Одним из постулатов специальной теории относительности Эйнштейна является то, что ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме. Скорость света считается универсальным пределом скорости всего, и это широко признано научным сообществом. Но в науке, если вы установите жесткое правило, кто-нибудь попытается его опровергнуть или, по крайней мере, найти лазейку. И скорость света не исключение.
Свет в вакууме распространяется со скоростью примерно 299 792 километра в секунду (186 282 мили в секунду). В сентябре 2011 года физики, работающие над проектом «Осцилляция с устройством для отслеживания эмульсии» (OPERA), вызвали бурю негодования в научном сообществе, когда объявили, что в результате их экспериментов субатомные частицы, называемые нейтрино, путешествуют из Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) недалеко от Женевы., Швейцария, в Национальную лабораторию Гран-Сассо недалеко от Аквилы, Италия, и прибыл примерно на 60 наносекунд раньше, чем луч света. Идей относительно того, как эти нейтрино могли на самом деле превысить скорость света, или о том, какие ошибки могли привести к невозможным результатам, было предостаточно. Наконец, в качестве вероятных причин были обнаружены проблемы с оборудованием, в том числе ослабленный кабель, и результаты были объявлены ошибочными. Так что переписывание теорий Эйнштейна не потребовалось.
Другие исследователи пытаются обойти правила, а не нарушать их. На самом деле, искривление пространства-времени - это одна из теорий того, как можно достичь сверхсветовых - сверхсветовых - скоростей в космических путешествиях. Идея состоит в том, что пространство-время может сжаться перед космическим кораблем и расшириться позади него, в то время как корабль останется неподвижным в варп-пузыре, который сам движется со скоростью, превышающей скорость света. Эта концепция была первоначально смоделирована мексиканским физиком-теоретиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году как теоретическая возможность, но такая, которая потребовала бы отрицательной энергии размером со вселенную, чтобы вызвать явление. Позже он был доработан до требуемого количества размером с планету, а затем снова до требуемого количества, примерно равного размеру космического зонда «Вояджер-1». К сожалению, отрицательная энергия должна исходить из экзотической материи, которую трудно достать, и в настоящее время мы находимся только на уровне миниатюрных лабораторных экспериментов с варп-двигателями. Математика, стоящая за этими теориями, основана на законах относительности, поэтому теоретически это не будет нарушением правил. Эта технология, если она когда-либо будет существовать, также может быть использована для движения медленнее света, но намного быстрее, чем мы можем двигаться сейчас, что может быть более практичным.
Космические путешествия - лишь одно из возможных применений достижения или превышения скорости света. Некоторые ученые работают над тем, чтобы сделать то же самое для более быстрой передачи данных. Читайте дальше, чтобы узнать о текущих скоростях передачи данных и возможностях получения информации со сверхсветовой скоростью.
Могут ли данные путешествовать со скоростью света?
В настоящее время большая часть наших данных передается либо по медному проводу, либо по оптоволоконному кабелю. Даже когда мы отправляем данные через наши мобильные телефоны по радиоволнам, которые также распространяются со скоростью света, в какой-то момент они проходят через проводные сети Интернета. Двумя наиболее распространенными типами медных проводов для передачи информации на большие расстояния являются витая пара (используемая сначала для телефонии, а затем для коммутируемого Интернета и DSL) и коаксиальный кабель (используемый первоначально для кабельного телевидения, затем для Интернета и телефона). Коаксиальный кабель является более быстрым из двух. Но все же быстрее оптоволоконный кабель. Вместо того, чтобы использовать медь для передачи данных в виде электрических сигналов, оптоволоконный кабель передает данные в виде световых импульсов.
Упоминание "в вакууме" на предыдущей странице относительно скорости света важно. Свет через оптоволокно не так быстр, как свет через вакуум. Свет, двигаясь практически через любую среду, движется медленнее, чем универсальная постоянная, известная нам как скорость света. В воздухе разница незначительна, но свет может значительно замедляться в других средах, включая стекло, из которого состоит сердцевина большинства волоконно-оптических кабелей. Показатель преломления среды - это скорость света в вакууме, деленная на скорость света в среде. Итак, если вы знаете два из этих чисел, вы можете вычислить другое. Показатель преломления стекла составляет около 1,5. Если вы разделите скорость света (приблизительно 300 000 километров или 186 411 миль в секунду) на это, вы получите около 200 000 километров (124 274 мили) в секунду, что является приблизительной скоростью света через стекло. Некоторые оптоволоконные кабели сделаны из пластика, который имеет еще более высокий показатель преломления и, следовательно, более низкую скорость.
