لماذا لا نستطيع السفر أسرع من الضوء؟ هل السرعة الفائقة ممكنة؟

تميز القرن العشرين بأكبر الاكتشافات في مجال الفيزياء وعلم الكونيات. كانت أسس هذه الاكتشافات عبارة عن نظريات طورتها كوكبة من الفيزيائيين البارزين. وأشهرهم هو ألبرت أينشتاين، الذي تعتمد الفيزياء الحديثة على أعماله إلى حد كبير. ويترتب على نظريات العالم أن سرعة الضوء في الفراغ هي السرعة القصوى لحركة الجسيمات وتفاعلها. والمفارقات الزمنية الناشئة عن هذه النظريات مذهلة تمامًا: على سبيل المثال، بالنسبة للأجسام المتحركة، يتدفق الوقت بشكل أبطأ مقارنة بالأجسام الساكنة، وكلما اقتربنا من سرعة الضوء، كلما تباطأ الوقت. اتضح أنه بالنسبة لجسم يطير بسرعة الضوء، فإن الزمن سيتوقف تمامًا.

نوصي

وهذا يعطينا الأمل أنه مع المستوى المناسب من التكنولوجيا، من الناحية النظرية، يكون الشخص قادرًا على الوصول إلى أبعد أركان الكون خلال عمر جيل واحد. في هذه الحالة، سيكون زمن الرحلة في الإطار المرجعي للأرض ملايين السنين، بينما على متن سفينة تحلق بسرعة قريبة من الضوء، لن تمر سوى أيام قليلة... مثل هذه الاحتمالات مثيرة للإعجاب، وفي نفس الوقت السؤال ينشأ: إذا قام فيزيائيون ومهندسو المستقبل بتسريع المركبة الفضائية بطريقة أو بأخرى إلى قيم هائلة، حتى من الناحية النظرية حتى سرعة الضوء (على الرغم من أن فيزياءنا تنفي هذا الاحتمال)، فهل سنكون قادرين على الوصول ليس فقط إلى أبعد المجرات والنجوم، ولكن أيضًا أيضًا حافة كوننا، انظر إلى ما هو أبعد من حدود المجهول، والتي ليس لدى العلماء أي فكرة عنها؟

نحن نعلم أن الكون قد تشكل منذ حوالي 13.79 مليار سنة، وهو يتوسع بشكل مستمر منذ ذلك الحين. ويمكن الافتراض أن نصف قطرها في الوقت الحالي يجب أن يكون 13.79 مليار سنة ضوئية، وبالتالي فإن قطرها 27.58 مليار سنة ضوئية. وسيكون هذا صحيحًا إذا كان الكون يتوسع بشكل منتظم بسرعة الضوء، وهي أقصى سرعة ممكنة. لكن البيانات التي تم الحصول عليها تخبرنا أن الكون يتوسع بمعدل متسارع.

نلاحظ أن المجرات البعيدة عنا تبتعد عنا بشكل أسرع من تلك القريبة - فمساحة عالمنا تتوسع باستمرار. وفي الوقت نفسه، هناك جزء من الكون يتحرك بعيدًا عنا بسرعة أكبر من سرعة الضوء. في هذه الحالة، لا يتم انتهاك أي افتراضات واستنتاجات للنظرية النسبية - فالأشياء الموجودة داخل الكون تظل بسرعات طفيفة. لا يمكن رؤية هذا الجزء من الكون - فسرعة الفوتونات المنبعثة من مصادر الإشعاع لا تكفي ببساطة للتغلب على سرعة توسع الفضاء.

تظهر الحسابات أن الجزء المرئي من عالمنا يبلغ قطره حوالي 93 مليار سنة ضوئية ويسمى ميتاجالكسي. لا يمكننا إلا أن نخمن ما يكمن وراء هذه الحدود وإلى أي مدى يمتد الكون. ومن المنطقي أن نفترض أن حافة الكون تبتعد عنا بأسرع سرعة وتتجاوز سرعة الضوء بكثير. وهذه السرعة تتزايد باستمرار. يصبح من الواضح أنه حتى لو كان بعض الأجسام تطير بسرعة الضوء، فلن تصل أبدًا إلى حافة الكون، لأن حافة الكون ستبتعد عنها بشكل أسرع.

إذا وجدت خطأ، يرجى تحديد جزء من النص والنقر عليه السيطرة + أدخل.

ولكن حقا ماذا سيحدث؟ هذا السؤال في الواقع ليس له إجابة، لأنه يتناقض مع جميع قوانين الفيزياء، وكما نعلم لا يمكن إجراء التجارب. لكن لن يمنعك أحد من التفكير نظريًا. لذلك، لنفترض أننا حصلنا على سيارة VAZ يمكنها التسارع، في البداية، إلى سرعة الضوء. يذهب…

كما علمنا من مقرر الفيزياء للصف الحادي عشر أن سرعة الضوء هي قيمة ثابتة وليست أكثر ولا أقل، بل 300 ألف كيلومتر في الثانية. عند السرعات القريبة من الضوء، لا تنطبق قوانين الفيزياء المعتادة. تنطبق هنا قوانين الفيزياء النسبية، لذا علينا أن نتوجه إلى السيد أينشتاين ونقرأ نظريته النسبية.

وبتطبيق قوانين الفيزياء الكلاسيكية، يمكننا أن نفترض أن سرعة الفوتونات (جسيمات الضوء) سوف تعادل سرعة السيارة، وسوف تتألق المصابيح الأمامية كما هو الحال دائما. لكن... اتضح أن هذه الفوتونات نفسها يجب أن تطير بسرعة مضاعفة للضوء - ويتم إضافة سرعة السيارة وسرعة الفوتونات. لكن هذا مستحيل، لأنه في عام 1905 أثبت أينشتاين أن سرعة الضوء ثابتة في أي إطار مرجعي. وهذا يعني أن سرعة الفوتون المنبعث من المصباح الأمامي ستظل 300000 كيلومتر في الثانية. لكن السيارة لها نفس السرعة أيضًا. إذن، هل ستتطاير فوتونات الضوء بجانب السيارة؟ ثم لن يرى السائق المصابيح الأمامية. ينبغي للمراقب الموجود على جانب الطريق أن يرى بقعة ضوء تحلق في الماضي. في الواقع، ليس هكذا تمامًا.

باستخدام النظرية النسبية، يمكن للمرء أن يتخيل صورة أخرى، أكثر روعة بكثير. هنا تتداخل العديد من العوامل مع بعضها البعض وتخلق شيئًا لا يمكن تصوره.

