Информация и пространственно-временные соотношения

Современные научные представления о пространстве-времени основаны на эйнштейновской теории относительности, одним из основных принципов которой является невозможность движения материальных тел и, соответственно, передачи сигналов со скоростью, превышающей скорость света. Информационное видение мира вносит ва­ж­ные уточнения в наше понимание сути этого принципа.

В экспериментах по квантовой телепортации изменение состояния одной частицы мгновенно изменяет состояние другой, удаленной от нее. Но как

же быть с невозможностью сверхсветовых скоростей? Оказывается, что

сверхсветовые скорости остаются невозможными, если иметь в виду скорость передачи содержательной информации.

Предположим, экспериментаторы А и Б договорились, что получение одним из них фотона с вертикальной поляризацией означает окончание рабочего дня. Через некоторое время Б улавливает вертикально поляризованный фотон (рис. 5.3). Однако уверенности в том, что пора снимать лабораторный халат, у него еще нет: он ведь не знает, является ли это следствием манипуляций А с первым фотоном пары или же Б опередил его с началом измерений. Чтобы такая уверенность появилась, Б должен знать, что А уже приступил к работе и перевел свой фотон в горизонтально поляризованное состояние — но эта информация не может быть передана с помощью квантовой телепортации, поскольку с ее истолкованием возникнет точно такая же проблема! В конечном счете, какую-то часть информации от А к Б придется передавать обычным образом, с досветовой скоростью, и именно этот этап определит скорость всего процесса обмена информацией.

Информационное понимание тезиса о невозможности сверхсветовых скоростей недавно получило еще одно изящное подкрепление.

Понятие «скорость световой волны» не вполне однозначно, поскольку любой реальный световой импульс — это протяженное в пространстве, не имеющее резких границ образование, форма которого к тому же изменяется с течением времени. Поэтому необходимо уточнять, скорость какой именно части импульса принимается за скорость всей волны. Например, «скоростью света» можно считать скорость перемещения в пространстве области с заданной фазой колебаний электромагнитного поля. Это будет фазовая скорость световой волны, и именно о ней идет речь, когда говорится, что в среде с показателем преломления n скорость света в n раз меньше скорости света в вакууме.

Известно, однако, что в некоторых ситуациях — например, при распространении рентгеновского излучения в металлах, — показатель преломления меньше единицы, то есть фазовая скорость световой волны превышает c = 300 тысяч км/с. Это не воспринималось как противоречие с теорией относительности, поскольку фаза — понятие чисто математическое, абстрактное, а эйнштейновский запрет распространяется на движение материальных объектов, а не абстрактных понятий. Считалось, что скорость световой волны всегда будет меньше или равна c, если определить ее так, чтобы она отражала скорость переноса энергии. Этому требованию отвечает понятие групповой скорости — скорости перемещения пиковой части импульса, где колебания электромагнитного поля происходят с наибольшей амплитудой а, следовательно, и энергией.

Но в 2000 г. Л. Ван с коллегами из института NEC сообщил о наблюдении светового импульса, распространяющегося с групповой скоростью больше c! В среде из специальным образом приготовленных атомов цезия световой импульс деформировался таким образом, что максимум амплитуды волны, по мере ее распространения, смещался в переднюю часть импульса. В результате пик импульса выходил из камеры с цезием раньше, чем если бы импульс перемещался сквозь камеру со скоростью c, сохраняя свою форму.

Однако та же группа исследователей показала, что обнаруженный эффект невозможно использовать для передачи информации со сверхсветовой скоростью. Среда (пары цезия), которая деформирует импульс и делает его сверхсветовым, одновременно добавляет к нему свое беспорядочное излучение — шум, обусловленный квантовыми флуктуациями. Оказалось, что «разгон» импульса до сверхсветовой скорости сопряжен с таким ростом шумов, что на их фоне сигнал, переносимый импульсом, становится неразличим. И обратно, попытка сделать сигнал сильнее, чем шум, неизбежно приводит к снижению его скорости ниже c.

Таким образом еще раз было продемонстрировано, что природа жестче всего контролирует нерушимость светового барьера именно по отношению к скорости передачи информации.

Связь между информационными процессами и запретом на сверхсветовые скорости все же остается достаточно сложной и обремененной нюансами, чему свидетельством следующий пример.

Согласно современной космологии, доступный наблюдению космос — ничтожно малая часть всей Вселенной. Дело в том, что на стадии инфляции Вселенная расширялась так чудовищно быстро, что расстояние между практически любыми ее точками росло во много раз быстрее скорости света. Эйнштейновский запрет на этот процесс не распространялся, поскольку происходило не движение тел в пространстве, а растяжение самого пространства.

В результате инфляции причинно-след­ст­вен­ная связь между событиями, происходившими в разных местах Вселенной, прекратилась: они оказались слишком далеко друг от друга. Каждая точка космоса оказалась заключенной внутри своего горизонта событий, радиус которого равен расстоянию, пройденному лучом света с момента окончания инфляции (в настоящее время — 13–15 миллиардов световых лет). В силу ограниченности скорости света, никакая информация о состоянии областей, находящихся за горизонтом событий, не должна быть доступна. Однако та же космология дает объективную и содержательную информацию об этих областях: мы знаем, в частности, что они, скорее всего, существуют.