Часть причины снижения скорости - двойственная природа света. Он обладает свойствами как частицы, так и волны. На самом деле свет состоит из частиц, называемыхфотонами, и они не движутся по кабелю по прямой линии. Когда фотоны сталкиваются с молекулами материала, они отскакивают в разных направлениях. Преломление и поглощение света средой в конечном итоге приводят к некоторой потере энергии и данных. Вот почему сигнал не может распространяться бесконечно и должен периодически усиливаться для покрытия больших расстояний. Однако замедление света - это еще не все плохие новости. Некоторые примеси добавляются в оптоволокно для контроля скорости и эффективного направления сигнала.
Волоконно-оптический кабель по-прежнему намного быстрее, чем медный провод, и не так восприимчив к электромагнитным помехам. Волокно может развивать скорость до сотен гигабит в секунду или даже терабит. Домашние интернет-соединения не достигают этих сверхвысоких скоростей, по крайней мере частично, потому что проводка используется многими домохозяйствами на целых территориях, и даже сети, использующие оптоволокно, обычно имеют медный провод, идущий в дома людей. Но с оптоволокном, проложенным до вашего района или дома, вы можете получить что-то в диапазоне от 50 до 100 мегабит в секунду для передачи данных, по сравнению с 1-6 мегабитами в секунду для средних линий DSL и 25 или около того мегабит в секунду. из кабеля. Фактическая скорость передачи данных сильно зависит от местоположения, провайдера и выбранного вами тарифного плана.
Есть и другие факторы, вызывающие задержку сигнала (задержку), такие как взаимная связь, необходимая при доступе к веб-странице или загрузке данных (квитирование). Ваш компьютер и сервер, на котором хранятся данные, обмениваются данными, чтобы убедиться, что они синхронизированы и передача данных прошла успешно, что вызывает задержку, хотя и короткую и необходимую. Расстояние, которое должны пройти ваши данные, также повлияет на то, сколько времени потребуется, чтобы добраться туда, и могут быть дополнительные узкие места в любом оборудовании и кабелях, через которые данные должны пройти, чтобы добраться до места назначения. Скорость системы зависит от скорости ее самого медленного компонента, и каждая миллисекунда на счету во времена кажущейся (но не реальной) мгновенной связи.
Недавние прорывы в передаче данных по медным проводам на почти оптоволоконных скоростях за счет уменьшения помех и других методов. И исследователи также работают над передачей данных через свет по воздуху, скажем, используя лампочки для Wi-Fi или передавая лазерные лучи от здания к зданию. Опять же, свет в воздухе действительно движется со скоростью, близкой к скорости света, но ничто из того, что у нас есть сейчас, не превышает предела скорости. Можем ли мы добиться реальной передачи быстрее скорости света?
Беспроводной телефон Александра Грэма Белла
Использование оптоволоконного кабеля было не первой попыткой использовать свет для передачи данных. Сам Александр Грэм Белл изобрел фотофон, который, по сути, был первым беспроводным телефоном, но использующим свет, а не радиоволны, используемые современными сотовыми телефонами. Он работал, проецируя голос на зеркало, которое заставляло зеркало вибрировать. Солнечный свет отражался от вибрирующего зеркала вприемник селена, который преобразовывал его в электрический ток для передачи по телефону (его самое известное изобретение). Его главный недостаток заключался в том, что требовался прямой солнечный свет, поэтому облака или другие объекты могли блокировать сигнал. Не вздумайте звонить посреди ночи. Но на самом деле это сработало и послужило предшественником оптоволокна.