على سبيل المثال، بسرعة قريبة من سرعة الضوء، يجب أن يكتسب الجسم، أي السيارة، كتلة غير محدودة. يجب أن تكون النتيجة نوعًا من الثقب الأسود، والذي، بسبب جاذبيته، لن يسمح لأي فوتونات بمغادرة سطحه. على العكس من ذلك، فإنه، كما يليق بجسم ذو كتلة لا تصدق، سوف يجذب إلى نفسه كل المادة المحيطة. عند سرعة الضوء، ستكون كتلة السيارة مساوية لما لا نهاية. حسنًا، لم يعد الأمر يستحق التخمين بشأن السرعة الأكبر. وفي هذه الحالة يكون الزمن فيه مساوياً للصفر أي سيتوقف.

ومن ناحية أخرى، فإن حركة أي جسيم تتحدد بالمسافة لكل وحدة زمنية. وإذا توقف الزمن، فما نوع الحركة التي يمكن أن تكون؟ كل شيء يتجمد حتى تتباطأ السرعة. من الناحية النظرية، يمكن لسيارتنا أن تطير عبر الكون بأكمله، والساعة فيها لن تحسب حتى جزءًا من الثانية! وكيف سيتم حسابهم إذا توقفت جميع الجزيئات الموجودة فيها. لكن توقف الجزيئات يعني أن درجة حرارة الجسم هي الصفر المطلق! تخيل، بالنسبة لشخص في السيارة، فإن الوقت يمر أبطأ وأبطأ حتى يتوقف تمامًا. يتجمد وحتى الجزيئات الموجودة في جسده تظل ثابتة - درجة حرارته هي الصفر المطلق. ولكن بطريقة ما تتناقص السرعة ويعود الشخص إلى الحياة. ولم يلاحظ حتى هذا التوقف. فيمد يده ويصرف ثواني من وقته في هذا، ولكن تمر علينا ساعات أو سنوات أو حتى قرون! رغم أن كل شيء هنا مبهم، لأن تراكم المادة يزيد الضغط ودرجة الحرارة، وهنا الصفر المطلق. بغض النظر عن مدى ظهور المستعر الأعظم!

لنفترض أيضًا أن سيارتنا ظلت سيارة وأن السائق كان على قيد الحياة وكان قادرًا على تشغيل المصابيح الأمامية. وكما هو معروف، عند السرعات العالية يعمل ما يسمى بتأثير دوبلر. بعد كل شيء، للضوء أيضًا طبيعة موجية. وهذا يعني أن تردد أو طيف الضوء المرئي يتغير. إذا اقترب جسم ما، فسنرى تحولًا في الطيف إلى الجزء البنفسجي، وإذا ابتعد، إلى الجزء الأحمر.

إذا قمنا بتطبيق ذلك على جهازنا القريب من الضوء، فبدلاً من المصابيح الأمامية، يمكننا الحصول على إشعاع جاما الصلب، أو ببساطة الإشعاع. قد لا يفهم السائق أي شيء، وهذه نقطة خلافية، لأنه لم يتغير الكثير بالنسبة له. لكن من غير المرجح أن يعيش مراقبنا أكثر من جزء من الثانية بعد مرور السيارة. سيتلقى جميع أنواع الإشعاع - الجزء فوق البنفسجي أثناء اقتراب السيارة، والجزء تحت الأحمر أثناء تحركها بعيدًا. بالكاد يمكن أن يسمى هذا المصابيح الأمامية.

لا توجد إجابة لسؤال ماذا سيحدث للضوء عند السرعات الفائقة للضوء. تماما كما لا يوجد شيء من هذا القبيل للضوء. الضوء القريب - من فضلك، تنطبق النظرية النسبية هنا. ويبقى النور نورا عاديا. ولكن عندما يتم الوصول إلى سرعة الضوء، تبدأ مثل هذه المعجزات لدرجة أن الدماغ يفضل الغليان بدلاً من العثور على الإجابة أو تخيل كل الخيارات الممكنة. هناك تبدأ التغييرات التي لا تصدق بالنسبة لنا في المادة والزمن. ربما يكون من الأفضل ألا يتم تحقيق هذه السرعة أبدًا. ناهيك عن السوبرلومينال...

على الرغم من أنه لم يكن من الممكن الإجابة على السؤال بسبب استحالة شرح المستحيل، إلا أنه يبدو أن غذاء الفكر كان لذيذًا.

1) هل تضيء المصابيح الأمامية الأشياء الأخرى وتنعكس على عينيك؟

لا. كما تعلم، لا يمكنك تجاوز سرعة الضوء. وهذا يعني أن الضوء لا يمكن أن يسطع في اتجاه واحد على الإطلاق لأنه لا يستطيع أن يتجاوز سرعة السيارة، لذلك لن يخرج من المصابيح الأمامية أبداً. ومع ذلك، فإننا نعيش في عالم متعدد الأبعاد وليس كل الضوء يضيء في اتجاه واحد.

لنتخيل سيارة ثنائية الأبعاد بلا كتلة (أي تتحرك بسرعة الضوء) تبعث فوتونين، أحدهما للأعلى والآخر للأسفل. عوارض منفصلة عن السيارة وتبقى خلفها. وهي تتحرك بنفس سرعة الضوء، لكنها لا تستطيع التحرك إلى الأمامبنفس السرعة، نظرًا لأن أحد متجهات السرعة موجه لأعلى/لأسفل، لذلك فإننا نتجاوزهم. ثم تواجه هذه الفوتونات بعض العوائق في طريقها، مثل إشارة طريق أو شجرة، فتنعكس مرة أخرى. المشكلة هي أنهم لم يعد بإمكانهم اللحاق بك. يستطيع الأشخاص الآخرون الذين يسيرون على الرصيف رؤية الضوء المنعكس، لكنك غادرت بالفعل ولن تراه أبدًا.

ها هي، كل شيء يمكن تفسيره بمجرد حقيقة أن كل الضوء يتحرك بنفس السرعة، بغض النظر عن مكانه. ولا يكاد يكون لهذا علاقة بالنظرية النسبية.

ومع ذلك، هناك أيضًا نسخة أكثر تشددًا.

2) هل يمكن للأشياء التي تتحرك بسرعة الضوء أن يكون لها مصابيح أمامية؟ هل يمكن أن يكون لديهم حتى رؤية؟

هذا هو المكان الذي تلعب فيه حقيقة النسبية المجنونة دورها، لذلك لا داعي للخجل إذا لم تفهم شيئًا ما، ولكن الإجابة مرة أخرى هي لا.

