Septembra 2011 je fizik Antonio Ereditato šokiral svet. Njegova izjava bi lahko naše razumevanje vesolja obrnila na glavo. Če so bili podatki, ki jih je zbralo 160 znanstvenikov OPERA, pravilni, je bilo opaženo neverjetno. Delci - v tem primeru nevtrini - so se gibali hitreje kot svetloba. Po Einsteinovi teoriji relativnosti to ni mogoče. In posledice takega opazovanja bi bile neverjetne. Morda bi morali spremeniti same temelje fizike.
Medtem ko je Ereditato dejal, da sta bila on in njegova ekipa "izjemno prepričana" v svoje rezultate, niso rekli, da so bili podatki popolnoma točni. Nasprotno, prosili so druge znanstvenike, naj jim pomagajo ugotoviti, kaj se dogaja.
Na koncu se je izkazalo, da so bili rezultati OPERA napačni. Slabo povezan kabel je povzročil težave s sinhronizacijo in signali s satelitov GPS so bili netočni. Signal je prišlo do nepričakovane zamude. Kot rezultat, so meritve časa, ki so ga potrebovali nevtrini, da so prehodili določeno razdaljo, pokazali dodatnih 73 nanosekund: zdelo se je, da nevtrini letijo hitreje kot svetloba.
Kljub mesecem natančnega pregleda pred začetkom poskusa in nato dvojnega preverjanja podatkov, so se znanstveniki resno zmotili. Ereditato je odstopil v nasprotju s številnimi pripombami, da so se take napake vedno dogajale zaradi izjemne zapletenosti naprave za pospeševanje delcev.
Zakaj je predpostavka - samo predpostavka -, da se lahko nekaj premika hitreje kot svetloba, povzročila tak hrup? Kako prepričani smo, da te ovire nič ne more preseči?
Poglejmo najprej drugo od teh vprašanj. Hitrost svetlobe v vakuumu znaša 299.792.458 kilometrov na sekundo - za udobje je ta številka zaokrožena na 300.000 kilometrov na sekundo. Precej hitro. Sonce je od Zemlje oddaljeno 150 milijonov kilometrov, svetloba z njega pa doseže Zemljo v samo osmih minutah in dvajsetih sekundah.
Ali lahko katera od naših stvaritev tekmuje v tekmi proti svetlobi? Ena najhitreje zgrajenih umetnih predmetov, kar jih je kdajkoli zgradila, vesoljska sonda New Horizons je julija 2015 zaškripala mimo Plutona in Charona. Dosegel je hitrost glede na Zemljo 16 km / s. Veliko manj kot 300.000 km / s.
Vendar smo imeli drobne delce, ki so se premikali zelo hitro. V začetku šestdesetih let prejšnjega stoletja je William Bertozzi s tehnološkega inštituta v Massachusettsu eksperimentiral s pospeševanjem elektronov do še višjih hitrosti.
Promocijski video:
Ker imajo elektroni negativen naboj, jih je mogoče pospešiti - natančneje odbiti - z uporabo istega negativnega naboja na material. Čim več energije porabimo, hitreje elektroni pospešujejo.
Človek bi si mislil, da morate le povečati porabljeno energijo, da pospešite do hitrosti 300.000 km / s. Vendar se izkaže, da se elektroni preprosto ne morejo tako hitro premikati. Bertozzijevi poskusi so pokazali, da uporaba več energije ne vodi do neposredno sorazmernega povečanja hitrosti elektronov.
Namesto tega je bilo treba uporabiti ogromne količine dodatne energije, da bi hitrost elektronov še nekoliko spremenili. Bližala se je vse bližje in bližje hitrosti svetlobe, a je ni nikoli dosegla.
Predstavljajte si, da hodite proti vratom v majhnih korakih, od katerih vsak prevozi polovico razdalje od vašega trenutnega položaja do vrat. Strogo gledano, nikoli ne boste prišli do vrat, kajti po vsakem koraku boste morali premagati razdaljo. Bertozzi se je pri obravnavi svojih elektronov spopadel s približno takšno težavo.
