ANTARES
Совместный проект исследователей из университетов Бирмингема, Оксфорда и Шелфилда, а также ученых и инженеров из Франции, Нидерландов, России, Испании и Великобритании должен превратить кубический километр Средиземного моря в нейтринный телескоп. Пронизывая Землю, нейтрино иногда случайно будут взаимодействовать с частицами суши прямо под детектором или же с частицами морской воды, окружающей его. Взаимодействие будет порождать высокоэнергетичный мюон, который будет испускать Черенковское излучение. Струны детекторной матрицы устанавливаются с корабля тяжелый якорь опустит один конец струны на морское дно, а буй на другом конце сохранит ее вертикальное положение. Сигналы от детекторов будут передаваться на берег через подводный кабель. Для соединения струн с кабелем используется «Nautile» глубоководная субмарина с мини-ЭВМ, которая применялась для изучения повреждений знаменитого «Титаника». Установка основной части матрицы закончится в 2002 году.
Людмила Князева
Скорость света в веществе.
Из уравнений Максвелла скорость
света может быть определена как
где – электрическая
постоянная, – магнитная постоянная.
Естественно, что свет, распространяясь
в прозрачных средах, изменяет свою
скорость. Для описания скорости света
в веществе служит одна из основных оптических характеристик
– показатель (или коэффициент) преломления n.
Показатель преломления показывает
во сколько раз скорость света в вакууме
больше скорости света в веществе. Согласно
решению системы уравнений Максвелла
для сред
где – диэлектрическая
проницаемость вещества, – магнитная
проницаемость вещества. Для большинства
прозрачных сред можно принять 1.
В общем случае скорость света
в веществе зависит от длины волны (дисперсия).
4.1. Мнимые массы.
Могут ли существовать в
природе частицы, движущиеся со скоростями,
превосходящими скорость света в вакууме?
Когда такой вопрос задается тому, кто
знаком с основами теории относительности,
то ответ, как правило, бывает отрицательным,
поскольку с первого взгляда кажется,
что частицы, обладающие такими скоростями
(их принято называть тахионами от греческого
слова “быстрый”), должны находиться
в очевидном противоречии с хорошо проверенными
на опыте принципами этой теории.
Действительно, один из основных
выводов теории относительности
состоит в том, что полная энергия
частицы, движущейся со скоростью * и имеющей в состоянии покоя
массу m, равна
где c 31010 см/сек — скорость
света в вакууме. Из этого соотношения
видно, что когда скорость частицы приближается
к скорости света, *⟶с, энергия такой частицы обращается
в бесконечность, а при скоростях, когда
подкоренное выражение в знаменателе
принимает отрицательные значения, вообще
становится мнимой величиной. То же самое
происходит с импульсом частицы , со временем ее
жизни (τ — время жизни неподвижной
частицы) и со всеми другими физически
наблюдаемыми, измеримыми в эксперименте
характеристиками частицы, выражения
для которых содержат релятивистский
фактор
Невозможность движения тел
со сверхсветовыми скоростями * > с отмечалась еще Пуанкаре,
а затем и Эйнштейном в его знаменитой
работе в «Annalen der Physik», где были сформилированы
основные положения теории относительности.
Однако эти возражения
являются не столь серьезными, как
это можно было бы думать, и, в
сущности, говорят лишь о том, что
частица, движущаяся со скоростью * < с, не может путем
непрерывного увеличения скорости превратиться
в тахион и, наоборот, тахионы, если они
существуют в природе,
путем постепенного уменьшения своей
скорости не могут перейти в обычные
«досветовые» частицы. Другими словами,
тахионы и досветовые частицы
представляют собой существенно различные
типы частиц. Тахионам нет нужды преодолевать
световой барьер; подобно тому, как фотон
и нейтрино сразу рождаются со скоростью * = с, тахионы также могут рождаться
и поглощаться, всегда имея скорость * >> с.