قد تكون على دراية بمفهوم تمدد الزمن النسبي. لنفترض أنني وصديقي ركبنا قطارين مختلفين وسافرنا باتجاه بعضنا البعض. أثناء القيادة، إذا نظرنا من خلال النافذة إلى ساعة الحائط في مقصورة بعضنا البعض، إذن كلاهمالاحظ أنهم يتحركون بشكل أبطأ من المعتاد. وهذا ليس لأن الساعة تتباطأ، ولكن لأن الضوء بيننا يلعب دوره: كلما تحركنا بشكل أسرع، كلما أصبحنا أبطأ في السن مقارنة بالأشياء الأقل حركة. وذلك لأن الوقت ليس مطلقًا لجميع الكائنات في الكون، فهو يختلف من كائن لآخر ويعتمد على سرعته. وقتنا يعتمد فقط على ملكناالسرعة في الكون. يمكنك التفكير في هذا على أنه يتحرك في اتجاهات مختلفة على مقياس الزمكان. هناك مشكلة معينة هنا، لأن دماغنا ليس مصممًا لفهم هندسة الزمكان، ولكنه يميل إلى تخيل الوقت كنوع من المطلق. ومع ذلك، بعد قراءة القليل من الأدبيات حول هذا الموضوع، يمكنك عادةً قبول حقيقة طبيعية: أولئك الذين يتحركون بسرعة مقارنة بك يتقدمون في السن بشكل أبطأ.

لنفترض أن صديقك يجلس في سيارة افتراضية ويسافر بسرعة الضوء. لذا، دعونا نعوض عن سرعته في الصيغة ونرى الإجابة.

أوه أوه! يبدو أنه لم يمر وقت بالنسبة له على الإطلاق! لابد أن هناك خطأ ما في حساباتنا؟! اتضح أن لا. وقت. لا. موجود. ل. أشياء. على ال. سرعة. سفيتا.

إنه ببساطة غير موجود.

وهذا يعني أن الأشياء التي تتحرك بسرعة الضوء لا يمكنها إدراك الأحداث "الحادثة" بنفس الطريقة التي ندركها بها. الأحداث لا يمكن تجريبالنسبة لهم. يمكنهم تنفيذ الإجراءات، ولكن لا يمكنهم اكتساب الخبرة. قال أينشتاين نفسه ذات مرة: "الزمن موجود بحيث لا يحدث كل شيء دفعة واحدة. إنه إحداثي مصمم لترتيب الأحداث في تسلسل ذي معنى حتى نتمكن من فهم ما يحدث. ولكن بالنسبة لجسم يتحرك بسرعة ضوء، هذا المبدأ لا يعمل، ل الجميعيحدث في وقت واحد. المسافر بسرعة الضوء لن يرى أو يفكر أو يشعر بأي شيء نعتبره ذا معنى.

هذا هو الاستنتاج غير المتوقع.

25 مارس 2017

يعد السفر عبر FTL أحد أسس الخيال العلمي الفضائي. ومع ذلك، ربما يعلم الجميع - حتى الأشخاص البعيدين عن الفيزياء - أن أقصى سرعة ممكنة لحركة الأجسام المادية أو انتشار أي إشارات هي سرعة الضوء في الفراغ. ويرمز لها بالحرف ج وتبلغ سرعتها 300 ألف كيلومتر في الثانية تقريباً؛ القيمة الدقيقة ج = 299,792,458 م/ث.

تعتبر سرعة الضوء في الفراغ إحدى الثوابت الفيزيائية الأساسية. استحالة تحقيق سرعات تتجاوز c تنبع من نظرية النسبية الخاصة لأينشتاين (STR). إذا أمكن إثبات إمكانية إرسال الإشارات بسرعات فائقة السرعة، فسوف تسقط النظرية النسبية. ولم يحدث هذا حتى الآن، رغم المحاولات العديدة لدحض الحظر على وجود سرعات أكبر من c. ومع ذلك، كشفت الدراسات التجريبية الحديثة عن بعض الظواهر المثيرة للاهتمام، مما يشير إلى أنه في ظل ظروف تم إنشاؤها خصيصًا يمكن ملاحظة سرعات فائقة الضوء دون انتهاك مبادئ النظرية النسبية.

في البداية، دعونا نتذكر الجوانب الرئيسية المتعلقة بمشكلة سرعة الضوء.

أولا: لماذا يستحيل (في الظروف العادية) تجاوز حد الضوء؟ لأنه يتم انتهاك القانون الأساسي لعالمنا - قانون السببية، والذي بموجبه لا يمكن للنتيجة أن تسبق السبب. لم يلاحظ أحد من قبل، على سبيل المثال، أن الدب سقط ميتًا أولاً ثم أطلق الصياد النار. عند السرعات التي تتجاوز c، يصبح تسلسل الأحداث معكوسًا، ويتم إرجاع الشريط الزمني إلى الخلف. من السهل التحقق من ذلك من خلال المنطق البسيط التالي.

لنفترض أننا على متن سفينة فضائية معجزة، تتحرك بسرعة أكبر من الضوء. ثم نلحق تدريجياً بالضوء المنبعث من المصدر في أوقات سابقة وأقدم. أولاً، سنلحق بالفوتونات المنبعثة، على سبيل المثال، بالأمس، ثم تلك المنبعثة أول من أمس، ثم أسبوع، أو شهر، أو عام مضى، وهكذا. ولو كان مصدر الضوء مرآة تعكس الحياة، لرأينا أولاً أحداث الأمس، ثم أول أمس، وهكذا. يمكننا أن نرى، على سبيل المثال، رجلاً عجوزاً يتحول تدريجياً إلى رجل في منتصف العمر، ثم إلى شاب، إلى شاب، إلى طفل... أي أن الزمن سيعود إلى الوراء، وننتقل من الحاضر إلى الحاضر. الماضي. ومن ثم فإن الأسباب والنتائج سوف تتغير الأماكن.

على الرغم من أن هذه المناقشة تتجاهل تمامًا التفاصيل الفنية لعملية مراقبة الضوء، إلا أنها من وجهة نظر أساسية توضح بوضوح أن الحركة بسرعات فائقة الضوء تؤدي إلى وضع مستحيل في عالمنا. ومع ذلك، فقد وضعت الطبيعة شروطًا أكثر صرامة: الحركة ليس فقط بسرعة فائقة السرعة لا يمكن تحقيقها، ولكن أيضًا بسرعة تساوي سرعة الضوء - لا يمكن الاقتراب منها إلا. ويترتب على النظرية النسبية أنه عندما تزداد سرعة الحركة، تنشأ ثلاثة ظروف: زيادة كتلة الجسم المتحرك، وتناقص حجمه في اتجاه الحركة، وتباطأ تدفق الزمن على هذا الجسم (من النقطة وجهة نظر مراقب خارجي "يستريح"). عند السرعات العادية، تكون هذه التغييرات ضئيلة، ولكن مع اقترابها من سرعة الضوء تصبح ملحوظة أكثر فأكثر، وفي الحد - عند سرعة تساوي c - تصبح الكتلة كبيرة بلا حدود، ويفقد الجسم حجمه تمامًا في الاتجاه الحركة ويتوقف الزمن عليه. ولذلك لا يمكن لأي جسم مادي أن يصل إلى سرعة الضوء. فقط الضوء نفسه لديه مثل هذه السرعة! (وأيضًا جسيم "شامل الاختراق" - النيوترينو، الذي، مثل الفوتون، لا يمكنه التحرك بسرعة أقل من c.)

