Antonio Ereditato fizikus 2011 szeptemberében sokkolta a világot. Nyilatkozata fejjel lefelé fordíthatja az univerzum megértését. Ha a 160 OPERA tudós által összegyűjtött adatok helyesek voltak, a hihetetlen megfigyelhető volt. A részecskék - ebben az esetben a neutrinók - gyorsabban mozognak, mint a fény. Einstein relativitáselmélete szerint ez lehetetlen. És egy ilyen megfigyelés következményei hihetetlenek lennének. Talán felül kellene vizsgálni a fizika alapjait.
Miközben Ereditato azt mondta, hogy ő és csapata rendkívül magabiztos az eredményekben, ők nem mondták, hogy az adatok tökéletesen pontosak. Éppen ellenkezőleg, más tudósokat kértek, hogy segítsenek nekik kitalálni, mi folyik itt.
Végül kiderült, hogy az OPERA eredmények hibásak. A rosszul csatlakoztatott kábel szinkronizálási problémát okozott, és a GPS műholdakból származó jelek pontatlanok voltak. Váratlan késleltetés történt a jelben. Ennek eredményeként azon idő mérése, amely alatt a neutrinók egy bizonyos távolságot megtettek, további 73 nanosekundumot mutatott: úgy tűnt, hogy a neutrinók gyorsabban repülnek, mint a fény.
Annak ellenére, hogy a kísérlet megkezdése előtt több hónapos ellenőrzést végeztek, és utána az adatokat kétszer ellenőrizték, a tudósok súlyosan tévedtek. Ereditato lemondott, ellentétben sokan azzal, hogy ilyen hibák mindig előfordultak a részecskegyorsítók rendkívüli bonyolultsága miatt.
Miért okozott ilyen zajt a feltételezés - csak az a feltételezés -, hogy valami gyorsabban tud mozogni, mint a fény? Mennyire vagyunk abban, hogy semmi nem tudja legyőzni ezt az akadályt?
Először nézzük meg a második kérdést. A fénysebesség vákuumban 299 792 458 kilométer / másodperc - a kényelem kedvéért ezt a számot 300 000 kilométer / másodpercre kerekítik. Ez elég gyors. A Nap 150 millió kilométerre fekszik a Földtől, és a tőle érkező fény mindössze nyolc perc és húsz másodperc alatt eléri a Földet.
Lehet-e valamelyik alkotásunk versenyezni a fény elleni versenyben? Az egyik leggyorsabb ember alkotta tárgy, amit valaha építettek, a New Horizons űrszondája 2015 júliusában súgott Plútó és Charon mellett. A Földhez viszonyítva 16 km / s sebességet ért el. Sokkal kevesebb, mint 300 000 km / s.
Vannak apró részecskék, amelyek nagyon gyorsan mozogtak. Az 1960-as évek elején William Bertozzi a Massachusetts Technológiai Intézetben kísérletezett az elektronok gyorsításával, még nagyobb sebességre.
Promóciós videó:
Mivel az elektronok negatív töltésűek, felgyorsíthatók - pontosabban visszatükröződnek -, ha ugyanazt a negatív töltést alkalmazzák az anyagra. Minél több energiát alkalmaznak, annál gyorsabban gyorsul az elektron.
Azt gondolhatnánk, hogy csak 300 000 km / s sebességre kell gyorsítania az alkalmazott energiát. De kiderül, hogy az elektronok egyszerűen nem tudnak ilyen gyorsan mozogni. Bertozzi kísérletei kimutatták, hogy több energia felhasználása nem eredményezi az elektronok sebességének arányos növekedését.
Ehelyett hatalmas mennyiségű kiegészítő energiát kellett felhasználni az elektronok sebességének enyhe megváltoztatására. Egyre közelebb került a fénysebességhez, de soha nem érte el.
Képzelje el, hogy kis lépésekkel jár az ajtó felé, amelyek mindegyike meghaladja az Ön jelenlegi helyzetétől az ajtóig tartó távolság felét. Szigorúan véve, soha nem fog bejutni az ajtóhoz, mert minden megtett lépés után van egy távolságod, amelyet meg kell küzdenie. Bertozzi nagyjából ilyen problémával szembesült, amikor elektronjaival foglalkozott.
