CREDO NEW теоретический журнал

Поиск по сайту

Главная arrow Подшивка arrow 2011 arrow теоретический журнал credo new arrow В. Н. Самченко , НЕЛОКАЛЬНАЯ СВЯЗЬ: ФИЛОСОФИЯ, МАТЕМАТИКА, ФИЗИКА
В. Н. Самченко , НЕЛОКАЛЬНАЯ СВЯЗЬ: ФИЛОСОФИЯ, МАТЕМАТИКА, ФИЗИКА
В. Н. Самченко
доктор философских наук

НЕЛОКАЛЬНАЯ СВЯЗЬ: 
ФИЛОСОФИЯ, МАТЕМАТИКА, ФИЗИКА


1. Введение: математика против физиков, Эйнштейн против Эйнштейна 
Проблема нелокальной (дальнодействующей, холистической, сверхсветовой) связи возникла при самом зарождении математической физики. Известно, что И. Ньютон был вынужден признать распространение гравитационных возмущений в пустоте с бесконечной скоростью. Это противоречило принципам его же «земной» механики, вызвало нарекания современников и недоумение самого Ньютона. Но всем пришлось смириться с такой теорией, т. к. только она обеспечивала правильный расчет эффектов тяготения. Здесь победила математика, однако принцип локальности доныне господствует в сознании большинства физиков.
Особенно укрепилось это господство в XX в. благодаря А. Эйнштейну. В 1905 г. он создал релятивистский аналог «земной», а 1915 г. – релятивистский аналог «небесной» механики Ньютона. С 1916 г. первый из них называют специальной, второй – общей теорией относительности (СТО и ОТО соответственно). В трактовке их самим Эйнштейном, все физические связи локальны, т. к. скорость любого сигнала в инерциальной системе отсчета не может превышать константу c – скорость света в вакууме. Между тем, основной математический аппарат СТО (преобразования Лоренца) без внутренних противоречий допускает скорости выше c.
Правда, при таких скоростях параметры тел и движения приходится выражать мнимыми (невещественными) числами, квадрат которых может быть отрицательным числом. Видимо, первое время Эйнштейн расценивал это как подтверждение мысли, что превышение c может быть только кажущимся. В основополагающей статье по СТО он писал, что на скорости света «…все движущиеся объекты, наблюдаемые из “покоящейся” системы, сплющиваются и превращаются в плоские фигуры. (поэтому. – В. С.) Для скоростей, превышающих скорость света, наши рассуждения теряют смысл…» [36, с. 18]. Подобные соображения высказывали и другие физики [напр. 28, с. 67–68]. Но даже сам Эйнштейн не развил эту ассоциацию до прямого утверждения. Ведь мнимые числа в современной физике появляются регулярно, и слишком многое в ней пришлось бы объявить бессмысленным.
В 1916 г. Эйнштейн показал возможность индуцированного когерентного излучения. Со временем эта идея легла в основу создания мазера и лазера. А в 1965 г. попытка усилить лазерный импульс привела к открытию перемещения пика такого импульса со скоростью много выше c. В 1924 г. Эйнштейн поддержал Луи де Бройля на защите им диссертации с идеей «волн вещества», хотя скорость таких волн может определяться как сверхсветовая (см. п. 3). Центральное уравнение квантовой механики, т. н. волновое уравнение Шрёдингера, описывает как раз волны де Бройля, причем включает мнимочисленное слагаемое.
В 1935 г. снова сам Эйнштейн, в соавторстве с Б. Подольским и Н. Розеном, показал, что математический аппарат квантовой теории допускает нелокальные связи между микрочастицами на любом расстоянии (т. н. парадокс ЭПР, по первым буквам фамилий авторов). Отсюда соавторы заключили, что квантовая механика неполна. Но в том же году Н. Бор подверг это заключение критике [37]. А к концу XX в. нелокальная квантовая связь, она же – эффект ЭПР или запутанные состояния микрочастиц, была признана уже всеми физиками. Впрочем, относительно ее скорости еще делаются оговорки; мы рассмотрим их в п. 2.
Но признание скоростей выше c стало пробиваться еще раньше иными путями. Сверхсветовое подбарьерное туннелирование фотонов замечено в опыте в 1932 г., и обсуждалось в работах будущего нобелевского лауреата Ю. Вигнера не позднее 1955 г. Считается, что он же еще в 1939 г. первым признал принципиальную возможность скоростей материального процесса, превышающих c [49]. Теоретический вывод о возможности сверхсветового туннелирования получен Т. Хартманом в 1962 г., причем – из общих положений, записанных в любом учебнике квантовой физики [35, с. 43–44; 49]. 
В 1960 г. японский физик С. Танака и видный российский физик Я.П. Терлецкий [28 и др.] математически доказали, что существование сверхсветовых частиц (тахионов) не противоречит теории относительности. В отечественной физике проблема сверхсветового движения обсуждалась, под ее собственным именем и на уровне центральных изданий, по меньшей мере с 1974 г. [В.С. Барашенков, 3 и др.], а в отечественной философии – с 1976 г. [Ю.Б. Молчанов, 19 и др.] В 1986 г. в Москве, под эгидой Института философии АН СССР, вышел сборник статей «Философские проблемы гипотезы сверхсветовых скоростей». Представленная в нем библиография насчитывала уже 700 пунктов [31, с. 151–157].
Сейчас научных публикаций по этой теме многие тысячи, а бóльшая часть их авторов, так или иначе, признает сверхсветовое движение. И больше всех ради этого сделал, фактически, сам Эйнштейн. Но общей концепции нелокальной связи в современной физике нет, и больше всего мешает ее созданию авторитет Эйнштейна. Он побуждает многих физиков уклоняться от признания возможности сверхсветового сигнала, не брезгуя софизмами и мирясь с явными нелепостями. Это мешает найти верную дорогу и тем из физиков, кто больше верит опыту и математике, чем принципам и авторитетам.
Наша первая задача – оказать им поддержку путем логической и методологической критики односторонних локалистских воззрений. Попутно намечаются примерные идейные контуры общей концепции нелокальной связи. Наша концепция использует известное физическое знание, претендует не больше чем на роль первой рабочей гипотезы, и призвана не подменить работу физиков, а только показать возможность новых рациональных подходов.
