Недавно китайским физикам удалось экспериментально доказать постулат Специальной теории относительности, который гласит о том, что ничто в нашей Вселенной не может двигаться быстрее скорости света. Это произошло больше чем через сто лет после его опубликования. Однако их открытие показывает, что путешествия во времени невозможны в принципе.
Начнем издалека — еще в 1632 году известный итальянский ученый Галилео Галилей в книге "Диалоги о двух главнейших системах мира — птоломеевой и коперниковой" сформулировал так называемый принцип относительности, который гласил, что все системы пребывают в постоянном движении относительно друг друга. Этот принцип опровергал куда более древнее утверждение Аристотеля о том, что естественным для любой системы является именно состояние покоя, а движется она лишь под воздействием внешних факторов. Галилей же впервые в истории науки предположил, что естественным состоянием, наоборот, является движение. Позже, через несколько веков, из этого принципа выросла целая теория, которую сейчас называют Специальной теорией относительности (СТО).
Многие неспециалисты до сих пор убеждены, что автором этой теории является Альберт Эйнштейн. На самом деле, это не так — СТО разрабатывалась на протяжении нескольких лет разными учеными, среди которых были и Хендрик Лоренц, и Анри Пуанкаре, и Макс Планк, и Герман Минковский. Альберт Эйнштейн же обогатил данную теорию в 1904 году двумя важными постулатами, один из которых говорил о том, что "каждый луч света движется в покоящейся системе координат с определенной скоростью V независимо от того, испускается ли этот луч света покоящимся или движущимся телом" (хотя и эта идея, строго говоря, принадлежала не ему, впервые это предположил Пуанкаре в 1898 году).
Однако после вклада Эйнштейна СТО приняла свой законченный вид, так что, возможно, именно поэтому многие считают создателем данной теории именно его (а, возможно, еще и из-за того, что позже Эйнштейн создал Общую теорию относительности (ОТО), которую часто путают со Специальной). Однако, тем не менее, можно смело утверждать, что постулат о постоянстве и независимости скорости света стал краеугольным камнем СТО, из которой потом выросла практически вся современная физика.
Несколько позже, во время работы над ОТО, Эйнштейн, взяв за основу постулат о скорости света, предположил, что ничто во Вселенной не может двигаться быстрее света, проходящего сквозь вакуум. Потом данное утверждение вошло во все учебники и многие поколения студентов и школьников заучивали это правило наизусть, в большинстве случаев и не подозревая, что имеют дело не с доказанным постулатом, а… с гипотезой.
Дело в том, что это положение долгое время не имело никаких экспериментальных доказательств, а опиралось лишь на расчеты великого физика (хотя сам Эйнштейн, собственно говоря, и не собирался его доказывать экспериментально, поскольку он, как мы помним, был физиком-теоретиком). И если впоследствии все другие положения как СТО, так и ОТО получили экспериментальные доказательства, то данное утверждение так и осталось гипотезой. Спору нет, попытки перевести его в разряд "доказанных теорем" предпринимались неоднократно, однако попытки физиков так и не увенчались успехом. Причина тому — большая техническая сложность, возникающая при постановке эксперимента.
Кроме того, на протяжении всего ХХ века поступали данные о том, что отдельные носители электромагнитных колебаний, называемых световыми волнами, или, как их еще называют, фотоны, могут превышать скорость света в вакууме, которая, как мы помним, равна 300 тысячам километров в секунду. Правда, это также были не столько экспериментальные данные, сколько теоретические выкладки — те, кто их высказывали, опирались на давно известный факт, говорящий о том, что свет распространяется с различной скоростью в разных физических средах. Эксперименты же показывали, что в некоторых средах (например, в кристаллах), скорость отдельных фотонов может превышать общую скорость светового пучка.
Итак, с постулатом о постоянстве и независимости скорости света сложилась весьма курьезная ситуация — его невозможно было ни доказать (экспериментально), ни опровергнуть. Для науки подобное недопустимо — как мы знаем, этот раздел человеческого знания, в отличие, например, от религиозного мировоззрения, не имеет дела с утверждениями, которые принципиально неопровержимы (и недоказуемы). Однако, поскольку никто не мог предложить ничего лучшего, то более ста лет с этим положением дел приходилось мириться.
И вот недавно, наконец-то, постулат о постоянстве и независимости скорости света удалось экспериментально доказать. Сделала это группа физиков под руководством профессора Ду Шэн Вана из Гонконгского университета науки и технологий. Ученые поставили эксперимент, в котором они пропускали отдельные фотоны через пары из атомов с температурой, близкой к абсолютному нулю.
Согласно результатам, скорость прохождения фотонов через эту среду, весьма близкую к модельному вакууму, была значительно меньше тех самых 300 тысяч километров в секунду. Кроме того, исследователи измерили скорость не только самих фотонов, но и так называемых оптических предшественников. Напомню, что таковыми считаются волны, которые создают перед собой фотоны при движении в данной среде. До сих пор скорость их распространения еще никому не удавалось измерить. Однако физики из Гонконга впервые справились с этой весьма нелегкой задачей.
Выяснилось, что даже скорость распространения тех самых оптических предшественников значительно ниже скорости света в вакууме. Это говорит о том, что действительно превысить скорость света в вакууме не одно из веществ и волн нашей Вселенной не в состоянии. Таким образом, основной постулат СТО получил весомые экспериментальные доказательства.
Однако из этой работы следует еще один интересный вывод — информация, соответственно, тоже не может распространяться быстрее скорости света (поскольку ее носители не могут этого делать). Следовательно, никакая машина времени, которая, по идее, должна работать, используя данный принцип, невозможна. Доктор Ду Шэн Ван заявил, что их открытие окончательно похоронило надежды людей на возможность межвременных путешествий.
Однако не стоит огорчаться — данный эксперимент дал и немало положительных результатов. В частности, впервые было доказано, что отдельные фотоны могут иметь оптических предшественников. Ученым также удалось изучить закономерности, харакиттеризующие их распределение в среде, близкой к вакууму. "Наши выводы позволят ученым представить более детальную картину передачи квантовой информации", — отметил Ду Шэн Ван. То есть не исключено, что результаты данного эксперимента помогут тем, кто занимается созданием квантовых компьютеров, в роли носителей информации в которых будут выступать именно фотоны.
Антон Евсеев