A fény azonban fotonoknak nevezett részecskékből áll. Miért mozoghatnak ezek a részecskék a fény sebességén, de az elektronok nem?
„Ahogy a tárgyak gyorsabban és gyorsabban mozognak, egyre nehezebbé válnak - minél nehezebbé válnak, annál nehezebb a gyorsulásuk, így soha nem jutsz el a fénysebességhez” - mondja Roger Rassoul, az ausztráliai Melbourne Egyetem fizikusa. „A fotonnak nincs tömege. Ha tömege volt, akkor nem tudott mozogni a fénysebességgel."
A fotonok különlegesek. Nemcsak hiányzik a tömegből, ami teljes mozgásszabadságot biztosít számukra a tér vákuumában, hanem nem is kell gyorsulniuk. A rendelkezésükre álló természetes energia hullámokban mozog, akárcsak, tehát létrehozásukkor már megvan a maximális sebességük. Bizonyos értelemben könnyebb a fényről mint energiáról gondolni, mint a részecskeáramra, bár valójában a fény mindkettő.
A fény azonban sokkal lassabban halad, mint amire számíthatnánk. Míg az internetes technológiák olyan kommunikációról szeretnének beszélni, amely a szál „fénysebességén” működik, a fény az üvegszál üvegében 40% -kal lassabban halad, mint vákuumban.
A valóságban a fotonok 300 000 km / s sebességgel haladnak, de bizonyos mértékű interferenciával kell szembenézniük, más olyan fotonok által okozott interferenciákkal, amelyeket az üveg atomok bocsátanak ki, amikor a fő fényhullám áthalad. Lehet, hogy ezt nem könnyű megérteni, de legalább megpróbáltuk.
Ugyanígy, különálló fotonokkal végzett kísérletek keretében meglehetősen lenyűgözően lehetett lelassítani őket. De a legtöbb esetben a 300 000-es szám érvényes lesz. Még nem látott vagy létrehozott olyan dolgot, amely olyan gyorsan, vagy akár még gyorsabban tudna mozogni. Vannak speciális pontok, de mielőtt érintenénk őket, nézzük meg a másik kérdést is. Miért olyan fontos, hogy szigorúan betartják a fénysebesség szabályát?
A válasznak Albert Einstein nevű embernek kell lennie, amint ez a fizikában gyakran fordul elő. Különleges relativitáselmélete az univerzális sebességkorlátozások sok következményét vizsgálja. Az elmélet egyik legfontosabb eleme az a gondolat, hogy a fénysebesség állandó. Nem számít, hol tartózkodik vagy milyen gyorsan mozog, a fény mindig azonos sebességgel mozog.
De ennek számos fogalmi probléma van.
Képzeljen el egy fényt, amely egy zseblámpából esik egy helyhez kötött űrhajó mennyezetének tükörére. A fény felmegy, visszatükröződik a tükörből és esik az űrhajó padlójára. Tegyük fel, hogy 10 méter távolságot tesz.
Képzelje el, hogy ez az űrhajó másodpercenként több ezer kilométer óriási sebességgel kezd mozogni. Amikor bekapcsolja a zseblámpát, a fény úgy viselkedik, mint korábban: felfelé világít, megüt a tükörben és visszatükröződik a padlón. De ehhez a fénynek átlósan, nem függőlegesen kell megtennie. Végül is a tükör most gyorsan mozog az űrhajóval.
Ennek megfelelően növekszik a fény által megtett távolság. Tegyük fel 5 méterre. Kiderült, hogy összesen 15 méter, nem 10.
Ennek ellenére, noha a távolság megnőtt, Einstein elméletei szerint a fény továbbra is ugyanolyan sebességgel mozog. Mivel a sebesség a távolságot elosztja az idővel, mivel a sebesség ugyanaz marad, és a távolság növekszik, az időnek is növekednie kell. Igen, maga az időnek nyújtania kell. Bár furcsának tűnik, kísérletileg megerősítették.
Ezt a jelenséget időbeli dilatációnak nevezzük. Az idő lassabban mozog azok számára, akik gyorsan mozgó járművekben mozognak, összehasonlítva azokkal, akik álló helyzetben vannak.
