Тахионният антителефон на Айнщайн: Физиците обясниха защо сигналът в миналото се самоунищожава

През 1907 г. Алберт Айнщайн публикува труд, в който описва хипотетично устройство — тахионен антителефон. Този мисловен експеримент демонстрира последствията от хипотетичното откриване на начин за предаване на сигнали със скорост, превишаваща скоростта на светлината. Основният извод на Айнщайн се състои в следното: в рамките на теорията на относителността изпращането на сигнал, по-бърз от светлината, е математически еквивалентно на предаване на информация в миналото.

От момента на публикуването на тази идея измина от век, но физиците теоретици продължават да анализират логиката на тахионния антителефон в множество научни статии. Целта на тези изследвания не е опит да се построи реална машина на времето, а изучаването на фундаменталните правила в устройството на природата. Мисловният експеримент с предаване на информация назад във времето помага да се проверят границите на теорията на относителността, да се изследват свойствата на елементарните частици и да се обясни защо принципът на причинността остава нерушим.

Забраната за свръхсветлинна скорост и хипотезата за тахионите

Според специалната теория на относителността скоростта на светлината във вакуум представлява пределно възможната скорост на движение на физическите обекти и на разпространение на информацията. Тя е приблизително 300 000 километра в секунда и се отбелязва с константата c.

Физическата причина за съществуването на този предел се крие в прякото съотношение между масата, скоростта и енергията на обекта. С приближаването на скоростта на обект с маса на покой към скоростта на светлината неговата кинетична енергия нараства. За достигане на скоростта на светлината от обект, притежаващ маса, би било необходимо безкрайно количество енергия. По тази причина нито един атом, електрон или изкуствен апарат не е способен да преодолее тази граница.

Въпреки това математическите уравнения на теорията на относителността съдържат решения, които допускат съществуването на хипотетични частици, движещи се по начало по-бързо от светлината. През 60-те години на XX век физиците въвеждат за такива хипотетични обекти термина „тахиони“ (от гръцката дума, означаваща „бърз“).

Уравненията показват, че тахионите трябва да притежават специфични физически свойства:

• Тахионът не е способен да се забави до скоростта на светлината или да се движи по-бавно от нея. Скоростта на светлината служи за него като долна, а не като горна граница.
• При загуба на енергия скоростта на тахиона се увеличава, стремително клонейки към безкрайност.
• При получаване на енергия скоростта на тахиона намалява, приближавайки се към скоростта на светлината отгоре над нея.

Ако тахионите съществуваха в реалността и взаимодействаха с обикновеното вещество, те биха могли да се използват като преносители на сигнал за изпращане на съобщения.

Търсенето в реалния свят: неутриното и данните от детекторите

Физиците многократно са правили опити да проверят дали в природата съществуват частици, способни да се придвижват със свръхсветлинна скорост. За основен кандидат за тази роля дълго време се смяташе неутриното.

Неутриното представлява елементарна частица с нулев електрически заряд и изключително малка маса. Частици неутрино се образуват при термоядрените реакции в недрата на звездите, по време на избухванията на свръхнови, както и в различните ядрени реактори. Тъй като тези частици взаимодействат слабо с веществото, те преминават безпрепятствено през вътрешността на космическите тела и планетарните слоеве.

През 2011 г. участниците в експеримента OPERA обявиха за регистрирането на неутрино, пристигнали от адронния колайдър в ЦЕРН в подземната лаборатория Гран Сасо за време, което показваше незначително превишаване на скоростта на светлината. Но последвалата проверка разкри техническа грешка: хардуерен срив в системата за предаване на времето е бил причинен от лош контакт на оптичния кабел. След отстраняване на грешката скоростта на неутриното се оказа равна на скоростта на светлината в рамките на грешката на измерванията.

Различните проверки

Въпреки това отделни изследователи продължават да проверяват данните от аномалиите. Професорът от Университета „Джордж Мейсън“ Робърт Ерлих анализира астрофизичните данни за избухването на свръхновата SN 1987A, настъпило през 1987 г. в Големия Магеланов облак на разстояние 168 хиляди светлинни години от Земята.

При колапса на ядрото на звездата се регистрира едновременно мащабно излъчване на неутрино и светлина. През 1987 г. три независими подземни детектора регистрираха импулс от неутрино броени секунди преди астрономите да регистрират оптическото избухване. Тази разлика във времето се обяснява с това, че неутриното напуска плътното ядро на звездата без забавяне, докато светлинният фронт си пробива път през външните обвивки на звездата в продължение на няколко часа.

Въпреки това четвъртият детектор, разположен под масива Монблан, регистрира сигнал от пет неутрино пет часа преди останалите три детектора. Робърт Ерлих издигна хипотеза, според която тези пет неутрино са притежавали маса, допускаща движение със свръхсветлинна скорост, което им е позволило да изпреварят основния фронт на излъчване на космическо разстояние.

По-голямата част от научната общност се отнесе към това тълкуване с тотално недоверие, обяснявайки данните от детектора под Монблан с други фактори:

• Регистриране на фонов статистически шум, съвпаднал по време с избухването.
• Двуетапен механизъм на изхвърляне на обвивката на звездата.

За окончателна проверка на хипотезата за свръхсветлинните свойства на неутриното са необходими допълнителни данни. Планира се те да бъдат получени при наблюдение на нови галактически свръхнови, както и в хода на директно измерване на масата на неутриното на инсталацията KATRIN в Германия, където изследователите определят горната граница на масата на тази частица с помощта на анализ на разпада на трития.

Анатомия на времевия парадокс

Основната причина, поради която мнозинството физици отричат възможността за съществуване на тахиони, се крие в структурата на пространството и времето в теорията на относителността.

