V septembri 2011 svet Antonio šokoval fyzik Antonio Ereditato. Jeho vyhlásenie by mohlo obrátiť naše chápanie vesmíru hore nohami. Ak boli údaje zhromaždené 160 vedcami OPERA správne, bola pozorovaná neuveriteľná. Častice - v tomto prípade neutrína - sa pohybovali rýchlejšie ako svetlo. Podľa Einsteinovej teórie relativity je to nemožné. A následky takéhoto pozorovania by boli neuveriteľné. Možno by bolo potrebné revidovať samotné základy fyziky.
Kým Ereditato povedal, že on a jeho tím boli vo svojich výsledkoch „veľmi sebavedomí“, nehovorili, že údaje sú úplne presné. Naopak, požiadali ostatných vedcov, aby im pomohli zistiť, čo sa deje.
Nakoniec sa ukázalo, že výsledky OPERA boli nesprávne. Nesprávne pripojený kábel spôsobil problém so synchronizáciou a signály zo satelitov GPS boli nepresné. V signáli bolo neočakávané oneskorenie. Výsledkom bolo, že meranie času potrebného na prekonanie určitej vzdialenosti neutrínami ukázalo ďalších 73 nanosekúnd: zdalo sa, že neutrína leteli rýchlejšie ako svetlo.
Napriek mesiacom kontroly pred začiatkom experimentu a následnej dvojitej kontroly údajov sa vedci vážne mýlili. Ereditato rezignoval, na rozdiel od mnohých, že k takýmto chybám vždy došlo kvôli extrémnej zložitosti zariadenia urýchľovačov častíc.
Prečo predpoklad - len predpoklad -, že niečo sa môže pohybovať rýchlejšie ako svetlo, spôsobuje taký hluk? Ako sme si istí, že túto bariéru nič nedokáže prekonať?
Pozrime sa najprv na druhú z týchto otázok. Rýchlosť svetla vo vákuu je 299 792 458 kilometrov za sekundu - pre zjednodušenie sa tento počet zaokrúhľuje na 300 000 kilometrov za sekundu. Je to dosť rýchle. Slnko je vzdialené 150 miliónov kilometrov od Zeme a svetlo z neho dosahuje Zem len za osem minút a dvadsať sekúnd.
Môže niekto z našich výtvorov súťažiť v závode proti svetlu? Vesmírna sonda New Horizons, ktorá je jedným z najrýchlejších umelých objektov, aké kedy boli postavené, v júli 2015 vybuchla okolo Pluta a Charona. Dosiahol rýchlosť vo vzťahu k Zemi 16 km / s. Oveľa menej ako 300 000 km / s.
Mali sme však malé častice, ktoré sa pohybovali veľmi rýchlo. Začiatkom 60. rokov experimentoval William Bertozzi na Technologickom ústave Massachusetts s urýchľujúcimi sa elektrónmi na ešte vyššie rýchlosti.
Propagačné video:
Keďže elektróny majú záporný náboj, môžu sa urýchliť - presnejšie odraziť - tak, že na materiál uplatnia rovnaký záporný náboj. Čím viac energie sa aplikuje, tým rýchlejšie sa elektróny zrýchlia.
Človek by si myslel, že na zvýšenie rýchlosti na 300 000 km / s stačí zvýšiť aplikovanú energiu. Ukazuje sa však, že elektróny sa nedokážu rýchlo pohybovať. Bertozziho experimenty ukázali, že použitie väčšieho množstva energie nevedie k priamo úmernému zvýšeniu rýchlosti elektrónov.
Namiesto toho sa muselo použiť veľké množstvo dodatočnej energie, aby sa rýchlosť elektrónov zmenila dokonca nepatrne. Blížilo sa a pribúdalo k rýchlosti svetla, ale nikdy to nedosiahlo.
Predstavte si, že kráčate smerom k dverám v malých krokoch, z ktorých každý prechádza polovicu vzdialenosti od vašej aktuálnej polohy k dverám. Presne povedané, nikdy sa nedostanete ku dverám, pretože po každom kroku, ktorý podniknete, budete mať určitú vzdialenosť na prekonanie. Bertozzi čelil zhruba tomuto problému, keď sa zaoberal svojimi elektrónmi.
Svetlo sa však skladá z častíc nazývaných fotóny. Prečo sa tieto častice môžu pohybovať rýchlosťou svetla, ale elektróny nemôžu?
