицы полностью совместимы с постулатами специальной теории относительности. Они показали, что такие частицы имели бы мнимую массу покоя, действительные энергию и импульс, а также контринтуитивное свойство ускоряться при потере энергии.
В 1967 году Джеральд Фейнберг из Колумбийского университета опубликовал работу «Возможность существования сверхсветовых частиц» в Physical Review, введя термин тахион. Фейнберг пошёл дальше своих предшественников, попытавшись построить квантовую теорию поля тахионов, проанализировав их свойства испускания и поглощения, и предложив экспериментальные сигнатуры, которые можно было бы искать. Его статья остаётся основополагающим источником в этой области. Для полного рассмотрения физики тахионов смотрите наше полное руководство.
3. Тахионы: основной кандидат на роль сверхсветовой частицы
Тахионы остаются единственным теоретически хорошо определённым кандидатом на роль фундаментальной сверхсветовой частицы. Их свойства полностью определяются специальной теорией относительности и предположением о мнимой массе (m² < 0):
- Диапазон скоростей: От чуть выше c (при высокой энергии) до бесконечной скорости (при нулевой энергии). Тахион никогда не может замедлиться до c или ниже.
- Инверсия энергии-скорости: В отличие от обычных частиц, тахионы ускоряются при излучении энергии. Состояние с наименьшей энергией соответствует бесконечной скорости.
- Действительные наблюдаемые: Несмотря на мнимую массу, энергия, импульс и скорость тахиона являются действительными измеримыми величинами.
- Черенковское излучение: Заряженный тахион, движущийся в вакууме, испускал бы электромагнитное черенковское излучение, аналогичное голубому свечению частиц, превышающих скорость света в среде типа воды.
Экспериментальные поиски тахионов сосредоточены на обнаружении этого вакуумного черенковского излучения и аномалий в кинематике распадов частиц. Положительных результатов обнаружено не было. Подробнее об экспериментальных усилиях см. нашу страницу о методах обнаружения тахионов.
4. Кажущиеся сверхсветовые явления, которые не являются сверхсветовыми
Несколько известных физических явлений, по-видимому, включают сверхсветовое распространение, но при тщательном анализе не передают информацию со сверхсветовой скоростью. Понимание этих случаев необходимо для различения подлинных сверхсветовых явлений от иллюзии.
Фазовая скорость и групповая скорость
Фазовая скорость монохроматической волны (скорость движения гребня) может превышать c во многих средах. При распространении рентгеновских лучей через стекло фазовая скорость является сверхсветовой. Аналогично, групповая скорость волнового пакета может превышать c в областях аномальной дисперсии, как продемонстрировал Лицзюнь Ван в Принстоне в 2000 году, отправив световой импульс через газ цезия с групповой скоростью -c/310 (то есть пик выходил раньше, чем входил). Ни фазовая, ни групповая скорость не переносят информацию. Скорость сигнала, определяемая фронтом волны, остаётся на уровне c или ниже.
Квантовое туннелирование
Когда частица туннелирует через потенциальный барьер, время прохождения может быть чрезвычайно малым, что приводит к кажущейся сверхсветовой скорости пересечения. Гюнтер Нимц из Кёльнского университета утверждал в 1990-х годах, что передал 40-ю симфонию Моцарта со скоростью 4,7c через микроволновый волновод ниже порога отсечки. Однако общепринятое мнение состоит в том, что туннелирование включает перестройку волнового пакета, а не подлинное сверхсветовое распространение сигнала. Передний фронт волнового пакета, который несёт информацию, никогда не является сверхсветовым.
Расширяющаяся Вселенная
Далёкие галактики удаляются от нас со скоростями, превышающими c, из-за расширения самого пространства. Галактики за пределами сферы Хаббла имеют скорости рецессии больше c, и мы можем наблюдать некоторые из них, поскольку их свет был испущен, когда они были ближе. Это не является нарушением специальной теории относительности, поскольку предел скорости применяется к объектам, движущимся сквозь пространство, а не к расширению самой пространственной метрики. Никакая информация не передаётся быстрее света.
Квантовая запутанность
Измерение одной запутанной частицы мгновенно определяет состояние её партнёра, независимо от расстояния. Эйнштейн назвал это «жутким действием на расстоянии». Однако теорема о невозможности коммуникации строго доказывает, что запутанность не может использоваться для передачи информации. Результаты измерений выглядят случайными для каждого наблюдателя по отдельности; корреляции проявляются только при сравнении заметок через классический (досветовой) канал.
5. Эффект Шарнхорста
Одно из наиболее интригующих теоретических предсказаний подлинного сверхсветового распространения исходит от Клауса Шарнхорста и Габриэля Бартона. В 1990 году они рассчитали, что фотоны, проходящие между двумя пластинами Казимира (близко расположенными проводящими поверхностями, подавляющими квантовые флуктуации вакуума), должны двигаться немного быстрее c. Подавленный вакуум уменьшает эффективное «сопротивление» виртуальных электрон-позитронных пар, кратковременно появляющихся при распространении фотона.
