Знание-сила, 2003 №11 (917)
Шрифт:
Физика вокруг нас
После обсуждения на заседании жюри принято следующее решение.
1. Третье место в конкурсе российских сайтов «Популярно о науке», почетный диплом и премию в размере восьми тысяч рублей присудить сайту «Астрономия Дениса Денисенко», автор Денис Владимирович Денисенко, ИКИ РАН, Москва
2. Второе место, почетный диплом и премию в размере двенадцати тысяч рублей присудить сайту «Галерея старого радио», автор Виталий Валерьевич Брусникин, ОАО «Сев-Зап Телеком», Карелия
3. Первое место, почетный диплом и премию в размере двадцати тысяч рублей присудить сайту «Физика вокруг нас», авторы Алевтина Николаевна Пешнина, Наталья Юрьевна Сечная, г. Юбилейный Моек. обл.
4. Специальный почетный диплом за высокопрофессиональное исполнение
Проведенный конкурс является первым шагом в работе по созданию масштабного конкурсного проекта. Свою заинтересованность в участии в этой коллективной работе проявили Британский совет, журнал «Химия и жизнь» и агентство «Информ Наука», компания «Гарант-Интернет», журналы «Знание — Сила», «Что нового в науке и технике» и проект «Наука и инновации».
Рафаил Нудельман
Скорость света: исчерпаны ли парадоксы?
Не успела в восьмом номере журнала появиться подборка сюжетов об экспериментах со скоростью светаг а в десятом — статья о новой космологической карте, как в редакцию поступил материал, объединивший эти темы. Сомнения в постоянстве скорости света, с чем пытаются разобраться в опытах земных, неожиданно пересеклись с теоретическим поиском в епархии космологов.
Новые дискуссии лишний раз подтвердили высказанный в публикации о карте Уилкинсона тезис о том, что космологам еще рано бросать работу.
Центральное положение теории относительности Эйнштейна (на которой покоится все здание современной физики и космологии) состоит в том, что скорость света в вакууме является предельной скоростью в нашем физическом мире, в нашей Вселенной. И вот эксперименты, как будто бы опровергающие эти утверждения. Где тут зарыта собака?
Каковы же эти эксперименты? Световой луч падает на зеркало, которое расщепляет его на два пучка. Они идут по параллельным путям, собираются на экране и взаимодействуют, так что на экране возникает система темных и светлых колец. Затем в одно «плечо» прибора (на одном из параллельных путей) ставится непрозрачный барьер, допускающий, однако, частичное проникновение света сквозь себя. Это явление называется «туннелированием», или «туннельным эффектом» — световая частица словно бы проходит сквозь барьер по невидимому туннелю.
И что же оказывается? При введении в одно плечо прибора такого барьера прежняя картина на экране нарушается. Она становится такой, как будто луч, идущий сквозь барьер, движется быстрее, чем луч, идущий в вакууме. Вот вам и «свет, движущийся быстрее света».
Эти эксперименты вызвали большой шум, особенно в ненаучных кругах. В кругах же научных эту шумиху оценили, как «много шума из ничего». Почему?
А потому, что в действительности проходящий сквозь барьер поток света, или световой импульс представляет собой группу волн, или «волновой пакет». У него есть пик, и вот он-то проходит сквозь барьер со «сверхсветовой скоростью», — но теории относительности это нисколько не противоречит, потому что никакой информации — сигнала или взаимодействия — этот пик сам по себе не несет.