Но как бы мы ни были скромны в претензиях, найдутся желающие обвинить автора в попытке возродить спекулятивную натурфилософию. Вместо словесных оправданий мы напомним один примечательный факт. А именно: упомянутая статья Бора с критикой выводов Эйнштейна, Подольского и Розена практически не содержит расчетов, – в отличие от критикуемой статьи. Зато Бор дал глубокий понятийный анализ ситуации квантового эксперимента, чего Эйнштейн и его соавторы не сделали. И сегодня мало кто сомневается, что прав в этом споре был философствующий Бор, а не калькулирующий Эйнштейн.
Такой результат типичен для периодов смены научной парадигмы. Сейчас мы переживаем очередную эпоху такого рода. Обычно ее описывают как становление постнеклассической науки, а новым лидером науки называют синергетику Пригожина-Хакена. Мы надеемся показать, что именно идеи синергетики позволяют построить рациональную концепцию нелокальной связи. Причем не столько в противоречии, сколько в союзе с ранее признанными учениями физики. И не вопреки математике (которая, конечно, не сводится к бездумной калькуляции), но как раз через большее доверие к ней.
А по ходу изложения мы не раз еще увидим, как Эйнштейн боролся с Эйнштейном, а математика – с односторонней «принципиальностью» физиков.

2. Эффекты и объяснения
Признание сверхсветового движения в работах первопроходцев данной темы почти всегда ограничивалось рамками микромира. По мнению Барашенкова, это «область ультрамалых пространственно-временных интервалов… где начинают играть существенную роль процессы, протекающие с нарушением пространственной и временной четностей» [3, с. 148; и др.] По мнению Терлецкого, «Запрещаются… макроскопические сверхсветовые сигналы, но не микроскопически обратимые процессы» [28, с. 6].
Тем самым заведомо исключалась возможность сверхсветовой передачи сигнала на практически значимые расстояния. Видимо, поэтому названные и другие авторы игнорировали уже известные в то время эксперименты, «подозрительные» на возможность сверхсветового сигнала. В результате, их глубокие исследования выглядят несколько схоластично и мало повлияли на науку и практику. В отличие от них, мы обратимся, в первую очередь, к данным опыта.
В 1965 г. в Москве группа Н.Г. Басова (одного из «отцов» лазера), пытаясь усилить лазерный луч, обнаружила, что скорость перемещения пика электромагнитного импульса через активную среду может превышать константу c в 6–9 раз [4; 5]. При этом усилитель представлял собой два последовательно соединенных кристалла рубина длиной по 21 см. В дальнейшем в разных странах, особенно в Германии, США и Китае, было поставлено много опытов с подобными сверхсветовыми эффектами. В англоязычной литературе за ними закрепилось название X-волна; в отечественной литературе их порой обозначают как быстрый свет. Мы будем использовать эти названия как синонимы.
Рекордным в этой области остается пока опыт 2000 года. Тогда группа Ли-Джун Вонга в Принстоне зафиксировала превышение c до 310 раз, пропуская импульс видимого света через ампулу (шириной 6 см) с глубоко охлажденными парами цезия. При этом пик импульса выходил из ампулы раньше, чем успевал в нее войти [47]. Сам Вонг в данной связи предпочел признать отрицательное время прохождения света через ампулу, но не сверхсветовую скорость сигнала. Если не учитывать силу традиции, такое решение выглядит странно.
Казалось бы, достаточно спросить: как физики узнали о сверхсветовом перемещении пика импульса, если оно не сопровождалось соответствующей по скорости передачей сигнала на макроскопическое расстояние?.. С точки зрения здравого смысла, ответ может быть только один: сигнал действительно передавался быстрее c. Но неклассическая физика находится, как известно, в сложных отношениях со здравым смыслом.
Н. Басов и его сотрудники тоже не решились на простой, но дерзкий ответ. Они нашли выход в утверждении, что сверхсветовое перемещение пика ограничивается исходной длиной импульса, а импульс в целом продвигается якобы не быстрее c [4, с. 58; 14, с. 182 и др.] Правда, остается неясным, почему само перемещение пика нельзя рассматривать как сигнал. Кроме того, в первых опытах группы Басова длина импульса превышала длину активной среды, и пик достигал конца прибора, заведомо «не добежав» до начала импульса [21, с. 1312–1313]. При таких обстоятельствах нельзя эмпирически доказать ограничение сверхсветового пути пика собственной длиной импульса.
Зато импульс можно укоротить обрезкой его передней низко интенсивной части, – т. н. предвестника. Басов с сотрудниками произвели такую операцию, и действительно показали, что пик обрезанного импульса перемещается быстрее c только до точки нулевой интенсивности, тогда как эта точка движется со скоростью, обычной для света в данной среде и заведомо меньшей c [4, с. 58]. Но обрезка могла существенно изменить характер процесса: ведь клин и обух движутся в среде по-разному. Это и подтвердилось в опыте. До обрезки импульс ускорялся, но не усиливался, а после обрезки он как бы разменял ускорение на усиление до 50 раз [4, с. 58; 14, с. 185, 187; 21, с. 1313, 1316].
Авторы опыта сознавали, что именно перемещение максимума по предвестнику в активной среде приводит к распространению пика со сверхсветовой скоростью [4, с. 58; 14, с. 173]. Это не побудило их усомниться в правомерности своих выводов: нет предвестника – нет проблемы. Зато они констатировали (поначалу – с удивлением), что необрезанный импульс сохраняет изначальную форму и не расходует ресурсы среды, почему и не усиливается. Соответственно, его квалифицировали как стационарный импульс. В этой связи те же авторы стали говорить о сверхсветовом движении уже не пика, а импульса вообще [14, с. 173, 181 и др.] Действительно, в случае стационарного импульса различать то и другое не имеет смысла. Но тем самым они опровергли собственный аргумент против сверхсветовой скорости сигнала.
Сейчас исследованы даже предельно короткие импульсы. Но неизвестны эксперименты, которые доказали бы ограниченность сверхсветового движения пика изначальной длиной импульса в его естественном виде, или хотя бы претендовали на подобный результат. Да и само такое доказательство мало бы что решило: ведь макроскопическая (порядка дециметров) длина сверхсветового пути фактически установлена уже в опытах группы Басова. А макроскопический интервал всегда можно увеличить тем или иным способом. Причем на практике это уже делается, а отчасти уже и сделано.
