Zjawiska fizyczne, które nie rozpoznają żadnych ograniczeń prędkości
Górną granicę prędkości znają nawet dzieci w wieku szkolnym: Albert Einstein, łącząc masę i energię ze słynnym wzorem E = mc2, wskazał na początku XX wieku, że zasadniczo niemożliwe jest, aby cokolwiek o masie poruszało się w przestrzeni szybciej niż prędkość światła w próżni. Jednak ten preparat już zawiera luki, które niektóre zjawiska fizyczne i cząstki są w stanie ominąć. Przynajmniej te zjawiska, które istnieją w teorii.
Pierwsza luka dotyczy słowa „masa”: ograniczenia Einsteina nie dotyczą cząstek bezmasowych. Nie dotyczą też niektórych dość gęstych mediów, w których prędkość światła może być znacznie mniejsza niż w próżni. Wreszcie, po przyłożeniu wystarczającej energii, sama przestrzeń może się lokalnie odkształcić, umożliwiając jej poruszanie się w taki sposób, że dla obserwatora z boku, poza tą deformacją, ruch będzie przebiegał tak, jakby był szybszy niż prędkość światła.
Niektóre z tych „superszybkich” zjawisk i cząstek fizycznych są regularnie rejestrowane i odtwarzane w laboratoriach, a nawet stosowane w praktyce, w zaawansowanych technologicznie instrumentach i urządzeniach. Inni, przewidywani teoretycznie, naukowcy wciąż próbują odkryć w rzeczywistości, a po trzecie mają wielkie plany: być może kiedyś te zjawiska pozwolą nam swobodnie poruszać się po Wszechświecie, nie ograniczając się nawet prędkością światła.
Teleportacja kwantowa
Status: aktywnie się rozwija
Teleportacja żywej istoty jest dobrym przykładem technologii, która jest teoretycznie dopuszczalna, ale praktycznie, najwyraźniej, nigdy nie jest możliwa. Ale jeśli mówimy o teleportacji, czyli natychmiastowym przemieszczaniu się z jednego miejsca do drugiego małych obiektów, a tym bardziej cząstek, jest to całkiem możliwe. Aby wszystko było proste, zacznijmy od prostych - cząstek.
Film promocyjny:
Wydaje się, że będziemy potrzebować urządzeń, które (1) w pełni obserwują stan cząstki, (2) przenoszą ten stan szybciej niż prędkość światła, (3) przywracają oryginał.
Jednak w takim schemacie nawet pierwszy krok nie może zostać w pełni zrealizowany. Zasada nieoznaczoności Heisenberga nakłada nie do pokonania granice dokładności, z jaką można mierzyć parametry „pary” cząstki. Na przykład im lepiej znamy jego pęd, tym gorzej - współrzędną i odwrotnie. Jednak ważną cechą teleportacji kwantowej jest to, że w rzeczywistości nie trzeba mierzyć cząstek, tak samo jak nie trzeba niczego przywracać - wystarczy uzyskać parę splątanych cząstek.
Na przykład, aby przygotować takie splątane fotony, musimy oświetlić nieliniowy kryształ promieniowaniem laserowym o określonej fali. Następnie niektóre z nadchodzących fotonów rozpadną się na dwa splątane - w niewytłumaczalny sposób połączone, tak że każda zmiana stanu jednego natychmiast wpływa na stan drugiego. Ten związek jest naprawdę niewytłumaczalny: mechanizmy splątania kwantowego pozostają nieznane, chociaż samo zjawisko było i jest stale demonstrowane. Ale to jest takie zjawisko, w którym naprawdę łatwo się pogubić - wystarczy dodać, że przed pomiarem żadna z tych cząstek nie ma pożądanych cech, natomiast jakikolwiek wynik uzyskamy mierząc pierwszą, stan drugiej będzie dziwnie skorelowany z naszym wynikiem …
Mechanizm kwantowej teleportacji, zaproponowany w 1993 roku przez Charlesa Bennetta i Gillesa Brassarda, wymaga dodania tylko jednego dodatkowego uczestnika do pary splątanych cząstek - w rzeczywistości tej, którą zamierzamy teleportować. Nadawcy i odbiorcy są zwykle nazywani Alice i Bob i będziemy postępować zgodnie z tą tradycją, dając każdemu z nich jeden ze splątanych fotonów. Gdy tylko rozproszą się na przyzwoitą odległość, a Alicja zdecyduje się rozpocząć teleportację, bierze pożądany foton i mierzy jego stan wraz ze stanem pierwszego ze splątanych fotonów. Nieokreślona funkcja falowa tego fotonu zapada się i natychmiast reaguje w drugim splątanym fotonie Boba.
Niestety Bob nie wie dokładnie, jak jego foton reaguje na zachowanie fotonu Alicji: aby to zrozumieć, musi poczekać, aż wyśle wyniki swoich pomiarów zwykłą pocztą, nie większą niż prędkość światła. Dlatego żadne informacje nie mogą być przesyłane takim kanałem, ale fakt pozostanie faktem. Teleportowaliśmy stan jednego fotonu. Aby dotrzeć do człowieka, pozostaje skalowanie technologii, obejmującej każdą cząsteczkę liczącą zaledwie 7000 bilionów bilionów atomów naszego ciała - wydaje się, że nie więcej niż wieczność dzieli nas od tego przełomu.
