Скорость света сообщение – Передача информации быстрее скорости света. Построение систем дальней связи / Habr

Скорость света — Класс!ная физика

Скорость света

«Физика — 11 класс»

Когда мы поворачиваем выключатель, то вся комната сразу же озаряется светом.

Кажется, что свету совсем не надо времени, чтобы достигнуть стен.

Предпринимались многочисленные попытки определить скорость света.

Для этого пытались измерить по точным часам время распространения светового сигнала на большие расстояния (несколько километров).

Но эти попытки не дали результата.

Начали думать, что распространение света совсем не требует времени, что свет любые расстояния преодолевает мгновенно.

Однако оказалось, что скорость света не бесконечно велика, и эта скорость была в конце концов измерена.

Астрономический метод измерения скорости света

Скорость света впервые удалось измерить датскому ученому О. Рёмеру в 1676 г.

Рёмер был астрономом, и его успех объясняется именно тем, что он использовал для измерений очень большие, проходимые светом расстояния.

Это расстояния между планетами Солнечной системы.

Рёмер наблюдал затмения спутников Юпитера — самой большой планеты Солнечной системы.

Юпитер имеет четырнадцать спутников.

Ближайший его спутник — Ио — стал предметом наблюдений Рёмера.

Он видел, как спутник проходил перед планетой, погружался в ее тень и пропадал из поля зрения.

Затем он опять появлялся, как мгновенно вспыхнувшая лампа.

Промежуток времени между двумя вспышками оказался равным 42 ч 28 мин.

Таким образом, эта «луна» представляла собой громадные небесные часы, через равные промежутки времени посылавшие свои сигналы на Землю.

Вначале измерения проводились в то время, когда Земля при своем движении вокруг Солнца ближе всего подошла к Юпитеру.

Такие же измерения, проведенные несколько месяцев спустя, когда Земля удалилась от Юпитера, неожиданно показали, что спутник опоздал появиться из тени на целых 22 мин по сравнению с моментом времени, который можно было рассчитать, зная период обращения Ио.

Рёмер объяснял это так: «Если бы я мог остаться на другой стороне земной орбиты, то спутник всякий раз появлялся бы из тени в назначенное время; наблюдатель, находящийся там, увидел бы Ио на 22 мин раньше.

Запаздывание в этом случае происходит оттого, что свет употребляет 22 мин на прохождение от места моего первого наблюдения до моего теперешнего положения».

Зная время запаздывания появления Ио и расстояние, которым оно вызвано, можно определить скорость света, разделив это расстояние на время запаздывания.

Скорость оказалась чрезвычайно большой, примерно 300 000 км/с.

Потому-то крайне трудно определить время распространения света между двумя удаленными точками на Земле.

Ведь за одну секунду свет проходит расстояние, большее длины земного экватора в 7,5 раза.

Лабораторные методы измерения скорости света

Впервые скорость света лабораторным методом удалось измерить французскому физику И. Физо в 1849 г.

В опыте Физо свет от источника, пройдя через линзу, падал на полупрозрачную пластинку 1.

После отражения от пластинки сфокусированный узкий пучок направлялся на периферию быстровращающегося зубчатого колеса.

Пройдя между зубцами, свет достигал зеркала 2, находящегося на расстоянии нескольких километров от колеса.

Отразившись от зеркала, свет, прежде чем попасть в глаз наблюдателя, должен был пройти опять между зубцами.

Когда колесо вращалось медленно, свет, отраженный от зеркала, был виден.

При увеличении скорости вращения он постепенно исчезал.

В чем же здесь дело?

Пока свет, прошедший между двумя зубцами, шел до зеркала и обратно, колесо успевало повернуться так, что на место прорези вставал зубец, и свет переставал быть видимым.

При дальнейшем увеличении скорости вращения свет опять становился видимым.

Очевидно, что за время распространения света до зеркала и обратно колесо успевало в этом случае повернуться настолько, что на место прежней прорези вставала уже новая прорезь.

Зная это время и расстояние между колесом и зеркалом, можно определить скорость света.