Toda svetlobo sestavljajo delci, imenovani fotoni. Zakaj se lahko ti delci gibljejo s svetlobno hitrostjo, vendar elektroni ne morejo?
"Ko se predmeti premikajo hitreje in hitreje, postanejo težji - težji kot so, težje jih pospešujejo, tako da nikoli ne pridete do hitrosti svetlobe," pravi Roger Rassoul, fizik z univerze v Melbournu v Avstraliji. "Foton nima mase. Če bi imel maso, se ne bi mogel premikati s svetlobno hitrostjo."
Fotoni so posebni. Ne manjka jim le masa, ki jim zagotavlja popolno svobodo gibanja v prostorskem vakuumu, tudi pospeševanja jim ni treba. Naravna energija, ki jo imajo na razpolago, se giblje v valovih, tako kot tudi oni, tako da v času svojega ustvarjanja že imajo največjo hitrost. V nekem smislu je lažje razmišljati o svetlobi kot energiji kot o toku delcev, čeprav je v resnici svetloba oboje.
Vendar svetloba potuje veliko počasneje, kot smo morda pričakovali. Medtem ko internetni tehniki radi govorijo o komunikacijah, ki v vlaknih delujejo s "hitrostjo svetlobe", svetloba potuje za 40% počasneje v kozarcu tega vlakna kot v vakuumu.
V resnici fotoni potujejo s hitrostjo 300.000 km / s, vendar naletijo na določeno mero motenj, motenj, ki jih povzročajo drugi fotoni, ki jih stekleni atomi oddajajo ob prehodu glavnega svetlobnega vala. To morda ni enostavno razumeti, vendar smo vsaj poskusili.
Na enak način jih je bilo mogoče v okviru posebnih poskusov s posameznimi fotoni precej impresivno upočasniti. Toda v večini primerov bo veljala številka 300 000. Nismo videli ali ustvarili ničesar, kar bi se lahko premaknilo tako hitro ali celo hitreje. Obstajajo posebne točke, toda preden se jih dotaknemo, se dotaknimo drugega vprašanja. Zakaj je tako pomembno, da se strogo upošteva pravilo svetlobne hitrosti?
Odgovor ima človek z imenom Albert Einstein, kot je to pogosto v fiziki. Njegova posebna teorija relativnosti proučuje številne posledice njegovih univerzalnih omejitev hitrosti. Eden najpomembnejših elementov teorije je ideja, da je hitrost svetlobe konstantna. Ne glede na to, kje ste ali kako hitro se premikate, se svetloba vedno giblje z isto hitrostjo.
Toda to ima več idejnih težav.
Predstavljajte si, kako svetloba pada iz svetilke na ogledalo na stropu nepremičnega vesoljskega plovila. Svetloba gre navzgor, se odbija od ogledala in pade na tla vesoljskega plovila. Recimo, da prevozi razdaljo 10 metrov.
Zdaj si predstavljajte, da se to vesoljsko plovilo začne gibati z ogromno hitrostjo več tisoč kilometrov na sekundo. Ko vklopite svetilko, se svetloba obnaša kot prej: sije navzgor, udari v ogledalo in se odraža na tleh. Toda za to bo morala svetloba prehoditi diagonalno razdaljo in ne navpično. Konec koncev se ogledalo zdaj hitro giblje z vesoljskim plovilom.
V skladu s tem se oddaljenost svetlobe poveča. Recimo 5 metrov. Skupno se izkaže 15 metrov, ne 10.
Kljub temu, čeprav se je razdalja povečala, Einsteinove teorije trdijo, da se bo svetloba še vedno gibala z enako hitrostjo. Ker je hitrost razdalja, deljena s časom, ker hitrost ostaja enaka in razdalja narašča, se mora čas povečevati. Ja, čas se mora raztegniti. Čeprav se sliši čudno, je bilo potrjeno eksperimentalno.
Ta pojav imenujemo časovna dilatacija. Čas se giblje počasneje za ljudi, ki se gibljejo v vozilih, ki se hitro premikajo, v primerjavi s tistimi, ki mirujejo.
