Один из принципов Специальной Теории Относительности Эйнштейна утверждает, что ничто не может двигаться быстрее скорости света в вакууме. Скорость света считается всемирным пределом скорости всего, и это широко признано научным сообществом. Но в науке, если вы устанавливаете жесткое правило, кто-то попробует его опровергнуть или, по крайней мере, найти лазейку. И скорость света не является исключением.
Свет в вакууме перемещается со скоростью примерно 299 792 километров в секунду
В сентябре 2011 года физики, работающие над Проектом Осцилляции с Эмульсионным Определением Трассировки (OPERA), вызвали бурю в научном сообществе, объявив, что их эксперименты привели к перемещению субатомных частиц, называемых нейтрино, из Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) в Женеве, Швейцария, в Национальную лабораторию Гран-Сассо недалеко от Л'Акуила, Италия, примерно на 60 наносекунд раньше, чем пучок света. Появились идеи о том, как эти нейтрино могли бы нарушить скорость света, или о том, какие ошибки могли вызвать невозможные результаты. Наконец, были обнаружены проблемы с оборудованием, включая ненадежный кабель, и результаты были признаны ошибочными. Так что переписывать теории Эйнштейна оказалось необязательным.
Другие исследователи пытаются скорее согнуть правила, чем нарушить их
Фактически, изгибание пространства-времени — это одна из теорий, как можно достичь сверхсветовых скоростей в космических путешествиях. Идея заключается в том, что пространство-время может сжиматься перед космическим кораблем и расширяться за ним, при этом сам корабль останется неподвижным в варп-пузыре, который сам движется быстрее скорости света. Эта концепция была изначально представлена мексиканским теоретическим физиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году как теоретическая возможность, но для ее работы потребуется колоссальное количество отрицательной энергии размером с Вояджер 1. К сожалению, отрицательную энергию нужно получать из экзотического вещества, которое сложно достать, и мы находимся только на уровне миниатюрных лабораторных экспериментов по варп-приводам. Математика, лежащая в основе этих теорий, основана на законах относительности, поэтому теоретически это не нарушает правил. Технология, если она когда-нибудь существует, также может использоваться для движения медленнее света, но намного быстрее, чем это возможно сейчас, что может быть более практичным.
Космические путешествия — всего лишь одно из возможных применений достижения или превышения скорости света. Некоторые ученые работают над тем же для целей намного более быстрой передачи данных.
Может ли информация перемещаться со скоростью света?
В настоящее время большинство наших данных передается по медным проводам или оптоволоконным кабелям. Даже когда мы отправляем данные через радиоволны на мобильных телефонах, которые также передвигаются со скоростью света, они в конечном итоге попадают в проводные сети Интернета. Два наиболее распространенных типа медных проводов для передачи информации на большие расстояния — это витая пара (первоначально использовавшаяся для телефонии, а затем для модемов и DSL) и коаксиальный кабель (изначально использовавшийся для кабельного телевидения, затем для Интернета и телефонии). Коаксиальный кабель более быстрый из двух. Но оптоволоконный кабель все равно быстрее. Вместо использования меди для передачи данных в виде электрических сигналов, оптоволоконный кабель перемещает данные в виде импульсов света.
Свет через оптоволокно не так быстр, как свет в вакууме
Свет, двигаясь через практически любую среду, движется медленнее универсальной константы, известной как скорость света. Разница незначительна через воздух, но свет может замедляться значительно в других средах, включая стекло, которое составляет основу большинства оптоволоконных кабелей. Показатель преломления среды — это скорость света в вакууме, деленная на скорость света в среде. Так что если вы знаете два из этих чисел, вы можете вычислить третье. Показатель преломления стекла составляет около 1,5. Если вы разделите скорость света (примерно 300 000 километров в секунду) на это число, вы получите примерно 200 000 километров в секунду, что является приблизительной скоростью света через стекло. Некоторые оптоволоконные кабели изготовлены из пластика, у которого еще более высокий показатель преломления, и, следовательно, меньшая скорость.
Частично причиной снижения скорости является двойственная природа света
У него есть свойства как частицы, так и волны. Свет на самом деле состоит из частиц, называемых фотонами, и они не двигаются прямо по кабелю. Когда фотоны сталкиваются с молекулами материала, они отскакивают в разные стороны. Преломление и поглощение света средой в конечном итоге приводят к потере энергии и данных. Вот почему сигнал не может бесконечно перемещаться и периодически должен усиливаться для преодоления больших расстояний. Однако замедление света не является совсем плохой новостью. В некоторые оптоволоконные кабели добавляются примеси, чтобы контролировать скорость и помогать эффективно направлять сигнал.