Például az idő 0,007 másodperccel lassabban megy át az űrhajósok számára a Nemzetközi Űrállomáson, amely 7,66 km / s sebességgel mozog a Földhöz képest, összehasonlítva a bolygón élő emberekkel. Még érdekesebb a helyzet a részecskékkel, mint például a fentebb említett elektronok, amelyek közel állnak a fénysebességhez. Ezen részecskék esetében a lassulás mértéke óriási lesz.
Stephen Colthammer, az Egyesült Királyságban az Oxfordi Egyetem kísérleti fizikusa rámutat arra, hogy a muonoknak nevezett részecskékre példa.
A muonok instabilok: gyorsan egyszerűbb részecskékké bomlanak. Olyan gyorsan, hogy a Napból távozó muonok többsége a Föld elérésekor elbomlik. De a valóságban a muonok kolosszális térfogatban érkeznek a Földre a Napból. A fizikusok már régóta megpróbálták kitalálni, miért.
"A rejtélyre adott válasz az, hogy a muonokat olyan energiával állítják elő, hogy a fényhez közeli sebességgel mozognak" - mondja Kolthammer. "Az időérzetük, úgy mondva, belső órájuk lassan működik."
A holmok a vártnál hosszabb ideig élnek túl a relatív időbeli görbületnek köszönhetően. Amikor az objektumok gyorsan mozognak más objektumokhoz viszonyítva, hosszuk is csökken, és összehúzódik. Ezek a következmények, az időtágulás és a hosszúság csökkenése példák arra, hogy a téridő hogyan változik a dolgok - én, te vagy az űrhajó - mozgása függvényében a tömeggel.
Ami fontos, amint Einstein mondta, nem befolyásolja a fényt, mivel nincs tömege. Ez az oka annak, hogy ezek az alapelvek kéz a kézben járnak. Ha a tárgyak a fénynél gyorsabban tudnak mozogni, akkor betartják az alapvető törvényeket, amelyek leírják, hogyan működik az univerzum. Ezek a legfontosabb alapelvek. Most beszélhetünk néhány kivételtől és kivételtől.
Egyrészt, bár nem láttuk semmit, ami a fénynél gyorsabban mozog, ez nem azt jelenti, hogy ezt a sebességkorlátozást elméletileg nem lehet megtörni nagyon különleges körülmények között. Vegyük például magának az univerzumnak a kiterjesztését. Az univerzum galaxisai sokkal gyorsabban távolodnak egymástól, mint a fény.
Egy másik érdekes helyzet a részecskékre vonatkozik, amelyek ugyanolyan tulajdonságokkal rendelkeznek, függetlenül attól, hogy milyen messze vannak egymástól. Ez az úgynevezett "kvantum összefonódás". A foton felfelé és lefelé fog forogni, véletlenszerűen választva két lehetséges állapot közül, de a forgásirány megválasztása pontosan tükrözi a többi fotont máshol, ha összefonódnak.
Két tudós, akik mindegyik saját fotonját vizsgálja, ugyanabban az eredményben érkezik egyszerre, gyorsabban, mint amennyit a fénysebesség lehetővé tenné.
Mindazonáltal mindkét példában fontos megjegyezni, hogy egyetlen információ sem halad meg gyorsabban, mint a fény sebessége két tárgy között. Kiszámolhatjuk az univerzum tágulását, de nem láthatunk objektumokat gyorsabban, mint a fényben: azok eltűntek a látómezőből.
Ami a két tudósot fotonjaival illeti, bár ugyanakkor ugyanazt az eredményt kaphatják, nem tudhatták egymásnak gyorsabban tudni, mint a fény közöttük.
"Ez nem jelent problémát számunkra, mert ha a fénynél gyorsabban képes jeleket küldeni, akkor furcsa paradoxonokat kap, amelyek szerint az információ valamilyen módon visszajuthat az időben" - mondja Kolthammer.
A könnyűnél gyorsabb utazás technikai megvalósításához egy másik lehetséges módja van: a tér-idő eltolódása, amely lehetővé teszi az utas számára, hogy elkerülje a normál utazás szabályait.
