We wrześniu 2011 roku fizyk Antonio Ereditato zaszokował świat. Jego stwierdzenie może wywrócić do góry nogami nasze rozumienie wszechświata. Jeśli dane zebrane przez 160 naukowców OPERA były poprawne, zaobserwowano niewiarygodność. Cząsteczki - w tym przypadku neutrina - poruszały się szybciej niż światło. Zgodnie z teorią względności Einsteina jest to niemożliwe. A konsekwencje takiej obserwacji byłyby niesamowite. Być może należałoby zrewidować same podstawy fizyki.
Chociaż Ereditato powiedział, że on i jego zespół byli „wyjątkowo pewni” swoich wyników, nie powiedzieli, że są one całkowicie dokładne. Wręcz przeciwnie, poprosili innych naukowców, aby pomogli im dowiedzieć się, co się dzieje.
Ostatecznie okazało się, że wyniki OPERA były błędne. Źle podłączony kabel spowodował problem z synchronizacją, a sygnały z satelitów GPS były niedokładne. W sygnale wystąpiło nieoczekiwane opóźnienie. W rezultacie pomiary czasu potrzebnego na pokonanie pewnej odległości przez neutrina wykazały dodatkowe 73 nanosekundy: wydawało się, że neutrina leciały szybciej niż światło.
Pomimo miesięcy analiz przed rozpoczęciem eksperymentu i późniejszej weryfikacji danych, naukowcy bardzo się mylili. Ereditato zrezygnowało, wbrew wielu uwagom, że takie błędy zawsze występowały z powodu ekstremalnej złożoności urządzenia akceleratorów cząstek.
Dlaczego założenie - tylko założenie - że coś może poruszać się szybciej niż światło powoduje taki szum? Na ile jesteśmy pewni, że nic nie może pokonać tej bariery?
Spójrzmy najpierw na drugie z tych pytań. Prędkość światła w próżni wynosi 299 792 458 kilometrów na sekundę - dla wygody liczbę tę zaokrąglono w górę do 300 000 kilometrów na sekundę. Jest dość szybki. Słońce znajduje się 150 milionów kilometrów od Ziemi, a światło dociera do Ziemi w zaledwie osiem minut i dwadzieścia sekund.
Czy któraś z naszych kreacji może konkurować w wyścigu ze światłem? Jeden z najszybszych obiektów stworzonych przez człowieka, jaki kiedykolwiek zbudowano, sonda kosmiczna New Horizons przemknęła obok Plutona i Charona w lipcu 2015 roku. Osiągnął prędkość względem Ziemi 16 km / s. Dużo mniej niż 300 000 km / s.
Jednak mieliśmy małe cząsteczki, które poruszały się bardzo szybko. We wczesnych latach sześćdziesiątych William Bertozzi z Massachusetts Institute of Technology eksperymentował z przyspieszaniem elektronów do jeszcze wyższych prędkości.
Film promocyjny:
Ponieważ elektrony mają ładunek ujemny, można je przyspieszać - a dokładniej odpychać - przez przyłożenie tego samego ładunku ujemnego do materiału. Im więcej energii zostanie przyłożone, tym szybciej elektrony przyspieszają.
Można by pomyśleć, że wystarczy zwiększyć zastosowaną energię, aby rozpędzić się do prędkości 300 000 km / s. Ale okazuje się, że elektrony po prostu nie mogą poruszać się tak szybko. Eksperymenty Bertozziego pokazały, że użycie większej ilości energii nie prowadzi do wprost proporcjonalnego wzrostu prędkości elektronów.
Zamiast tego trzeba było zastosować ogromne ilości dodatkowej energii, aby nawet nieznacznie zmienić prędkość elektronów. Zbliżał się coraz bardziej do prędkości światła, ale nigdy do niego nie docierał.
Wyobraź sobie, że podchodzisz do drzwi małymi krokami, z których każdy pokonuje połowę odległości od aktualnej pozycji do drzwi. Ściśle mówiąc, nigdy nie dojdziesz do drzwi, bo po każdym kroku będziesz miał do pokonania dystans. Bertozzi z grubsza zmierzył się z takim problemem, gdy miał do czynienia ze swoimi elektronami.