Заметим, что масса частицы
m и ее собственное время жизни τ относятся
к неподвижной частице и, следовательно,
непосредственно измеримы в эксперименте
лишь при *⟶0 — в случае, который, как мы
только что видели, принципиально недостижим
для тахиона; во всех же других случаях
для тахионов при * > с и в промежуточном случае,
когда * = с, эти величины являются не
измеряемыми, а определяемыми с помощью
тех или иных теоретических соотношений
Важно лишь, чтобы была логически самосогласованной
и согласовалась с опытом вся совокупность
соотношений, в которые входят определенные
таким образом значения шит. Массе m при
этом можно приписать, в частности, нулевое
значение, как это имеет место в случае
фотона и нейтрино, или даже считать m и
τ мнимыми величинами: m = im, τ = iτ
Последнее как раз и соответствует тахионам,
у которых энергия, импульс, время жизни
в лабораторной системе координат и все
другие экспериментально наблюдаемые характеристики
будут при этом обычными действительными
величинами ).
Дефицит массы
Таким образом, все четыре солнечных нейтринных эксперимента (Homestake, Kamiokande, SAGE и GALLEX) показывают, что измеренный поток солнечных нейтрино на орбите Земли значительно меньше, чем предсказано Стандартной Солнечной Моделью. Это расхождение получило название «Проблемы солнечного нейтрино». В то время когда шли эксперименты, физики-теоретики и астрофизики пытались выяснить причину этих расхождений. Существуют два возможных объяснения: либо ученые не знают в действительности, как звезды (и, в частности, Солнце) обеспечивают свою светимость, либо не понимают природы нейтрино. Тщательные вычисления, проведенные астрономами, показали, что дефицит солнечных нейтрино различных энергий не может урегулироваться никакими приемлемыми моделями.
Непростая репутация нейтрино навела некоторых ученых на мысль, что возможны взаимные превращения нейтрино (так называемые осцилляции) за время их путешествия от центра Солнца к Земле. Еще в 1957 году физик Бруно Понтекорво сформулировал теорию нейтринных преобразований, согласно которой при существовании различных видов нейтрино они могут трансформироваться из одного вида в другой и обратно. Но для такого превращения необходимо, чтобы нейтрино имело хотя бы крошечную массу. Безмассовые частицы не способны на такие превращения. Следовательно, обнаружение осцилляций нейтрино будет свидетельством наличия у них массы покоя. А потому последующие нейтринные эксперименты ставили своей основной целью поиск осцилляций нейтрино.
В 1998 году участники эксперимента «Суперкамиоканде» заявили о регистрации явлений, похожих на нейтринные осцилляции. В ходе эксперимента исследовалось число мюонных нейтрино, рожденных в верхних слоях земной атмосферы, при столкновении протонов космических лучей с ядрами атомов воздуха, приходящих в детектор с разных расстояний. Оказалось, что меньшее число мюонных нейтрино приходило с тех направлений, где нейтрино преодолевали большее расстояние. Эти результаты дали основания полагать, что количество нейтрино данного класса зависит от пройденного ими пути, что может быть следствием трансформации нейтрино из одного вида в другой.
Решение проблемы дефицита солнечных нейтрино, и в частности исследование нейтринных осцилляций, также требует независимых измерений потока электронных нейтрино и мюонных и тау-нейтрино. Такие исследования были выполнены Садбурской нейтринной обсерваторией (SNO). Благодаря использованию тяжелой воды были измерены поток и энергия электронных нейтрино и поток всех нейтрино с использованием двух типов взаимодействий нейтрино с дейтерием. Потоки нейтрино, измеренные двумя способами, различались на треть, и причину этого расхождения ученые видят в том, что электронные нейтрино, возникающие в центре Солнца по пути к Земле, преобразовались частично в мюонные, а частично в тау-нейтрино. Такие преобразования свидетельствуют о наличии у нейтрино массы покоя. Оказалось, что все нейтрино Вселенной весят примерно столько же, сколько все видимые звезды.
OPERA » Детектор » Нейтрино » Техника » Наука » GizMod.Ru
Категории: Техника » Наука
Apacer AS2280P2 — SSD M.2 NVMe
Opera 50.0.2762.18 Beta — отличный браузер с кучей надстроек
Opera 55.0.2994.14 Beta — отличный браузер с кучей надстроек
Google Chrome 67.0.3396.99 — самый передовой браузер
Исследователи, принимающие участие в эксперименте OPERA, 23 сентября сообщили о результатах наблюдений, который указывают на то, что нейтрино могут двигаться быстрее скорости света. Учитывая последствия, к которым может привести подтверждение этого факта (речь идет о нарушении ключевого положения теории относительности Эйнштейна), ученые не стали торопиться с выводами, ожидая независимой проверки.
Категории и теги: Техника » Наука » OPERA, Детектор, Нейтрино, Исследования, Скорость.