Предсказанное увеличение скорости чрезвычайно мало: примерно одна часть на 10³⁶ для пластин, разделённых одним микрометром. Это далеко за пределами современных возможностей измерения. Тем не менее, это случай, когда стандартная квантовая электродинамика сама предсказывает v > c для фотонов в модифицированном вакууме. Подробное рассмотрение см. на нашей странице об эффекте Казимира и тахионной физике.
6. Инцидент OPERA
В сентябре 2011 года эксперимент OPERA в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии сообщил, что мюонные нейтрино, отправленные из ЦЕРН (730 км), прибыли на 60,7 наносекунды раньше, чем ожидалось для путешествия со скоростью света. Если бы это было верно, это стало бы первым прямым наблюдением сверхсветовых частиц.
Объявление вызвало огромное научное и медийное внимание. Тысячи теоретических статей пытались объяснить или вместить этот результат. Однако коллаборация OPERA выявила две проблемы с оборудованием в феврале 2012 года: неисправное оптоволоконное соединение в системе синхронизации GPS (из-за чего нейтрино казались прибывшими раньше) и тактовый генератор, работавший слишком быстро. После исправления время пролёта нейтрино оказалось совместимо со скоростью света.
Уроки OPERA
Эпизод с OPERA продемонстрировал как строгость, так и самокорректирующую природу физики. Коллаборация была прозрачна в отношении своего аномального результата, пригласила к проверке и в конечном итоге выявила систематическую ошибку. Четыре независимых эксперимента (ICARUS, LVD, Borexino и сама OPERA после ремонта) впоследствии подтвердили, что нейтрино движутся со скоростью, совместимой с c в пределах экспериментальной точности.
7. Почему сверхсветовые частицы нарушили бы причинность
Глубочайшее возражение против сверхсветовых частиц -- не энергия и не импульс, а причинность. В специальной теории относительности, если сигнал может передаваться быстрее света в одной системе отсчёта, существуют другие системы отсчёта (связанные стандартным бустом Лоренца), в которых этот сигнал движется назад во времени. Если два таких сигнала могут быть обменены между двумя наблюдателями в относительном движении, создаётся замкнутая причинная петля: сообщение может быть отправлено в собственное прошлое отправителя.
Эта конструкция, впервые описанная Альбертом Эйнштейном и позже формализованная как тахионный антителефон, допускала бы подлинные парадоксы путешествий во времени. В принципе, можно было бы отправить сообщение самому себе до того, как вы решили его отправить, создавая логическое противоречие.
Предложенные решения включают принцип переинтерпретации (первоначально Билануком, Сударшаном и Фейнбергом), который переинтерпретирует тахион с отрицательной энергией, движущийся назад во времени, как тахион с положительной энергией, движущийся вперёд во времени в противоположном направлении. Полностью ли это разрешает парадокс -- остаётся предметом дискуссий. Некоторые физики утверждают, что непротиворечивая квантовая теория поля тахионов потребовала бы отказа от принципа лоренц-инвариантной причинности.
8. Текущее состояние поисков
По состоянию на середину 2020-х годов ни одна сверхсветовая частица не была обнаружена экспериментально. Ограничения являются строгими:
- Измерения скорости нейтрино: Эксперименты после OPERA подтвердили, что нейтрино движутся со скоростью c с точностью до нескольких частей на миллиард. Мультимессенджерное наблюдение слияния нейтронных звёзд GW170817 в 2017 году ограничило скорость гравитационных волн относительно света с точностью до одной части на 10¹⁵.
- Поиски вакуумного черенковского излучения: Наблюдения космических лучей высоких энергий устанавливают строгие ограничения на существование заряженных тахионов. Если бы они существовали с заметной связью с электромагнитным полем, их черенковское излучение было бы обнаружено.
- Эксперименты на коллайдерах: Никаких аномальных сигнатур недостающей энергии, совместимых с рождением тахионов, не наблюдалось на БАК или предыдущих коллайдерах.
- Тахионные поля в теории: Хотя тахионные поля (m² < 0) необходимы в Стандартной модели (поле Хиггса до нарушения симметрии) и теории струн (тахионы открытых струн на нестабильных бранах), они описывают нестабильности вакуума, а не обнаруживаемые сверхсветовые частицы.
Теоретический ландшафт изменился. Большинство физиков сейчас рассматривают тахионные поля не как источники буквальных сверхсветовых частиц, а как сигналы нестабильности вакуума, разрешающейся через конденсацию. Тем не менее вопрос о том, реализован ли физически третий кинематический сектор специальной теории относительности, остаётся открытым. Сверхсветовые частицы логически не запрещены, и отсутствие доказательств не является доказательством отсутствия. Поиск продолжается через прецизионные нейтринные эксперименты, обсерватории космических лучей и теоретическую работу по нарушению лоренц-инвариантности.