Jednak teleportacja kwantowa i splątanie pozostają jednymi z najgorętszych tematów współczesnej fizyki. Przede wszystkim dlatego, że wykorzystanie takich kanałów komunikacyjnych obiecuje nierozerwalną ochronę przesyłanych danych: aby uzyskać do nich dostęp, atakujący będą musieli przejąć nie tylko list od Alicji do Boba, ale także dostęp do splątanej cząstki Boba, a nawet jeśli uda im się do niego dotrzeć i zrobić to pomiary, to trwale zmieni stan fotonu i zostanie natychmiast ujawnione.
Efekt Wawiłowa - Czerenkowa
Status: używany przez długi czas
Ten aspekt podróżowania z prędkością większą niż prędkość światła jest przyjemną okazją do przypomnienia sobie dokonań rosyjskich naukowców. Zjawisko zostało odkryte w 1934 roku przez Pawła Czerenkowa, który pracował pod kierunkiem Siergieja Wawiłowa, trzy lata później uzyskało podstawy teoretyczne w pracach Igora Tamma i Ilji Franka, aw 1958 roku wszyscy uczestnicy tych prac, z wyjątkiem zmarłego już Wawiłowa, otrzymali Nagrodę Nobla za fizyka.
W istocie teoria względności mówi tylko o prędkości światła w próżni. W innych przezroczystych mediach światło jest dość zauważalnie spowalniane, w wyniku czego można zaobserwować załamanie na ich granicy z powietrzem. Współczynnik załamania światła szkła wynosi 1,49, co oznacza, że prędkość fazowa światła w nim jest 1,49 razy mniejsza, a na przykład diament ma współczynnik załamania światła 2,42, a prędkość światła w nim spada ponad dwukrotnie. Nic nie stoi na przeszkodzie, aby inne cząstki latały szybciej niż fotony światła.
Tak właśnie stało się z elektronami, które w eksperymentach Czerenkowa zostały wybite przez wysokoenergetyczne promieniowanie gamma z ich miejsc w cząsteczkach luminescencyjnej cieczy. Mechanizm ten jest często porównywany do powstawania dźwiękowej fali uderzeniowej podczas lotu w atmosferze z prędkością ponaddźwiękową. Ale można też sobie wyobrazić, że biegnie w tłumie: poruszając się szybciej niż światło, elektrony pędzą obok innych cząstek, jakby dotykając ich ramieniem - i na każdy centymetr ich drogi, zmuszając je do gniewnej emisji od kilku do kilkuset fotonów.
Wkrótce to samo zachowanie stwierdzono we wszystkich innych dość czystych i przezroczystych cieczach, a następnie promieniowanie Czerenkowa zostało zarejestrowane nawet w głębi oceanów. Oczywiście fotony światła z powierzchni tak naprawdę tu nie docierają. Z drugiej strony, ultraszybkie cząsteczki, które od czasu do czasu wylatują z niewielkich ilości rozpadających się cząstek radioaktywnych, tworzą poświatę, która być może przynajmniej pozwala lokalnym mieszkańcom widzieć.
Promieniowanie Czerenkowa-Wawiłowa znalazło zastosowanie w nauce, energetyce jądrowej i dziedzinach pokrewnych. Reaktory elektrowni jądrowej, wypełnione szybkimi cząstkami, świecą jasno. Dokładnie mierząc charakterystykę tego promieniowania i znając prędkość fazową w naszym środowisku pracy, możemy zrozumieć, jakie cząsteczki je spowodowały. Astronomowie używają również detektorów Czerenkowa, wykrywających lekkie i energetyczne cząstki kosmiczne: ciężkie są niezwykle trudne do przyspieszenia do wymaganej prędkości i nie wytwarzają promieniowania.
Bąbelki i nory
Status: fantastyczny do teoretycznego
Oto mrówka pełzająca po kartce papieru. Jego prędkość jest niska, a przejście z lewej krawędzi samolotu w prawo zajmuje mu 10 sekund, ale gdy tylko zlitujemy się nad nim i zginamy papier, łącząc jego krawędzie, natychmiast "teleportuje się" do żądanego miejsca. Coś podobnego można zrobić z naszą rodzimą czasoprzestrzenią, z tą różnicą, że zginanie wymaga udziału innych, niezauważalnych dla nas wymiarów, tworzących tunele czasoprzestrzeni - słynne tunele czasoprzestrzenne, czyli tunele czasoprzestrzenne.
Nawiasem mówiąc, zgodnie z nowymi teoriami, takie tunele czasoprzestrzenne są rodzajem czasoprzestrzeni znanego już zjawiska kwantowego splątania. Ogólnie rzecz biorąc, ich istnienie nie jest sprzeczne z żadnymi ważnymi koncepcjami współczesnej fizyki, w tym z ogólną teorią względności. Ale aby utrzymać taki tunel w tkance Wszechświata, potrzebne będzie coś, co w niewielkim stopniu przypomina prawdziwą naukę - hipotetyczna „egzotyczna materia” o ujemnej gęstości energii. Innymi słowy, musi to być rodzaj materii, która powoduje grawitacyjne… odpychanie. Trudno sobie wyobrazić, że kiedyś ten egzot zostanie odnaleziony, a co dopiero oswojony.