В опыте Физо при расстоянии, равном 8,6 км, для скорости света было получено значение 313 000 км/с.

Было разработано еще много других, более точных лабораторных методов измерения скорости света.

В частности, американский физик А. Майкельсон разработал весьма совершенный метод определения скорости света с применением вращающихся зеркал.

Была измерена скорость в различных прозрачных средах.

Скорость света в воде была определена в 1856 г.

Она оказалась в 4/3 раза меньше, чем в вакууме.

Во всех других веществах она также меньше, чем в вакууме.

По современным данным, скорость света в вакууме равна 299 792 458 м/с (с точностью до ±1,2 м/с).

Приближенно скорость света можно считать равной 3 • 108 м/с.

Это значение скорости света нужно обязательно запомнить.

Определение скорости света сыграло в науке очень важную роль.

Была не только выяснена природа света, но и установлено, что никакое тело не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме.

Это стало ясно после создания теории относительности, о которой пойдет речь в следующей главе.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Световые волны. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика


Оптика —
Скорость света —
Принцип Гюйгенса. Закон отражения света —
Закон преломления света —
Полное отражение —
Линза —
Построение изображения в линзе —
Формула тонкой линзы. Увеличение линзы —
Примеры решения задач. Геометрическая оптика —
Дисперсия света —
Интерференция механических волн —
Интерференция света —
Некоторые применения интерференции —
Дифракция механических волн —
Дифракция света —
Дифракционная решетка —
Поперечность световых волн. Поляризация света —
Поперечность световых волн и электромагнитная теория света —
Примеры решения задач. Волновая оптика —
Краткие итоги главы

Реферат Скорость света

скачать

Реферат на тему:

План:

    Введение

  • 1 В вакууме (пустоте)
  • 2 В прозрачной среде
  • 3 История измерений скорости света
  • 4 Сверхсветовое движение
  • Примечания
    Литература


Введение

Ско́рость све́та — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c» (произносится как [цэ]). Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела, а свойства пространства-времени в целом. По современным представлениям, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.


1. В вакууме (пустоте)

Время распространения светового луча в масштабной модели Земля-Луна. Для преодоления расстояния от поверхности Земли до поверхности Луны свету требуется 1,255 с.

Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году. На данный момент считают, что скорость света в вакууме — фундаментальная физическая постоянная, по определению, точно равная 299 792 458 м/с, или примерно 1 079 252 848,8 км/ч. Точное значение связано с тем, что с 1983 года за эталон метра принято расстояние, которое проходит свет в вакууме за промежуток времени, равный 1 / 299 792 458 секунды. Для решения задач, в основном, используют значение 300 000 000 м/с.

В природе со скоростью света распространяются:

  • собственно, видимый свет
  • другие виды электромагнитного излучения (радиоволны, рентгеновские лучи и др.)
  • предположительно — гравитационные волны


2. В прозрачной среде

Скорость света в прозрачной среде — скорость, с которой свет распространяется в среде, отличной от вакуума. В среде, обладающей дисперсией, различают фазовую и групповую скорость.

Фазовая скорость связывает частоту и длину волны монохроматического света в среде (λ=c/ν). Эта скорость обычно (но не обязательно) меньше c. Отношение фазовой скорости света в вакууме к скорости света в среде называется показателем преломления среды. Групповая скорость света в равновесной среде всегда меньше c. Однако в неравновесных средах она может превышать c. При этом, однако, передний фронт импульса все равно двигается со скоростью, не превышающей скорости света в вакууме.

Арман Ипполит Луи Физо на опыте доказал, что движение среды относительно светового луча так же способно влиять на скорость распространения света в этой среде.


3. История измерений скорости света

Античные учёные, за редким исключением, считали скорость света бесконечной [1]. 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 (1676). 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.