Ale światło składa się z cząstek zwanych fotonami. Dlaczego te cząstki mogą poruszać się z prędkością światła, a elektrony nie?
„Gdy obiekty poruszają się coraz szybciej, stają się cięższe - im cięższe stają się, tym trudniej jest im przyspieszyć, więc nigdy nie osiągniesz prędkości światła” - mówi Roger Rassoul, fizyk z Uniwersytetu w Melbourne w Australii. „Foton nie ma masy. Gdyby miał masę, nie mógł poruszać się z prędkością światła."
Fotony są wyjątkowe. Nie tylko brakuje im masy, która zapewnia im pełną swobodę ruchów w próżni kosmicznej, ale także nie potrzebują przyspieszać. Naturalna energia, którą mają do swojej dyspozycji, porusza się falami, tak jak oni, więc w momencie ich tworzenia mają już maksymalną prędkość. W pewnym sensie łatwiej jest myśleć o świetle jako energii niż o strumieniu cząstek, chociaż w rzeczywistości światło jest jednym i drugim.
Jednak światło porusza się znacznie wolniej, niż moglibyśmy się spodziewać. Podczas gdy technicy internetowi lubią mówić o komunikacji działającej z „prędkością światła” we włóknie, światło przemieszcza się w szkle tego włókna o 40% wolniej niż w próżni.
W rzeczywistości fotony przemieszczają się z prędkością 300 000 km / s, ale napotykają na pewną ilość interferencji, interferencji powodowanej przez inne fotony, które są emitowane przez atomy szkła, gdy przechodzi główna fala świetlna. Może nie jest to łatwe do zrozumienia, ale przynajmniej próbowaliśmy.
W ten sam sposób w ramach specjalnych eksperymentów z pojedynczymi fotonami udało się dość imponująco je spowolnić. Ale w większości przypadków ważna będzie liczba 300 000. Nie widzieliśmy ani nie stworzyliśmy niczego, co mogłoby poruszać się tak szybko lub nawet szybciej. Są specjalne punkty, ale zanim ich dotkniemy, zajmijmy się naszym drugim pytaniem. Dlaczego tak ważne jest ścisłe przestrzeganie zasady prędkości światła?
Odpowiedź dotyczy człowieka imieniem Albert Einstein, jak to często bywa w fizyce. Jego szczególna teoria względności bada liczne konsekwencje jego uniwersalnych ograniczeń prędkości. Jednym z najważniejszych elementów teorii jest idea, że prędkość światła jest stała. Bez względu na to, gdzie jesteś i jak szybko się poruszasz, światło zawsze porusza się z tą samą prędkością.
Ale ma to kilka problemów koncepcyjnych.
Wyobraź sobie światło padające z latarki na lustro na suficie stacjonarnego statku kosmicznego. Światło podnosi się, odbija się od lustra i pada na podłogę statku kosmicznego. Powiedzmy, że pokonuje dystans 10 metrów.
Teraz wyobraź sobie, że ten statek kosmiczny zaczyna się poruszać z kolosalną prędkością wielu tysięcy kilometrów na sekundę. Po włączeniu latarki światło zachowuje się jak poprzednio: świeci w górę, pada w lustro i odbija się od podłogi. Aby to zrobić, światło będzie musiało przebyć odległość po przekątnej, a nie pionową. W końcu lustro porusza się teraz szybko wraz ze statkiem kosmicznym.
W związku z tym zwiększa się odległość, którą pokonuje światło. Powiedzmy 5 metrów. Okazuje się, że w sumie 15 metrów, a nie 10.
Mimo to, chociaż odległość wzrosła, teorie Einsteina twierdzą, że światło nadal będzie się poruszać z tą samą prędkością. Ponieważ prędkość to odległość podzielona przez czas, ponieważ prędkość pozostaje taka sama, a odległość rośnie, czas również musi rosnąć. Tak, sam czas musi się rozciągać. Chociaż brzmi to dziwnie, zostało potwierdzone eksperymentalnie.
Zjawisko to nosi nazwę dylatacji czasu. Czas płynie wolniej dla ludzi poruszających się w szybko poruszających się pojazdach, w porównaniu z tymi, którzy są nieruchomi.