Na primer, čas mineva 0,007 sekunde počasneje za astronavte na Mednarodni vesoljski postaji, ki se giblje s hitrostjo 7,66 km / s glede na Zemljo v primerjavi z ljudmi na planetu. Še bolj zanimiva je situacija z delci, kot so prej omenjeni elektroni, ki lahko potujejo blizu hitrosti svetlobe. V primeru teh delcev bo stopnja pojemka ogromna.
Stephen Colthammer, eksperimentalni fizik z univerze v Oxfordu v Veliki Britaniji, opozarja na primer delcev, imenovanih muon.
Muoni so nestabilni: hitro razpadejo na enostavnejše delce. Tako hitro, da bi večina mun, ki zapuščajo Sonce, razpadla do trenutka, ko dosežejo Zemljo. V resnici pa muoni prihajajo na Zemljo s Sonca v ogromnih količinah. Fiziki že dolgo poskušajo ugotoviti, zakaj.
"Odgovor na to skrivnost je, da se muoni ustvarjajo s tako energijo, da se gibljejo s hitrostjo, ki je blizu svetlobe," pravi Kolthammer. "Njihov občutek za čas, tako rekoč, njihova notranja ura teče počasi."
Muoni "preživijo" dlje od pričakovanega glede na nas, zahvaljujoč sedanji naravni ukrivljenosti časa. Ko se predmeti hitro premikajo glede na druge predmete, se tudi njihova dolžina zmanjšuje in zmanjša. Te posledice, časovno širjenje in zmanjšanje dolžine, so primeri, kako se vesoljski čas spreminja glede na gibanje stvari - mene, tebe ali vesoljskega plovila - z maso.
Kar je pomembno, kot je dejal Einstein, ne vpliva na svetlobo, saj nima mase. Zato gre tem načelom z roko v roki. Če bi se predmeti lahko premikali hitreje od svetlobe, bi upoštevali temeljne zakone, ki opisujejo, kako deluje vesolje. To so ključna načela. Zdaj lahko govorimo o nekaj izjem in odstopanj.
Po eni strani, čeprav nismo videli, da bi se kaj premikalo hitreje od svetlobe, to še ne pomeni, da te omejitve hitrosti teoretično ni mogoče prebiti pod zelo specifičnimi pogoji. Vzemimo za primer širitev samega vesolja. Galaksije v vesolju se med seboj odmikajo s hitrostmi, ki so veliko hitrejše od svetlobe.
Druga zanimiva situacija se nanaša na delce, ki imajo iste lastnosti hkrati, ne glede na to, kako daleč so drug od drugega. To je tako imenovano "kvantno zapletanje". Foton se bo vrtel navzgor in navzdol, naključno bo izbiral med dvema možnima stanjama, vendar se bo izbira smeri vrtenja natančno odražala na drugem fotonu drugje, če bodo zapleteni.
Dva znanstvenika, vsaka, ki preučujeta svoj foton, bosta istočasno dobila enak rezultat, hitreje, kot bi dovolila svetlobna hitrost.
Vendar je v obeh teh primerih pomembno upoštevati, da nobena informacija ne potuje hitreje od svetlobne hitrosti med dvema objektoma. Lahko izračunamo širitev Vesolja, vendar ne moremo opazovati predmetov hitreje kot svetloba v njem: izginili so iz vidnega polja.
Kar zadeva oba znanstvenika s svojimi fotoni, čeprav bi lahko istočasno dosegli enak rezultat, se o tem nista mogla informirati hitreje, kot bi svetloba potovala med njima.
"To za nas ne predstavlja nobenega problema, saj če lahko pošljete signale hitreje od svetlobe, dobite bizarne paradokse, po katerih lahko informacije nekako potujejo nazaj v čas," pravi Kolthammer.
Obstaja še en možen način za tehnično mogoče potovanje, ki je hitrejše od lahkega: razmiki v vesolju in času, ki bi potniku omogočili, da se izogne pravilom običajnega potovanja.