Отметим, что теоретические расчеты нередко дают значения скоростей, превышающих скорость света. Общепринятым объяснением для таких случаев является невозможность передачи информации в процессах, описываемых с помощью упомянутых расчетов. Это позволяет сохранить незыблемым утверждение специальной теории относительности, согласно которому скорость света является максимально достижимой скоростью распространения сигналов.
Скорости, превышающие скорость света, наблюдались и в практических экспериментах, однако всякий раз ситуация объяснялась погрешностью измерений.
Имеет ли место систематическая погрешность на этот раз? Сами участники эксперимента настроены сдержанно. Вместе с тем, они наблюдали более 15000 «событий», используя в качестве источника частиц находящийся в Швейцарии ускоритель CERN, а в качестве приемника — расположенный в 730 км от него на территории Италии детектор OPERA (на иллюстрации). Расстояние между источником и приемником было измерено с точностью не хуже 20 см, а время синхронизировано с точностью не хуже 10 нс. Для устранения помех приемник лаборатории Национального института ядерной физики находится на глубине 1,4 км. По словам одного участников, методика эксперимента проста, как школьная задача: скорость определяется делением расстояния на время.
Если все же речь идет не об ошибке и результаты подтвердятся, это может существенно изменить и дополнить наши представления об устройстве мира, подтвердив еще раз непреложную истину — процесс познания бесконечен.
Теги: OPERA, Детектор, Нейтрино, Исследования, Скорость
Доработка мультиметра RICHMETERS RM113D
Обзор понижающего и универсального DC-DC преобразователей
Тест аккумуляторов 18650 Lanzhd 3300 мАч
Сравнение и тест аккумуляторов LiitoKala 18650
Apacer AS2280P2 — SSD M.2 NVMe
Opera 50.0.2762.18 Beta — отличный браузер с кучей надстроек
Opera 55.0.2994.14 Beta — отличный браузер с кучей надстроек
Google Chrome 67.0.3396.99 — самый передовой браузер
Категория: Техника » Наука | 27-09-2011, 13:11 | Просмотров: 4 470 |
2.1. Опыт Саде.
Эксперименты
Кеннеди и Торндайка (1932 г.) и позже
Д. Саде (1963 г., D.Sade, Phys.Rev.Lett. 10, 271 (1963)). Д. Саде рассматривал распадающиеся
электрон-позитронные пары, которые образовывались
при столкновении движущихся позитронов
со скоростями от 0 до V с/2 с электронами
мишени. В результате аннигиляции электрон-позитронной
пары испускались у кванты (см рис. 2.8).
Саде измерял скорость
прихода испущенных γ квантов в пространственно
разделенные детекторы. Он получил, что
с точностью до 10% скорость квантов была одинакова
и равнялась с, независимо
от того, с какой скоростью двигался позитрон
и электрон-позитронная пара до распада.
Выводы многочисленных экспериментов: скорость света не
зависит от взаимного движения источника
или приемника.
Что быстрее света в нашем мире? Часть I
Скорость больше скорости света в вакууме — это реальность. Теория относительности Эйнштейна запрещает лишь сверхсветовую передачу информации. Поэтому есть довольно много случаев, когда объекты могут двигаться быстрее света и ничего при этом не нарушать. Начнем с теней и солнечных зайчиков.
Если создать на далекой стене тень от пальца, на который светите фонариком, а потом пальцем пошевелите, то тень задвигается гораздо быстрее пальца. Если стена расположена очень далеко, то движение тени будет отставать от движения пальца, так как свет должен будет еще долететь от пальца до стены, но все равно скорость движения тени будет во столько же раз больше. То есть, скорость движения тени не ограничена скоростью света.
Кроме теней быстрее света могут двигаться и «солнечные зайчики». Например, пятнышко от лазерного луча, направленного на Луну. Расстояние до Луны 385 000 км. Если слегка поводить лазером сдвинув его едва лишь на 1 см, то он успеет пробежать Луну со скоростью примерно на треть больше световой.
Подобные вещи могут происходить и в природе. Например, световой луч от пульсара, нейтронной звезды, может прочесывать облако пыли. Яркая вспышка порождает расширяющееся оболочку из света или другого излучения. Когда она пересекает поверхность облака, то создается световое кольцо, увеличивающееся быстрее скорости света.