Еще в 1994 г. Г. Нимц и Х. Эйчман в лаборатории Hewlett Packard передали фотонные сигналы со скоростью 4,7 c на расстояние около метра посредством квантового туннелирования [35; 38]. Сейчас известны уже десятки успешных экспериментов такого рода [43; 49]. В 2000 г. было показано, что обычные радиоволны иногда распространяются в воздухе быстрее c на расстояние более метра от излучателя [42]. В 2002 г. Б. Робертсон (B. Robertson) и его сотрудники в университете штата Теннеси довели сверхсветовой путь электромагнитного импульса до 120 метров, применив специальную систему кабелей [40]. Уже более 15 лет в экспериментах успешно осуществляется т. н. квантовая телепортация состояний запутанных микрочастиц, – почти мгновенно на неограниченное расстояние.
Эти результаты показывают, что протяженность сверхсветового пути определяется не столько длиной импульса, сколько протяженностью и свойствами активной передающей среды. А такая среда может оказаться и мегаскопической. Еще в начале XX в. астрономы обнаружили, а в том же 1965 г. – переоткрыли (Г.Б. Шоломицкий и др.) сверхсветовое движение свечения некоторых квазаров. Английский космолог Мартин Рис (M. Rees) в 1966 г. предложил трактовать это движение как оптическую иллюзию; но данная теория не всегда объясняет результаты наблюдений [3, с. 143; 48].
Защитники принципа локальности утверждают, что квантовая телепортация в целом не достигает сверхсветовой скорости. При этом приводится единственный аргумент: истолкование наблюдений требует сравнивать во времени состояния квантовых объектов, для чего необходим де классический канал связи между наблюдателями. В силу этого, результирующая скорость связи оказывается якобы всегда досветовой [26, с. 663; и др.] Нетрудно видеть, что в таком рассуждении объективное спутывается с субъективным: скорость установления физической связи, заведомо и признанно сверхсветовая, – со скоростью осознания ее результатов наблюдателями. А связь между ними посредством X-волны вообще устранила бы здесь все физические ограничения.
К смешению объективного с субъективным (характерному вообще для неклассической физики) защитники принципа локальности прибегают и в других случаях. Так, Митио Каку в своей популярной книге пишет: «Предположим, что один из наших приятелей всегда носит разноцветные носки, красный и зеленый, не обращая внимания на то, какой цвет окажется на какой ноге. Скажем, мы осматриваем одну ногу и выясняем, что на ней красный носок. Значит, мы узнаем быстрее, чем со скоростью света, что на другой ноге зеленый носок. Информация действительно дошла до нас быстрее света, но она совершенно бесполезна» [13, с. 101].
«Бесполезность» такой информации – явное недоразумение, что тоже говорит о слабости позиции автора. Но еще более примечательно, что сам он «путает носки». В данном случае информация о зеленом носке не доходит до нас от чьей-то ноги: она возникает в нашем сознании путем логического заключения, на основе имеющихся и вновь полученных сведений. Значит, дело не в том, как быстро субъект догадывается насчет зеленого носка (быть может, спросонья не сразу сообразит), а в том, с какой объективной скоростью доходит до него сигнал от ноги, обутой в красный носок.
Родственна по идеям и так же несостоятельна распространенная апелляция защитников принципа локальности к законам сохранения. Типичный ход таких рассуждений: если мы знаем общий спин локальной системы двух частиц, и после их расхождения измерили спин одной из них, то спин другой частицы тут же становится нам известен, исходя из неизменности векторной суммы спинов и в силу несепарабельности квантовой системы [напр. 13, с. 100]. Снова, как в предыдущем случае, передача сигнала оказывается ни при чем.
Но из таких рассуждений следует, что Эйнштейн и его соавторы просто забыли законы сохранения; а вся дискуссия о парадоксе ЭПР шла якобы вокруг школьной ошибки и, тем не менее – привела к открытию квантовой телепортации. На деле сами авторы таких рассуждений забывают, что законы сохранения сформулированы для замкнутых, изолированных систем. А сверхчувствительная природа квантовых систем не позволяет считать их изолированными от среды даже в теоретической идеализации. Далее мы покажем, что нелокальные эффекты характерны именно для открытых, принципиально не замкнутых систем, т. к. только они способны к спонтанной самоорганизации.
Многие противники сверхсветовых скоростей, в т. ч. сам Вонг, предпочитают описывать быстрый свет не прямым механическим путем, а на языке оптики: в виде перемещения интерференционного максимума при аномальной дисперсии света в неравновесной среде. Такой подход облегчает трактовку X-волны как движения только оптического образа, вроде зеркального «зайчика» и т. п. А такое движение, как известно, не переносит сигнал от источника к приемнику. Для пояснения обычно приводят аналогию с движением картин электрической рекламы, которое можно сделать сверхсветовым, соответственно настроив переключатели питания частей табло [2, с. 1137; и др.]
Однако в данном примере изменение яркости ламп на табло происходит за счет внешнего подвода энергии к его частям. А в эффектах быстрого света изменение яркости само распространяется в среде; поэтому снова возникает вопрос о скорости передачи энергии и сигнала. К тому же, аномальная дисперсия должна сопровождаться поглощением света в среде и деформацией импульса, а в опытах по быстрому свету ни то, ни другое не наблюдается (что, напомним, удивило сотрудников Басова). Одно это должно бы поставить на подобных «объяснениях» жирный крест; но противники нелокальной связи мирятся и не с такими странностями.
Отрицая передачу информации X-волной, обычно ссылаются на способ определения скорости светового сигнала, предложенный A. Зоммерфельдом и Л. Бриллюэном. С их легкой руки, таковой считается скорость перемещения некоторой особенности электромагнитного поля – метки, разрыва или иной модуляции соответствующих волн [39, p. 1]. «…Волна должна быть как-то искажена, чтобы переносить какое-то заданное дискретное воздействие» – писал напр. Я.П. Терлецкий [28, с. 73]. Скорость подобных «искажений» действительно никогда не превышает c, в т. ч. – в экспериментах по быстрому свету. Обрезка предвестника в опытах группы Басова – частный случай такой модуляции, так что отрицание сверхсветовой скорости было предопределено техникой эксперимента.