4. Сверхсветовое движение

Из специальной теории относительности следует, что ускорение частиц, имеющих массу покоя, до скорости света невозможно, так как это событие нарушило бы фундаментальный принцип причинности. То есть, исключается превышение скорости света сигналом, или движение массы с такой скоростью. Однако теория не исключает движение частиц в пространстве-времени со сверхсветовой скоростью. Гипотетические частицы, движущиеся со сверхсветовой скоростью, называются тахионами. Математически, тахионы легко укладываются в преобразование Лоренца — это частицы с мнимой массой. Чем выше скорость этих частиц, тем меньше энергии они несут, и наоборот, чем ближе их скорость к скорости света, тем больше их энергия — так же, как и энергия обычных частиц, энергия тахионов стремится к бесконечности при приближении к скорости света. Это самое очевидное следствие преобразования Лоренца, не позволяющее частице ускориться до скорости света — сообщить частице бесконечное количество энергии просто невозможно. Следует понимать, что, во-первых, тахионы — это класс частиц, а не один вид частиц, и, во-вторых никакое физическое взаимодействие не может распространяться быстрее скорости света. Из этого следует, что тахионы не нарушают принцип причинности — с обычными частицами они никак не взаимодействуют, а между собой разность их скоростей также не бывает равной скорости света.

Обычные частицы, движущиеся медленнее света, называются тардионами. Тардионы не могут достичь скорости света, а только лишь сколь угодно близко подойти к ней, так как при этом их энергия становится неограниченно большой. Все тардионы обладают массой покоя, в отличие от безмассовых фотонов и гравитонов, которые всегда движутся со скоростью света.

В планковских единицах скорость света в вакууме равна 1, то есть свет проходит 1 единицу планковской длины за единицу планковского времени.

В последние годы нередко появляются сообщения о том, что в так называемой квантовой телепортации взаимодействие распространяется быстрее скорости света. Например, 15 августа 2008 г. исследовательская группа доктора Николаса Гизена (Nicolas Gisin) из университета Женевы, исследуя разнесенные на 18 км в пространстве связанные фотонные состояния, якобы показала, что «взаимодействие между частицами осуществляется со скоростью, примерно в сто тысяч раз большей скорости света». Ранее также обсуждался так называемый парадокс Хартмана — сверхсветовая скорость при туннельном эффекте.

Научный анализ значимости этих и подобных результатов показывает, что они принципиально не могут быть использованы для сверхсветовой передачи какого-либо сигнала или перемещения вещества [2].


Примечания

  1. Гиндикин С. Г. Рассказы о физиках и математиках — www.mccme.ru/free-books/gindikin/index.html. — издание третье, расширенное. — М.: МЦНМО, 2001. — С. 105-108. — ISBN 5-900916-83-9
  2. Иванов Игорь. Проведены новые эксперименты по проверке механизма квантовой запутанности. — elementy.ru/news/430800


Литература

  1. Физические величины: Справочник./А. П. Бабичев,Н. А. Бабушкина,А. М. Братковский и др.;под ред. И. С. Григорьева,Е. З. Мейлихова М.: Энергоатомиздат, 1991, — 1232 с — ISBN 5-283-04013-5

История скорости света — Все уголки вселенной — LiveJournal

Впервые скорость света определил в 1676 Оле Рёмер по изменению промежутков времени между затмениями спутника Юпитера Ио.

132

С явлением света мы впервые знакомимся ещё в 9 классе. В 11-м начинаем рассматривать интереснейший материал о том, что такое скорость света.
Оказывается, история открытия этого явления не менее интересна, чем само явление.

Нужды торговли, которая развивалась быстрыми темпами, и возрастающее значение мореплавания побудили французскую Академию наук заняться уточнением географических карт, для чего, в частности, требовался более надежный способ определения географической долготы. Оле Ремер – молодой датский астроном — был приглашен работать в новую парижскую обсерваторию.

Ученые предложили использовать для определения парижского времени и времени на борту корабля небесное явление, наблюдаемое ежедневно в один и тот же час. По этому явлению мореплаватель или географ мог бы узнать парижское время. Таким явлением, видимым с любого места на море или на суше, является затмение одного из четырех больших спутников Юпитера, обнаруженных Галилеем в 1609 году.