Gerald Cleaver, a texasi baylori egyetem úgy gondolja, hogy egy nap képesek lehetünk olyan űrhajót építeni, amely a fénynél gyorsabban halad. Amely áthalad egy féreglyukon. A féreglyukak a tér-idő hurkok, amelyek tökéletesen illeszkednek Einstein elméleteihez. Megengedhetik, hogy az űrhajósok ugorjanak az univerzum egyik végéről a másikra egy térbeli időbeli anomáliával, a kozmikus parancsikon valamilyen formájával.
A féreglyukon áthaladó tárgy nem haladja meg a fénysebességet, de elméletileg gyorsabban érheti el rendeltetési helyét, mint a „normál” út mentén haladó fény. De a féreglyukak egyáltalán nem érhetők el az űrutazáshoz. Lehet-e egy másik módja annak, hogy aktívan torzítsuk az űridőt, hogy valaki máshoz képest 300 000 km / s-nál gyorsabban mozoghassunk?
A Cleaver 1994-ben Miguel Alcubierre elméleti fizikus által javasolt "Alcubierre-motor" gondolatát is felfedezte. Leírja egy olyan helyzetet, amikor az űridő az űrhajó elõtt húzódik, előre tolja, és mögötte tágul, és előre tolja. "De akkor - mondja Cleaver - problémák merültek fel: hogyan kell csinálni, és mekkora energiára lenne szükség."
2008-ban ő és végzős hallgatója, Richard Aubosie kiszámította, mennyi energiára lenne szükség.
"Elképzeltünk egy 10m x 10m x 10m méretű űrhajót - 1000 köbméter - és kiszámítottuk, hogy a folyamat elindításához szükséges energiamennyiség megegyezik egy teljes Jupiter tömegével."
Ezt követően az energiát folyamatosan "öntik", hogy a folyamat ne érjen véget. Senki sem tudja, lehet ez valaha is lehetséges, vagy milyen lesz a szükséges technológiák. "Nem akarom, hogy évszázadokon keresztül idézve olyasmi előre jelezze, ami soha nem fog megtörténni" - mondja Cleaver. "De még nem látom a megoldásokat."
Tehát a fénysebességnél gyorsabb utazás jelenleg fantázia marad. Az élet során az exoplanet meglátogatásának egyetlen módja az, hogy belemerül a mélyen felfüggesztett animációba. És mégis, ez nem minden rossz. A legtöbb esetben a látható fényről beszéltünk. De a valóságban a fény sokkal több. A rádióhullámoktól és a mikrohullámoktól a látható fényig, az ultraibolya sugárzásig, az röntgen- és gamma-sugaraknak, amelyeket az atomok bocsátanak ki, ha bomlik, ezek a gyönyörű sugarak ugyanazon anyagból készülnek: fotonok.
A különbség az energia, azaz a hullámhosszon van. Ezek a sugarak együttesen alkotják az elektromágneses spektrumot. A kommunikációhoz hihetetlenül hasznos az a tény, hogy például a rádióhullámok a fénysebességgel haladnak.
Kolthammer kutatása során olyan áramkört hoz létre, amely fotonokat használ a jelek átvitelére az áramkör egyik részéről a másikra, tehát megérdemli a jogot, hogy észrevételezze a hihetetlen fénysebesség hasznosságát.
"A tény, hogy felépítettük például az internet infrastruktúráját, és azt megelőzően a fényen alapuló rádiót, annak a könnyűségének köszönhető, amellyel továbbíthatjuk" - jegyzi meg. És hozzáteszi, hogy a fény az univerzum kommunikációs erejeként működik. Amikor a mobiltelefon elektronjai remegni kezdenek, fotonok repülnek ki, és a másik mobiltelefon elektronjai is remegnek. Így születik egy telefonhívás. A Napban levő elektronok remegése szintén fotonokat bocsát ki - hatalmas mennyiségben -, amelyek természetesen olyan fényt képeznek, amely meleget ad a Földön, sőt, fényt is.
A fény az univerzum univerzális nyelve. Sebessége - 299 792,458 km / s - állandó marad. Eközben a tér és az idő megmunkálható. Talán nem arra kellene gondolkodnunk, hogy hogyan mozoghatunk gyorsabban, mint a fény, hanem hogyan gyorsabban mozoghatunk ezen a térben és ebben az időben? Érezni a gyökér, úgy mondjuk?