Знание-сила, 2003 № 08 (914)

Наперегонки со светом

Несколько последних лет ознаменовались целой серией экспериментальных сюрпризов, связанных со скоростью света.

Можно сказать, что образовалось хотя и небольшое, однако весьма пестрое — по разбросу подходов, — но притом вполне серьезное сообщество физиков, основательно взявшихся за опьггы с этой фундаментальной константой. Вроде бы что еще можно из нее извлечь после более чем трех столетий многократных и тщательных ее измерений, разве что точнее определить?

Оказывается, не только — открылось много чего любопытного и парадоксального, связанного с ней. Как в свое время поражала невероятно большая величина этой скорости, как трудно было смириться с тем, что эта величина предельная и непреодолимая, как внезапно выяснилось ее принципиальное участие в обосновании огромных запасов внутриядерной энергии, так сегодня словно одномоментно был преподнесен целый букет неожиданностей и противоречий. Чего стоит только сообщение о том, что свет можно остановить!

За россыпью разнородных, затрагивающих чуть ли не все области физики экспериментов — блестящих, порой нобелевского ранга экспериментов, замаячила тень разобщенности, рассогласованности, фрагментаризации. Это ощущение в данном случае особо важно подчеркнуть. Дело в том, что постепенно раскрывая свои тайны, скорость света возникала практически везде, где речь шла о самых глубинах физической науки. Ее всеобщность, воистину универсальность связывали вместе расползавшиеся вширь и вглубь знания о природе, служили «скрепами» в построении единой физической картины мира. Поэтому недавние опытные результаты, вернее, многообразие их интерпретаций, можно было расценить как покушение на долго и мучительно выстраиваемую цельность.

Отсюда понятно, почему в спорах теоретиков нет никакого праздного любопытства — столь велика цена неразрешенных расхождений, тем более когда возникает соблазн пересмотреть сложившуюся картину и тем паче переписать ее на новых основаниях. Актуальности этой теме придает и практическая ее направленность. Опыты, о которых идет речь, связаны в том числе с одной из самых привлекательных научно- технических идей будущего — с созданием квантового компьютера (о нем наш журнал писал в № б за этот год) и с одним из самых загадочных явлений — передачей гравитационного воздействия (о чем мы непременно еще напишем в скором будущем).

Испанский физик Хумберто Мичинел из университета города Виго столкнулся с удивительным явлением. Он проводил опыты с лазером, замедляя его лучи с помощью специально подобранных материалов. Моделируя происходящее на компьютере, ученый рассекал замедленные лучи лазера на отдельные импульсы, длившиеся несколько миллисекунд. Оказалось, что эти пучки света начинают принимать форму капель, да и вообще ведут себя, как жидкость: они обладают поверхностным натяжением; лопаются, как капли воды, встречая препятствие. До сих пор, с физической точки зрения, это считалось невозможным. Да, свет обладает не только волновыми, но и корпускулярными свойствами, например, оказывает давление. Но разве может свет превращаться в твердое вещество или жидкость, ведь он состоит не из атомов — из фотонов? Однако в моделях Мичинела заманчиво кружились капельки света.

Конечно, экран компьютера — не лабораторная установка. Сделанные выводы надо подтвердить экспериментальным путем. Если свет и впрямь можно превращать в отдельные капли, то они найдут применение в оптическом компьютере. Подобные машины будут работать намного быстрее традиционных компьютеров. Сейчас разрабатываются оптические компьютеры, но — вот проблема! — световыми лучами трудно управлять. Другое дело — капли света! Так существуют ли они?

Еще в конце шестидесятых годов стало известно, что лазерный луч может самофокусироваться. Энергия падающей световой волны повышает коэффициент преломления среды, которая действует как фокусирующая линза. Позднее выяснилось, что в воздушной среде инфракрасные импульсы света могут вновь расширяться, если их интенсивность достигнет определенного уровня. В середине девяностых годов удалось сбалансировать фокусирующие и дефокусирующие эффекты, подобрав интенсивность и диаметр светового луча. Итак, инфракрасные импульсы длительностью всего несколько сотых фемтосекунды могли распространяться в воздухе на несколько сотен метров, не меняя диаметра (одна фемтосекунда равна 0,000 000 000 000 001 секунды).

Французский физик Стелиос Цорцакис с коллегами впервые доказали, что подобное явление возможно и в твердой среде. Во время опыта они направляли ультракороткие инфракрасные импульсы в сторону кварцевого блока. Как выяснилось, световой луч проникал в глубь кварца более чем на сантиметр, а его диаметр изменялся всего на 20 микрометров.