„Keď sa objekty pohybujú rýchlejšie a rýchlejšie, tým ťažšie sú, čím ťažšie sú, tým ťažšie je zrýchliť, takže nikdy nedosiahnete rýchlosť svetla,“hovorí Roger Rassoul, fyzik z austrálskej univerzity v Melbourne. „Fotón nemá hmotnosť. Keby mal hmotnosť, nemohol by sa pohybovať rýchlosťou svetla. ““
Fotóny sú špeciálne. Nielenže im chýba hmota, ktorá im poskytuje úplnú slobodu pohybu vo vákuu vesmíru, ale tiež sa nemusia zrýchľovať. Prirodzená energia, ktorú majú k dispozícii, sa vo vlnách pohybuje rovnako ako oni, takže v čase ich vytvorenia už majú maximálnu rýchlosť. V istom zmysle je ľahšie myslieť na svetlo ako na energiu ako na prúd častíc, hoci v skutočnosti je svetlo oboje.
Svetlo sa však pohybuje oveľa pomalšie, ako by sme mohli očakávať. Zatiaľ čo internetoví technici radi hovoria o komunikáciách, ktoré fungujú pri „rýchlosti svetla“vo vlákne, svetlo sa pohybuje v skle tohto vlákna o 40% pomalšie ako vo vákuu.
V skutočnosti sa fotóny pohybujú rýchlosťou 300 000 km / s, ale stretávajú sa s určitým množstvom interferencie, interferencie spôsobenej inými fotónmi, ktoré sú emitované sklenenými atómami, keď prechádza hlavná svetelná vlna. To nemusí byť ľahké pochopiť, ale aspoň sme to vyskúšali.
Rovnakým spôsobom bolo možné v rámci špeciálnych experimentov s jednotlivými fotónmi pomerne pôsobivo spomaliť. Vo väčšine prípadov však bude platný počet 300 000. Nevideli sme ani nevytvorili nič, čo by sa mohlo pohybovať tak rýchlo, alebo dokonca rýchlejšie. Existujú špeciálne body, ale skôr ako sa ich dotkneme, dotkme sa našej druhej otázky. Prečo je také dôležité, aby sa prísne dodržiavalo pravidlo rýchlosti svetla?
Odpoveď sa týka muža menom Albert Einstein, ako je to vo fyzike často. Jeho špeciálna teória relativity skúma mnohé dôsledky jeho univerzálnych rýchlostných limitov. Jedným z najdôležitejších prvkov teórie je myšlienka, že rýchlosť svetla je konštantná. Bez ohľadu na to, kde sa nachádzate alebo ako rýchlo sa pohybujete, svetlo sa vždy pohybuje rovnakou rýchlosťou.
Má to však niekoľko koncepčných problémov.
Predstavte si svetlo dopadajúce z baterky na zrkadlo na strope stacionárnej kozmickej lode. Svetlo stúpa, odráža sa od zrkadla a padá na podlahu kozmickej lode. Povedzme, že prechádza vzdialenosť 10 metrov.
Teraz si predstavte, že táto kozmická loď sa začne pohybovať kolosálnou rýchlosťou tisíce kilometrov za sekundu. Keď zapnete baterku, svetlo sa správa rovnako ako predtým: svieti nahor, narazí do zrkadla a odráža sa na podlahe. Aby to však bolo možné, musí svetlo prejsť uhlopriečnou vzdialenosťou, nie vertikálnou. Koniec koncov, zrkadlo sa teraz rýchlo pohybuje s kozmickou loďou.
V súlade s tým sa zväčšuje vzdialenosť, ktorou svetlo prechádza. Povedzme, že 5 metrov. Celkom sa ukazuje 15 metrov, nie 10.
Napriek tomu, hoci sa vzdialenosť zväčšila, Einsteinove teórie tvrdia, že svetlo sa bude stále pohybovať rovnakou rýchlosťou. Pretože rýchlosť je vzdialenosť delená časom, pretože rýchlosť zostáva rovnaká a vzdialenosť sa zvyšuje, musí sa tiež zvyšovať čas. Áno, čas sa musí natiahnuť. Aj keď to znie čudne, bolo to experimentálne potvrdené.
Tento jav sa nazýva dilatácia času. Čas sa pohybuje pomalšie pre ľudí, ktorí sa pohybujú v rýchlo sa pohybujúcich vozidlách, v porovnaní s tými, ktorí stoja.