Na przykład czas płynie o 0,007 sekundy wolniej dla astronautów na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, która porusza się z prędkością 7,66 km / s względem Ziemi w porównaniu z ludźmi na planecie. Jeszcze bardziej interesująca jest sytuacja z cząstkami takimi jak wspomniane elektrony, które mogą podróżować z prędkością bliską prędkości światła. W przypadku tych cząstek stopień opóźnienia będzie olbrzymi.
Stephen Colthammer, fizyk eksperymentalny z Uniwersytetu Oksfordzkiego w Wielkiej Brytanii, wskazuje na przykład cząstek zwanych mionami.
Miony są niestabilne: szybko rozpadają się na prostsze cząstki. Tak szybko, że większość mionów opuszczających Słońce powinna ulec rozpadowi, zanim dotrą do Ziemi. Ale w rzeczywistości miony docierają na Ziemię ze Słońca w kolosalnych ilościach. Fizycy od dawna próbowali zrozumieć, dlaczego.
„Odpowiedzią na tę tajemnicę jest to, że miony są generowane z taką energią, że poruszają się z prędkościami bliskimi światła” - mówi Kolthammer. „Ich poczucie czasu, że tak powiem, ich wewnętrzny zegar działa wolno”.
Miony „przeżywają” dłużej, niż oczekiwano w stosunku do nas, dzięki obecnemu, naturalnemu zakrzywieniu czasu. Kiedy obiekty poruszają się szybko względem innych obiektów, ich długość również się zmniejsza, kurczy się. Te konsekwencje, wydłużenie czasu i zmniejszenie długości, są przykładami tego, jak czasoprzestrzeń zmienia się w zależności od ruchu rzeczy - ja, ty lub statek kosmiczny - które mają masę.
Co ważne, jak powiedział Einstein, nie wpływa na światło, ponieważ nie ma ono masy. Dlatego te zasady idą w parze. Gdyby obiekty mogły poruszać się szybciej niż światło, byłyby posłuszne podstawowym prawom opisującym, jak działa wszechświat. To są kluczowe zasady. Teraz możemy porozmawiać o kilku wyjątkach i odstępstwach.
Z jednej strony, chociaż nie widzieliśmy niczego, co porusza się szybciej niż światło, nie oznacza to, że teoretycznie tego ograniczenia prędkości nie można przekroczyć w bardzo specyficznych warunkach. Weźmy na przykład ekspansję samego wszechświata. Galaktyki we Wszechświecie oddalają się od siebie z prędkością znacznie większą niż światło.
Inna interesująca sytuacja dotyczy cząstek, które mają te same właściwości w tym samym czasie, niezależnie od odległości od siebie. Jest to tak zwane „splątanie kwantowe”. Foton będzie się obracał w górę iw dół, losowo wybierając jeden z dwóch możliwych stanów, ale wybór kierunku obrotu będzie dokładnie odzwierciedlał inny foton w innym miejscu, jeśli są splątane.
Dwóch naukowców, każdy badający własny foton, osiągnie ten sam wynik jednocześnie, szybciej, niż pozwalałaby na to prędkość światła.
Jednak w obu tych przykładach należy zauważyć, że żadna informacja nie przemieszcza się szybciej niż prędkość światła między dwoma obiektami. Możemy obliczyć ekspansję Wszechświata, ale nie możemy obserwować obiektów szybciej niż światło: zniknęły one z pola widzenia.
Jeśli chodzi o dwóch naukowców ze swoimi fotonami, to chociaż mogli uzyskać ten sam wynik w tym samym czasie, nie mogli dać sobie o tym informacji szybciej niż światło przemieszcza się między nimi.
„Nie stanowi to dla nas żadnego problemu, ponieważ jeśli jesteś w stanie przesyłać sygnały szybciej niż światło, otrzymujesz dziwne paradoksy, zgodnie z którymi informacje mogą w jakiś sposób cofać się w czasie” - mówi Kolthammer.
Istnieje jeszcze jeden możliwy sposób technicznego umożliwienia podróży szybszych niż światło: szczeliny w czasoprzestrzeni, które pozwoliłyby podróżnemu na uniknięcie reguł normalnego podróżowania.