الآن عن سرعة نقل الإشارة. ومن المناسب هنا استخدام تمثيل الضوء على شكل موجات كهرومغناطيسية. ما هي الإشارة؟ هذه بعض المعلومات التي يجب نقلها. الموجة الكهرومغناطيسية المثالية هي عبارة عن جيبية لا نهائية ذات تردد واحد فقط، ولا يمكنها حمل أي معلومات، لأن كل فترة من مثل هذه الجيوب الأنفية تكرر تمامًا الفترة السابقة. يمكن لسرعة حركة مرحلة الموجة الجيبية - ما يسمى بسرعة الطور - أن تتجاوز، في ظل ظروف معينة، سرعة الضوء في الفراغ في الوسط. لا توجد قيود هنا، لأن سرعة الطور ليست سرعة الإشارة - فهي غير موجودة بعد. لإنشاء إشارة، تحتاج إلى إنشاء نوع من "العلامة" على الموجة. يمكن أن تكون هذه العلامة، على سبيل المثال، تغييرا في أي من معلمات الموجة - السعة أو التردد أو المرحلة الأولية. ولكن بمجرد وضع العلامة، تفقد الموجة جيبيتها. تصبح معدلة، وتتكون من مجموعة من الموجات الجيبية البسيطة بسعات وترددات ومراحل أولية مختلفة - مجموعة من الموجات. السرعة التي تتحرك بها العلامة في الموجة المعدلة هي سرعة الإشارة. عند الانتشار في وسط ما، تتزامن هذه السرعة عادةً مع سرعة المجموعة التي تميز انتشار مجموعة الموجات المذكورة أعلاه ككل (انظر "العلم والحياة" رقم 2، 2000). في الظروف العادية، تكون سرعة المجموعة، وبالتالي سرعة الإشارة، أقل من سرعة الضوء في الفراغ. وليس من قبيل الصدفة أن يتم استخدام عبارة "في ظل الظروف العادية" هنا، لأنه في بعض الحالات قد تتجاوز سرعة المجموعة c أو حتى تفقد معناها، ولكنها لا تشير بعد ذلك إلى انتشار الإشارة. تثبت محطة الخدمة أنه من المستحيل إرسال إشارة بسرعة أكبر من c.

لماذا هو كذلك؟ لأن العائق أمام إرسال أي إشارة بسرعة أكبر من c هو نفس قانون السببية. دعونا نتخيل مثل هذا الموقف. في مرحلة ما، يقوم وميض الضوء (الحدث 1) بتشغيل جهاز يرسل إشارة راديو معينة، وفي نقطة بعيدة B، تحت تأثير إشارة الراديو هذه، يحدث انفجار (الحدث 2). ومن الواضح أن الحدث 1 (التوهج) هو السبب، والحدث 2 (الانفجار) هو النتيجة، التي حدثت بعد السبب. لكن إذا انتشرت إشارة الراديو بسرعة فائقة السرعة، فإن الراصد بالقرب من النقطة B سيرى انفجارًا أولاً، وعندها فقط سبب الانفجار الذي وصل إليه بسرعة وميض الضوء. بمعنى آخر، بالنسبة لهذا المراقب، كان الحدث 2 قد وقع قبل الحدث 1، أي أن التأثير كان سيسبق السبب.

ومن المناسب التأكيد على أن “الحظر الفائق للضوء” للنظرية النسبية يفرض فقط على حركة الأجسام المادية ونقل الإشارات. في العديد من المواقف، تكون الحركة بأي سرعة ممكنة، لكن هذه لن تكون حركة الأشياء أو الإشارات المادية. على سبيل المثال، تخيل اثنين من المسطرين الطويلين إلى حد ما يقعان في نفس المستوى، أحدهما يقع أفقيا، والآخر يتقاطع معه بزاوية صغيرة. إذا تم تحريك المسطرة الأولى للأسفل (في الاتجاه المشار إليه بالسهم) بسرعة عالية، فيمكن جعل نقطة تقاطع المسطرتين تسير بالسرعة المطلوبة، لكن هذه النقطة ليست جسمًا ماديًا. مثال آخر: إذا أخذت مصباحًا يدويًا (أو، على سبيل المثال، ليزر ينتج شعاعًا ضيقًا) ووصفت بسرعة قوسًا في الهواء، فإن السرعة الخطية لبقعة الضوء ستزداد مع المسافة وعلى مسافة كبيرة بما فيه الكفاية ستتجاوز c . ستتحرك بقعة الضوء بين النقطتين A وB بسرعة فائقة السرعة، لكن هذا لن يكون بمثابة إرسال إشارة من A إلى B، لأن بقعة الضوء هذه لا تحمل أي معلومات حول النقطة A.

يبدو أن مسألة السرعات الفائقة للضوء قد تم حلها. لكن في ستينيات القرن العشرين، طرح علماء الفيزياء النظرية فرضية وجود جسيمات فائقة السطوع تسمى التاكيونات. هذه جسيمات غريبة جدًا: فهي ممكنة من الناحية النظرية، ولكن لتجنب التناقضات مع النظرية النسبية، كان لا بد من تخصيص كتلة سكون خيالية لها. فيزيائيا، الكتلة الخيالية غير موجودة، بل هي تجريد رياضي بحت. ومع ذلك، فإن هذا لم يسبب قلقا خاصا، لأن التاكيونات لا يمكن أن تكون في حالة راحة - فهي موجودة (إذا كانت موجودة!) فقط بسرعات تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ، وفي هذه الحالة تبين أن كتلة التاكيون حقيقية. هناك بعض التشابه هنا مع الفوتونات: الفوتون لديه كتلة سكون صفر، ولكن هذا يعني ببساطة أن الفوتون لا يمكن أن يكون في حالة سكون، ولا يمكن إيقاف الضوء.

وتبين أن أصعب شيء هو، كما هو متوقع، التوفيق بين فرضية تاكيون وقانون السببية. المحاولات التي بذلت في هذا الاتجاه، على الرغم من كونها بارعة للغاية، إلا أنها لم تؤد إلى نجاح واضح. لم يتمكن أحد من تسجيل التاكيونات تجريبيًا أيضًا. ونتيجة لذلك، تلاشى الاهتمام بالتاكيونات كجسيمات أولية فائقة الضوء تدريجيًا.