Все это примеры вещей, движущихся быстрее света, но которые не являлись физическими телами. При помощи тени или зайчика нельзя передать сверхсветовое сообщение, так что и общение быстрее света не получается.
А вот уже пример, который связан с физическими телами. Забегая вперед, скажем, что опять же сверхсветовых сообщений не получится.
В системе отсчёта, связанной с вращающимся телом, удалённые объекты могут двигаться со сверхсветовой скоростью. Например, Альфа Центавра в системе отсчёта, связанной с Землёй, движется со скоростью, более чем в 9600 раз превышающей скорость света, «проходя» расстояние около 26 световых лет в сутки. И точно такой же пример с Луной. Встаньте к ней лицом и повернитесь вокруг своей оси за пару секунд. За это время она повернулась вокруг вас на примерно на 2,4 миллиона километров, то есть в 4 раза быстрее скорости света. Ха-ха, скажете вы, так это ж не она вертелась, а я…А вспомните, что в теории относительности все системы отсчета независимы, включая и вращающиеся. Так что, с какой стороны еще посмотреть…
И что же делать? Ну на самом деле, никаких противоречий здесь нет, ведь опять же, это явление не может быть использовано для сверхсветовой передачи сообщений. Кроме того заметьте, в своей окрестности Луна не превышает скорости света. А именно на превышение локальной скорости света все запреты и накладываются в общей теории относительности.
Комментарии специалистов
Профессор кафедры теоретической физики физического факультета МГУ, директор научно-образовательного центра по физике нейтрино и астрофизике имени Бруно Понтекорво Александр Студеникин: «Это открытие переворачивает физику со времен Галилео! Могут стать реальностью возможности посылать сигналы в прошлое и будущее»
— Александр Иванович, неужели подорван фундамент современной физики, построенной на теории относительности Альберта Эйнштейна, согласно которой скорость света является предельной во Вселенной?
— Скорее всего, сегодняшний день, 23 сентября, может стать эпохальным. Подобных грандиозных открытий не было со времен Галилео.
— Но многие скептики уже сомневаются. Говорят, что эти результаты — следствие систематической ошибки в измерениях. И требуют перепроверки открытия.
— Учитывая, что люди, которые проводят этот эксперимент, являются высочайшего класса экспертами в своей области, то результат выглядит достаточно достоверным и сенсационным. На детекторе OPERA произошло невозможное: нейтрино распространился со скоростью, которая превышает скорость света в вакууме на 10 в -5 единицы.
— Это много?
— Это очень существенное отличие от скорости света. И достоверность результата очень высокая.
— Наши представления о мире теперь изменятся?
— Если этот результат действительно реальный, то он приведет к доказательству существования достаточно экстравагантных и удивительных вещей. Ведь в обычной теории относительности постулируется, что есть некая предельная скорость движения тел, движения элементарных частиц и передачи информации. Эта скорость ограничена скоростью света. Никакой объект не может двигаться со скоростью выше, чем скорость света. Одним из фундаментов парадигмы современной физической картины мира является как раз этот постулат. Если вы выбиваете этот камень из фундаментальных основ физики, то естественно, что возникает значительное количество новых возможностей, которые приведут к тому, что многие уже, казалось бы, хорошо понятые и объясненные эффекты будут переосмыслены.
— А сейчас этот закон нарушен, значит, теория относительности Эйнштейна не верна?
— Я бы так не говорил. Дело в том, что просто для какого-то круга явлений то стандартное представление о теории относительности адекватно, а для какого-то рода явлений оно неадекватно.
— Эйнштейн мог предполагать, что в будущем его теория окажется неверной?
— Думаю, это не предполагалось. В самой теории относительности постулируется, что скорость света есть предельная скорость. И вся наша физика, все наше представление о том, как устроен мир, как работают законы физики, они все основаны на этом постулате. А сейчас это ставится под сомнение. Наверное, это будет самое яркое открытие в физике со средних веков. Это можно сравнить с предсказаниями Галилея о том, как устроено пространство и время.
— Что появится нового, что раньше считалось невозможным? Что перепишут в учебниках физики?
— Ставится под вопрос принцип причинности, как мы его понимаем сейчас — что событие последующее не может влиять на предшествующее. Это будет иметь революционные последствия для возможности посылать сигналы в прошлое или будущее.
— То есть пророки, которые говорили, что видели будущее, они на самом деле его могли видеть, просто не могли объяснить?