Gerald Cleaver z Baylor University w Teksasie uważa, że pewnego dnia być może uda nam się zbudować statek kosmiczny poruszający się szybciej niż światło. Który przechodzi przez tunel czasoprzestrzenny. Tunele czasoprzestrzenne to pętle w czasoprzestrzeni, które idealnie pasują do teorii Einsteina. Mogłyby pozwolić astronaucie na przeskakiwanie z jednego końca wszechświata na drugi za pomocą anomalii w czasoprzestrzeni, jakiejś formy kosmicznego skrótu.
Obiekt podróżujący przez tunel czasoprzestrzenny nie przekroczy prędkości światła, ale teoretycznie może dotrzeć do celu szybciej niż światło podróżujące po „normalnej” ścieżce. Ale tunele czasoprzestrzenne mogą w ogóle nie być dostępne dla podróży kosmicznych. Czy może istnieć inny sposób aktywnego zniekształcania czasoprzestrzeni, aby poruszać się szybciej niż 300 000 km / s w stosunku do kogoś innego?
Cleaver zbadał także pomysł „silnika Alcubierre'a” zaproponowany przez fizyka teoretycznego Miguela Alcubierre w 1994 roku. Opisuje sytuację, w której czasoprzestrzeń kurczy się przed statkiem kosmicznym, popychając go do przodu i rozszerzając za nim, również popychając go do przodu. „Ale potem” - mówi Cleaver - „pojawiły się problemy: jak to zrobić i ile energii będzie potrzebne”.
W 2008 roku on i jego absolwent Richard Aubosie obliczyli, ile energii będzie potrzebne.
„Wyobraziliśmy sobie statek kosmiczny o wymiarach 10 mx 10 mx 10 m - 1000 metrów sześciennych - i obliczyliśmy, że ilość energii potrzebnej do rozpoczęcia tego procesu odpowiadałaby masie całego Jowisza”.
Następnie energia musi być nieustannie „nalewana”, aby proces się nie kończył. Nikt nie wie, czy kiedykolwiek będzie to możliwe, ani jakie będą wymagane technologie. „Nie chcę być cytowany przez wieki jako przepowiadający coś, co nigdy się nie wydarzy”, mówi Cleaver, „ale nie widzę jeszcze rozwiązań”.
Tak więc podróżowanie z prędkością większą niż prędkość światła pozostaje w tej chwili fantazją. Jak dotąd jedynym sposobem odwiedzenia egzoplanety za życia jest zanurzenie się w głęboko zawieszonej animacji. A jednak nie wszystko jest złe. W większości przypadków mówiliśmy o świetle widzialnym. Ale w rzeczywistości światło to znacznie więcej. Od fal radiowych i mikrofal po światło widzialne, promieniowanie ultrafioletowe, promieniowanie rentgenowskie i promienie gamma emitowane przez rozpadające się atomy - wszystkie te piękne promienie składają się z tego samego: fotonów.
Różnica polega na energii, czyli długości fali. Promienie te razem tworzą widmo elektromagnetyczne. Fakt, że na przykład fale radiowe poruszają się z prędkością światła, jest niezwykle przydatny w komunikacji.
W swoich badaniach Kolthammer tworzy obwód wykorzystujący fotony do przesyłania sygnałów z jednej części obwodu do drugiej, więc zasługuje na prawo do komentowania użyteczności niesamowitej prędkości światła.
„Już sam fakt, że zbudowaliśmy infrastrukturę na przykład Internetu, a wcześniej radia opartego na świetle, wiąże się z łatwością, z jaką możemy je transmitować” - zauważa. I dodaje, że światło działa jako siła komunikacyjna wszechświata. Kiedy elektrony w telefonie komórkowym zaczynają się trząść, fotony wylatują i powodują drżenie elektronów w drugim telefonie komórkowym. Tak rodzi się rozmowa telefoniczna. Drżenie elektronów w Słońcu również emituje fotony - w ogromnych ilościach - które oczywiście tworzą światło, które daje życiu na Ziemi ciepło i, hm, światło.
Światło to uniwersalny język wszechświata. Jego prędkość - 299 792,458 km / s - pozostaje stała. Tymczasem przestrzeń i czas są plastyczne. Może nie powinniśmy myśleć o tym, jak poruszać się szybciej niż światło, ale jak poruszać się szybciej w tej przestrzeni i tym czasie? Dojrzeć u samych podstaw, że tak powiem?