Napríklad čas pre astronautov na Medzinárodnej vesmírnej stanici prechádza o 0,007 sekundy pomalšie, keď sa v porovnaní s ľuďmi na planéte pohybuje rýchlosťou 7,66 km / s. Ešte zaujímavejšia je situácia s časticami, ako sú vyššie uvedené elektróny, ktoré sa môžu pohybovať blízko rýchlosti svetla. V prípade týchto častíc bude stupeň spomalenia obrovský.
Stephen Colthammer, experimentálny fyzik na Oxfordskej univerzite vo Veľkej Británii, poukazuje na príklad častíc nazývaných mióny.
Mióny sú nestabilné: rýchlo sa rozpadajú na jednoduchšie častice. Tak rýchlo, že väčšina miónov opúšťajúcich Slnko by sa mala rozpadnúť, keď dorazia na Zem. V skutočnosti však mióny prichádzajú na Zem zo Slnka v obrovských objemoch. Fyzici sa už dlho snažili prísť na to, prečo.
„Odpoveď na toto tajomstvo je, že mióny sa vytvárajú takou energiou, že sa pohybujú rýchlosťou blízkou svetlu,“hovorí Kolthammer. „Ich zmysel pre čas, ich vnútorné hodiny bežia pomaly.“
Móny „prežijú“oproti nám v porovnaní so súčasnosťou, prirodzeným zakrivením času. Keď sa objekty rýchlo pohybujú relatívne k iným objektom, ich dĺžka sa tiež zmenšuje, zmenšuje. Tieto dôsledky, dilatácia času a skrátenie dĺžky, sú príkladmi toho, ako sa s časom mení hmota časopriestor v závislosti od pohybu vecí - mňa, teba alebo kozmickej lode.
Čo je dôležité, ako povedal Einstein, nemá vplyv na svetlo, pretože nemá hmotnosť. Preto tieto zásady idú ruka v ruke. Keby sa objekty mohli pohybovať rýchlejšie ako svetlo, dodržiavali by základné zákony, ktoré popisujú fungovanie vesmíru. Toto sú kľúčové zásady. Teraz môžeme hovoriť o niekoľkých výnimkách a výnimkách.
Na jednej strane, hoci sme nevideli nič rýchlejšie, ako svetlo, neznamená to, že tento rýchlostný limit sa nemôže teoreticky zlomiť za veľmi špecifických podmienok. Zoberme si napríklad rozšírenie samotného vesmíru. Galaxie vo vesmíre sa pohybujú od seba rýchlosťou oveľa rýchlejšou ako svetlo.
Ďalšia zaujímavá situácia sa týka častíc, ktoré majú rovnaké vlastnosti v rovnakom čase, bez ohľadu na to, ako ďaleko sú od seba. Toto je takzvané „kvantové zapletenie“. Fotón sa bude otáčať nahor a nadol, náhodným výberom z dvoch možných stavov, ale výber smeru rotácie sa bude presne odrážať na inom fotóne inde, ak sú zapletené.
Dvaja vedci, z ktorých každý študuje vlastný fotón, dostanú rovnaký výsledok súčasne, rýchlejšie, ako by to dovolila rýchlosť svetla.
V obidvoch týchto príkladoch je však dôležité si uvedomiť, že medzi dvoma objektmi nejazdia žiadne informácie rýchlejšie ako je rýchlosť svetla. Môžeme vypočítať expanziu vesmíru, ale nemôžeme pozorovať objekty rýchlejšie ako svetlo v ňom: zmizli z zorného poľa.
Pokiaľ ide o dvoch vedcov so svojimi fotónmi, napriek tomu, že mohli dosiahnuť ten istý výsledok v rovnakom čase, nemohli sa o tom dozvedieť rýchlejšie ako svetlo, ktoré prechádza medzi nimi.
„To pre nás nepredstavuje žiaden problém, pretože ak dokážete vysielať signály rýchlejšie ako svetlo, získate bizarné paradoxy, podľa ktorých sa informácie môžu nejako vrátiť v čase,“hovorí Kolthammer.
Existuje aj ďalší technicky možný spôsob rýchlejšieho cestovania ako ľahkého: trhliny v čase, ktoré by cestujúcemu umožnili vyhnúť sa pravidlám normálneho cestovania.