Возможность сверхсветовой передачи данных
Ученые из Национального института стандартов и технологий (NIST) утверждают, что достигли сверхсветовой скорости передачи квантовых данных с помощью так называемого четырехволнового смешения, которое, кстати, является явлением, которое считается формой интерференции. в оптоволоконных линиях. Эксперимент включает отправку короткого 200-наносекундногозатравочного импульсачерез нагретые пары рубидия и в то же время отправку второголуча накачки на другой частоте. для усиления семенного импульса. Фотоны обоих лучей взаимодействуют с паром таким образом, что генерируется третий луч. По-видимому, пики как усиленного затравочного импульса, так и вновь генерируемого импульса могут выходить быстрее, чем опорный луч, движущийся со скоростью света в вакууме. Разница в скорости, о которой они сообщили, составляла от 50 до 90 наносекунд быстрее, чем скорость света в вакууме. Они даже объявили, что могут настраивать скорость импульсов, изменяя расстройку входного начального числа и мощность.
Еще одна технология быстрой передачи данных, находящаяся в разработке, - это квантовая телепортация, основанная на существовании запутанных пар: две частицы, настроенные друг на друга до такой степени, что если вы измерите одну, то другая окажется с то же качество, что и в первом, независимо от их расстояния друг от друга. Для этого также требуется третья частица, содержащая фактические биты данных, которые вы пытаетесь передать. Лазер используется для телепортации одной из запутанных частиц в другое место, так сказать. На самом деле это не транспортировка фотона, а скорее превращение нового фотона в копию оригинала. Фотон в запутанной паре можно сравнить с третьим фотоном, чтобы найти их сходство или различие, и эта информация может быть передана в другое место и использована для сравнения с двойной частицей для сбора данных. Звучит так, будто это приведет к мгновенному переводу, но это не так. Лазерные лучи движутся только со скоростью света. Но у этого есть потенциальные приложения для отправки зашифрованных данных через спутник и для объединения в сеть квантовых компьютеров, если мы когда-нибудь их изобретем. И это дальше, чем любые попытки сверхсветовой передачи данных. На данный момент он работает на расстоянии нескольких миль, и исследователи пытаются увеличить расстояние телепортации.
В настоящее время ответа на вопрос, может ли значимая информация перемещаться быстрее скорости света, нет. Мы находимся только на уровне перемещения нескольких квантовых частиц со скоростью, которая может быть выше скорости света, если данные последующих экспериментов подтвердятся. Чтобы иметь практически применимую форму передачи данных, вы должны иметь возможность отправлять организованные биты данных, которые что-то значат, без искажений, на другую машину, которая может их интерпретировать. Самая быстрая трансмиссия в мире ничего не будет значить иначе. Но вы можете быть уверены, что если скорость света превысит скорость, мы будем использовать ее в наших интернет-передачах гораздо раньше, чем в межзвездных путешествиях. Наша способность смотреть телевизор самого высокого качества и работать в сети на самых высоких скоростях будет иметь первостепенное значение. И, возможно, для этих целей даже получение действительно сверхсветовой передачи будет творить чудеса.
Часто задаваемые вопросы
Возможна ли информация, распространяющаяся быстрее света?
Нет, информация не может двигаться быстрее скорости света.
Примечание автора
Физика - поистине увлекательный предмет, поскольку она пытается найти ответ на то, как все устроено во Вселенной. Без изучения физики у нас, вероятно, не было бы многих современных удобств, например, тех, которые требуют электричества или зависят от поведения волн любого рода (как почти все формы дальней связи). Вы бы точно не читали это прямо сейчас. Без понимания физических законов поднимать пианино было бы сложнее, видеоигры не были бы такими увлекательными (или вообще не существовали бы), а мультипликаторы не знали бы, какие законы нарушать, чтобы рассмешить нас. И мы, конечно, не отправились бы в космос, способность, которая нам понадобится, если мы обнаружим с помощью астрофизики или внимательного наблюдателя, что астероид, разрушающий планету, направляется в нашу сторону. Кроме того, похвала математике за то, что она сделала возможным изучение физики. Я буду продолжать сидеть сложа руки и пожинать плоды, которые стали возможными благодаря трудолюбивым математикам, физикам и инженерам мира.