Это открытие пригодится при создании оптического компьютера, а также при обработке различных материалов.

В квантовом мире действует странная «телепатия»: разные частицы могут вести себя так, словно это одна и та же частица. Не способные даже обменяться информацией со своими двойниками, они, тем не менее, моментально узнают о любых переменах их свойств и вторят им. Так, можно представить себе эти частицы в виде игральных костей: если бросок одной из костей в Каире принесет «шестерку», то вторая кость, брошенная в ту же секунду на стол в Багдаде, принесет также шесть очков. Эти частицы ведут себя, словно зеркала, отражающие лишь друг друга.

До сих пор удавалось «связать» самое большее всего четыре атома. Чем больше частиц «сообщаются» друг с другом, тем неустойчивее их связь. Любое внешнее влияние нарушает ее.

Тем удивительнее опыт, поставленный группой датских ученых во главе с Брианом Юльсгаардом. В течение некоторого времени они удерживали в «связанном» состоянии триллионы (!) атомов.

«Связанные» атомарные облака можно использовать для телепортации квантовых состояний из одной области пространства в другую. Подобные эффекты будут играть важнейшую роль в квантовых компьютерах. Правда, вместо атомарных облаков в них будут использованы электроны в полупроводниковых материалах: спины электронов ориентируют с помощью магнитного поля, а затем направят на них лазерный луч, что и вызовет переход к связанному состоянию. Впрочем, пока неизвестно, удастся ли компьютеру, устроенному по такому принципу, проделать хотя бы несколько сотен операций, прежде чем «связанное» состояние пройдет.

Сенсация назревала давно. Потом журнал «Physical Review Letters» сообщил, что группе итальянских физиков во главе с Ранфаньи удалось создать короткоживущий световой импульс, который на очень коротком расстоянии (меньше метра) двигался со скоростью, в пять-семь раз больше скорости света в вакууме (которая, согласно теории относительности Эйнштейна, является предельной скоростью передачи физической информации в космосе).

Сообщение вызвало легкий шумок в соответствующих научных кругах, однако не показалось вполне убедительным. Утверждения о том, что световые импульсы определенного характера могут преодолевать «световой барьер», циркулировали в физике уже с 70-х годов, и соответствующие экспериментальные результаты время от времени появлялись в печати уже с тех самых пор (например, работа Стивена Чу 1982 года), но неизменно оказывались неоднозначными. На сей раз ситуация оказалась иной.

Почти одновременно с итальянской публикацией появилось сообщение, что в журнал «Nature» подана и находится на рецензировании сенсационная статья Ли-Джунг Ванга и его коллег из Принстонского университета, описывающая эксперимент, в котором скорость светового импульса в сотни раз (!) превысила скорость света. Экспериментаторы посылали протяженный (90 метров длиной) световой импульс на прозрачную камеру длиной 6 сантиметров, заполненную газом из цезиевых атомов, и наблюдали поразительный факт: выходящий из камеры импульс появлялся по другую сторону камеры раньше, чем исходный импульс успевал войти в нее.

Возникало головокружительное ощущение, что рушится не только Эйнштейнов «световой барьер», но само представление о причинности: свет появляется из прибора раньше, чем успевает в него войти. Однако детальный анализ процессов распространения световых импульсов показывает, что ситуация не столь парадоксальна. Цезиевый газ в камере как бы восстанавливает импульс уже по его (очень дальнему) переднему фронту, не дожидаясь, пока придет его пик.

Остается лишь решить, не происходит ли здесь передача информации со сверхсветовой скоростью? Это действительно нарушило бы и основной принцип теории относительности, и принцип причинности. Однако априори, без специальной экспериментальной проверки ответить на этот вопрос нельзя. Информация, передаваемая световыми импульсами, переносится ими как целым, она «закодирована» в форме каждого импульса. Но из эксперимента не следует, что восстанавливается точная форма импульса, то есть содержащаяся в нем информация.

Вообще говоря, это отнюдь не обязательно, поскольку составляющие волны могут сложиться «по новой» с полным сохранением исходной энергии, но в совершенно иной форме, и тогда информация сменится абракадаброй. Сами авторы, Ванг и его коллеги, считают, что это именно так и что поэтому передавать «сверхсветовую» информацию с помощью их установки нельзя. Тем не менее они намерены заняться специальной проверкой этого предположения. Учитывая его принципиальную важность, такая проверка представляется жгуче желательной.