В самом деле, представьте, что вы передаете с помощью света какую-нибудь букву азбуки Морзе. Чтобы наблюдатель «за барьером» узнал, какая именно это буква, то есть принял осмысленный сигнал, нужно получить ВЕСЬ пакет, от его начала до конца, а не просто его пик. Скорость пика пакета, в сущности, не связана со скоростью волн, составляющих пакет, так же как скорость продвижения пробки, качающейся на проходящих под ней водяных волнах, не отражает скорость движения самих этих волн. Это понимали еще Эйнштейн и его современники. Один из создателей квантовой механики, Арнольд Зоммерфельд, говорил — и как раз по поводу таких экспериментов, — что ключевой вопрос в них состоит
И все же проблема этим не исчерпана. Уже после того как улеглась первая шумиха, начался новый шум, причем на сей раз — в собственно научных кругах. Молодой португальский физик Жоао Магуехо выступил с утверждением, что «сверхсветовой свет» все-таки вполне возможен. У физиков не было оснований сомневаться в «верительных грамотах» Магуехо, потому что теорию относительности он изучил уже в возрасте 14 лет, его докторская диссертация, защищенная в Кембридже, была настолько глубокой, что ему дали стипендию, которой в прошлом были удостоены нобелевские лауреаты Дирак и Садам, а в мае 1996 года он получил престижную стипендию британского Королевского общества, позволяющую стипендиату в течение десяти лет работать над любой темой и в любом месте по собственному выбору (Магуехо выбрал Имперский колледж в Лондоне).
А кроме того, в отличие от предшественников, Магуехо не утверждал, будто «сверхсветовой свет» возможен в нынешней Вселенной. Его теория (точнее, гипотеза) состояла в том, что такой свет существовал в далеком прошлом, в самые ранние времена после Биг Бэнга. В этом плане теория Магуехо — одна из многих попыток объяснить некоторые трудности современной космологии с помощью допущения, что нынешние фундаментальные константы, вроде той же скорости света, на самом деле являются не вполне постоянными, а менялись в ходе развития Вселенной (а значит, могут снова измениться в дальнейшем). Такие теории разрабатываются сегодня многими физиками, которые по ряду причин не удовлетворены тем объяснением истории Вселенной, которое предлагает господствующая «инфляционная теория».
Наблюдаемая нами сегодня Вселенная довольно однородна. Куда ни глянешь — везде галактики или их скопления, причем в разных направлениях картина распределения этих звездных островов примерно одинакова. Кроме того, нынешняя Вселенная является «плоской». Теория инфляции, созданная американским физиком Аланом Тутом, объясняет однородность и плоскость Вселенной весьма дерзким образом. Гут постулировал, что в первые микро-микро- ...-микросекунды после рождения, когда Вселенная была много меньше самой малой микрочастицы, она претерпела чудовищно быстрое раздувание (инфляцию), так что за те же доли секунды стала величиной с грейпфрут. Не буду утомлять цифрами, достаточно сказать, что скорость такого раздувания пространства должна была быть во много раз больше световой. Естественно, это раздувание «раскатало» пространство Вселенной, как хозяйка раскатывает тесто на доске, — до плоского состояния. Что же касается однородности наблюдаемой Вселенной, то тут объяснение Гута посложнее.
Как бы ни был мал доинфляционный объем Вселенной, время его жизни было так мало, что свет — если он и тогда шел с нынешней скоростью — не успевал связать друг с другом все участки этого микрошарика. А поскольку взаимодействия, по Эйнштейну, не могут передаваться со скоростью, превышающей световую, то непосредствен но взаимодействовать друг с другом могли лишь те участочки ранней Вселенной, расстояния между которыми не превышали расстояния, на которое успел со времени рождения пройти свет. Иными словами, это были все те участочки, которые лежали в пределах некой сферы, диаметр которой был как раз равен пути, пройденному светом с момента рождения Вселенной. Поверхность этой сферы была «горизонтом», за который взаимодействия от данных участочков еще не могли передаться. Там, за «горизонтом», находилась другая область, все участки которой были тоже связаны друг с другом физическими силами, но совершенно не были связаны с первой областью. Таких физически изолированных областей в шарике ранней Вселенной могло быть много. Главной их характеристикой было то, что в каждой области (внутри каждого «горизонта») взаимодействия уже успели выравнять все физические условия, но условия между разными областями могли быть существенно различными.