— Так трудно говорить. Вопрос о причинности возникает… Он и нарушается в первую очередь.
Почему нельзя двигаться быстрее скорости света… в нормальных условиях
Потому что так работает вселенная.
Но если серьезно, то я давно собирался написать на эту тему материал, и только сегодня, наконец, решился на это дело. Связаны мои сомнения и неуверенность были с тем, что это очень непростой вопрос для разбора без знания серьезной математики. Впрочем это возможно. И, я гарантирую, что после прочтения этого материала, вы взгляните на мир совсем иначе. Так как предел скорости – это не просто высчитанная цифра, но она включает суть того, как работает вселенная.
![Повторные эксперименты с нейтрино пока не опровергли предыдущих выводов о возможности превысить скорость света [фото] / news2.ru](https://mediaex.ru/wp-content/uploads/2/c/f/2cfca0091fd4e77c887b97d3900aa6c5.jpeg)
Чтобы понять это, для начала необходимо осознать тот факт, что даже если вы подстрелите слона в задницу и он упадет замертво, он все еще продолжает движение. Даже если вы сидите на месте, или стоите застыв словно мим – вы продолжаете движение. И это движение во времени. Откуда нам известно это? Потому что если вы просидите минуту без движения, то вы окажетесь в будущем на одну минуту по отношению от точки отсчета сидения без движения. Если бы вы НЕ двигались во времени, то вы бы застыли в этом моменте навеки. И это пострашней смерти. Но, к счастью, этого не происходит. А значит, мы можем вполне справедливо положить, что вы, сидя на туше слона подстреленного в задницу, двигаетесь во времени.
Теперь, давайте предположим, что я подхожу к вам, достаю раскладной стульчик и сажусь рядом. Мы оба находимся без движения в пространстве, но мы оба двигаемся во времени. Но что будет, если вы решите прекратить сидеть смирно. Вы встанете и сделаете шаг вперед. Теперь вы передвинулись в пространстве. Совсем чуть-чуть, в то же время продолжая двигаться во времени. И тут начинаются странные вещи. Так как мы не будем прибегать к математике, то можете поверить на слово и проверить позже: вы всегда двигаетесь с одной и той же общей скоростью. И это скорость света. Даже если вы сидите без движения, вы двигаетесь со скоростью света во времени. Когда вы начинаете двигаться в пространстве, ваша скорость перераспределяется, и ваше передвижение во времени немного, но замедляется, тогда как скорость в пространстве немного, но увеличивается. Похоже на систему сообщающихся сосудов – если взять из одного, то прибудет в другом, и наоборот. Это значит, что я, будучи без движения, за одну минуту я двигаюсь во времени на одну минуту. Однако вы – нет. Если бы мы посмотрели в этот момент на часы, мои показывали бы минуту, тогда как на ваших была бы… почти минута.
Скорость света – очень высокая. А так как вы двигаетесь не очень быстро, то расходуете совсем немного от вашей общей скорости на передвижение в пространстве, тогда как большая часть продолжает уходить на время. Так что наши часы будут практически одинаковы.
Но что будет, если вы начнете двигаться быстрей, приближаясь к скорости света? Вы будете бесконечно близки к тому, чтобы совсем не двигаться во времени. Когда мои часы будут показывать минуту, час, день или год – для вас это будет меньше чем секунда.
Если вы когда-нибудь сможете достигнуть скорости света (чего вы не сможете сделать, так как вам потребуется бесконечное количество энергии для передвижения массы вашего тела или космического корабля, которая будет стремиться к бесконечности чем ближе к скорости света вы приближаетесь), то вы прекратите двигаться во времени, и для вас все часы во вселенной, помимо ваших, остановятся.
Но что, если вы продолжите ускоряться? Дело в том, что вы не сможете, так как у вас не осталось скорости, которую можно было бы отнять от вашего движения во времени.
Тут стоит отметить, что мы двигаемся во времени не со скоростью света. Так как наша планета вращается, так как наша Солнечная система двигается в космическом пространстве, то скорость нашего времени… примерно на 15 километров в секунду меньше скорости света.
И это мы еще не затрагиваем теорию относительности!
Как раз по этой причине нам и нужны двигатели работающие по принципу искажения пространства. Вместо того, чтобы стремиться к скорости света, эти двигатели искажают пространство вокруг корабля, позволяя ему преодолевать космос со скоростью меньше скорости света, но проходя большее расстояние, чем свет.