Но известно, что сигнал передается не только через модуляцию несущей волны, как в аналоговой технологии радиовещания, передовой во времена Зоммерфельда и Бриллюэна. Информацию может сообщать также дискретный набор независимо (раздельно) передаваемых сигналов. Именно этот способ употребляется в семафорах и светофорах, в старой азбуке Морзе и в современной цифровой информационной технологии. Наконец, именно таков принцип человеческой членораздельной речи, в которой модуляции (интонации) обычно играют второстепенную роль. Но противники сверхсветового переноса информации вынуждены игнорировать эти общеизвестные истины. А также – результаты известных опытов. Ведь Нимц и Эйчман в 1994 г. туннелировали со скоростью 4,7 c не «бессмысленные» одиночные сигналы, а всю 40-ю симфонию Моцарта.
Неудивительно, что локалистские софизмы и отговорки не убеждают многих физиков. Однако их реакции зачастую носят, так сказать, линейный характер. Некоторые авторы, признавая реальность сверхсветовых сигналов, ищут для них экзотические объяснения. Например, допускают, что быстрый свет находит короткие пути в обход обычного пространства между стенками прибора – т. н. кротовые норы или червоточины в искривленном пространстве. Но такое искривление требует громадного тяготения. Странно предполагать подобные эффекты в стенах земной лаборатории, в ячейке шириной 6 см. С позиций методологии, такие экзотические теории ad hoc должны отсекаться бритвой Оккама.
Года два назад журнал «Scientific American» опубликовал, а его русское «зеркало» перепечатало статью с примечательным названием «Квантовая механика угрожает теории относительности» [1]. Центральная мысль статьи в том, что явление запутанности микрочастиц и многие другие квантовые эффекты противоречат СТО Эйнштейна. На обложку журнала вынесена крупная надпись: «Эйнштейн ошибся?». Л.Д. Вонг, запутавшись в попытках интерпретировать свой опыт в рамках принципа локальности, тоже пришел к отрицанию СТО, хотя не признал и сверхсветовой передачи информации. Есть и другие подобные примеры.
На наш взгляд, бунт против СТО напрасен. Эйнштейн действительно ошибся, возводя локальность в абсолют. Но СТО сама по себе адекватно отражает законы движения любых тел и вообще всякого движения в «обычной», т. е. пассивной среде. Все дело в свойствах активной среды, которые еще не были достаточно известны Эйнштейну. Впервые в общем виде они рассмотрены уже после его смерти, на почве синергетики как учения о законах спонтанной самоорганизации в открытых неравновесных системах. Конкретнее – теорией диссипативных структур И.Р. Пригожина.
Согласно данной теории, открытая система в определенных условиях самоорганизуется так, что сначала, как бы кредитующим образом, выделяет (диссипирует) собственную энергию, а затем восполняет ее за счет энергии входящего потока. А самоорганизация вообще имеет холистический и нелокальный (в другой терминологии – дальнодействующий) характер, т. е. охватывает почти сразу всю соответствующую систему. Таким образом, синергетика фактически признала реальность нелокальных связей раньше, чем была доказана нелокальность квантовой механики.
«Одной из наиболее известных особенностей диссипативных структур является их когерентность. Система ведет себя как единое целое, и как если бы она была вместилищем дальнодействующих сил», – писал сам Пригожин [22, с. 229]. И в другом месте: «В равновесии молекула “видит” только своих непосредственных соседей и “общается” только с ними. Вдали же от равновесия каждая часть системы “видит” всю систему целиком. Можно сказать, что в равновесии материи слепа, а вне равновесия прозревает» [23, с. 50].
Благодаря нелокальной самоорганизации, выделение энергии в отдаленных областях системы может выглядеть как сверхсветовая передача сигнала через среду. Таким образом, запрет Эйнштейна на сверхсветовой перенос локального «сгустка» (паттерна) энергии – тела либо обычной волны – прямо не нарушается, но обходится вмешательством активной среды, как бы поглощающей пространство. С позиции X-волны, проходимое ею в среде расстояние представляется математически мнимым.
Мы полагаем, что кредитующая диссипация ответственна за все сверхсветовые процессы. Наиболее наглядно это проявляется в опыте Вонга, где пик импульса выходит из среды раньше, чем вошел в нее. Очевидно, перед нами два хотя и подобных, но разных по происхождению импульса. Следовательно, дело не в скорости движения входящего импульса через пространство, занимаемое средой: среда сама рождает новый импульс. При этом входящий импульс поглощается опустошенной средой, и не мог бы, как таковой, двигаться дальше. Как ни странно, свет передается в активной среде быстрее света именно потому, что не может распространяться в ней с нормальной для пассивной среды скоростью.
Видимо, тот же механизм действует в сверхсветовом туннелировании. «Волновой пакет туннелирующего фотона изменяет свою форму, и пик (X-волна. – В. С.) туннелирующего фотона движется впереди фотона, свободно распространяющегося со скоростью света», – писал китайский физик Ву Зонг Чао [49]. Этим он фактически отметил кредитующий характер процесса. На родственность X-волн, запутанных состояний и сверхсветового туннелирования указывал также эстонский физик П. Саари. И справедливо резюмировал: «Можно заключить, что не дозволено сверхсветовое движение индивидуальных материальных частиц, но возбуждение в средах (an ensemble) может распространяться с любой скоростью...» [44, p. 14].
Но какова та активная среда, которая обеспечивает сверхсветовое туннелирование и квантовую телепортацию?.. Конкретное решение за физиками, но мы думаем, что это может быть сам физический вакуум. Правда, «истинный» вакуум, в отличие от т. н. ложного (сильно неравновесного) вакуума, считается равновесным на макроскопическом уровне. Однако нулевые флуктуации обычного вакуума постоянно и повсеместно доказывают его неравновесность в микроскопическом аспекте бытия. Вообще, в природе нет абсолютно равновесных сред, ибо в ней нет никаких абсолютов.
Кредитно-возвратная схема обеспечивает не только сверхсветовую скорость, но и саму возможность подбарьерного туннелирования. Известно, что нулевые флуктуации осуществляются с временным (в планковских масштабах) нарушением закона сохранения энергии. «Проще говоря, энергию на короткое время можно одолжить…» (у вакуума. – В. С.), – говорил, в частности, Ф. Вильчек в своей нобелевской лекции (2004) [11, с. 1327]. Частица может получить энергию (не от другого тела, а) от вакуума с тем, чтобы через планковский период возвратить ее в вакуум. Такое действие флуктуаций на квантовые объекты придает физический смысл главной теореме квантовой механики – принципу неопределенности Гейзенберга.