Gerald Cleaver z Baylor University v Texase verí, že jedného dňa môžeme byť schopní postaviť kozmickú loď, ktorá bude cestovať rýchlejšie ako svetlo. Ktorý sa pohybuje cez červiu dieru. Červí diery sú slučky vo vesmíre, ktoré sa dokonale hodia do Einsteinových teórií. Mohli by dovoliť, aby astronaut skočil z jedného konca vesmíru na druhý pomocou anomálie v časopise, nejakej formy kozmickej skratky.
Objekt, ktorý prechádza červí dierkou, neprekročí rýchlosť svetla, ale mohol by teoreticky dosiahnuť svoj cieľ rýchlejšie ako svetlo, ktoré prechádza „normálnou“cestou. Červí diery nemusia byť vôbec prístupné pre vesmírne cestovanie. Existuje nejaký iný spôsob, ako aktívne skresliť časopriestor a pohybovať sa rýchlejšie ako 300 000 km / s v porovnaní s niekým iným?
Cleaver tiež preskúmal myšlienku „motora Alcubierre“, ktorú navrhol teoretický fyzik Miguel Alcubierre v roku 1994. Popisuje situáciu, v ktorej sa vesmírny loď pred kozmickou loďou sťahuje, tlačí ju dopredu a rozširuje sa za ňu, tiež ju tlačí dopredu. „Ale potom,“hovorí Cleaver, „vznikli problémy: ako to urobiť a koľko energie by bolo potrebné.“
V roku 2008 vypočítal spolu so svojím absolventom Richardom Aubosie, koľko energie bude potrebovať.
„Predstavili sme si kozmickú loď s rozmermi 10 m x 10 m x 10 m - 1 000 metrov kubických - a vypočítali sme, že množstvo energie potrebné na začatie procesu by bolo rovnaké ako hmotnosť celého Jupitera.“
Potom musí byť energia neustále nalievaná, aby proces nekončil. Nikto nevie, či to bude vôbec možné alebo aké budú požadované technológie. "Nechcem byť citovaný po stáročia ako predpovedanie niečoho, čo sa nikdy nestane," hovorí Cleaver, "ale zatiaľ nevidím riešenia."
Takže cestovanie rýchlejšie ako rýchlosť svetla zostáva v túto chvíľu fantáziou. Jediným spôsobom, ako navštíviť exoplanetu počas života, je ponoriť sa do hlboko pozastavenej animácie. A predsa to nie je všetko zlé. Vo väčšine prípadov sme hovorili o viditeľnom svetle. Ale v skutočnosti je svetlo oveľa viac. Od rádiových vĺn a mikrovĺn po viditeľné svetlo, ultrafialové žiarenie, röntgenové lúče a gama lúče emitované atómami, ktoré sa rozpadajú, sú všetky tieto krásne lúče tvorené rovnakou vecou: fotónmi.
Rozdiel je v energii, čo znamená vo vlnovej dĺžke. Tieto lúče spolu tvoria elektromagnetické spektrum. Skutočnosť, že napríklad rádiové vlny cestujú rýchlosťou svetla, je pre komunikáciu neuveriteľne užitočná.
Vo svojom výskume Kolthammer vytvára obvod, ktorý využíva fotóny na prenos signálov z jednej časti obvodu do druhej, preto si zaslúži právo vyjadriť sa k užitočnosti neuveriteľnej rýchlosti svetla.
„Samotná skutočnosť, že sme napríklad vybudovali infraštruktúru internetu, a predtým rádiová stanica založená na svetle, sa týka ľahkosti, s akou ju môžeme prenášať,“poznamenáva. A dodáva, že svetlo pôsobí ako komunikačná sila vesmíru. Keď sa elektróny v mobilnom telefóne začnú triasť, fotóny odletia a spôsobia aj trasenie elektrónov v druhom mobilnom telefóne. Takto sa rodí telefónny hovor. Otrasy elektrónov na Slnku tiež emitujú fotóny - v obrovskom množstve - ktoré samozrejme tvoria svetlo, ktoré dáva životu na Zemi teplo a, ehm, svetlo.
Svetlo je univerzálny jazyk vesmíru. Jeho rýchlosť - 299 792,458 km / s - zostáva konštantná. Medzitým sú priestor a čas poddajné. Možno by sme nemali premýšľať o tom, ako sa pohybovať rýchlejšie ako svetlo, ale ako sa pohybovať rýchlejšie týmto priestorom a tentoraz? Zrieť v koreni, aby som tak povedal?