Меж тем «сверхсветовой прорыв» Ванга уже расширен, хотя и в совершенно ином направлении. Группа швейцарских физиков сообщила через Интернет, что ей удалось измерить, с какой скоростью два «взаимосвязанных» фотона общаются друг с другом. Такие фотоны отличаются от обычных тем, что рождаются в одном и том же эксперименте, имея взаимосвязанные характеристики, и как бы далеко потом ни разлетались, изменение характеристики одного «тотчас» вызывает соответствующее изменение той же характеристики другого. Теперь швейцарские ученые измерили это «тотчас» и установили, что скорость, с которой сигнал об изменении характеристики передается от одного фотона к другому, как минимум в 1500 раз больше скорости света в вакууме. С такой скоростью до ближайшей звезды был бы всего лишь день лета. Увы, это опять скорость передачи сигнала, но не информации.

Ничто не движется быстрее, чем свет. За одну секунду он преодолевает почти 300 тысяч километров. Прозрачные субстанции, например, стекло или вода, лишь тормозят свет, но не могут уменьшить его скорость более чем наполовину.

Несколько лет назад датский физик Лене Вестергаард Хау и ее сотрудники в Кембридже (Массачусетс) сумели уменьшить скорость света до 17 метров в секунду. Для этого они пропустили свет через оптически возбужденный сверххолодный газ из атомов натрия. Недавно им и вовсе удалось остановить свет, а потом — почти в неизменном виде — пустить его дальше. Подобный опыт успешно провела и другая группа физиков в том же Кембридже. Ими руководил Рональд Уолсуорт.

В основе обоих экспериментов лежал особый оптический феномен: под действием электромагнитного излучения даже среда, не проницаемая для света, может стать прозрачной. Обе группы ученых сумели остановить свет почти на тысячную долю секунды, сохранили все сведения о нем, а потом снова «оживили» его. Лене Вестергаард сумела даже несколько раз повторить этот опыт, наблюдая, как постепенно становится меньше интенсивность световых импульсов.

Оказалось, что спины электронов — на их свойствах и основан этот опыт — могут запоминать все характеристики световых импульсов. Это открывает совершенно новые возможности обработки и накопления информации. Их можно использовать при создании квантового компьютера, чьи возможности будут намного превосходить «таланты» обыкновенного ПК.

Квантовый компьютер пытаются создать разными способами. Чем хорош этот? Спины электронов гораздо устойчивее, чем возбужденные состояния электронов в атомах. Впрочем, если использовать спины в квантовом компьютере в качестве запоминающих элементов, все равно нужно думать о том, как повысить их надежность.

В январе 2003 года на очередном заседании Американского астрономического общества было сообщено, что впервые удалось сравнительно точно определить скорость распространения гравитации. Это сделали Сергей Копейкин из университета Миссури и Эд Фомалон из Национальной радиоастрономической обсерватории США. Эксперимент был поставлен в сентябре прошлого года, когда Юпитер, самая массивная планета Солнечной системы, проходил мимо мощного источника излучения — квазара J0842+1835, расположенного в 9 миллионах световых лет от Земли. Исследователи измерили положение квазара на небе относительно двух соседних квазаров и оценили, насколько смещается его излучение под действием гравитационного поля Юпитера. Это и позволило вычислить скорость гравитации.

По теории Ньютона, сила гравитации распространяется мгновенно, а по теории Эйнштейна — со скоростью света. «Однако до настоящего времени, — подчеркнул Сергей Копейкин, — никто не измерил этот показатель». Российский астроном М. Прохоров из ГАИШ так прокомментировал разницу между этими воззрениями: «Если бы Солнце мгновенно исчезло, то, по ньютоновской теории, Земля в тот же миг покинула бы свою орбиту, а, согласно общей теории относительности Эйнштейна, около восьми минут в ее движении не происходило бы никаких изменений».

У Копейкина и Фомалона все получилось почти по Эйнштейну. Скорость гравитации оказалась примерно равной 0,95 скорости света. «Главной нашей целью было доказать, что эта скорость ограничена и не превышает, например, скорость света более чем в два раза, но мы достигли даже лучшего результата, чем ожидали», — признался Эд Фомалон.

Впрочем, ряд ученых не согласны с интерпретацией результатов данного эксперимента. По их мнению, Копейкин и Фомалон при выбранном ими методе не могли измерять скорость гравитации. Так, японский физик Хидэки Асада считает, что ученые, сами того не подозревая, измерили скорость света, а не гравитации. Что ж, исследования, очевидно, продолжатся.

Валерия Шубина