ФЭНДОМ


Сверхсветовая связь

Сверхсветовая связь (англ. Superluminal Communications) обеспечивает связь в межзвёздном пространстве и сообщение между заводами на Пандоре и руководством RDA на Земле.

История и предпосылкиПравить

Из сформулированной Альбертом Эйнштейном теории относительности можно вывести максимальную скорость, превысить которую не сможет ничто во вселенной: 299792458 м/с. Именно с этой скоростью распространяется в вакууме свет и другие формы энергии. Физические объекты могу лишь приблизиться к этой скорости — чем быстрее они движутся, тем сильнее возрастает их масса, и тем больше энергии требуется для дальнейшего ускорения.

До недавнего времени считалось, что и скорость передачи информации ограничивается скоростью света, поскольку информация должна быть обращена в какой-то вид материи (носитель информации), либо энергии (модуляции радиоволн или импульсы лазера). Иначе это противоречило бы теории Эйнштейна.

Изучая субатомные частицы (протоны, электроны, фотоны, нейтроны, мюоны, нейтрино и прочие) физики XX века сделали вывод, что законы классической ньютоновской физики ими не выполняются.

Для объяснения странного поведения субатомных частиц пришлось основать новое направление физики — квантовую механику. Одна из новых теорий гласила: если создать две сцепленные между собой частицы, измерение состояния одной мгновенно отразится на состоянии другой, вне зависимости от того, какое расстояние их разделяет. К сожалению, передавать подобным способом информацию невозможно, поскольку невозможно определить, в какое состояние перешла первая частица при его изменении. Подобный элемент случайности не позволял кодировать информацию при помощи измерения состояния второй частицы, несмотря на то, что оно всегда оказывалось обратным состоянию первой. Этот феномен был исследован во множестве экспериментов и был подтвержден практически во всех из них. Редкие исключения были списаны на ошибки и статистические колебания.

Физик Альберт МакКини, исследователь из института Броадлон, отверг предположение, что прибор, построенный им для измерения состояния частиц, способен допускать ошибки, и принялся искать другое объяснение аномальным результатам эксперимента.

Существует другой квантовомеханический феномен, известный под названием «туннельный эффект»: в некоторых, очень редких случаях, частица может пройти (на физическом или энергетическом уровне) через барьер, который для нее теоретически непреодолим. МакКини удалось доказать, что на состояние первой частицы можно повлиять при помощи туннельного эффекта. Если это так, то появляется возможность передавать сообщения двоичным кодом, контролируя состояние второй частицы.

Релятивистский предел скоростиПравить

Альберт Эйнштейн доказал, что ничто — ни материя, ни энергия, ни информация — не может перемещаться со скоростью, превышающей скорость света. Материя не может даже приблизиться к этой скорости. Сам свет, порой, обладает меньшей скоростью (скажем, распространяясь через прозрачные материалы, вроде стекла). Другие виды электромагнитной энергии (например, видеосигнал в коаксиальном кабеле) распространяются еще медленнее. Поскольку информация должна быть воплощена или в физическом носителе, или в модуляциях энергии, она также ограничена в скорости распространения. Многократные эксперименты лишь подтвердили это (и позволили уточнить предельную скорость). Нет никакой разницы, идет ли речь о крупном предмете, вроде космического корабля, или о крошечной субатомной частице, скажем, электроне.

Корпускулярно-волновой дуализмПравить

Релятивистский предел скорости действует и на отдельные частицы (корпускулы). Тем не менее, они ведут себя отлично от более крупных объектов. Эрвин Шрёдингер совместно с другими учеными установил, что эти крохотные частицы материи иногда ведут себя как волны, словно бы не обладая массой, находящейся в определенной точке пространства.

В 1920-х годах был проведен эксперимент: металлическая пластина с двумя параллельными прорезями, находящаяся в вакуумной камере, обстреливалась отдельными электронами. С другой стороны пластины находится экран, покрытый люминофором, светившимся при попадании в него электронов. Если закрыть первую прорезь, электрон пройдет через другую, и напротив нее на экране появится светящаяся полоса. Если открыть первую прорезь и закрыть вторую, светящаяся полоса появится в другом месте. Именно такого поведения можно ожидать от частиц, которыми считались электроны.

Исследователи открыли обе прорези в пластине, но на люминофорном экране появились не ожидаемые две параллельные линии, а чередующиеся интерференционные полосы. Этот феномен мог быть вызван только волнами, наложившимися друг на друга после прохождения сквозь прорези. Наиболее удивительным было то, что интерференция наблюдалась даже при излучении одного электрона раз в десять секунд. Ученые задали себе вопрос: как могла частица, прошедшая через одну прорезь, хотя бы узнать о существовании другой? Как одна частица могла взаимодействовать сама с собой? Частица в рамках этого эксперимента была больше похожа на волны, расходящиеся от брошенного в воду камня.