История измерений скорости света
Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной. В Новое время этот вопрос стал предметом дискуссий. Галилей и Гук допускали, что она конечна, хотя и очень велика, в то время как Кеплер, Декарт и Ферма по-прежнему отстаивали бесконечность скорости света.
Первую оценку скорости света дал Олаф Рёмер (). Он заметил, что когда Земля и Юпитер находятся по разные стороны от Солнца, затмения спутника Юпитера Ио запаздывают по сравнению с расчётами на 22 минуты. Отсюда он получил значение для скорости света около 220 000 км/с — неточное, но близкое к истинному. Спустя полвека открытие аберрации позволило подтвердить конечность скорости света и уточнить её оценку.
В начале 1970-х годов погрешность измерений скорости света приблизилась к 1 м/с. После проверки и согласования результатов, полученных в различных лабораториях, XV Генеральная конференция по мерам и весам в 1975 году рекомендовала использовать в качестве значения скорости света в вакууме величину, равную 299 792 458 м/с, с относительной погрешностью (неопределённостью) 4×10-9, что соответствует абсолютной погрешности 1,2 м/с.
Существенно, что дальнейшее повышение точности измерений стало невозможным в силу обстоятельств принципиального характера: ограничивающим фактором стала величина неопределённости реализации определения метра, действовавшего в то время. Проще говоря, основной вклад в погрешность измерений скорости света вносила погрешность «изготовления» эталона метра, относительное значение которой составляло 4×10-9. Исходя из этого, а также учитывая другие соображения, XVII Генеральная конференция по мерам и весам в 1983 году приняла новое определение метра, положив в его основу рекомендованное ранее значение скорости света и определив метр как расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды.
МИНОС (2007)
Первое наземное измерение абсолютного времени прохождения было проведено MINOS (2007) в Фермилабе. Для генерации нейтрино (так называемый пучок NuMI ) они использовали главный инжектор Fermilab, с помощью которого протоны с энергией 120 ГэВ направлялись на графитовую мишень по 5-6 порций на разлив. Возникшие мезоны распадались в туннеле распада длиной 675 метров на мюонные нейтрино (93%) и мюонные антинейтрино (6%). Время пробега было определено путем сравнения времен прихода на ближний и дальний детектор MINOS, удаленные друг от друга на 734 км. Часы обеих станций были синхронизированы с помощью GPS , а для передачи сигналов использовались длинные оптические волокна .
Они измерили раннее прибытие нейтрино около 126 нс. Таким образом, относительная разница в скорости составила (доверительный интервал 68%). Это соответствует скорости света в 1,000051 ± 29 раз, то есть, по-видимому, быстрее света. Основным источником ошибок были неопределенности в задержках оптоволокна. Статистическая значимость этого результата была менее 1,8 σ , поэтому он не был значимым, поскольку 5σ требуется для признания научного открытия.
(5.1±2,9)×10-5{\ displaystyle \ scriptstyle (5.1 \ pm 2.9) \ times 10 ^ {- 5}}
При уровне достоверности 99% было дано
- -2,4×10-5<v-cc<12,6×10-5{\ displaystyle -2,4 \ times 10 ^ {- 5} <{\ frac {vc} {c}} <12,6 \ times 10 ^ {- 5}},
скорость нейтрино больше 0,999976c и меньше 1,000126c. Таким образом, результат также совместим с субсветовыми скоростями.
Скорость движения фотонов
В реальности, фотоны движутся на скорости 300 000 км/с, но сталкиваются с определенной интерференцией, помехами, вызванными другими фотонами, которые испускаются атомами стекла, когда проходит главная световая волна. Понять это может быть нелегко, но мы хотя бы попытались.
В реальности, фотоны движутся на скорости 300 000 километров в секунду
Точно так же, в рамках специальных экспериментов с отдельными фотонами, удавалось замедлить их весьма внушительно. Но для большинства случаев будет справедливо число в 300 000. Мы не видели и не создавали ничего, что могло бы двигаться так же быстро, либо еще быстрее. Есть особые моменты, но прежде чем мы их коснемся, давайте затронем другой наш вопрос
Почему так важно, чтобы правило скорости света выполнялось строго?