В свою очередь, данный принцип прямо указывает на возможность сверхсветовых скоростей. Это отмечал еще Р. Фейнман [30, с. 81]. Он же («с подачи» Д. Уиллера) вскрыл физический смысл двойственности решения максвелловых уравнений. Дело в том, что их полное решение дает не только запаздывающую волну, представляющую обычное движение света, но и опережающую волну. Последняя должна бы представлять луч света, уходящий назад во времени, что подозрительно на сверхсветовую скорость. Долгое время эта двойственность рассматривалась как бессмысленный математический фокус. Но в квантовой электродинамике Фейнмана движение античастицы вперед во времени осознается как движение обычной частицы вспять во времени [30, с. 86–89, 106, 120, 123].
Далее смысл подобных эффектов пояснил также Ф. Вильчек. Дополняя идею П. Дирака об античастицах, он говорил: «Очевидно, с некоторой вероятностью скорость (фотона или субсветовой частицы. – В. С.)… может оказаться несколько выше средней и, следовательно, выше скорости света, что запрещено СТО. Единственный способ разрешить противоречие включает в себя допущение о существовании античастицы. …(приходится. – В. С.) допустить, что в процессе измерения могут рождаться несколько частиц, не отличимых от начальной и находящихся в разных точках пространства. Для поддержания баланса… дополнительные частицы должны появляться в паре со своими античастицами» [11, с. 1326–1327].
Мы напомним (и поясним для читателей, далеких от физики), что фотон не имеет никакого заряда, поэтому античастицей для него является такой же фотон. А в силу квантовой неразличимости микрочастиц одного типа в одинаковом состоянии, эти фотоны и антифотоны можно рассматривать как взаимно тождественные частицы. Поэтому все равно, рождает ли среда новые «оригинальные» фотоны, или они возникают (с квантовой неопределенностью местоположения) как античастицы исходных фотонов, которые принцип Гейзенберга «заставил» преодолеть формальный рубеж скорости.
Таким образом, квантовая механика объясняет сверхсветовые эффекты по существу так же как синергетика. А именно: не те же частицы перемещаются со сверхсветовой скоростью, но в среде порождаются новые такие же частицы. Подход синергетики шире, чем квантовый: он позволяет сразу осознать, что сверхсветовые эффекты возможны не только в микромире. Зато тождество фотонов и антифотонов объясняет нам, почему именно сам свет, парадоксальным образом, движется «быстрее света».
Впрочем, по той же логике, участия в сверхсветовых эффектах следует ожидать и от других частиц, совпадающих со своей античастицей. Запомним это на будущее.

3. Агенты нелокальной связи
На наш взгляд, X-волны можно трактовать как следствие распространения т. н. волн вещества, т. е. волн де Бройля; а в роли квантов этих волн могут выступать тахионы – известные сверхсветовые частицы. Оба агента для физики не новы, чем-то новым является только попытка их объединения.
Л. де Бройль сразу (1923) установил, что скорость волн вещества определяется как w = c2/v, где v – скорость излучателя данных волн в избранной нами системе отсчета [9]. Так как эти волны излучаются только инерционными объектами, имеющими массу покоя, а для последних всегда v < c, то заведомо w > c, т. е. это сверхсветовая волна. Особый случай – когда v = c и, соответственно, w = c: это фотоны и электромагнитные волны. Волны де Бройля сразу нашли применение в квантовой механике, но обычно рассматривались не как объективный процесс, а как прием статистического описания – т. н. волны вероятности (М. Борн, 1927).
Сам де Бройль считал, что «волны вещества» энергию не переносят, и в этом смысле они фиктивны. И мы отмечали, что X-волна представляет собой не перенос входящей в среду энергии, а процесс выделения возбужденной неравновесной средой ее собственной энергии. Но данный процесс должен быть как-то запущен (инициирован) и должен чем-то поддерживаться, а без энергии ничто не совершается. Естественно допустить, что волны де Бройля все же переносят энергию, хотя в относительно малых количествах, выполняя функцию раннего предвестника X-волны.
Это допущение подкрепляется с признанием тахионов квантами волн вещества. Известно, что энергия тахионов имеет, в общем случае, ненулевое вещественное значение, хотя масса их мнимая (m2 < 0) [3, с. 134]. Напомним, что тахионы открыты еще в 1960 г., т. е. до опытов Басова. Физики сразу попытались применить идею тахионов к объяснению этих опытов, но тогда не удалось справиться с трудностями объяснения. И дело тут вовсе не в СТО. Как отмечал уже Я.П. Терлецкий, «в рамках релятивистской кинематики и динамики никаких оснований для исключения таких частиц не имеется» [28, с. 87].
По общему мнению физиков, главным затруднением для признания тахионов и нелокальной связи вообще является возможность нарушения при сверхсветовых скоростях временнóго порядка причины и следствия [28, с. 98; и др.] При таком нарушении следствие должно «забегать» вперед своей причины. В частности, наблюдатель мог бы отправить сигнал в собственное прошлое и этим, напр., расстроить отношения своих деда и бабушки еще до зачатия ими отца этого наблюдателя (т. н. парадокс грандфатера, от англ. grandfather – дед).
Однако сам Эйнштейн еще в 1907 г. показал, что парадокс грандфатера возникает только при условии vW > c2, где v – скорость излучателя сигнала, W – скорость самого сигнала. Если в нашей системе отсчета излучатель покоится (v  0) или движется со скоростью любого современного транспорта, то парадокс грандфатера может возникнуть только вблизи бесконечных значений W, не обязательных для сверхсветового сигнала.
Тем не менее, Эйнштейн считал, что такой сигнал находится под абсолютным запретом. Ведь выбор системы отсчета произволен, поэтому, – рассуждал Эйнштейн, а за ним и другие физики, – на каждый излучатель можно найти такую систему отсчета, в которой все же возникает парадокс грандфатера [36, с. 61–62, 77, 158; 3, с. 135–139; 28, с. 75, 80]. Найти такого субсветового наблюдателя в реальности непросто; но тут, как говорится, дело принципа. Если же рассматривать тахионы как кванты волн де Бройля, то нарушения причинно-временного порядка событий не наблюдается ни в каком случае.