Спутник Ио проходил перед планетой, а затем погружался в ее тень и пропадал из поля зрения. Затем он опять появлялся как мгновенно вспыхнувшая лампа. Промежуток времени между двумя вспышками составил 42 часа 28 минут. Такие же измерения, проведенные полгода спустя, показали, что спутник опоздал, появившись из тени на 22 минуты позже по сравнению с моментом времени, который можно было рассчитать на основании знания периода обращения Ио. Скорость имеет неточный результат из-за неверного определения времени запаздывания.

В 1849 году французский физик Арман Ипполит Луи Физо поставил лабораторный опыт по измерению скорости света. Параметры установки Физо таковы. Источник света и зеркало располагались в доме отца Физо близ Парижа, а зеркало 2 — на Монмартре. Расстояние между зеркалами составляло 8,66 км, колесо имело 720 зубцов. Оно вращалось под действием часового механизма, приводимого в движение опускающимся грузом. Используя счетчик оборотов и хронометр, Физо обнаружил, что первое затемнение наблюдается при скорости вращения колеса 12,6 об/с.

Свет от источника проходил через зубья вращающегося колеса и, отразившись от зеркала, возвращался опять к зубчатому колесу. Допустим, что зубец и прорезь зубчатого колеса имеют одинаковую ширину и место прорези на колесе занял соседний зубец. Тогда свет перекроется зубцом и в окуляре станет темно. Используя метод вращающегося затвора, Физо получил значение скорости света: 3,14.105 км/с.

Весной 1879 года газета «Нью-Йорк Таймс» сообщила: «На научном горизонте Америки появилась новая яркая звезда. Младший лейтенант морской службы, выпускник Морской академии в Аннаполисе Альберт Майкельсон, которому еще нет и 27 лет, добился выдающегося успеха в области оптики: он измерил скорость света!» Примечателен тот факт, что на выпускных экзаменах в академии Альберту достался вопрос об измерении скорости света. Кто мог предположить, что через короткое время Майкельсон сам войдет в историю физики, как измеритель скорости света.

До Майкельсона только единицам (все они были французами) удалось измерить ее с помощью земных средств. А на американском континенте до него никто даже не пытался поставить этот трудный эксперимент.

Установка Майкельсона размещалась на двух горных вершинах, разделенных расстоянием 35,4 км. Зеркалом служила восьмигранная стальная призма на горе Сан Антонио в Калифорнии, сама установка находилась на горе Маунт-Вильсон. После отражения от призмы луч света попадал на систему зеркал, возвращающих его назад. Для того чтобы луч попадал в глаз наблюдателя, вращающаяся призма должна за время распространения света туда и обратно, успеть повернуться хотя бы на 1/8 оборота.

Майкельсон писал: «То, что скорость света — является категорией, недоступной человеческому воображению, и что с другой стороны ее возможно измерить с необыкновенной точностью, делает ее определение одной из самых увлекательных проблем, с которыми может столкнуться исследователь.
Наиболее точное измерение скорости света было получено в 1972 году американским ученым К. Ивенсоном с сотрудниками. В результате независимых измерений частоты и длины волны лазерного измерения ими было получено значение 299792456,2±0,2м/с.

Однако в 1983 г. на заседании Генеральной ассамблеи мер и весов было принято новое определение метра (это длина пути, проходимое светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды), из которого следует что скорость света в вакууме абсолютно точно равна с=299 792 458 м/с.

1676 г. – Оле Ремер – астрономический метод
с= 2,22•108 м/с

1849г. – Луи Физо – лабораторный метод
с= 3,12•108 м/с

1879 г. Альберт Майкельсон – лабораторный метод
C= 3,001•108м/с

1983 г. Заседание Генеральной ассамблеи мер и весов
с=299792458 м/с

КОММЕНТАРИЙ ЭКСПЕРТА

Преподаватель физики и астрономии Елена Львовна Ильина:

— Свет в том смысле, в котором мы привыкли употреблять это слово, это лишь узенькая полосочка на шкале электромагнитных волн. Что касается скорости света, то удивительно, что на самом деле это такая значительная величина – ни одно тело не может двигаться с этой скоростью. Детский ум будоражит мысль, что свет от далёкой звезды свет может идти миллионы лет. А в астрономии есть такая величина, как световой год.

vmdaily.ru

Все самое интересное о космосе здесь — ru_deep_space

Скорость света — Вики

Указано расстояние от Солнца до Земли, равное 150 миллионам километров.
метров в секунду 299 792 458
Планковских единиц 1
километров в секунду 300 000
километров в час 1,08 млрд
астрономических единиц в сутки 173
расстояние время
один метр 3,3 нс
один километр 3,3 мкс
от геостационарной орбиты до Земли 119 мс
длина экватора Земли 134 мс
от Луны до Земли 1,255 с
от Солнца до Земли (1 а. е.) 8,3 мин.
от Вояджера-1 до Земли 20 часов и 31 минута (на ноябрь 2019)[1]
один световой год 1 год
один парсек 3,26 лет
от Проксимы Центавра до Земли 4,24 лет
от Альфы Центавра до Земли 4,37 лет
от ближайшей галактики (Карликовой галактики в Большом Псе) до Земли 25 000 лет
через Млечный Путь 100 000 лет
от галактики Андромеды до Земли 2,5 млн лет
от самой удалённой известной галактики до Земли 13,4 млрд лет[2]

Ско́рость све́та (в вакууме) — абсолютная величина скорости распространения электромагнитных волн в вакууме[Прим. 2]. В физике традиционно обозначается латинской буквой «c{\displaystyle c}» (произносится как «цэ»). Скорость света в вакууме — фундаментальная постоянная, не зависящая от выбора инерциальной системы отсчёта (ИСО). Она относится к фундаментальным физическим постоянным, которые характеризуют не просто отдельные тела или поля, а свойства геометрии пространства-времени в целом[3]. Из постулата причинности (любое событие может оказывать влияние только на события, происходящие позже него и не может оказывать влияние на события, произошедшие раньше него[4][5][6]) и постулата специальной теории относительности о независимости скорости света в вакууме от выбора инерциальной системы отсчёта (скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга[7]) следует, что скорость любого сигнала и элементарной частицы не может превышать скорость света[8][9][6]. Таким образом, скорость света в вакууме — предельная скорость движения частиц и распространения взаимодействий.

В вакууме (пустоте)

c Время распространения светового луча в масштабной модели Земля-Луна. Для преодоления расстояния от поверхности Земли до поверхности Луны свету требуется 1,255 с

Наиболее точное измерение скорости света 299 792 458 ± 1,2 м/с на основе эталонного метра было проведено в 1975 году[Прим. 3].

На данный момент считают, что скорость света в

Передача информации быстрее скорости света. Построение систем дальней связи / Habr

В современном мире системы связи играют важную роль в развитие нашего мира. Каналы передачи информации буквально опутывают нашу планету, связывая различные информационные сети в единую глобальную сеть Интернет. Дивный мир современных технологий включает в себя передовые открытия науки и техники, не редко связанные также с удивительными возможностями квантового мира. Можно с уверенностью сказать, что на сегодняшний день квантовые технологии прочно вошли в нашу жизнь. Любая мобильная техника в наших карманах оснащена микросхемой памяти, работающая с использованием квантового туннелирования заряда. Подобное техническое решение позволило инженерами компании Toshiba построить 1984 году транзистор с плавающим затвором, ставшим основой для построения современных микросхем памяти. Мы каждый день пользуемся подобными устройствами, не задумываясь, на чем основана их работа. И пока физики ломают голову пытаясь объяснить парадоксы квантовой механики, технологическое развитие берет на вооружение удивительные возможности квантового мира.

В данной статье мы рассмотрим интерференцию света, и разберем способы построения канала связи для мгновенной передачи информации с применением квантовых технологий. Хотя многие полагают, что невозможно передавать информацию быстрее скорости света, при правильном подходе даже такая задача становится решаемой. Думаю, вы сами сможете в этом убедиться.