ومع ذلك، في الستينيات، تم اكتشاف ظاهرة تجريبية، والتي أربكت الفيزيائيين في البداية. تم وصف ذلك بالتفصيل في مقال بقلم A. N. Oraevsky "موجات فائقة السطوع في وسائط التضخيم" (UFN No. 12، 1998). سنلخص هنا جوهر الأمر بإيجاز، ونحيل القارئ المهتم بالتفاصيل إلى المقالة المحددة.

بعد وقت قصير من اكتشاف الليزر - في أوائل الستينيات - ظهرت مشكلة الحصول على نبضات ضوئية عالية الطاقة قصيرة (تدوم حوالي 1 نانوثانية = 10-9 ثواني). وللقيام بذلك، تم تمرير نبضة ليزر قصيرة عبر مضخم كمي بصري. تم تقسيم النبض إلى قسمين بواسطة مرآة تقسيم الشعاع. تم إرسال أحدهما، وهو أقوى، إلى مكبر الصوت، والآخر تم نشره في الهواء وكان بمثابة نبض مرجعي يمكن من خلاله مقارنة النبض الذي يمر عبر مكبر الصوت. وتم تغذية كلا النبضتين إلى أجهزة الكشف الضوئي، ويمكن ملاحظة إشارات الخرج الخاصة بهما بصريًا على شاشة راسم الذبذبات. وكان من المتوقع أن تشهد النبضة الضوئية المارة عبر المضخم بعض التأخير فيها مقارنة بالنبضة المرجعية، أي أن سرعة انتشار الضوء في المضخم ستكون أقل منها في الهواء. تخيل دهشة الباحثين عندما اكتشفوا أن النبض ينتشر عبر مكبر الصوت بسرعة ليست فقط أكبر من الهواء، ولكن أيضًا أعلى بعدة مرات من سرعة الضوء في الفراغ!

بعد أن تعافى من الصدمة الأولى، بدأ الفيزيائيون في البحث عن سبب هذه النتيجة غير المتوقعة. لم يكن لدى أحد أدنى شك في مبادئ النظرية النسبية الخاصة، وهذا ما ساعد في العثور على التفسير الصحيح: إذا تم الحفاظ على مبادئ SRT، فيجب البحث عن الإجابة في خصائص الوسط المضخم.

دون الخوض في التفاصيل هنا، سنشير فقط إلى أن التحليل التفصيلي لآلية عمل وسيط التضخيم أوضح الوضع تمامًا. كانت النقطة هي التغير في تركيز الفوتونات أثناء انتشار النبضة - وهو التغير الناتج عن التغير في كسب الوسط إلى قيمة سالبة أثناء مرور الجزء الخلفي من النبضة، عندما يمتص الوسط بالفعل الطاقة، لأن احتياطيها الخاص قد تم استهلاكه بالفعل بسبب انتقاله إلى نبضة الضوء. ولا يسبب الامتصاص زيادة في الدفعة بل إضعافها، وبالتالي تقوى الدفعة في الجزء الأمامي وتضعف في الجزء الخلفي. لنتخيل أننا نرصد نبضة باستخدام جهاز يتحرك بسرعة الضوء في وسط مكبر الصوت. إذا كان الوسط شفافا، فسنرى الدافع متجمدا في حالة من عدم الحركة. وفي البيئة التي تحدث فيها العملية المذكورة أعلاه، فإن تقوية الحافة الأمامية وضعف الحافة الخلفية للنبضة سوف يظهر للراصد بشكل يبدو وكأن الوسط هو الذي حرك النبضة إلى الأمام. لكن بما أن الجهاز (الراصد) يتحرك بسرعة الضوء، والنبضة تتفوق عليه، فإن سرعة النبضة تتجاوز سرعة الضوء! هذا هو التأثير الذي سجله المجربون. وهنا لا يوجد حقًا تناقض مع النظرية النسبية: إن عملية التضخيم هي ببساطة بحيث يتبين أن تركيز الفوتونات التي خرجت سابقًا أكبر من تلك التي خرجت لاحقًا. ليست الفوتونات هي التي تتحرك بسرعات فائقة السرعة، ولكن غلاف النبضة، ولا سيما الحد الأقصى لها، هو الذي يتم ملاحظته على مرسمة الذبذبات.

وهكذا، في حين أنه في الوسائط العادية يوجد دائمًا ضعف في الضوء وانخفاض في سرعته، والذي يحدده مؤشر الانكسار، في وسائط الليزر النشطة لا يوجد فقط تضخيم للضوء، ولكن أيضًا انتشار النبض بسرعة فائقة السرعة.

حاول بعض علماء الفيزياء أن يثبتوا تجريبيًا وجود حركة فائقة السطوع أثناء تأثير النفق، وهي إحدى الظواهر المدهشة في ميكانيكا الكم. يتمثل هذا التأثير في حقيقة أن الجسيمات الدقيقة (بتعبير أدق، الأجسام الدقيقة التي تظهر في ظروف مختلفة خصائص الجسيم وخصائص الموجة) قادرة على اختراق ما يسمى بالحاجز المحتمل - وهي ظاهرة غير موجودة تمامًا مستحيل في الميكانيكا الكلاسيكية (حيث يكون مثل هذا الموقف مشابهًا: فالكرة التي يتم رميها على الحائط ستنتهي على الجانب الآخر من الجدار، أو سيتم نقل الحركة الشبيهة بالموجة المنقولة إلى حبل مربوط بالجدار إلى حبل مربوط إلى الحائط من الجانب الآخر). جوهر تأثير النفق في ميكانيكا الكم هو كما يلي. إذا صادف جسم دقيق له طاقة معينة في طريقه منطقة ذات طاقة وضع تزيد عن طاقة الجسم الصغير، فإن هذه المساحة تكون حاجزا له، ويتحدد ارتفاعها بفارق الطاقة. لكن الجسم الصغير "يتسرب" عبر الحاجز! تم منح هذه الإمكانية له من خلال علاقة عدم اليقين المعروفة لهايزنبرغ، والتي تم كتابتها للطاقة ووقت التفاعل. إذا حدث تفاعل جسم مجهري مع حاجز خلال فترة زمنية معينة إلى حد ما، فإن طاقة الجسم الدقيق، على العكس من ذلك، ستتسم بعدم اليقين، وإذا كان عدم اليقين هذا في حدود ارتفاع الحاجز، فإن هذا الأخير يتوقف عن أن يكون عقبة لا يمكن التغلب عليها أمام الكائن الصغير. إن سرعة الاختراق عبر حاجز الجهد هي التي أصبحت موضوع بحث لعدد من علماء الفيزياء، الذين يعتقدون أنها يمكن أن تتجاوز ج.

