Нужно, чтобы в определении сверхсветового перемещения частица, перемещающаяся из точки А в точку В по времениподобной траектории, нигде локально не опережала свет. Из-за этого очень трудно, скорее невозможно, ясно определить, что такое глобальное сверхсветовое перемещение.
Если вы ожидаете, что я завершу этот раздел точным определением того, что нужно считать сверхсветовым движением и сверхсветовой передачей информации, то боюсь, я вас разочарую! Указанные выше трудности непреодолимы. Тем не менее, вы вероятно лучше поняли как обстоят дела, познакомившись с приведёнными примерами того, что не является сверхсветовым движением.
16. Довод о бесконечной энергии
Когда Эйнштейн записывал свои постулаты для специальной теории относительности, он не добавил к ним постулат о невозможности сверхсветового движения. Некоторые ошибочно считают, что невозможность сверхсветового движения - следствие имеющихся постулатов. Анри Пуанкаре сказал: "Может быть нужно построить механику ... в которой скорость света была бы недостижимым пределом." Это было на Международном конгрессе искусства и науки в 1904 году - ещё до публикации Эйнштейном специальной теории относительности в 1905 году.
Теория относительности даёт следующую формулу для энергии частицы с массой покоя m и скоростью v
E = mc 2 /sqrt(1 - v 2 /c 2 )
При приближении скорости к скорости света энергия частицы стремится к бесконечности. Следовательно, невозможно ускорить объект, имеющий массу покоя, до скорости света. Также, частицы с нулевой массой покоя должны всегда двигаться точно со скоростью света, иначе у них не было бы энергии.
Это что-то вроде "светового барьера", но он очень отличается от "звукового барьера". При приближении скорости самолёта к скорости звука появляются волны давления. Пока существование и действие этих волн не было хорошо изучено они разрушили несколько самолётов в середине 20 века. Отсюда и возникло слово "барьер". При правильной аэродинамике самолёт, конечно, может преодолеть звуковой барьер.
Для света это не так. В соответствии с теорией относительности при приближении к световому барьеру (в идеальном вакууме) не возникает никаких особых волн. Лететь со скоростью 0.999 c всё равно, что стоять на месте. Просто всё несётся мимо тебя со скоростью -0.999 c . В ускорителях частицы достигают такой и ещё большей скорости, так что теория хорошо проверена. Стремление достичь скорости света путём ускорения - это стремление дотянуться до того, что всегда недостижимо.
Вот почему невозможно превысить скорость света средствами обычной механики. Но само по себе это не отвергает возможность сверхсветового перемещения. Это просто один из способов, при помощи которого объекты нельзя заставить двигаться быстрее света, а не доказательство, что такого способа нет.
Известно, что распад частиц на другие частицы происходит мгновенно, и они сразу разлетаются с большой скоростью. Нет оснований считать, что "частицы ускорились", и поэтому почему бы они не могли двигаться быстрее света?
Можно рассмотреть возможность, что какие-то частицы всегда летят быстрее света. Их можно было бы использовать для передачи информации, если их можно обнаружить, не затормозив до досветовой скорости. Даже если такие "тахионы" не существуют (а мы считаем, что они не существуют), могут быть другие способы перемещения объекта из точки А в точку В быстрее, чем свет пройдёт от A до B обычным путём, и чтобы при этом ни один объект не превысил скорость света локально. Смотрите далее раздел о тахионах.
17. Квантовая теория поля
За исключением гравитации, все наблюдаемые физические явления соответствуют "Стандартной модели". Стандартная модель - это релятивистская квантовая теория поля, которая объясняет электромагнитные и ядерные взаимодействия, а также все известные частицы. В этой теории любая пара операторов, соответствующих физическим наблюдаемым, разделённым пространственноподобным интервалом событий, "коммутирует" (то есть, можно поменять порядок этих операторов). В принципе, это подразумевает, что в стандартной модели воздействие не может распространяться быстрее света, и это можно считать квантово-полевым эквивалентом довода о бесконечной энергии.
Однако в квантовой теории поля Стандартной модели нет безупречно строгих доказательств. Никто пока даже не доказал, что эта теория внутренне непротиворечива. Скорее всего, это не так. Во всяком случае, нет гарантии, что не существует каких-то пока не открытых частиц или сил, которые не подчиняются запрету на сверхсветовое перемещение. Нет также и обобщения этой теории, включающего гравитацию и общую теорию относительности. Многие физики, работающие в области квантовой гравитации, сомневаются, что простые представления о причинности и локальности будут обобщены. Нет гарантии, что в будущей более полной теории скорость света сохранит смысл предельной скорости.
18. Парадокс дедушки
В специальной теории относительности частица, летящая быстрее света в одной системе отсчета, движется обратно во времени в другой системе отсчета. Сверхсветовое перемещение или передача информации давали бы возможность путешествия или отправки сообщения в прошлое. Если бы такое путешествие во времени было возможно, то вы могли бы вернуться в прошлое и изменить ход истории, убив своего дедушку.