Введение

Наверняка многие знают о явлении под названием интерференция. Пучок света направляется на непрозрачную ширму с двумя параллельными прорезями, позади которого устанавливается проекционный экран. Особенность прорезей в том, что их ширина приблизительно равна длине волны излучаемого света. На проекционном экране получается целый ряд чередующихся интерференционных полос. Этот опыт, впервые проведенный Томасом Юнгом, демонстрирует интерференцию света, ставший экспериментальным доказательством волновой теории света в начале XIX века.

Логично предположить, что фотоны должны проходить сквозь щели, создавая две параллельные полосы света на заднем экране. Но вместо этого на экране образуется множество полос, в которых чередуются участки света и темноты. Дело в том, что когда свет ведет себя как волна, каждая прорезь является источником вторичных волн. В местах, где вторичные волны достигают экран в одной фазе, их амплитуды складываются, что создает максимум яркости. А там, где волны оказываются в противофазе — их амплитуды компенсируются, что создает минимум яркости. Периодическое изменение яркости при наложении вторичных волн создает на экране интерференционные полосы.

Но почему же свет ведет себя как волна? В начале, ученые предположили, что возможно фотоны сталкиваются между собой и решили выпускать их поодиночке. В течение часа на экране вновь образовалась интерференционная картина. Попытки объяснить данное явление привели к предположению, что фотон разделяется, проходит через обе щели, и сталкиваясь сам собой образует интерференционную картину на экране.

Любопытство ученых не давало покоя. Они хотели знать, через какую щель фотон проходит по настоящему, и решили пронаблюдать. Для раскрытия этой тайны перед каждой щелью поставили детекторы, фиксирующей прохождение фотона. В ходе эксперимента выяснилось, что фотон проходит только через одну щель, либо через первую, либо через вторую. В результате на экране образовались две параллельные полосы света, без единого намека на интерференцию. Наблюдение за фотонами разрушило волновую функцию света, и фотоны начали вести себя как частицы! Пока фотоны находятся в квантовой неопределенности, они распространяются как волны. Но когда за ними наблюдают, фотоны теряют волновую функцию и начинают вести себя как частицы.

Далее опыт повторили еще раз, с включенными детекторами, но без записи данных о траектории движения фотонов. Несмотря на то, что опыт полностью повторяет предыдущий, за исключением возможности получения информации, через некоторое время на экране вновь образовалась интерференционная картина из светлых и темных полос.

Получается, что влияние оказывает не любое наблюдение, а только такое, при котором можно получить информацию о траектории движения фотонов. И это подтверждает следующий эксперимент, когда траектория движения фотонов отслеживается не с помощью детекторов установленных перед каждой щелью, а с помощью дополнительных ловушек, по которым можно восстановить траекторию движения не оказывая взаимодействия к исходным фотонам.

Квантовый ластик

Начнем с самой простой схемы (это именно схематичное изображение эксперимента, а не реальная схема установки).
Отправим лазерный луч на полупрозрачное зеркало (ПП). Обычно такое зеркало отражает половину падающего на него света, а другая половина проходит насквозь. Но фотоны, будучи в состоянии квантовой неопределенности, попадая на полупрозрачное зеркало, выбирают оба направления одновременно. Затем, каждый луч отражаясь зеркалами (1) и (2) попадает на экран, где наблюдаем интерференционные полосы. Все просто и ясно: фотоны ведут себя как волны.
Теперь попытаемся понять, по какому же именно пути прошли фотоны – по верхнему или по нижнему. Для этого на каждом пути поставим даун–конверторы (ДК). Даун–конвертор – это прибор, который при попадании в него одного фотона рождает 2 фотона на выходе (каждая с половиной энергии), один из которых попадает на экран (сигнальный фотон), а второй попадает в детектор (3) или (4) (холостой фотон). Получив данные с детекторов мы будем знать, по какому пути прошел каждый фотон. В этом случае интерференционная картина исчезает, ведь мы узнали, где именно прошли фотоны, а значит, разрушили квантовую неопределенность.
Далее мы немного усложним эксперимент. Поставим на пути каждого «холостого» фотона отражающие зеркала и направим их на второе полупрозрачное зеркало (слева от источника на схеме). Прохождение второго полупрозрачного зеркала стирает информацию о траектории холостых фотонов и восстанавливает интерференцию (согласно схеме интерферометра Маха Цендера). Не зависимо от того, какой из детекторов сработает, мы не сможем узнать по какому пути прошли фотоны. Этой замысловатой схемой мы стираем информацию о выборе пути и восстанавливаем квантовую неопределенность. В результате на экране будет отображаться интерференционная картина.