في يونيو 1998، عقدت ندوة دولية حول مشاكل الحركة الفائقة في كولونيا، حيث تمت مناقشة النتائج التي تم الحصول عليها في أربعة مختبرات - في بيركلي وفيينا وكولونيا وفلورنسا.

وأخيرا، في عام 2000، ظهرت تقارير عن تجربتين جديدتين ظهرت فيهما تأثيرات الانتشار الفائق للضوء. تم تنفيذ إحداها بواسطة ليجون وونغ وزملائه في معهد برينستون للأبحاث (الولايات المتحدة الأمريكية). والنتيجة هي أن دخول نبضة ضوئية إلى غرفة مملوءة ببخار السيزيوم يزيد من سرعتها بمقدار 300 مرة. اتضح أن الجزء الرئيسي من النبض خرج من الجدار البعيد للغرفة حتى قبل دخول النبض إلى الغرفة عبر الجدار الأمامي. وهذا الوضع لا يتعارض مع المنطق السليم فحسب، بل يتعارض في جوهره مع النظرية النسبية.

تسببت رسالة L. Wong في مناقشة مكثفة بين الفيزيائيين، ومعظمهم لم يميلوا إلى رؤية انتهاك لمبادئ النسبية في النتائج التي تم الحصول عليها. ويعتقدون أن التحدي يكمن في شرح هذه التجربة بشكل صحيح.

في تجربة L. Wong، كانت مدة نبضة الضوء التي تدخل الغرفة مع بخار السيزيوم حوالي 3 ميكروثانية. يمكن أن توجد ذرات السيزيوم في ستة عشر حالة ميكانيكية كمومية محتملة، تسمى "المستويات الفرعية المغناطيسية فائقة الدقة للحالة الأرضية". وباستخدام الضخ الضوئي بالليزر، تم جلب جميع الذرات تقريبًا إلى حالة واحدة فقط من هذه الحالات الستة عشر، وهو ما يتوافق مع درجة حرارة الصفر المطلق تقريبًا على مقياس كلفن (-273.15 درجة مئوية). وكان طول حجرة السيزيوم 6 سم. في الفراغ، ينتقل الضوء مسافة 6 سنتيمترات خلال 0.2 ns. كما أظهرت القياسات، مرت نبضة الضوء عبر الحجرة التي تحتوي على السيزيوم في وقت أقل بمقدار 62 ns مما كانت عليه في الفراغ. بمعنى آخر، الوقت الذي تستغرقه النبضة للمرور عبر وسط السيزيوم له علامة ناقص! في الواقع، إذا طرحنا 62 ns من 0.2 ns، نحصل على وقت "سلبي". هذا "التأخير السلبي" في الوسط - قفزة زمنية غير مفهومة - يساوي الوقت الذي تمر فيه النبضة 310 مرة عبر الحجرة في الفراغ. وكانت نتيجة هذا "الانعكاس الزمني" أن النبضة الخارجة من الحجرة تمكنت من التحرك بعيدًا عنها بمقدار 19 مترًا قبل أن تصل النبضة الواردة إلى الجدار القريب للغرفة. كيف يمكن تفسير مثل هذا الموقف المذهل (ما لم نشك بالطبع في نقاء التجربة)؟

إذا حكمنا من خلال المناقشة الجارية، لم يتم العثور على تفسير دقيق حتى الآن، ولكن ليس هناك شك في أن خصائص التشتت غير العادية للوسط تلعب دورًا هنا: بخار السيزيوم، الذي يتكون من ذرات مثارة بواسطة ضوء الليزر، هو وسط ذو تشتت غير طبيعي . دعونا نتذكر بإيجاز ما هو عليه.

تشتت المادة هو اعتماد معامل انكسار الطور (العادي) n على طول موجة الضوء l. وفي حالة التشتت الطبيعي، يزداد معامل الانكسار مع تناقص الطول الموجي، وهذا هو الحال في الزجاج والماء والهواء وجميع المواد الأخرى الشفافة للضوء. في المواد التي تمتص الضوء بقوة، ينعكس مسار معامل الانكسار مع تغير الطول الموجي ويصبح أكثر حدة: مع انخفاض l (زيادة التردد w)، ينخفض ​​معامل الانكسار بشكل حاد ويصبح في منطقة معينة من الطول الموجي أقل من الوحدة ( سرعة الطور Vf > s ). هذا هو التشتت الشاذ، حيث يتغير نمط انتشار الضوء في المادة بشكل جذري. تصبح سرعة المجموعة Vgr أكبر من سرعة الطور للموجات ويمكن أن تتجاوز سرعة الضوء في الفراغ (وتصبح سلبية أيضًا). يشير L. Wong إلى هذا الظرف باعتباره السبب الكامن وراء إمكانية تفسير نتائج تجربته. ومع ذلك، تجدر الإشارة إلى أن الشرط Vgr > c هو شرط شكلي بحت، حيث تم تقديم مفهوم سرعة المجموعة لحالة التشتت الصغير (العادي)، للوسائط الشفافة، عندما لا تغير مجموعة من الموجات شكلها تقريبًا أثناء الانتشار. في مناطق التشتت الشاذ، يتشوه نبض الضوء بسرعة ويفقد مفهوم السرعة الجماعية معناه؛ في هذه الحالة، يتم تقديم مفاهيم سرعة الإشارة وسرعة انتشار الطاقة، والتي تتزامن في الوسائط الشفافة مع سرعة المجموعة، وفي الوسائط ذات الامتصاص تظل أقل من سرعة الضوء في الفراغ. ولكن هذا هو الشيء المثير للاهتمام في تجربة وونغ: نبضة الضوء، التي تمر عبر وسط ذي تشتت غير طبيعي، لا تتشوه، بل تحتفظ بشكلها تمامًا! وهذا يتوافق مع الافتراض القائل بأن الدفعة تنتشر بسرعة جماعية. لكن إذا كان الأمر كذلك، فيتبين أنه لا يوجد امتصاص في الوسط، على الرغم من أن التشتت الشاذ للوسط يرجع بالتحديد إلى الامتصاص! وونج نفسه، رغم اعترافه بأن الكثير لا يزال غير واضح، يعتقد أن ما يحدث في إعداده التجريبي يمكن تفسيره بوضوح، للوهلة الأولى، على النحو التالي.

تتكون نبضة الضوء من العديد من المكونات ذات الأطوال الموجية (الترددات) المختلفة. ويبين الشكل ثلاثة من هذه المكونات (الموجات 1-3). عند نقطة ما، تكون الموجات الثلاث في الطور (تتطابق الحدود القصوى لها)؛ هنا، يضيفون، يعززون بعضهم البعض ويشكلون دفعة. ومع انتشارها في الفضاء، تصبح الموجات متوقفة وبالتالي "يلغي" بعضها البعض.