Оптоволоконный кабель всё равно гораздо быстрее медных проводов и менее подвержен электромагнитным помехам
Оптоволокно может достигать скорости сотен гигабит в секунду, или даже терабит. Домашние интернет-соединения не достигают таких высоких скоростей, по крайней мере частично потому что проводами пользуются множество домовладельцев по всему району, и даже сети, использующие оптоволоконные кабели, обычно имеют медные провода на последнем участке до домов людей. Но если оптоволоконный кабель идёт прямо к вашему району или дому, вы можете получить скорость передачи данных в диапазоне от 50 до 100 мегабит в секунду, по сравнению с 1 до 6 мегабит в секунду от обычных DSL-линий и около 25 мегабит в секунду от кабеля. Фактические скорости передачи данных сильно различаются в зависимости от местоположения, поставщика и выбранного вами тарифа, конечно.
Существуют также другие факторы, вызывающие задержку сигнала, такие как обратное и взаимное общение, необходимое при доступе к веб-странице или загрузке данных
Ваш компьютер и сервер, на котором хранятся данные, взаимодействуют, чтобы убедиться, что они синхронизированы, и передача данных успешна, что вызывает задержку, хоть и кратковременную и необходимую. Расстояние, которое должны пройти ваши данные, также влияет на то, сколько времени потребуется для их доставки, и могут возникнуть дополнительные узкие места на любом оборудовании и кабелях, по которым данные должны проходить, чтобы добраться до своего пункта назначения. Система быстрее своего самого медленного компонента, и каждая миллисекунда имеет значение во времена, когда кажется (но на самом деле не так) мгновенным общением.
В последнее время были достигнуты прорывы в передаче данных по медным проводам почти со скоростью оптоволокна с помощью снижения помех и других методов. И исследователи также работают над передачей данных через свет в воздухе, например, с помощью лампочек для Wi-Fi, или передачей лазерных лучей с здания на здание. Опять же, свет в воздухе действительно движется близко к скорости света, но ничто из существующего не превышает предельную скорость. Можем ли мы действительно достичь передачи данных быстрее света?
Возможность сверхсветовой передачи данных
Ученые Института стандартов и технологий (NIST) утверждают, что им удалось достичь передачи квантовых данных быстрее света с использованием чего-то, называемого четырехволновым смешиванием, которое, кстати, считается формой помех в оптоволоконных линиях. Эксперимент включает в себя отправку короткого семенного импульса длительностью 200 наносекунд через нагретый пар рубидия, и в то же время отправку второго насосного луча с разной частотой для усиления семенного импульса. Фотоны из обоих лучей взаимодействуют с паром таким образом, что генерируется третий луч. По-видимому, пики как у усиленного семенного импульса, так и у нового генерируемого импульса могут выходить быстрее, чем эталонный луч, движущийся со скоростью света в вакууме. Скоростные различия, о которых сообщили, были на 50-90 наносекунд быстрее скорости света в вакууме. Они даже заявили, что могут настроить скорость импульсов, изменяя отстройку и мощность входного семенного импульса.
Другой технологией передачи данных, разрабатываемой в настоящее время, является квантовая телепортация, которая зависит от существования спутанных пар: двух частиц, которые находятся в резонансе друг с другом до такой степени, что если вы измерите одну, другая получит ту же характеристику, которую вы нашли в первой, независимо от их расстояния друг от друга.
Для этого также требуется третья частица, которая содержит фактические биты данных, которые вы пытаетесь передать. Лазер используется для телепортирования одной из спутанных частиц в другое место, можно сказать. Это действительно не переносит фотон, а скорее преобразует новый фотон в копию оригинала. Фотон в спутанных парах можно сравнить с третьим фотоном, чтобы найти их сходства или различия, и эта информация может быть передана в другое место и использована для сравнения с двойником, чтобы извлечь данные. Это может показаться чем-то, что приведет к мгновенной передаче, но это не так. Лазерные лучи движутся только со скоростью света. Но у этого есть потенциальные применения для передачи зашифрованных данных через спутник и для сетевых квантовых компьютеров, если мы когда-нибудь их изобретем. И это ближе к реальности, чем любые попытки передачи данных со сверхсветовой скоростью. Это работает на протяжении миль на данный момент, и исследователи пытаются увеличить расстояние телепортации.
Ответ на вопрос, может ли смысловая информация перемещаться быстрее света, в настоящее время — нет
Мы только на уровне перемещения нескольких квантовых частиц со скоростями, которые, возможно, превышают скорость света, если данные подтвердятся последующими экспериментами. Для того чтобы иметь практически применимую форму передачи данных, вы должны иметь возможность отправлять организованные биты данных, которые что-то значат, неискаженные, на другую машину, которая может их интерпретировать. Самая быстрая передача в мире ничего не значит в противном случае. Но вы можете быть уверены, что если скорость света будет превышена, мы скорее всего будем применять ее к нашим интернет-передачам намного раньше, чем к межзвездным путешествиям. Наша способность смотреть высококачественное телевидение и серфить в интернете с самыми быстрыми скоростями будет в приоритете. И, возможно, для таких целей даже достижение передачи с истинно сверхсветовой скоростью сделает чудеса.