Это очень серьёзный аргумент против возможности сверхсветового перемещения. Правда остаётся почти неправдоподобная вероятность, что возможны какие-то ограниченные сверхсветовые перемещения, не допускающие возвращения в прошлое. Или, может быть, путешествия во времени возможны, но причинность нарушается каким-то непротиворечивым образом. Всё это очень неправдоподобно, но если мы обсуждаем сверхсветовые перемещения, то лучше быть готовым к новым идеям.
Верно и обратное. Если бы мы могли переместиться в прошлое, то смогли бы преодолеть скорость света. Можно вернуться в прошлое, полететь куда-то с небольшой скоростью, и прибыть туда раньше, чем прибудет свет, отправленный обычным образом. Смотрите подробности по этой теме в Time Travel.
Открытые вопросы сверхсветовых путешествий
В этом последнем разделе я опишу несколько серьёзных идей о возможном перемещении быстрее света. Эти темы не часто включают в FAQ, потому что они больше похожи не на ответы, а на множество новых вопросов. Они включены сюда, чтобы показать, что в этом направлении проводятся серьёзные исследования. Даётся только короткое введение в тему. Подробности вы можете найти в интернете. Как и ко всему в интернете, относитесь к ним критически.
19. Тахионы
Тахионы - это гипотетические частицы, локально перемещающиеся быстрее света. Для этого они должны иметь мнимую величину массы. При этом энергия и импульс тахиона - реальные величины. Нет оснований считать, что сверхсветовые частицы невозможно обнаружить. Тени и световые пятна могут перемещаться быстрее света и их можно обнаружить.
Пока тахионы не найдены, и физики сомневаются в их существовании. Были заявления, что в экспериментах по измерению массы нейтрино, рождающихся при бета-распаде трития, нейтрино были тахионами. Это сомнительно, но пока окончательно не опровергнуто.
В теории тахионов есть проблемы. Кроме возможного нарушения причинности, тахионы также делают вакуум нестабильным. Может быть удастся обойти эти трудности, но и тогда мы не сможем использовать тахионы для сверхсветовой передачи сообщений.
Большинство физиков считает, что появление тахионов в теории - признак каких-то проблем этой теории. Идея тахионов так популярна у публики просто потому, что они часто упоминаются в фантастической литературе.
20. Кротовые норы
Самый известный способ глобального сверхсветового путешествия - использование "кротовых нор". Кротовая нора - это прорезь в пространстве-времени из одной точки вселенной в другую, которая позволяет пройти от одного конца норы до другого быстрее, чем по обычному пути. Кротовые норы описываются общей теорией относительности. Для их создания требуется изменить топологию пространства-времени. Может быть, это станет возможным в рамках квантовой теории гравитации.
Чтобы удерживать кротовую нору открытой, нужны области пространства с отрицательной энергий. C.W.Misner и K.S.Thorne предложили для создания отрицательной энергии использовать эффект Казимира в большом масштабе. Visser предложил использовать для этого космические струны. Это очень умозрительные идеи, и может быть, это невозможно. Может быть, требуемая форма экзотической материи с отрицательной энергией не существует.
Thorne показал, что если можно создать кротовые норы, то в пространстве-времени можно построить замкнутые времениподобные петли, и из этого следует возможность путешествия во времени (не превышая скорость света!). Считается, что трудности преодолеваются в интерпретации квантовой механики с "мультивселенными" и допущением, что "время может развиваться по-разному", если удастся вернуться назад во времени. Идея мультивселенных нарушает правило "лезвия Оккама". Её используют в основном в популярных интерпретациях квантовой механики, а не в теоретической физике. Хокинг говорит, что кротовые норы были бы просто нестабильны, и поэтому использовать их невозможно. Эта тема остаётся плодотворной областью для мысленных экспериментов, которые помогают прояснить, что возможно, а что невозможно в рамках известных законов физики и гипотез.
21. Деформация пространства
Сверхсветовые полёты с использование "деформации пространства" используются в фантастическом сериале " Звёздный путь ". Miguel Alcubierre стал известным, когда разработал пространственно-временную геометрию такой деформации. Деформация пространства-времени даёт возможность объекту перемещаться быстрее света, оставаясь при этом на времениподобной траектории. Главные проблемы такие же, как у больших кротовых нор. Для выполнения нужной деформации требуется экзотическая материя с отрицательной плотностью энергии. Даже если такая материя существует, не ясно, как именно её использовать, чтобы деформация пространства работала нужным образом.
Заключение
Довольно трудно определить, что имеется в виду под сверхсветовым перемещением и передачей информации. Некоторые объекты, например тени, могут перемещаться быстрее света, но пользы от этого мало, так как они не могут переносить информацию.
В научной литературе рассматривается несколько серьёзных возможностей реального сверхсветового перемещения. Все они очень трудны технически.
Принцип неопределённости Гейзенберга, похоже, не даёт возможности использовать наблюдаемые сверхсветовые квантовые эффекты для перемещения информации или вещества.
В общей теории относительности потенциально есть способы сверхсветового перемещения, но может оказаться, что практически они нереализуемы. Похоже, что в обозримом будущем или никогда инженеры не смогут строить сверхсветовые космические корабли. Но интересно, что теоретическая физика пока не отрицает такую возможность.
Сверхсветовые полёты в том виде, как о них пишут в фантастической литературе, почти наверняка невозможны. Физиков интересует "почему они невозможны, и чему это нас учит".
0 