وفي منطقة التشتت الشاذ (داخل خلية السيزيوم)، تصبح الموجة الأقصر (الموجة 1) أطول. وعلى العكس من ذلك، فإن الموجة التي كانت الأطول بين الموجات الثلاثة (الموجة 3) تصبح الأقصر.

وبالتالي تتغير أطوار الموجات تبعا لذلك. وبمجرد مرور الموجات عبر خلية السيزيوم، يتم استعادة مقدماتها الموجية. بعد أن خضعت لتعديل طور غير عادي في مادة ذات تشتت غير طبيعي، فإن الموجات الثلاث المعنية تجد نفسها مرة أخرى في طور في مرحلة ما. هنا تتجمع مرة أخرى وتشكل نبضة بنفس الشكل تمامًا مثل تلك التي تدخل وسط السيزيوم.

عادة في الهواء، وفي الواقع في أي وسط شفاف ذي تشتت عادي، لا يمكن لنبضة الضوء أن تحافظ على شكلها بدقة عند الانتشار على مسافة بعيدة، أي أنه لا يمكن أن يتم تنفيذ جميع مكوناتها على مراحل عند أي نقطة بعيدة على طول مسار الانتشار. وفي الظروف العادية، تظهر نبضة خفيفة في هذه النقطة البعيدة بعد مرور بعض الوقت. ومع ذلك، نظرا للخصائص الشاذة للوسيط المستخدم في التجربة، فقد تبين أن النبض عند نقطة نائية يتم مراحله بنفس الطريقة عند دخول هذه الوسيلة. وهكذا فإن النبضة الضوئية تتصرف كما لو أن لها تأخيراً زمنياً سالباً في طريقها إلى نقطة بعيدة، أي أنها ستصل إليها ليس متأخراً، بل أبكر من مرورها عبر الوسط!

يميل معظم الفيزيائيين إلى ربط هذه النتيجة بظهور مادة أولية منخفضة الشدة في الوسط المشتت للغرفة. والحقيقة هي أنه أثناء التحلل الطيفي للنبضة، يحتوي الطيف على مكونات ذات ترددات عالية بشكل تعسفي ذات سعة صغيرة لا تذكر، ما يسمى بالسلائف، التي تسبق "الجزء الرئيسي" من النبضة. تعتمد طبيعة النشأة وشكل المادة الأولية على قانون التشتت في الوسط. ومع أخذ ذلك في الاعتبار، يُقترح تفسير تسلسل الأحداث في تجربة وونغ على النحو التالي. الموجة القادمة، "تمتد" النذير أمامها، تقترب من الكاميرا. وقبل أن تضرب ذروة الموجة الواردة الجدار القريب من الحجرة، يبدأ ظهور نبضة في الحجرة، تصل إلى الجدار البعيد وتنعكس عنه، لتشكل "موجة عكسية". هذه الموجة، التي تنتشر أسرع بـ 300 مرة من c، تصل إلى الجدار القريب وتلتقي بالموجة القادمة. تلتقي قمم إحدى الموجات مع قيعان موجة أخرى، بحيث تدمر بعضها البعض، ونتيجة لذلك لا يتبقى شيء. وتبين أن الموجة الواردة "تسدد الدين" لذرات السيزيوم، التي "أعطتها" الطاقة في الطرف الآخر من الغرفة. أي شخص شاهد فقط بداية التجربة ونهايتها لن يرى سوى نبضة من الضوء "تقفز" إلى الأمام في الوقت المناسب، وتتحرك بشكل أسرع من c.

يعتقد L. Wong أن تجربته لا تتفق مع النظرية النسبية. ويعتقد أن القول بعدم إمكانية الوصول إلى السرعة الفائقة للضوء ينطبق فقط على الأجسام ذات الكتلة الساكنة. ويمكن تمثيل الضوء إما على شكل موجات، والتي لا ينطبق عليها مفهوم الكتلة بشكل عام، أو على شكل فوتونات لها كتلة ساكنة، كما هو معروف، تساوي الصفر. ولذلك فإن سرعة الضوء في الفراغ، بحسب وونغ، ليست هي الحد الأقصى. ومع ذلك، يعترف وونغ بأن التأثير الذي اكتشفه لا يجعل من الممكن نقل المعلومات بسرعات أكبر من c.

يقول بي ميلوني، عالم الفيزياء في مختبر لوس ألاموس الوطني في الولايات المتحدة: "المعلومات هنا موجودة بالفعل في الحافة الأمامية للنبضة. ويمكن أن تعطي الانطباع بإرسال المعلومات بشكل أسرع من الضوء، حتى عندما لا يرسلونها."

يعتقد معظم علماء الفيزياء أن العمل الجديد لا يوجه ضربة ساحقة للمبادئ الأساسية. لكن ليس كل الفيزيائيين يعتقدون أن المشكلة قد تم حلها. ويعتقد البروفيسور أ. رانفاني، من مجموعة الأبحاث الإيطالية التي أجرت تجربة أخرى مثيرة للاهتمام في عام 2000، أن السؤال لا يزال مفتوحا. اكتشفت هذه التجربة، التي أجراها دانييل موغناي وأنيديو رانفاني وروكو روجيري، أن موجات الراديو ذات الموجات السنتيمترية في الهواء العادي تنتقل بسرعات أسرع بنسبة 25٪ من سرعة c.

لتلخيص، يمكننا أن نقول ما يلي.

يُظهر العمل في السنوات الأخيرة أنه في ظل ظروف معينة، يمكن أن تحدث السرعة الفائقة للضوء بالفعل. ولكن ما الذي يتحرك بالضبط بسرعات فائقة السرعة؟ النظرية النسبية، كما ذكرنا سابقًا، تحظر مثل هذه السرعة بالنسبة للأجسام المادية والإشارات التي تحمل المعلومات. ومع ذلك، فإن بعض الباحثين يحاولون باستمرار إثبات التغلب على حاجز الضوء المخصص للإشارات. والسبب في ذلك يكمن في حقيقة أنه في النظرية النسبية الخاصة لا يوجد أي مبرر رياضي صارم (يعتمد، على سبيل المثال، على معادلات ماكسويل للمجال الكهرومغناطيسي) لاستحالة إرسال الإشارات بسرعات أكبر من c. يمكن للمرء أن يقول أن مثل هذه الاستحالة في STR تم إثباتها بطريقة حسابية بحتة، استنادًا إلى صيغة أينشتاين لإضافة السرعات، ولكن هذا ما يؤكده بشكل أساسي مبدأ السببية. أينشتاين نفسه، بالنظر إلى مسألة نقل الإشارة الفائقة، كتب أنه في هذه الحالة "... نحن مضطرون إلى النظر في إمكانية وجود آلية لنقل الإشارة، حيث يسبق الفعل المحقق السبب. ولكن، على الرغم من أن هذا ينتج عن نقطة منطقية بحتة وجهة النظر لا تحتوي على نفسها، في رأيي، لا توجد تناقضات؛ ومع ذلك فهي تتناقض مع طبيعة تجربتنا بأكملها لدرجة أن استحالة الافتراض V > c يبدو أنها مثبتة بما فيه الكفاية. مبدأ السببية هو حجر الزاوية الذي يكمن وراء استحالة نقل الإشارات فائقة السطوع. وعلى ما يبدو، فإن جميع عمليات البحث عن إشارات فائقة السطوع دون استثناء سوف تتعثر على هذا الحجر، بغض النظر عن مدى رغبة المجربين في اكتشاف مثل هذه الإشارات، فهذه هي طبيعة عالمنا.

