Перевод Марселя Юсупова
Причинная связь - один из наиболее основных принципов философии, физики, и других наук. Это - по существу попытка понять наблюдения, связывая события (эффекты) с другими событиями (причины) и объясняя механизмы этих отношений. Фундаментальное требование – это то, что вызванный эффект не может произойти раньше события, являющегося его причиной. В пределах теории Эйнштейна относительности причинная связь даже требует более строгого ограничения: время между причиной и случаем должно быть, по крайней мере, временем, за которое распространяется свет в вакууме от местоположения причины до местоположения вызванного эффекта. Короче говоря, никакой сигнал не может распространяться быстрее, чем свет в вакууме. Технические детали являются сложными: описание пространства и времени в теории относительности сложное и не поддается пониманию нашей естественной интуицией.
В оптике причинная связь подразумевает, что свет никогда не может использован для того, чтобы передать сигнал с более высокой скоростью, чем со скоростью света в вакууме. Есть определенные ситуации, где это ограничение, может быть нарушено, потому что свет может распространяться фазовой или групповой скоростью превышающей c. На первый взгляд можно предложить возможность сверхсветовой передачи информации. Однако в любом описании непричинных эффектов в распространении света на основе уравнений Максвелла может быть найден логический изъян.
При определенных обстоятельствах, свет может распространяться с фазовой или групповой скоростью, превосходящей вакуумную скорость света. На первый взгляд, это означает возможность сверхсветовой передачи информации, которое идет в разительное противоречие с теорией относительности Эйнштейна, которая показывает, что сверхсветовая передача связана с нарушением причинности. Однако тщательная проверка принятых физических теорий (в частности, теории электромагнетизма Максвелла, теории относительности Эйнштейна и квантовой электродинамики) показывает, что они не допускают любых нарушений принципа причинности. Любая попытка продемонстрировать такого воздействия на основе этих теорий должна потерпеть неудачу по логическим причинам, и, таким образом на основе фундаментальных заблуждений этот недостаток сложно устранить.
Два сравнительно простых примера кажущейся сверхсветовой передачи приведены здесь:
- •Фазовая скорость света может быть выше, чем с, например, для рентгеновских лучей или вблизи оптических резонансов атомов. Даже простые механические модели (например, последовательность связанных маятников) могут показывать фазовую скорость выше c. Тем не менее, невозможно приложить реальный сигнал такой к такому фазовому фронту; передача сигнала требует какой-то модуляции.
- •Информация может быть передана при отправке импульсов. Информация распространяется с групповой скоростью, то есть со скоростью пиков импульсов. При групповых скоростях больше с приводит к сверхсветовой передаче, и это можно было бы увидеть, например, в туннельных экспериментах. Тем не менее, ошибка заключается в выявлении пика импульса во временной координате. Например, импульс Гауссовской формы может быть обнаружен задолго до прихода пика интенсивности, поскольку имеет длинный растущий фронт. Поэтому, различные виды сигналов нужно рассматривать там, где информация должна прийти после определенного момента времени. Для таких сигналов, это может быть доказано тем, что раннее время, за которое событие можно наблюдать ограничено именно распространением света с вакуумной скоростью с. А так называемый предвестник, путешествующий с той скоростью, обычно слишком слаб, чтобы быть обнаруженным, за исключением определенных обстоятельств (например, при наличии усиления в среде, см. Рис.).
Конечно, можно предположить, что принятые в настоящее время физические теории, как например теория относительности Эйнштейна, могут быть улучшены или заменены более новыми теориями, и возможно, даже смогут учесть суперлюминальное распроcтранение. Некоторые теории уже существуют, но до сих пор ни одна не дает убедительного доказательства, которое могло бы полностью отказаться от теории относительности в пользу альтернативной теории.
[1] A. Sommerfeld, “Ein Einwand gegen die Relativtheorie der Elektrodynamik und seine Beseitigung”, Phys. Zeitschr. 8, 841 (1907)
[2] C. G. B. Garrett and D. E. McCumber, “Propagation of a gaussian light pulse through an anomalous dispersion medium”, Phys. Rev. A 1 (2), 305 (1970)
[3] S. Chu and S. Wong, “Linear pulse propagation in an absorbing medium”, Phys. Rev. Lett. 48 (11), 738 (1982)
[4] A. M. Steinberg and R. Y. Chiao, “Dispersionless, highly superluminal propagation in a medium with a gain doublet”, Phys. Rev. A 49 (3), 2071 (1994)
[5] D. Mugnai et al., “Observation of superluminal behaviors in wave propagation”, Phys. Rev. Lett. 84 (21), 4830 (2000)
[6] L. J. Wang et al., “Gain-assisted superluminal light propagation”, Nature 406, 277 (2000)
[7] M. D. Stenner et al., “The speed of information in a ‘fast-light’ optical medium”, Nature 425, 695 (2003)
[8] M. S. Bigelow et al., “Superluminal and slow-light propagation in a room temperature solid”, Science 301, 200-202 (2003)
[9] M. D. Stenner et al., “Fast causal information transmission in a medium with a slow group velocity”, Phys. Rev. Lett. 94 (5), 053902 (2005)
[10] H. Jeong et al., “Direct observation of optical precursors in a region of anomalous dispersion”, Phys. Rev. Lett. 96 (14), 143901 (2006)
[11] J. D. Jackson, Classical Electrodynamics, Wiley, (1998)
По материалам www.rp-photonics.com
