Новости науки 05.05.01 Поосторожнее со сверхсветовыми скоростями!

Можно ли пересылать сигналы со сверхсветовой скоростью? Вопрос не такой праздный — тем более, что под впечатлением недавних экспериментов по наблюдению сверхсветовой групповой скорости оптических импульсов некоторые, скажем так, недостаточно образованные комментаторы поспешили ответить на этот вопрос положительно. Чтобы устранить все возможные недомолвки, группа американских физиков — авторы одного из нашумевших экспериментов — еще раз вернулась к этому вопросу, приняв в этот раз во внимание квантовую природу света. Их анализ [A.Kuzmich et al., Phys.Rev.Lett.86, 3925 (2001)] показал, что независимо от типа среды скорость распространения сигнала всегда меньше скорости света в вакууме.

Серия различных экспериментов, проведенных в последние 2-3 года, показала, что световой импульс в оптически активных средах может вести себя совершенно необычным образом. А именно, при определенных условиях групповая скорость светового импульса может превышать с (скорость света в вакууме), обращаться в бесконечность и даже, в некотором смысле, быть больше бесконечности (то есть импульс выходит из среды раньше, чем он туда попадает). Эти эксперименты были превратно истолкованы многими научно-популярными новостными агентствами, которые поспешили заявить, что "рухнула теория относительности", что "световой барьер преодолен" и что теперь стало возможным пересылать сигналы со сверхсветовой скоростью.

Распространение сигнала при переходе из вакуума в нормальную среду. Несмотря на то, что групповая скорость изменилась (v), предвестник по-прежнему движется со скоростью с.

Разумеется, теория относительности нисколько от этих экспериментов не пострадала. Дело в том, что, как известно из классических учебников по электродинамике, истинная скорость распространения сигнала — это скорость самого переднего фронта импульса, так называемого предвестника. Можно сказать, что предвестник — это та точка (фронт), где мощность светового импульса отрывается от тождественного нуля. В классической электродинамике показывается, что независимо от свойств среды скорость распространения предвестника всегда равна с. На Рисунке схематично изображено то, как преобразуется сигнал, когда импульс переходит из вакуума в среду с нормальной дисперсией. В средах с аномальной дисперсией картина несколько иная, но принципиальный вывод остается тем же: скорость распространения светового импульса как строго локализованного волнового пакета не может превышать скорость предвестника, то есть, скорость света.

Однако эти рассуждения — чисто классические, они не учитывают квантовой природы света. Как же квантовые эффекты скажутся на скорости распространения сигнала? Ответ на этот вопрос и содержится в статье [A.Kuzmich et al., Phys.Rev.Lett.86, 3925 (2001)].

В классической картине предполагалось, что мы, в принципе, можем промерить сколь угодно малый участка светового импульса со сколь угодно высокой точностью. Тогда, зная лишь форму импульса в ничтожно малой область вблизи предвестника, мы можем, опираясь на аналитичность сигнала, продолжить измеренную кривую и восстановить форму всего импульса. Таким образом, измерив форму предвестника, мы получаем полную информацию об импульсе целиком. Именно поэтому в классической картине скорость распространения сигнала и определяется скорость движения предвестника, то есть, она равна с.

В квантовом мире все не так просто. Дело в том, что световой импульс детектируется, строго говоря, пофотонно. Если принять, что предвестник начинает тогда, когда в фотодетекторе будет зарегистрирован первый фотон, то тогда скорость предвестника вовсе не будет равна скорости распространения информации. Действительно, зарегистрировав один лишь фотон, мы еще совершенно ничего не можем сказать о форме идущего за ним сигнала! Поэтому нам придется ждать прихода следующих фотонов, чтобы со все улучшающейся точностью узнавать форму сигнала. То есть, информация о сигнале распространяется медленнее скорости света!

Этот вывод — неустранимое следствие квантовой природы света.

Более аккуратный анализ опирается на отношение сигнала к фону и приведен в цитируемой статье. Более того, как показали вычисления, скорость распространения сигнала в любой среде (даже в среде со сверхсветовой групповой скоростью) меньше, чем скорость распространения сигнала в вакууме.

перейти к началу страницы