Ответ связан с человеком по имени Альберт Эйнштейн, как часто бывает в физике. Его специальная теория относительности исследует множество последствий его универсальных пределов скорости. Одним из важнейших элементов теории является идея того, что скорость света постоянна. Независимо от того, где вы и как быстро движетесь, свет всегда движется с одинаковой скоростью.
Но из этого вытекает несколько концептуальных проблем.
Представьте себе свет, который падает от фонарика на зеркало на потолке стационарного космического аппарата. Свет идет вверх, отражается от зеркала и падает на пол космического аппарата. Скажем, он преодолевает дистанцию в 10 метров.
Теперь представим, что этот космический аппарат начинает движение с колоссальной скоростью во многие тысячи километров в секунду. Когда вы включаете фонарик, свет ведет себя как прежде: светит вверх, попадает в зеркало и отражается в пол. Но чтобы это сделать, свету придется преодолеть диагональное расстояние, а не вертикальное. В конце концов, зеркало теперь быстро движется вместе с космическим аппаратом.
Соответственно, увеличивается дистанция, которую преодолевает свет. Скажем, на 5 метров. Выходит 15 метров в общем, а не 10.
И несмотря на это, хотя дистанция увеличилась, теории Эйнштейна утверждают, что свет по-прежнему будет двигаться с той же скоростью. Поскольку скорость — это расстояние, деленное на время, раз скорость осталась прежней, а расстояние увеличилось, время тоже должно увеличиться. Да, само время должно растянуться. И хотя это звучит странно, но это было подтверждено экспериментально.
Теории Эйнштейна говорят о замедлении времени
Этот феномен называется замедлением времени. Время движется медленнее для людей, которые передвигаются в быстро движущемся транспорте, относительно тех, кто неподвижен.
Фермилаб (1970-е)
Фермилаб провел в 1970-х годах серию наземных измерений, в которых скорость мюонов сравнивалась со скоростью нейтрино и антинейтрино с энергиями от 30 до 200 ГэВ. Узкополосный нейтринный пучок Фермилаба генерировался следующим образом: протоны с энергией 400 ГэВ попадают в цель и вызывают образование вторичных пучков, состоящих из пионов и каонов . Затем они распадаются в откачанной трубе длиной 235 метров. Оставшиеся адроны были остановлены вторичным сбросом, так что только нейтрино и некоторые энергичные мюоны могут проникнуть через землю и стальной экран длиной 500 метров, чтобы достичь детектора частиц .
Поскольку протоны переносятся сгустками длительностью в одну наносекунду с интервалом 18,73 нс, можно определить скорость мюонов и нейтрино. Разница в скорости привела бы к удлинению нейтринных сгустков и к смещению всего временного спектра нейтрино. Сначала сравнивались скорости мюонов и нейтрино. Позже наблюдались также антинейтрино. Верхний предел отклонений от скорости света составлял:
- |v-c|c<4×10-5{\ displaystyle {\ frac {| vc |} {c}} <4 \ times 10 ^ {- 5}}.
Это соответствовало скорости света в пределах точности измерения ( доверительный уровень 95% ), а также никакой энергетической зависимости скоростей нейтрино с такой точностью обнаружить не удалось.
ОПЕРА (2011, 2012)
Аномалия
В эксперименте OPERA использовались нейтрино с энергией 17 ГэВ , разделенные на экстракции протонов длиной 10,5 мкс, генерируемые в ЦЕРНе , которые поражали цель на расстоянии 743 км. Затем образуются пионы и каоны, которые частично распадаются на мюоны и мюонные нейтрино (от нейтрино ЦЕРН до Гран-Сассо , CNGS). Нейтрино отправились дальше в Лабораторию Национали дель Гран Сассо (LNGS) на расстоянии 730 км, где расположен детектор OPERA. GPS использовался для синхронизации часов и определения точного расстояния. Кроме того, для передачи сигналов на ЛНГС использовались оптические волокна. Временное распределение выделений протонов было статистически сопоставлено примерно с 16000 нейтринных событий. OPERA измерила раннее прибытие нейтрино примерно за 60 наносекунд по сравнению с ожидаемым прибытием со скоростью света, что указывает на скорость нейтрино, превышающую скорость света. В отличие от результата MINOS, отклонение составило 6σ и, следовательно, очевидно.