Скорость этих волн определяется, напомним, по формуле w = c2/v, т. е. она обратно пропорциональна скорости v источника волны: чем он «быстрее», тем «медленнее» волна в той же системе отсчета. В результате имеем инвариантное равенство vW = vw = vc2/v = c2. Следовательно, никогда не получится vW > c2. Таким образом, для волн де Бройля (а значит, и для тахионов) условие парадокса грандфатера в реальности не осуществляется, что и требовалось доказать.
Кроме того, для всех инерционных объектов (а только они излучают волну де Бройля) всегда v < c; поэтому, исходя из того же равенства, в любой системе отсчета возможно W > c. Другими словами, всегда возможна сверхсветовая скорость передачи сигнала без нарушения нормального причинно-временного порядка событий. Многие физики и философы, включая автора этих строк, приходили к подобным выводам из других соображений [2, с. 1137; 3, с. 137; 19, с. 110; 26, с. 676; 27, с. 89–90; 28, с. 4, 6 и др.; 31, с. 56, 59, 60, 93; 35, с. 45; 41; 43; 45].
При этом некоторые авторы фактически уже использовали приведенное выше равенство vW = c2, хотя не связывали его со скоростью волн де Бройля [31, с. 16, 60]. Обращение к этой формуле позволяет решить проблему, не прибегая к вероятностным законам и к понятию флуктуаций, как это делал напр. Я.П. Терлецкий [28, с. 80–84, 98, 107]; а результат распространяется не только на микроскопические (как у Терлецкого), но на любые сверхсветовые эффекты.
Таким образом, исчезает главный теоретический аргумент против нелокальной связи, он же – главный аргумент против существования тахионов. В современной научной практике идея тахионов активно используется при описании передачи возбуждений в неравновесной среде на макроскопические расстояния. Сюда включаются и эффекты быстрого света, причем конкретно рассчитываются (сверхсветовые) скорости данных процессов. В этой связи некоторые физики, даже независимо от рассматриваемых нами проблем, пришли уже к выводу, что тахион, «несмотря на свои необычные свойства... не досужая выдумка теоретиков, а реальная составная часть физической картины мира» [2, с. 1140]. Другие физики именно при рассмотрении сверхсветового электромагнитного импульса заключают, что он обладает всеми формальными атрибутами тахиона, а потому тахион следует также признать действительным физическим объектом [21, с. 1320]. То есть – не условной, а объективно существующей частицей, хотя и специфической.
А если считать тахионы квантами волн де Бройля, эти волны тоже следует признать объективно существующими. Но под действием принципа локальности в трактовке этих волн сформировалась сложная путаница понятий. Вполне отследить ее можно только в отдельной и достаточно специальной работе. Однако любая путаница когда-то разоблачается практикой, что в нашем случае уже произошло. Только поэтому мы беремся кратко осветить данный вопрос в философской статье.
Л. де Бройль называл свои волны вещества «волнами фазы» в том смысле, что фаза такой волны (говоря условно – ее гребень или впадина) определяет состояние квантового объекта [9 и др.] Например, положение электрона в атоме устойчиво лишь при такой длине его орбиты, когда соответствующая электрону волна де Бройля образует на орбите т. н. стоячую волну. Это замкнутый цуг волн, в котором фазы его начальной и конечной точек полностью совпадают. Стоячая волна действительно не переносит энергию, как белка в колесе не переносит шишку.
При таких предпосылках и под влиянием словесного сходства, скорость «волн фазы» была вскоре истолкована как фазовая скорость волны. Но вообще это разные понятия. Фазовой называется скорость перемещения определенной фазы данной волны в произвольно избранном направлении. Величина такой скорости – геометрическая фикция. Она зависит от угла между выбранной линией измерения и направлением переноса энергии: чем больше угол – тем выше кажущаяся скорость [8, с. 798–799; и др.] Заведомо ясно, что с такой скоростью энергия и сигнал не переносятся (если только указанный угол не равен нулю). Сверхсветовые значения фазовой скорости можно намерять даже для обычных волн на воде, надо лишь круче наклонить линию измерения. 
Так «поясняли» и сверхсветовую скорость волн де Бройля. Но в приведенной выше формуле самого де Бройля эта скорость не зависит ни от каких углов, ее направление и величина заданы объективным образом. Однако данная «нестыковка» маскируется наложением другой путаницы: отождествлением фазовой скорости со скоростью монохроматической волны. Повод находят в том, что формула де Бройля, как многие формулы волновой механики, написана для монохроматической волны (имеющей строго определенную частоту), а в реальности всякий объект излучает полихромно. Это часто подчеркивал сам де Бройль, а за ним, с той же целью – и другие авторы [напр. 28, с. 69].
Под таким прикрытием монохроматические волны трактуют как тоже фиктивные, отказывая им в способности самостоятельно переносить энергию. Такую способность признают только за групповой скоростью, в смысле скорости огибающей полихроматического «волнового пакета» [8, с. 138–139; 28, с. 69–73]. Между тем, хорошо известно (и не только физикам), что в действительности монохроматические волны переносят энергию. Например, цветные лучи, полученные еще И. Ньютоном путем разложения солнечного света в стеклянной призме, нагревают поверхность, и это мало зависит от возможных инохроматических «примесей». А лазерный луч, практически точечно-монохромный, может резать толстую сталь.
Но эти трезвые замечания глохнут, как тут может показаться, перед авторитетом самой математики. Ведь она вроде бы строго доказывает, что групповая скорость волн де Бройля всегда равна скорости движения излучающего их тела, т. е. – всегда ниже c [6, с. 195–199; 28, с. 72]. С точки зрения здравого смысла, такое непременное равенство скоростей волны и ее излучателя выглядит странным. Никогда никуда не бегущая волна – как рысак, рожденный исключительно для стойла. Но на подобную критику физики могут ответить афоризмом П. Дирака: Shut up and calculate! (англ. Заткнись и считай!).
Сами физики знают, что указанное равенство скоростей – обычный признак т. н. присоединенной волны. Такая волна действительно практически не отделяется от источника и не дает излучения. Как и стоячая волна, она не переносит энергию, точнее – не переносит ее на макроскопические расстояния. Это просто волновой ореол вблизи источника, имеющего некоторую протяженность. А для объяснения квантовых волновых эффектов и тех опытов, которые доказали существование волн де Бройля (интерференция электронов на атомарной дифракционной решетке), достаточно признать влияние данных волн в микроскопических масштабах.
