Phénomènes physiques qui ne reconnaissent aucune limitation de vitesse.
La limite supérieure de vitesse est connue même des écoliers: en reliant masse et énergie avec la fameuse formule E = mc2Albert Einstein, au début du vingtième siècle, a souligné l'impossibilité fondamentale de quoi que ce soit avec une masse de se déplacer dans l'espace plus rapidement que la vitesse de la lumière dans le vide. Cependant, cette formulation contient déjà des failles que certains phénomènes physiques et particules sont tout à fait capables de contourner. Du moins, les phénomènes qui existent en théorie.
La première faille concerne le mot « masse »: les restrictions d'Einstein ne s'appliquent pas aux particules sans masse. Ils ne s'appliquent pas non plus à certains milieux plutôt denses, dans lesquels la vitesse de la lumière peut être nettement inférieure à celle du vide. Enfin, lorsqu'une énergie suffisante est appliquée, l'espace lui-même peut se déformer localement, lui permettant de se déplacer de telle sorte que pour un observateur de côté, en dehors de cette déformation, le mouvement se produira comme s'il était plus rapide que la vitesse de la lumière.
Certains de ces phénomènes et particules de physique « ultrarapides » sont régulièrement enregistrés et reproduits en laboratoire, voire appliqués en pratique, dans des instruments et appareils de haute technologie. D'autres, prédits théoriquement, les scientifiques tentent toujours de les découvrir dans la réalité, et sur le troisième ils ont de grands projets: peut-être qu'un jour ces phénomènes nous permettront de nous déplacer librement dans l'Univers, sans même être limités par la vitesse de la lumière.
Téléportation quantique
Statut: en développement actif
La téléportation d'un être vivant est un bon exemple d'une technologie qui est théoriquement admissible, mais en pratique, apparemment, n'est jamais réalisable. Mais si l'on parle de téléportation, c'est-à-dire de déplacement instantané d'un endroit à un autre de petits objets, et plus encore de particules, c'est tout à fait possible. Pour garder les choses simples, commençons simplement - les particules.
Il semble que nous aurons besoin d'appareils qui (1) observent complètement l'état de la particule, (2) transfèrent cet état plus rapidement que la vitesse de la lumière, (3) restaurent l'original.
Cependant, dans un tel schéma, même la première étape ne peut pas être entièrement mise en œuvre. Le principe d'incertitude de Heisenberg impose des limites insurmontables à la précision avec laquelle les paramètres "appariés" d'une particule peuvent être mesurés. Par exemple, mieux nous connaissons son impulsion, pire est la coordonnée, et vice versa. Cependant, une caractéristique importante de la téléportation quantique est qu'en fait, vous n'avez pas besoin de mesurer les particules, tout comme vous n'avez pas besoin de restaurer quoi que ce soit - vous avez juste besoin d'obtenir une paire de particules intriquées.
Par exemple, pour préparer de tels photons intriqués, nous devons éclairer un cristal non linéaire avec un rayonnement laser d'une certaine onde. Ensuite, certains des photons entrants se désintègrent en deux enchevêtrés - inexplicablement liés, de sorte que tout changement dans l'état de l'un affecte instantanément l'état de l'autre. Cette connexion est vraiment inexplicable: les mécanismes de l'intrication quantique restent inconnus, bien que le phénomène lui-même ait été et soit constamment démontré. Mais c'est un tel phénomène, dans lequel il est vraiment facile de se confondre - il suffit d'ajouter qu'avant la mesure, aucune de ces particules n'a les caractéristiques souhaitées, et quel que soit le résultat que l'on obtient en mesurant la première, l'état de le second sera étrangement corrélé avec notre résultat…
Le mécanisme de téléportation quantique, proposé en 1993 par Charles Bennett et Gilles Brassard, nécessite d'ajouter un seul participant supplémentaire à la paire de particules intriquées - en fait, celle que nous allons téléporter. Il est d'usage d'appeler les expéditeurs et les destinataires Alice et Bob, et nous suivrons cette tradition en donnant à chacun d'eux l'un des photons intriqués. Dès qu'ils se dispersent à une distance décente et qu'Alice décide de commencer la téléportation, elle prend le photon souhaité et mesure son état avec l'état du premier des photons intriqués. La fonction d'onde indéfinie de ce photon s'effondre et répond instantanément dans le deuxième photon intriqué de Bob.
Malheureusement, Bob ne sait pas exactement comment son photon réagit au comportement du photon d'Alice: pour comprendre cela, il doit attendre qu'elle envoie les résultats de ses mesures par courrier ordinaire, pas plus vite que la vitesse de la lumière. Par conséquent, aucune information ne peut être transmise par un tel canal, mais le fait restera un fait. Nous avons téléporté l'état d'un photon. Afin de transférer aux humains, il reste à faire évoluer la technologie, en embrassant chaque particule de seulement 7 000 milliards de milliards d'atomes de notre corps - il semble que pas plus que l'éternité ne nous sépare de cette percée.