Чтобы исключить возможные статистические ошибки, ЦЕРН создавал сгруппированные пучки протонов в период с октября по ноябрь 2011 года. Извлеченные протоны были разделены на короткие сгустки по 3 нс с интервалами 524 нс, так что каждое нейтринное событие могло быть напрямую связано с протонным сгустком. Измерение двадцати нейтринных событий снова дало ранний приход около 62 нс, что согласуется с предыдущим результатом. Они обновили свой анализ и повысили значимость до 6,2σ.
В феврале и марте 2012 года было показано, что в экспериментальном оборудовании были две ошибки: ошибочное подключение кабеля к компьютерной карте, из-за чего нейтрино появлялись быстрее, чем ожидалось. Другой был осциллятором вне своей спецификации, из-за чего нейтрино появлялись медленнее, чем ожидалось. Затем было проведено сравнение времени прибытия космических мюонов высоких энергий на OPERA и расположенный рядом детектор LVD в 2007–2008, 2008–2011 и 2011–2012 годах. Выяснилось, что в период с 2008 по 2011 гг. Ошибка разъема кабеля вызвала отклонение примерно на 73 нс, а ошибка генератора вызвала отклонение примерно на 73 нс. 15 нс в обратном направлении. Это и измерение скоростей нейтрино, согласующихся со скоростью света коллаборацией ICARUS (см. ), показали, что нейтрино на самом деле были не быстрее света.
Конечный результат
Наконец, в июле 2012 года коллаборация OPERA опубликовала новый анализ своих данных за 2009–2011 годы, который включал инструментальные эффекты, указанные выше, и получил оценки разницы во времени прибытия (по сравнению со скоростью света):
- δтзнак равно6.5±7,4 (sтат.)+8,3-8.0 (sуs.){\ displaystyle \ delta t = 6.5 \ pm 7.4 \ (\ mathrm {stat.}) {\ scriptstyle {+8.3 \ atop -8.0}} \ (\ mathrm {sys.})} наносекунды,
и границы для разницы скоростей:
- v-ccзнак равно(2,7±3.1 (sтат.)+3,4-3.3 (sуs.))×10-6{\ displaystyle {\ frac {vc} {c}} = (2,7 \ pm 3,1 \ (\ mathrm {stat.}) {\ scriptstyle {+3,4 \ на вершине -3,3}} \ (\ mathrm {sys.})) \ times 10 ^ {- 6}}.
Также соответствующий новый анализ для пучка в октябре и ноябре 2011 г. согласился с этим результатом:
- δтзнак равно-1.9±3,7 (sтат.){\ displaystyle \ delta t = -1,9 \ pm 3,7 \ (\ mathrm {stat.})} наносекунды
Все эти результаты согласуются со скоростью света, а оценка разницы скоростей на порядок точнее, чем предыдущие наземные измерения времени пролета.
10-6{\ displaystyle 10 ^ {- 6}}
AMANDA
Работа над проектом была начата в 1991 году с изучения оптических свойств льда на глубинах от 800 до 1000 м (AMANDA A). Но на этих глубинах из-за рассеяния света пузырьками воздуха, заключенными во льду, наблюдения оказались практически невозможны. С начала 1996 года, после пересмотра проекта, модули стали размещать на глубинах от 1 500 до 2 000 м (AMANDA B), где оптические свойства льда оказались очень высокими.
Для создания детекторной матрицы из фотоумножителей во льду были просверлены отверстия диаметром 50 см, причем использовавшиеся сверла с горячей водой создали отверстия глубиной 2 км, не замерзавшие в течение двух дней. Этого времени хватило, чтобы погрузить в них струны с прикрепленными оптическими модулями.
Каждый модуль работает независимо и содержит 30-сантиметровый фотоумножитель, который помещен внутрь прозрачной стеклянной сферы для защиты от высокого давления на большой глубине, и электрический кабель, выходящий на поверхность. Вся управляющая и регистрирующая аппаратура устанавливается на поверхности. Такая система обеспечивает высокую надежность и делает возможной постепенную модернизацию детектора.
Иногда, пронизывая Землю, высокоэнергетичные нейтрино сталкиваются частицами, находящимися или под шапкой льда, или во льду. Появляющийся в результате этого мюон порождает ядерно-электромагнитные ливни, испускающие Черенковское излучение, которое может быть обнаружено фотоумножителями. Учитывая разницу во времени и энергии на разных фотоумножителях, можно определить направление мюонов и их энергию.