Jeszcze bardziej egzotyczna deformacja czasoprzestrzeni - ruch wewnątrz bąbla zakrzywionej struktury tego kontinuum - może służyć jako swego rodzaju alternatywa dla tuneli czasoprzestrzennych. Pomysł został wyrażony w 1993 roku przez fizyka Miguele Alcubierre, choć brzmiał znacznie wcześniej w twórczości pisarzy science fiction. To jak statek kosmiczny, który się porusza, ściska i miażdży czasoprzestrzeń przed nosem i ponownie ją wygładza. Jednocześnie sam statek i jego załoga pozostają w lokalnym regionie, w którym czasoprzestrzeń zachowuje swoją zwykłą geometrię i nie doświadcza żadnych niedogodności. Widać to wyraźnie w popularnym wśród marzycieli serialu „Star Trek”, gdzie taki „napęd warp” pozwala bez skromności podróżować po Wszechświecie.
Tachiony
Status: fantastyczny do teoretycznego
Fotony to cząstki bezmasowe, podobnie jak neutrina i niektóre inne: ich masa w spoczynku wynosi zero i aby nie zniknąć całkowicie, są one zmuszane do poruszania się zawsze i zawsze - z prędkością światła. Jednak niektóre teorie sugerują istnienie znacznie bardziej egzotycznych cząstek - tachionów. Ich masa, występująca w naszym ulubionym wzorze E = mc2, jest określona nie przez prostą, ale przez liczbę urojoną, zawierającą specjalny składnik matematyczny, którego kwadrat daje liczbę ujemną. Jest to bardzo przydatna właściwość, a autorzy naszego ulubionego serialu „Star Trek” wyjaśnili działanie ich fantastycznego silnika, „ograniczając energię tachionów”.
W rzeczywistości wyimaginowana masa robi coś niesamowitego: tachiony muszą tracić energię, przyspieszając, więc dla nich wszystko w życiu wcale nie jest takie samo, jak myśleliśmy. Zderzając się z atomami tracą energię i są przyspieszane, dzięki czemu kolejne zderzenie będzie jeszcze silniejsze, co zabierze jeszcze więcej energii i ponownie przyspieszy tachiony do nieskończoności. Zrozumiałe jest, że takie zadurzenie się po prostu narusza podstawowe związki przyczynowe. Być może dlatego do tej pory tylko teoretycy badają tachiony: nikt jeszcze nie widział ani jednego przykładu rozpadu związków przyczynowo-skutkowych w przyrodzie, a jeśli widzisz, szukaj tachionu, a Nagroda Nobla jest gwarantowana.
Jednak teoretycy wykazali, że tachiony mogą nie istnieć, ale w odległej przeszłości mogły równie dobrze istnieć, i według niektórych pomysłów to ich nieskończone możliwości odegrały ważną rolę w Wielkim Wybuchu. Obecność tachionów wyjaśnia skrajnie niestabilny stan fałszywej próżni, w której wszechświat mógł znajdować się przed swoimi narodzinami. W takim obrazie świata tachiony poruszające się szybciej niż światło są prawdziwą podstawą naszego istnienia, a pojawienie się Wszechświata jest opisane jako przejście pola tachionowego fałszywej próżni w inflacyjne pole prawdziwej. Dodać należy, że są to dość szanowane teorie, mimo że główni łamacze praw Einsteina, a nawet związku przyczynowo-skutkowego okazują się być założycielami wszystkich przyczyn i skutków.
Prędkość ciemności
Status: filozoficzny
Mówiąc filozoficznie, ciemność jest po prostu brakiem światła, a ich prędkość powinna być taka sama. Ale warto się zastanowić: ciemność może przybrać postać, która porusza się znacznie szybciej. Nazwa tej formy to cień. Wyobraź sobie, że wskazujesz palcami sylwetkę psa na przeciwległej ścianie. Promień latarki rozchodzi się, a cień z dłoni staje się znacznie większy niż sama dłoń. Wystarczy najmniejszy ruch palca, aby cień z niego na ścianie przesunął się na zauważalną odległość. A jeśli rzucimy cień na księżyc? A może do wyimaginowanego ekranu jeszcze dalej?
Ledwie dostrzegalna fala - i będzie przebiegać z prędkością, którą daje tylko geometria, więc żaden Einstein nie może jej tego powiedzieć. Lepiej jednak nie flirtować z cieniami, ponieważ łatwo nas oszukają. Warto cofnąć się do początku i pamiętać, że ciemność to po prostu brak światła, dlatego podczas takiego ruchu żaden fizyczny obiekt nie jest przekazywany. Nie ma cząstek, informacji, deformacji czasoprzestrzeni, jest tylko nasze złudzenie, że jest to odrębne zjawisko. W prawdziwym świecie żadna ciemność nie może się równać szybkości ze światłem.
Sergey Vasiliev