Cependant, la téléportation quantique et l'intrication restent parmi les sujets les plus brûlants de la physique moderne. Tout d'abord, parce que l'utilisation de tels canaux de communication promet une protection incassable des données transmises: pour y accéder, les attaquants devront s'emparer non seulement de la lettre d'Alice à Bob, mais aussi d'accéder à la particule intriquée de Bob, et même s'ils parviennent à l'atteindre et à faire des mesures, cela changera à jamais l'état du photon et sera immédiatement révélé.
Effet Vavilov - Tcherenkov
Statut: utilisé depuis longtemps
Cet aspect de voyager plus vite que la vitesse de la lumière est une occasion agréable de se souvenir des réalisations des scientifiques russes. Le phénomène a été découvert en 1934 par Pavel Cherenkov, qui a travaillé sous la direction de Sergei Vavilov, trois ans plus tard, il a reçu une base théorique dans les travaux d'Igor Tamm et d'Ilya Frank, et en 1958 tous les participants à ces travaux, à l'exception du déjà décédé Vavilov, ont reçu le prix Nobel de physique.
En effet, la théorie de la relativité ne parle que de la vitesse de la lumière dans le vide. Dans d'autres milieux transparents, la lumière ralentit et de manière assez notable, ce qui permet d'observer une réfraction à leur frontière avec l'air. L'indice de réfraction du verre est de 1,49, ce qui signifie que la vitesse de phase de la lumière y est 1,49 fois inférieure, et, par exemple, le diamant a un indice de réfraction de 2,42, et la vitesse de la lumière est plus que divisée par deux. Rien n'empêche les autres particules de voler et plus vite que les photons lumineux.
C'est exactement ce qui est arrivé aux électrons, qui dans les expériences de Cherenkov ont été assommés par un rayonnement gamma à haute énergie de leur place dans les molécules du liquide luminescent. Ce mécanisme est souvent comparé à la formation d'une onde de choc sonore lors d'un vol dans l'atmosphère à une vitesse supersonique. Mais on peut aussi l'imaginer courir dans une foule: se déplaçant plus vite que la lumière, les électrons se précipitent devant d'autres particules, comme s'ils les touchaient avec une épaule - et pour chaque centimètre de leur chemin, les obligeant à émettre avec colère de plusieurs à plusieurs centaines de photons.
Bientôt, le même comportement a été trouvé dans tous les autres liquides assez propres et transparents, et par la suite le rayonnement Cherenkov a été enregistré même au plus profond des océans. Bien sûr, les photons de lumière provenant de la surface n'atteignent pas vraiment ici. Mais les particules ultrarapides qui s'échappent de temps en temps de petites quantités de particules radioactives en décomposition créent une lueur, permettant peut-être à tout le moins aux habitants de voir.
Le rayonnement Cherenkov-Vavilov a trouvé une application dans la science, l'ingénierie nucléaire et les domaines connexes. Les réacteurs de la centrale nucléaire, bourrés de particules rapides, brillent de mille feux. En mesurant avec précision les caractéristiques de ce rayonnement et en connaissant la vitesse de phase dans notre environnement de travail, nous pouvons comprendre quel type de particules l'a provoqué. Les astronomes utilisent également des détecteurs Cherenkov, détectant des particules cosmiques lumineuses et énergétiques: les plus lourdes sont incroyablement difficiles à accélérer à la vitesse requise, et elles ne créent pas de rayonnement.
Bulles et terriers
Statut: fantastique à théorique
Voici une fourmi qui rampe sur une feuille de papier. Sa vitesse est faible et il faut 10 secondes au pauvre garçon pour passer du bord gauche de l'avion à la droite. Mais dès que nous prenons pitié de lui et plions le papier, reliant ses bords, il se "téléportera" instantanément. au point désiré. Quelque chose de similaire peut être fait avec notre espace-temps natif, à la seule différence que la flexion nécessite la participation d'autres dimensions, imperceptibles pour nous, formant des tunnels d'espace-temps - les fameux trous de ver, ou trous de ver.
Soit dit en passant, selon de nouvelles théories, de tels trous de ver sont une sorte d'équivalent spatio-temporel du phénomène d'intrication quantique déjà familier. En général, leur existence ne contredit aucun concept important de la physique moderne, y compris la théorie générale de la relativité. Mais pour maintenir un tel tunnel dans les tissus de l'Univers, il faudra quelque chose qui ressemble peu à la vraie science - une hypothétique "matière exotique" qui a une densité d'énergie négative. En d'autres termes, ce doit être le genre de matière qui provoque la répulsion gravitationnelle. Il est difficile d'imaginer qu'un jour cet exotique sera trouvé, encore moins apprivoisé.