Более поздние эксперименты показали, что свет, ранее считавшейся волновым явлением, иногда проявляет себя, как совокупность частиц (позже названных фотонами). Получается, что субатомные частицы могут быть и частицами, и волнами — в зависимости от того, как их наблюдать.

Как доказал Вернер Гейзенберг, не так-то просто измерить состояние частицы. Частица характеризуется положением и импульсом. Процесс измерения неминуемо воздействует на импульс, внося малую погрешность в результаты, Погрешность может быть мизерной (6,6×10-27 эрг-секунд) для макромира, но становится существенной, когда речь идет об отдельных атомах.

Мгновенное действие на расстоянииПравить

Исследователи, изучающие «сцепленные» частицы (пару частиц, объединенную каким-либо общим свойством, например, импульсом), сделали ключевое открытие: даже если эти частицы находятся на большом расстоянии друг от друга, действие, совершенное над одной из частиц, компенсируется изменением состояния другой в обратную сторону — так, чтобы общая характеристика осталась равна нулю.

Например, все протоны обладают спином, равным +1/2 или -1/2. Не имеет значения, в каком направлении производится измерение, результат будет одинаков по модулю.

В рамках эксперимента создается сцепленная пара протонов. Один из них обладает положительным спином, другой, соответственно, отрицательным. Они разносятся в разные концы лаборатории, на расстояние 30 метров. Одна из частиц измеряется вдоль случайно выбранной оси, ее спин оказывается равен -1/2. Немедленно (менее чем за 0,3 наносекунды) — быстрее, чем свет мог бы преодолеть расстояние, разделяющее два протона (у него ушло бы на это 100 наносекунд), вторая частица измеряется вдоль той же оси, ее спин оказывается равен +1/2.

Повтор эксперимента приводит к тому же результату; вторая частица всегда имеет обратный спин, вне зависимости оттого, вдоль какой оси проводилось измерение. Нет никакого способа, которым информация о том, какая ось была выбрана для измерения первой частицы, могла бы достичь второй до ее измерения. В экспериментах, проводимых в конце XXI века, частицы разносили в противоположные точки земной орбиты, но результат оставался прежним.

К сожалению, передавать информацию таким способом оказалось невозможно, так как нельзя контролировать, какое состояние частица примет при измерении. Эйнштейновское ограничение скорости продолжает действовать. Сам Эйнштейн, скептически относясь к теории квантовой сцепленности, называл ее «мистическим действием на расстоянии». Можно посмотреть кино, но нельзя изменить его сценарий.

Суперпозиция состоянийПравить

Шрёдингер предположил, что, в отличие от обычных предметов, характеристики частиц не имеют четких значений до тех пор, пока их не измерят. По теории Шрёдингера, пока на яблоко не посмотрят, оно не будет ни красным, ни зеленым. Он утверждал не то, что яблоко не имеет цвета вовсе, но что изначально все его возможные цвета наложены друг на друга, как «волновые функции» для всех возможных состояний. Согласно теории, в момент наблюдения яблока все множество волновых функций схлопывается к единственной функции конкретного цвета.

Ученые предположили, что волны, составляющие частицы, могут быть бесконечны в пространстве, и что их свойства могут меняться везде одновременно. Таким образом, по теории квантовой сцепленности, если при наблюдении на Земле яблоко «превращается» в зеленое, то это приведет к тому, что в тот же момент на Пандоре можно будет наблюдать «антизеленое* яблоко.

Сверхсветовая передача информацииПравить

МакКинни продолжил изучать аномальное поведение оборудования, несмотря на постоянную критику других сотрудников лаборатории, упорно винивших несовершенство конструкции. МакКинни не менее упорно защищал свое детище. После нескольких месяцев сложных экспериментов он обнаружил, что меняя интенсивность воздействия переменного магнитного поля на связанные частицы, он может влиять на измеренное состояние одной из этих частиц. В свою очередь, это мгновенно влияло на измеренное состояние других частиц, вне зависимости от их удаленности.

Однако процесс не был совершенным. Частицы принимали необходимое состояние один раз за десять тысяч попыток, остальные 9 999 состояний были случайными. Но неудачи не останавливали МакКинни. Он разработал чрезвычайно избыточные схемы кодирования с исправлением ошибок и смог достичь скорости передачи данных в три бита в час. Все современные сверхсветовые средства передачи информации основаны на его изобретении, и по-прежнему стоимость пересылки одного бита информации составляет приблизительно 7500 долларов.

Появления Править

Материалы сообщества доступны в соответствии с условиями лицензии CC-BY-SA , если не указано иное.