Gerald Cleaver z univerze Baylor v Teksasu verjame, da bomo nekega dne morda lahko zgradili vesoljsko plovilo, ki potuje hitreje od svetlobe. Ki se premika skozi polž. Wormholes so zanke v vesolju in času, ki se popolnoma prilegajo Einsteinovim teorijam. Astronavtu bi lahko omogočili skok z enega konca vesolja na drugega s pomočjo anomalije v vesolju, neke oblike kozmične bližnjice.
Predmet, ki potuje skozi črvičnico, ne bo presegel svetlobne hitrosti, ampak bi teoretično lahko dosegel svoj cilj hitreje kot svetloba, ki potuje po "običajni" poti. Ampak črvičke morda sploh niso dostopne za vesoljsko potovanje. Ali lahko obstaja drug način za aktivno izkrivljanje vesolja, da se premaknete hitreje od 300.000 km / s v primerjavi z nekom drugim?
Cleaver je raziskoval tudi idejo o "Alcubierrejevem motorju", ki jo je leta 1994 predlagal teoretični fizik Miguel Alcubierre. Opisuje situacijo, ko se vesoljski čas skrajša pred vesoljskim plovilom, ga potisne naprej in širi za njim, prav tako ga potisne naprej. "Toda potem," pravi Cleaver, "so se pojavile težave: kako to storiti in koliko energije bi bilo potrebno."
Leta 2008 sta s študentom Richardom Aubosiejem izračunala, koliko energije bo potrebno.
"Zamislili smo si 10m x 10m x 10m vesoljskega plovila - 1.000 kubičnih metrov - in izračunali, da bo količina energije, ki je potrebna za začetek postopka, enakovredna masi celotnega Jupitra."
Po tem je treba energijo nenehno "vlivati", da se postopek ne konča. Nihče ne ve, ali bo to kdaj mogoče ali kakšne bodo potrebne tehnologije. "Nočem več stoletij citirati, da napovedujejo nekaj, kar se ne bo nikoli zgodilo," pravi Cleaver, "vendar še ne vidim rešitve."
Tako potovanje hitreje od svetlobne hitrosti zaenkrat ostaja fantazija. Do zdaj je edini način, da v življenju obiščete eksoplanet, se potopite v globoko suspendirano animacijo. Pa vendar ni vse slabo. V večini primerov smo govorili o vidni svetlobi. Toda v resnici je svetlobe veliko več. Od radijskih valov in mikrovalov do vidne svetlobe, ultravijoličnega sevanja, rentgenskih žarkov in gama žarkov, ki jih oddajajo atomi med razpadanjem, so ti lepi žarki sestavljeni iz iste stvari: fotonov.
Razlika je v energiji, kar pomeni v valovni dolžini. Ti žarki skupaj sestavljajo elektromagnetni spekter. Dejstvo, da radijski valovi na primer potujejo s svetlobno hitrostjo, je neverjetno koristno za komunikacijo.
Kolthammer v svoji raziskavi ustvari vezje, ki uporablja fotone za prenos signalov iz enega dela vezja v drugega, zato si zasluži pravico komentirati uporabnost neverjetne hitrosti svetlobe.
"Dejstvo, da smo na primer zgradili infrastrukturo interneta in pred tem radio, ki temelji na svetlobi, ima povezavo z lahkoto, s katero ga lahko oddajamo," ugotavlja. In dodaja, da svetloba deluje kot komunikacijska sila vesolja. Ko se elektroni v mobilnem telefonu začnejo tresti, fotoni letijo ven in povzročijo, da se tudi drugi elektroni tresejo. Tako se rodi telefonski klic. Tresenje elektronov na Soncu oddaja tudi fotone - v ogromnih količinah -, ki seveda tvorijo svetlobo, ki daje življenju na Zemlji toploto in, tako, svetlobo.
Svetloba je univerzalni jezik vesolja. Njegova hitrost - 299 792.458 km / s - ostaja konstantna. Medtem sta prostor in čas popravljiva. Morda ne bi smeli razmišljati o tem, kako se premikati hitreje kot svetloba, ampak kako se hitreje premikati skozi ta prostor in ta čas? Da zrel v korenu, tako rekoč?