Если мы решим выдвинуть зеркала, то «холостые» фотоны вновь попадут на детекторы (3) и (4), и как мы знаем, на экране интерференционная картина исчезнет. Это означает, что меняя положение зеркал, мы можем менять отображаемую картину на экране. Значит, можно воспользоваться этим для кодирования двоичной информации.

Можно немного упростить эксперимент и получить тот же результат, двигая полупрозрачное зеркало на пути «холостых» фотонов:
Как мы видим, «холостые» фотоны преодолевают больше расстояния, чем их партнеры, которые попадают на экран. Логично предположить, если изображение на экране формируется раньше, то полученная картина не должна соответствовать тому, определяем ли мы траекторию фотонов или стираем эту информацию. Но практические опыты показывают обратное – не зависимо от расстояния, изображение на экране всегда соответствует выполненным действиям с холостыми фотонами. Согласно информации из википедии:

Основной результат эксперимента заключается в том, что не имеет значения, был процесс стирания выполнен до или после того, как фотоны достигли экрана детектора.

Подобный опыт также описывается в книге Брайана Грина «Ткань космоса и пространство». Это кажется невероятным, меняющим причинно-следственные связи. Попробуем разобраться что к чему.

Немного теории

Если посмотрим специальную теорию относительности Эйнштейна по мере увеличения скорости происходит замедление времени, согласно формуле: где r – длительность времени, v – относительная скорость движения объекта.

Скорость света является предельной величиной, поэтому для самих частиц света (фотонов) время замедляется до нуля. Правильнее сказать для фотонов не существует времени, для них существует только текущий момент, в котором они пребывают в любой точке своей траектории. Это может казаться странным, ведь мы привыкли полагать, что свет от далеких звезд достигает нас спустя миллионы лет. Но с ИСО частиц света, фотоны достигают наблюдателя в тот же момент времени, как только они излучаются далекими звездами.

Дело в том, что настоящее время для неподвижных объектов и движущихся объектов может не совпадать. Чтобы представить время, необходимо рассмотреть пространство-время в виде непрерывного блока растянутого во времени. Срезы, формирующие блок, являются моментами настоящего времени для наблюдателя. Каждый срез представляет пространство в один момент времени с его точки зрения. Этот момент включает в себя все точки пространства и все события во вселенной, которые представляются для наблюдателя как происходящее одновременно.

В зависимости от скорости движения, срез настоящего времени будет делить пространство-время под разными углами. По направлению движению, срез настоящего времени смещается в будущее. В противоположном направлении, срез настоящего времени смещается в прошлое.

Чем больше скорость движения, тем больше угол среза. При скорости света срез настоящего времени имеет максимальный угол смещения 45°, при котором время останавливается и фотоны пребывают в одном моменте времени в любой точке своей траектории.

Возникает резонный вопрос, каким образом фотон может одновременно находится в разных точках пространства? Попробуем разобраться, что же происходит с пространством на скорости света. Как известно, по мере увеличения скорости наблюдается эффект релятивистского сокращения длины, согласно формуле:

где l – это длина, а v – относительная скорость движения объекта.

Не трудно заметить, что на скорости света любая длина в пространстве будет сжато до нулевого размера. Значит, по направлению движения фотонов, пространство сжимается в маленькую точку планковских размеров, при котором исчезает само понятие о пространстве-времени. Можно сказать для фотонов не существует пространства, так как вся их траектория в пространстве с ИСО фотонов находится в одной точке.