Une déformation encore plus exotique de l'espace-temps - le mouvement à l'intérieur de la bulle de la structure courbe de ce continuum - peut servir comme une sorte d'alternative aux trous de ver. L'idée a été exprimée en 1993 par le physicien Miguele Alcubierre, bien qu'elle ait sonné beaucoup plus tôt dans les œuvres d'écrivains de science-fiction. C'est comme un vaisseau spatial qui se déplace, serrant et écrasant l'espace-temps devant son nez et le lissant à nouveau. Dans le même temps, le navire lui-même et son équipage restent dans la zone locale, où l'espace-temps conserve sa géométrie habituelle, et ne subissent aucun inconvénient. Cela se voit clairement dans la série "Star Trek", populaire parmi les rêveurs, où un tel "warp drive" permet de voyager, sans pudeur, à travers l'Univers.
Tachyons
Statut: fantastique à théorique
Les photons sont des particules sans masse, comme les neutrinos et quelques autres: leur masse au repos est nulle, et pour ne pas disparaître complètement, ils sont obligés de toujours se déplacer, et toujours - à la vitesse de la lumière. Cependant, certaines théories suggèrent l'existence de particules beaucoup plus exotiques - les tachyons. Leur masse, apparaissant dans notre formule préférée E = mc2, n'est pas donné par un nombre simple, mais par un nombre imaginaire, comprenant une composante mathématique spéciale, dont le carré donne un nombre négatif. C'est une propriété très utile, et les scénaristes de notre série bien-aimée Star Trek ont expliqué le travail de leur fantastique moteur en « exploitant l'énergie des tachyons ».
En fait, la masse imaginaire fait l'incroyable: les tachyons doivent perdre de l'énergie, accélérer, alors pour eux tout dans la vie n'est plus du tout comme on le pensait. En entrant en collision avec des atomes, ils perdent de l'énergie et accélèrent, de sorte que la prochaine collision sera encore plus forte, ce qui prendra encore plus d'énergie et accélérera à nouveau les tachyons à l'infini. Il est clair qu'un tel engouement pour soi viole simplement les relations causales de base. C'est peut-être pourquoi seuls les théoriciens étudient les tachyons jusqu'à présent: personne n'a encore vu un seul exemple de la dégradation des relations de cause à effet dans la nature, et si vous voyez, cherchez un tachyon, et le prix Nobel est garanti à tu.
Cependant, les théoriciens ont toujours montré que les tachyons n'existaient peut-être pas, mais qu'ils auraient pu exister dans un passé lointain et, selon certaines idées, ce sont leurs possibilités infinies qui ont joué un rôle important dans le Big Bang. La présence de tachyons explique l'état extrêmement instable d'un faux vide, dans lequel l'Univers aurait pu se trouver avant sa naissance. Dans une telle image du monde, les tachyons se déplaçant plus vite que la lumière sont la véritable base de notre existence, et l'émergence de l'Univers est décrite comme la transition du champ de tachyons du faux vide dans le champ inflationniste du vrai. Il convient d'ajouter que toutes ces théories sont assez respectées, malgré le fait que les principaux contrevenants aux lois d'Einstein et même la relation de cause à effet s'avèrent être les fondateurs de toutes les causes et effets.
Vitesse de l'obscurité
Statut: philosophique
Philosophiquement parlant, l'obscurité est simplement l'absence de lumière, et leurs vitesses devraient être les mêmes. Mais cela vaut la peine de réfléchir plus attentivement: l'obscurité peut prendre une forme qui se déplace beaucoup plus rapidement. Le nom de cette forme est shadow. Imaginez que vous pointez du doigt la silhouette d'un chien sur le mur opposé. Le faisceau de la lampe de poche diverge et l'ombre de votre main devient beaucoup plus grande que la main elle-même. Le moindre mouvement d'un doigt suffit pour que l'ombre de celui-ci sur le mur se déplace d'une distance notable. Et si on projetait une ombre sur la lune ? Ou vers un écran imaginaire encore plus loin ?..
Une vague à peine perceptible - et elle traversera à n'importe quelle vitesse qui n'est donnée que par la géométrie, donc aucun Einstein ne peut le lui dire. Cependant, il vaut mieux ne pas flirter avec les ombres, car elles nous trompent facilement. Il vaut la peine de revenir au début et de se rappeler que l'obscurité est simplement l'absence de lumière, donc aucun objet physique n'est transmis lors d'un tel mouvement. Il n'y a pas de particules, pas d'informations, pas de déformations de l'espace-temps, il n'y a que notre illusion qu'il s'agit d'un phénomène séparé. Dans le monde réel, aucune obscurité ne peut rivaliser en vitesse avec la lumière.