Но присоединенная волна возникает благодаря тому, что парциальные волны гасят друг друга на удалении от источника; а для этого сами парциальные волны должны быть примерно одной или близкой частоты. Так что полихромность волн де Бройля, возведенная в принцип, по факту допускается только в узких пределах. Но все же допускается, так что приличия соблюдены. И пока мы остаемся на почве механики пассивных сред, нет практического смысла критиковать рассуждения физиков с позиций чистой логики. Однако любые нарушения логики – это бомба с часовым механизмом, а в нашем случае она уже взорвалась.
Еще во второй половине XX в. почти все авторы и все энциклопедии утверждали, что по теории относительности групповая скорость не может превышать c [8, с. 138–139]. Именно ради этого вывода поклонники принципа локальности противопоставляли групповую скорость и скорость монохроматических волн де Бройля [напр. 28, с. 72]. Но в современной физической литературе таких утверждений нет, и «виноваты» в этом именно опыты по быстрому свету. Все специалисты в данной области признают и подчеркивают, что перемещение пика электромагнитного импульса происходит именно с групповой скоростью, многократно превышающей c [10, с. 136; 39; 44; 47; 49].
В результате, тем же поклонникам пришлось принять еще одно странное положение: что ни групповая, ни фазовая и вообще никакая скорость волнового процесса не связана однозначно с переносом энергии [25, с. 191]. Это уже хаос как следствие взрыва в сознании. Конечно, со временем физики установят новый, более совершенный порядок в понятиях волновой механики. Но мы попытаемся решить наши задачи, не навлекая упреков в подмене физики философией, даже в методологической плоскости.
И ныне ведь признано в физике, что присоединенные волны образуются, только когда объект движется равномерно и прямолинейно со скоростью, не превышающей скорости распространения волн в данной среде. А в диссипативных эффектах наблюдается как раз противоположная ситуация. Здесь первичный импульс резко тормозится при входе в среду, и порождает X-волну, которая перемещается заведомо быстрее, чем обычные волны в любой среде. В такой ситуации парциальные монохроматические волны де Бройля уже не могут гасить друг друга, как в пассивной среде, и должны излучаться на дальние расстояния.
И только в этом случае возникает настоятельная потребность в тахионах как квантах, способных обеспечить дальний радиус полевого воздействия. Пока этот радиус оставался микроскопическим, с квантами волн де Бройля можно было, без большого греха, отождествлять сами излучающие тела. 
Впрочем, «дальний радиус действия» тут надо понимать cum grano salis. С одной стороны, «задача» таких агентов заключается в скоростной передаче возбуждения от некоторых элементов активной среды к другим ближайшим ее элементам, так что указанное дальнодействие означает только способность непрерывно выполнять эту функцию даже в относительно разреженной среде. Видимо, прав С. Танака, что тахионы появляются только во взаимодействиях с другими частицами (в промежуточных состояниях), но не в полностью свободном состоянии.
С другой стороны, тахионы вообще не локализуются в пространстве, что связывают с мнимым значением их массы [25, с. 182–184; 26, с. 663, 672]. Вообще, согласно преобразованиям Лоренца, объекты, имеющие сверхсветовую скорость, не могут присутствовать в реальном пространстве. Поэтому рассуждения о тахионном веществе, о тахионных пулях, яблочках или шариках и т. п. [напр. 3, с. 136; 28, с. 75] могут восприниматься только как условный прием популярного изложения. Уже фотоны и гравитоны – не вещество, а тахионы – тем более.
Волна де Бройля тоже не является волной в обычном пространстве. Это понимал еще М. Борн, а Д. Белл подчеркивал данной свойство в связи с нелокальностью квантовой механики. От себя добавим, что волны де Бройля не могут всегда локализоваться в пространстве уже в силу своих размеров. Длина такой волны определяется, как известно, по формуле h/p, где h – постоянная Планка, p – количество движения данного объекта. При значении p около 67 кгм/с эта длина становится меньше минимального пространственного масштаба – т. н. планковской длины (порядка 10–35 м).
Интересно, что обычный пешеход, в зависимости от скорости его движения, может оказаться по любую сторону этой границы. Тут есть над чем подумать и философам, и психологам, и социологам. А для физики ближайший урок состоит в том, что можно рассчитывать только на косвенные эмпирические свидетельства существования сверхсветовых агентов. Поэтому так трудно дается обнаружение тахионов в опыте [напр. 31, с. 33–34]. Уверенной их фиксации не достигнуто и поныне, хотя претензии были (1999, проф. А.А.. Тяпкин из ОИЯИ, ныне покойный).
На наш взгляд, специфика сверхсветовых агентов позволяет понять природу тяготения; но этот вопрос требует рассмотрения отдельным пунктом.
 
Список литературы

1. Алберт Д. и Галчен Р. Квантовая механика угрожает теории относительности // В мире науки. – 2009. – № 5. – С. 18–25.
2. Андреев А.Ю., Киржниц Д.А. Тахионы и неустойчивость физических систем // Успехи физич. наук. – 1996. – Вып. 10. – С. 1135–1140.
3. Барашенков В.С. Тахионы: частицы, движущиеся со скоростями больше скорости света // Успехи физич. наук. – 1974. – Вып. 9. – С. 133–149.
4. Басов Н.Г., Амбарцумян Р.В., Зуев В.С., Крюков П.Г., Летохов В.С. Скорость распространения мощного импульса света в инверсно заселенной среде // Доклады АН СССР. – 1965. – Т. 165 (1). – С. 58–60.
5. Их же. Нелинейное усиление импульса света // Журнал экспериментальной и теоретической физики. – 1966. – Вып. 1. – С. 23–34.
6. Бергман П.Г. Введение в теорию относительности. – М.: Изд-во иностр. литературы, 1947. – 380 с.
7. Болотовский Б.М., Быков В.П. Излучение при сверхсветовом движении зарядов // Успехи физич. наук. – 1990. – Вып. 6. – С. 141–161.
8. Большой энциклопедический словарь. Физика. – 4-е изд. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1999. – 944 с.
9. Бройль Л. де. Волны и кванты // Успехи физич. наук. – 1967. – Вып. 9. – С. 178–180.
10. Бухман Н.С. О реальности сверхсветовой групповой скорости и отрицательного времени задержки волнового пакета в диспергирующей среде // Журнал теоретической физики. – 2002. – Вып. 1. – С. 136–138.