Итак, теперь мы знаем, что не зависимо от пройденного расстояния сигнальные и холостые фотоны одновременно достигают экрана и детекторов, так как с точки зрения фотонов не существует ни времени ни пространства. Учитывая квантовую сцепленность сигнальных и холостых фотонов, любое воздействие на один фотон будет моментально отражается на состоянии его партнера. Соответственно, картина на экране всегда должна соответствовать тому, определяем ли мы траекторию фотонов, либо стираем эту информацию. Это дает потенциальную возможность моментальной передачи информации. Стоит только учесть, что наблюдатель не движется со скоростью света, и поэтому картину на экране необходимо анализировать после того, как холостые фотоны достигнут детекторов.

Практическая реализация

Оставим теорию теоретикам и вернемся к практической части нашего эксперимента. Чтобы получить картину на экране потребуется включить источник света и направить поток фотонов на экран. Кодирование информации будет происходить на удаленном объекте, движением полупрозрачного зеркала на пути холостых фотонов. Предполагается, что передающее устройство будет кодировать информацию с равными интервалами времени, например, передавать каждый бит данных за сотую долю секунды.
В качестве экрана можно использовать чувствительную цифровую матрицу, чтобы напрямую записывать чередующиеся изменения. Затем записанную информацию необходимо отложить до момента, пока холостые фотоны достигнут своего местоназначения. После этого можно начать поочередно анализировать записанную информацию, чтобы получить передаваемую информацию. Для примера, если кодирующее устройство находится на Марсе, то анализ информации необходимо начинать с опозданием на десять-двадцать минут (ровно на столько, сколько требуется свету, чтобы достичь красную планету). Несмотря на то, что анализ информации производится с отставанием в десятки минут, полученная информация будет соответствовать тому, что передается с Марса в текущий момент времени. Соответственно, вместе с приемным устройством придется устанавливать лазерный дальномер, чтобы точно определить интервал времени, с которого нужно начинать анализировать передаваемую информацию.

Необходимо также учесть, что окружающая среда оказывает негативное влияние на передаваемую информацию. При прохождении фотонов через воздушное пространство происходит процесс декогеренции, увеличивая помеху в передаваемом сигнале. Чтобы максимально исключить влияние окружающей среды можно передавать сигналы в безвоздушном космическом пространстве, используя для этого спутники связи.

Организовав двухстороннюю связь, в перспективе можно построить каналы связи для моментальной передачи информации на любую дальность, до которых смогут добраться наши космические аппараты. Такие каналы связи будут просто необходимы, если потребуется оперативный доступ к сети интернет за пределами нашей планеты.

P.S. Остался один вопрос, которую мы постарались обойти стороной: а что случится, если мы посмотрим на экран до того, как холостые фотоны достигнут детекторов? Теоретически (с точки зрения теории относительности Эйнштейна), мы должны увидеть события будущего. Более того, если отразить холостые фотоны от далеко расположенного зеркала и вернуть их назад, мы могли бы узнать собственное будущее. Но в реальности, наш мир куда более загадочнее, поэтому, трудно дать правильный ответ без проведения практических опытов. Возможно, мы увидим наиболее вероятный вариант будущего. Но как только мы получим эту информацию, будущее может измениться и возникнуть альтернативная ветка развития событий (согласно гипотезе многомировой интерпретации Эверетта). А возможно мы увидим смесь из интерференции и двух полос (если картина будет составлена из всех возможных вариантов будущего).

Продолжение статьи —>

P.S. К сожалению данная схема оказалась не рабочим (также схема приведенная в продолжении этой статьи) так как при тщательной проверке расчетов выяснилось, что не учитывался фазовый сдвиг при использование квантово-запутанных частиц.

Полезные ссылки:
Walborn, S. P. (2002). «Double-Slit Quantum Eraser». Phys. Rev. A 65
Delayed choice quantum eraser. The experiment of Kim et al. (1999)
Эксперимент квантового ластика
Выступление Тома Кэмпбела
Квантовый ластик, предложенный Скалли и Дрюлем

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *