Цитируемаяработа
D l
[1]
2´ 24 см
1.6 нс
9 нс
[4]
76 мкм
9.5 мкм
0.25 пс
0.032 пс
22 пс
9 пс
[7]
6 см
0.2 нс
62 нс
ОБ АНОМАЛЬНО БЫСТРОМ ДВИЖЕНИИ СВЕТОВОГО ИМПУЛЬСА
Гришаев А.А.
Институт метрологии времени и пространства, Госстандарт России
141570, Московская обл., Менделеево
В 1966 г. Басов и сотрудники
[1] впервые сообщили об эффекте, который до сих пор не имеет непротиворечивого объяснения в рамках традиционных физических концепций. Импульс рубинового лазера проходил сквозь рубиновые же усилительные стержни. Анализ измерявшихся при этом групповых задержек привёл исследователей к выводу: при режиме нелинейного усиления импульс движется в усилителях – т.е., в вещественной среде – быстрее, чем в вакууме.Несмотря на то, что этот вывод явно противоречит специальной теории относительности, теоретики стали разрабатывать модели для описания сверхсветового движения импульса в усиливающей среде. Самой популярной моделью сегодня является следующая (см., например, обзор
[2]). Коэффициент усиления для переднего фронта импульса больше, чем для заднего, поскольку задний фронт движется по среде, уже частично “высветившейся”. Эта неодинаковость коэффициентов усиления приводит к тому, что передний фронт приподнимается над пьедесталом импульса, а задний фронт – приопускается, что в итоге эквивалентно продвижению импульса вперёд по пьедесталу. Складывая скорость движения пьедестала и скорость “усилительного сноса”, получают сверхсветовую скорость движения импульса. На наш взгляд, главным противоречием этого подхода является использование здесь классического закона сложения скоростей, вместо релятивистского, как и полагается для релятивистских объектов. Это и понятно: результатом релятивистского сложения никак не может быть скорость, большая скорости света в вакууме.**
[Строго говоря, релятивистский закон сложения скоростей экспериментально подтверждён лишь для фазовой скорости света в движущемся веществе (начиная с классического опыта Физо с текущей водой). Вопрос о том, подчиняется ли релятивистскому закону сложения скоростей скорость электромагнитного импульса в движущемся веществе, до сих пор остаётся открытым. Результаты некоторых прецизионных экспериментов могут быть интерпретированы в пользу того, что там работает совсем другой закон сложения скоростей [3]. Этот закон, для случая движущейся твёрдой прозрачной среды, вырождается в классическое сложение: в движущемся стекле, например, скорость импульса может превышать скорость света в вакууме.]Явление аномально быстрого движения светового импульса наблюдалось также другими группами исследователей, использовавших среды с различными типами нелинейностей
[4-7]. Отсутствие корректного объяснения этого явления в значительной степени обусловлено тем, что с самого начала теоретики были направлены по ложному пути. В действительности факты свидетельствуют о том, что импульс может двигаться не просто быстрее, чем со скоростью света в вакууме c. Интерпретация этих фактов в рамках традиционных представлений о свете приводит к абсурдному, на наш взгляд, выводу о том, что импульс может проходить нелинейную ячейку быстрее, чем мгновенно: “импульс появляется на выходе ячейки до того, как он входит в неё” [7]. Действительно, приведём цифры из некоторых цитированных выше работ (см. таблицу). В таблице D l означает длину нелинейной ячейки;
означает расчётное уменьшение групповой задержки для импульса, проходящего длину D
l мгновенно, по сравнению с прохождением этой же длины со скоростью c; и 
означает измеренное уменьшение групповой задержки по сравнению с задержкой при калибровке, которая проводилась при отсутствии нелинейности в ячейке.
|
Цитируемаяработа |
D l |
|
|
|
[1] |
2´ 24 см |
1.6 нс |
9 нс |
|
[4] |
76 мкм 9.5 мкм |
0.25 пс 0.032 пс |
22 пс 9 пс |
|
[7] |
6 см |
0.2 нс |
62 нс |
Итак, если бы при калибровке импульс двигался в ячейке с “выключенной” нелинейностью со скоростью света в вакууме, а при “включенной” нелинейности он бы двигался в ячейке с бесконечной скоростью, то уменьшение групповой задержки составило бы величину
. Измеренное же уменьшение групповой задержки превышало эту величину в несколько раз [1] или даже на два порядка [4]. Разумеется, при калибровке импульс движется в ячейке не со скоростью света в вакууме, а с меньшей скоростью – с групповой. Строго говоря, величину следует сопоставлять с величиной , умноженной на соответствующий групповой показатель преломления 
. Но, даже при таком сопоставлении, разительные несоответствия отнюдь не устраняются. Так, в работе [1] частота лазера не перестраивалась, и калибровка проводилась на той же самой частоте рабочего перехода в рубине; разница заключалась в том, что режим усиления при калибровке был линейный. Если бы на частоте рабочего перехода в рубине 
был бы порядка или больше чем 5.7, то в данном случае можно было бы избежать вывода о “сверхмгновенном” движении импульса; но известно, что в линейном режиме соответствующее значение составляет всего лишь около 1.7. В других работах калибровка проводилась в условиях, когда несущая частота импульса значительно отстроена от частоты рабочего перехода в ячейке; при этом значения составляли примерно 1.5 ¸
2.0, что, опять же, не помогает объяснить превышение величин величинами на несколько порядков.
Мы не встречали в литературе разумного объяснения цитированных выше результатов – в рамках ортодоксальных научных концепций. В поздних работах (см., например
[6,7]) эти результаты обычно излагаются с помощью отрицательного группового показателя преломления: формула Рэлея, связывающая фазовый и групповой показатели преломления, для случая сильной аномальной дисперсии, действительно, может дать отрицательное значение. Но такое применение формулы Рэлея, на наш взгляд, некорректно: она справедлива лишь для пакета волн с достаточно узким спектром, причём в условиях слабой дисперсии [8], т.е., не для обсуждаемого здесь случая. Надуманные же гипотезы, например, о движении импульса в ячейке вспять во времени, не заслуживают, на наш взгляд, серьёзного обсуждения. Сверхмгновенное движение импульса противоречит не только специальной теории относительности, но и принципу причинности, а, значит, и элементарным понятиям о движении. Но заметим, что это фундаментальное противоречие возникло на основе представлений о фотонах, как переносчиках электромагнитной энергии. Ниже мы постараемся показать, что достаточно радикальный пересмотр сегодняшних представлений о фотонах позволяет объяснить вышеизложенные факты, сохраняя незыблемым принцип причинности.
Проведённый нами анализ
[9,10] результатов экспериментов, в которых обнаруживается гравитационное “красное смещение”, приводит к выводу о том, что фотоны совсем не испытывают гравитационных сдвигов частоты: измеряемые здесь эффекты полностью объясняются гравитационными сдвигами энергетических уровней квантовых осцилляторов излучателя и приёмника, находящихся в различных гравитационных потенциалах. Совершенно аналогично можно показать, что фотоны совсем не испытывают также и релятивистских сдвигов частоты: квадратичный эффект Допплера полностью объясняется кинематическими сдвигами энергетических уровней квантовых осцилляторов излучателя и приёмника [11,10].Напрашивается вывод о том, что кванты электромагнитной энергии, которых квантовые осцилляторы вещества передают друг другу, не существуют независимо от этих квантовых осцилляторов вещества: энергия квантовых осцилляторов вещества локализована только на них самих. Но это означает, что фотоны не являются физической реальностью: квантовый переброс энергии от одного атома другому происходит непосредственно, без промежуточных носителей. И если, при квантовом перебросе, энергия не перемещается по пространству, разделяющему атомы, то вполне возможно допустить, что квантовый переброс осуществляется весьма быстро – за время, сравнимое с отношением постоянной Планка к перебрасываемой энергии. При этом длительность квантового переброса энергии не зависит от расстояния, на которое он осуществляется. Для квантов достаточно больших энергий и в условиях достаточной разреженности вещества, перебросы можно считать практически мгновенными. Замедление же скорости передачи электромагнитной энергии (благодаря которому скорость света в вакууме имеет конечное значение) обусловлено, по-видимому, ненулевыми временами, в течение которых происходит установление связей между атомами, готовыми отдать квант энергии, и атомами, готовыми его получить. Обсуждение природы этих связей выходит за рамки данной работы; мы ограничимся ссылкой на статью
[12], где популярно изложена одна из гипотез на этот счёт, вместе с объяснением волновых свойств света, которые сосуществуют с практически мгновенными квантовыми перебросами.Можно видеть, что если каким-либо образом сократить вышеупомянутые времена установления связей между атомами, то можно добиться скорости передачи электромагнитной энергии, превышающей скорость света в вакууме. Реализация этого эффекта возможна, например, с помощью создания неравновесного когерентного состояния в
ансамбле атомов. Такое состояние имеет место, в частности, в лазерном усилителе, когда в нём создана инверсная населённость. В процессе создания инверсной населённости, связи на частоте рабочего перехода устанавливаются между атомами усиливающей среды за время порядка L/c, где L – длина усилителя. Когда в усилитель входит лазерный импульс с несущей частотой, совпадающей с рабочей частотой усилителя, то связи между атомами на этой частоте уже установлены: атомы, пребывающие в верхнем состоянии рабочего перехода, “чувствуют” друг друга на всей протяжённости усилителя, поэтому импульс может быть практически мгновенно передан со входного торца усилителя на выходной. Более того, если эксперимент проводится в условиях постоянно открытой оптической связи между лазером-источником и нелинейной ячейкой, то, при достаточно хорошем совпадении их резонансных частот, рабочие атомы лазера-источника и нелинейной ячейки могут образовать единый когерентный ансамбль. Тогда генерируемый в лазере импульс может быть практически мгновенно передан сразу до выходного торца нелинейной ячейки. Очевидно, что максимальное уменьшение групповой задержки для такого импульса, по сравнению со случаем его движения по равновесной среде, будет определяться оптической длиной пути импульса от источника до выходного торца ячейки. Этим и можно объяснить настолько большие уменьшения групповых задержек, которые никак не могли быть обеспечены нелинейными ячейками самими по себе.Таким образом, результаты цитированных выше экспериментов, где обнаруживалось аномально быстрое движение светового импульса, могут быть разумно объяснены с сохранением незыблемым принципа причинности: энергия, конечно же, не может быть передана на расстояние быстрее, чем мгновенно. Однако, это объяснение требует радикального пересмотра ортодоксальных представлений о самом механизме передачи энергии. В данной работе мы постарались изложить некоторые веские основания для такого пересмотра.
Литература.
Источник:
Поступило на сайт: 04 августа 2000.