В теорията на относителността времето не е абсолютна величина. Пространствените координати и времето са обединени в единен четириизмерен континуум. От уравненията на Лоренц следва принципът за относителност на едновременността: две събития, случващи се едновременно за един наблюдател, се случват в различно време за друг наблюдател, ако този наблюдател се движи спрямо първия.

Ако скоростта на предаване на сигнала е ограничена от скоростта на светлината, то редът на причинно-следствените връзки остава непроменен за всички възможни наблюдатели. Събитието-причина винаги хронологично предшества събитието-следствие във всички отправни системи.

Ако скоростта на предаване на сигнала превишава скоростта на светлината, се появяват отправни системи, в които точката на приемане на сигнала се намира по-рано във времето от точката на неговото изпращане.

Логическото противоречие

Физикът Барак Шошани от Университета Брок (Канада) формализира логическото противоречие, до което води този ефект, създавайки математически модел на затворена примка на връзката.

Да разгледаме система, състояща се от две станции, раздалечени в пространството. Ще ги наречем Станция А и Станция Б.

Системата е програмирана да изпълнява следните условия:

1. Станция А се намира в пространствено-времева точка T1.
2. Станция Б се намира в пространствено-времева точка T2.
3. Между станциите е настроена тахионна връзка. Поради относителността на движението сигналът, изпратен от Станция Б в точка T2, пристига на Станция А в точка T1, тоест в миналото.
4. На Станция А е инсталиран автоматичен превключвател. Ако Станция А регистрира пристигането на сигнал в точка T1, тя предава по обикновен канал команда към Станция Б със забрана за изпращане на сигнал от точка T2.
5. Ако Станция А не получи сигнал в точка T1, тя дава команда на Станция Б да изпрати сигнал от точка T2.

При стартирането на такава система възниква непротиворечива математическа калкулация, водеща до затворена противоречива верига:

• Ако Станция Б изпрати сигнал от точка T2, този сигнал се регистрира от Станция А в точка T1. В резултат автоматичната програма кара Станция Б да отмени изпращането на сигнала от точка T2. Следователно сигналът не се изпраща.
• Ако сигналът не се изпраща от Станция Б от точка T2, Станция А не го получава в точка T1. В резултат програмата кара Станция Б да изпрати сигнал от точка T2.

Във формалната логика това състояние се описва с формулата: „Събитието X се случва тогава и само тогава, когато събитието X не се случва“. Това представлява формално-логическо противоречие. Появата на подобна затворена примка показва, че физическият свят, допускащ безконтролно предаване на информация в миналото, не притежава математическа цялост.

Нестабилност на вакуума в квантовата теория на полето

Съвременното описание на физиката на микросвета се гради върху квантовата теория на полето. В рамките на този апарат елементарните частици се описват като квантовани възбуждания на съответните физически полета, изпълвани през пространството.

Квантовата теория на полето дава обяснение защо тахионите не могат да съществуват под формата на стабилни физически частици.

В математическия израз за квантовото поле масата на частицата се съдържа под формата на квадратична стойност m². За всички регистрирани частици квадратът на масата представлява положителна величина. За хипотетичния тахион квадратът на масата трябва да бъде отрицателен (m² < 0), което означава имагинерна стойност на самата маса (m = i · |m|).

В уравненията на квантовата теория на полето отрицателният квадрат на масата на полето означава следното:

• Конфигурацията на полето се намира в точката на локалбия максимум на енергията.
• Това състояние на полето е физически нестабилно.
• Полето спонтанно освобождава излишната енергия и преминава в състояние с най-ниската възможна стойност на енергията. Този процес се нарича тахионна кондензация.

При прехода на полето в стабилно състояние тахионните възбуждания изчезват. Енергията на полето се изразходва за формирането на обикновени частици с положитилен квадрат на масата, чиято пределна скорост не надвишава скоростта на светлината.

По този начин квантовата теория на полето интерпретира тахионите не като реални частици, способни да пренасят информация, а като математически показател за нестабилността на физическото поле. Природата отстранява тази нестабилност чрез пренастройка на полето, преди в него да стане възможно формирането на какъвто и да е сигнал.

Значението на тахионния антителефон за теоретичната физика

Тъй като тахионният антителефон не може да бъде конструиран поради фундаменталните ограничения на квантовата механика и теорията на относителността, неговата роля в науката остава изключително аналитична.

Мисловните експерименти от такъв род изпълняват няколко функции в развитието на фундаменталната физика:

1. Определяне на границите на приложимост на физическите модели Изследването на екстремни условия, като предаването на информация срещу хода на времето, позволява да се откриват математически ограничения в уравненията. Това предотвратява използването на моделите извън диапазона на тяхната коректна работа.
2. Потвърждаване фундаменталността на принципа на причинността Анализът на логическите парадокси показва, че принципът на причинността представлява не просто емпирично наблюдаван факт, а задължително математическо изискваниe за изграждането на непротиворечива физическа теория. Без стриктното спазване на реда „причината предшества следствието“ се обезсмисля понятието за физически експеримент, тъй като началните условия престават еднозначно да определят крайния резултат.
3. Изследване на природата на масата и вакуума Анализът на математическите условия, при които в уравненията възникват имагинерни маси, изигра роля при разработването на теорията за спонтанно нарушение на симетрията. Тази теория обяснява механизма на Хигс, чрез който фундаменталните частици в Стандартния модел придобиват маса на покой при взаимодействие с полето на Хигс.

Мисловният експеримент на Айнщайн с тахионния антителефон демонстрира, че законите на физиката представляват единна система. Ограничението на скоростта на светлината, структурата на пространството-времето и квантовите свойства на полетата са съгласувани така, че да изключат възможността за възникване на логически противоречия и да запазят строгата последователност на събитията във Вселената.