11. Вильчек Ф.А. От парадоксов к парадигмам // Успехи физич. наук. – 2005. – Вып. 12. – С. 1325–1337.
12. Гравитация и относительность. / Под ред. Х. Цзю и В. Гоффмана. – М.: Мир, 1965. – 544 с.
13. Каку М. Физика невозможного. – М.: Альпина нон-фикшн, 2010. – 454 с.
14. Крюков П.Г., Летохов В.С. Распространение импульса света в резонансно усиливающей (поглощающей) среде // Успехи физич. наук. – Т. 99, вып. 2. – Октябрь 1969 г. – С. 169–227.
15. Лаплас П.С. Изложение системы мира. – Л.: Наука, 1982. – 374 с.
16. Липунов В.М. Гравитационно-волновое небо // Соровский образовательный журнал. – 2000. – Т. 6. – № 4. – С. 77–83.
17. Массер Дж. Теории всех полей, объединяйтесь! // В мире науки. – 2004. – № 12. – С. 25–34.
18. Мизнер Ч., Торн К., Уилер Дж. Гравитация. – М.: Мир, 1977. – Т. 3. – 510 с.
19. Молчанов Ю.Б. Принцип причинности и гипотеза сверхсветовых скоростей // Вопр. философии. – 1976. – № 5. – С. 100–110.
20. Ньютон И. Математические начала натуральной философии. – М.: Наука, 1989. – 688 с.
21. Ораевский А.Н. Сверхсветовые волны в усиливающих средах // Успехи физич. наук. – 1998. – Вып. 12. – С. 1311–1321.
22. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. – М.: Прогресс, 1986. – 431 с.
23. Пригожин И. Философия нестабильности // Вопросы философии. – 1991. – № 6. – С. 46–52.
24. Пуанкаре А. О динамике электрона // Альберт Эйнштейн и теория гравитации. – М.: Мир, 1979. – С. 85–98.
25. Розанов Н.Н. Сверхсветовые локализованные структуры электромагнитного излучения // Успехи физич. наук. – 2005. – Вып. 2. – С. 181–185.
26. Сазонов С.В. Сверхсветовые электромагнитные солитоны в неравновесных средах // Успехи физич. наук. – 2001. – Вып. 6. – С. 663–678.
27. Самченко В.Н. Сверхсветовой сигнал и мнимые кванты // Философия науки. – 2007. – № 3 (34). – С. 83–94.
28. Терлецкий Я.П. Парадоксы теории относительности. М.: Наука, 1966. – 120 с.
29. Турышев В.Г. Экспериментальные проверки общей теории относительности: недавние успехи и будущие направления исследований // Успехи физич. наук. – 2008. – Вып. 1. – С. 3–34.
30. Фейнман Р. КЭД – странная теория света и вещества. – М.: Наука, 1988. – 144 с.
31. Философские проблемы гипотезы сверхсветовых скоростей / Сб. статей: В.С. Барашенков, В.Ф. Перепелица, С.В. Илларионов, Л.Б. Баженов, Ю.Б. Молчанов (отв. ред.). – М.: Наука, 1986. – 158 с.
32. Фок В.А. Теория пространства, времени и тяготения. – Изд. 2-е, доп. – М.: Физматгиз, 1961. – 563 с.
33. Фреге Г. Основоположения арифметики. Логико-математическое исследование о понятии числа. – Томск: Водолей, 2000. – 64 с.
34. Хокинг С. От большого взрыва до черных дыр: Краткая история времени. – М.: Мир, – 1990. – 168 с.
35. Шварцбург А.Б. Туннелирование электромагнитных волн – парадоксы и перспективы // Успехи физич. наук. – 2007. – Вып. 1. – С. 43–58.
36. Эйнштейн А. Собрание научных трудов. – Т. 1. – М.: Наука, 1965. – 700 с.
37. Эйнштейн А., Подольский Б., Розен Н., Бор Н. Можно ли считать, что квантовомеханическое описание физической реальности является полным? // Успехи физич. наук – 1936. – Вып. 4. – С. 440–457.
38. Aichmann H., Haibel A., Lennartz W., Nimtz G. and Spanoudaki A. Demonstrating Superluminal Signal Velocity // Proc. of the International Symposium on Quantum Theory and Symmetries, 18–22 July 1999 (Goslar, 2000). – P. 605–611.
39. Brunner N., Scarani V., Wegmüller M., Legrґe M. and Gisin N. Direct measurement of superluminal group velocity and of signal velocity in an optical fiber // arXiv:quant-ph/0407155 (10 Jan. 2005).
40. Faster and further. Speed of light broken with basic lab kit. // New Scientist magazine. – 2002. – Issue 2361. – P. 24.
41. Liberati S., Sonego S., Visser M. Faster-than-c signals, special relativity, and causality // Annals Phys. – 2002. – V. 298. – P. 167–185.
42. Mugnai D., Ranfagni A. & Ruggeri R. Observation of Superluminal Behaviors in Wave Propagation // Phys. Rev. Let. – 2000. – Issue 84. – P. 4830–4833.
43. Nimtz G. Superluminal Signal Velocity and Causality // Foundations of Physics. Vol. 34, № 12. – December 2004. – P. 1889–1903.
44. Saari P. Superluminal Localized Waves of Electromagnetic Field in Vacuo // arXiv:physics/ 0103054v1 [physics.optics] 19 Mar 2001. P. 1–14.
45. Sauter Th. Superluminal signals: an engineer's perspective // Physics Letters A. – V. 282, Issue 3. – 16 April 2001. – P. 145–151.
46. Van Flandern T. The speed of gravity – what the experiments say // Phys. Lett. A, 250 (1998) № 1.
47. Wang L.J., Kuzmich A. and Dogariu A. Gain-assisted superluminal light propagation // Nature. – 2000. – V. 406. – P. 277–279.
48. Wardle J.F.C., Homan D.C., Ojha R, Roberts D.H. Electron-positron jets associated with the quasar 3C279 // Nature. – V. 395. – 01 Oct. 1998. – P. 457–461.
49. Wu Zhong Chao. The Imaginary Time in the Tunneling Process. arXiv:0804.0210v1 [quant-ph] – 1 Apr 2008.


 Продолжение следует

 
 

CREDO - копилка

на издание журнала
ЯндексЯндекс. ДеньгиХочу такую же кнопку