ولكن مع ذلك، دعونا نتخيل أن الرياضيات النسبية ستظل تعمل بسرعات فائقة السرعة. وهذا يعني أنه من الناحية النظرية لا يزال بإمكاننا معرفة ما يمكن أن يحدث إذا تجاوز الجسم سرعة الضوء.

دعونا نتخيل سفينتين فضائيتين تتجهان من الأرض نحو نجم يبعد عن كوكبنا 100 سنة ضوئية. تغادر أول سفينة الأرض بسرعة 50% من سرعة الضوء، لذا ستستغرق الرحلة 200 عام. أما السفينة الثانية، المجهزة بمحرك ملتوي افتراضي، فسوف تسافر بسرعة 200% من سرعة الضوء، ولكن بعد مرور 100 عام على الأولى. ماذا سيحدث؟

وفقا للنظرية النسبية، فإن الإجابة الصحيحة تعتمد إلى حد كبير على وجهة نظر الراصد. من الأرض، يبدو أن السفينة الأولى قد قطعت بالفعل مسافة كبيرة قبل أن تتفوق عليها السفينة الثانية، التي تتحرك أسرع بأربع مرات. لكن من وجهة نظر الأشخاص الذين كانوا على متن السفينة الأولى، كل شيء مختلف قليلاً.

تتحرك السفينة رقم 2 بشكل أسرع من الضوء، مما يعني أنها يمكن أن تتفوق على الضوء الذي تنبعث منه بنفسها. وينتج عن هذا نوع من "الموجة الضوئية" (تشبه الموجة الصوتية، ولكن بدلاً من اهتزازات الهواء هناك موجات ضوئية تهتز) والتي تؤدي إلى العديد من التأثيرات المثيرة للاهتمام. تذكر أن الضوء المنبعث من السفينة رقم 2 يتحرك بشكل أبطأ من السفينة نفسها. وستكون النتيجة مضاعفة بصرية. بمعنى آخر، سيرى طاقم السفينة رقم 1 أولاً أن السفينة الثانية ظهرت بجانبهم وكأنها جاءت من العدم. ثم يصل الضوء الصادر من السفينة الثانية إلى الأولى بتأخير بسيط، وتكون النتيجة نسخة مرئية تتحرك في نفس الاتجاه بتأخر بسيط.

يمكن رؤية شيء مشابه في ألعاب الكمبيوتر، عندما، نتيجة لفشل النظام، يقوم المحرك بتحميل النموذج وخوارزمياته عند نقطة نهاية الحركة بشكل أسرع من انتهاء الرسوم المتحركة للحركة نفسها، بحيث تحدث لقطات متعددة. ربما يكون هذا هو السبب وراء عدم إدراك وعينا لهذا الجانب الافتراضي من الكون الذي تتحرك فيه الأجسام بسرعات فائقة السرعة - وربما يكون هذا هو الأفضل.

ملاحظة. ... لكن في المثال الأخير لم أفهم شيئًا، لماذا يرتبط الموضع الحقيقي للسفينة بـ "الضوء المنبعث منها"؟ حسنًا، حتى لو رأوه في المكان الخطأ، فهو في الواقع سيتجاوز السفينة الأولى!

مصادر

في سبتمبر 2011، صدم الفيزيائي أنطونيو إريديتاتو العالم. بيانه يمكن أن يحدث ثورة في فهمنا للكون. إذا كانت البيانات التي جمعها 160 من علماء مشروع OPERA صحيحة، فقد لوحظ ما لا يصدق. تحركت الجسيمات - في هذه الحالة النيوترينوات - بشكل أسرع من الضوء. وهذا مستحيل بحسب النظرية النسبية لأينشتاين. وستكون عواقب مثل هذه الملاحظة لا تصدق. قد يتعين إعادة النظر في أسس الفيزياء ذاتها.

ورغم أن إيريديتاتو قال إنه وفريقه "واثقون للغاية" في نتائجهم، إلا أنهم لم يقولوا إن البيانات دقيقة تماما. وبدلاً من ذلك، طلبوا من علماء آخرين مساعدتهم في معرفة ما يجري.

وفي النهاية تبين أن نتائج OPERA كانت خاطئة. بسبب سوء توصيل الكابل، حدثت مشكلة في المزامنة وكانت الإشارات الصادرة من الأقمار الصناعية لنظام تحديد المواقع العالمي (GPS) غير دقيقة. كان هناك تأخير غير متوقع في الإشارة. ونتيجة لذلك، أظهرت قياسات الوقت الذي استغرقته النيوترينوات للسفر مسافة معينة 73 نانو ثانية إضافية: ويبدو أن النيوترينوات كانت تتحرك بسرعة أكبر من الضوء.

على الرغم من أشهر من الاختبارات الدقيقة قبل بدء التجربة والتحقق مرة أخرى من البيانات بعد ذلك، إلا أن العلماء كانوا مخطئين بشكل خطير. استقال إيريديتاتو على الرغم من تعليقات الكثيرين بأن مثل هذه الأخطاء تحدث دائمًا بسبب التعقيد الشديد لمسرعات الجسيمات.

لماذا أثار الاقتراح - مجرد الاقتراح - بأن شيئًا ما يمكن أن ينتقل بسرعة أسرع من الضوء مثل هذه الضجة؟ ما مدى تأكدنا من أنه لا يوجد شيء يمكنه التغلب على هذا الحاجز؟

دعونا نلقي نظرة على السؤال الثاني من هذه الأسئلة أولاً. تبلغ سرعة الضوء في الفراغ 299,792.458 كيلومترًا في الثانية - وللتيسير، تم تقريب هذا الرقم إلى 300,000 كيلومتر في الثانية. إنه سريع جدًا. تبعد الشمس عن الأرض 150 مليون كيلومتر، ويصل ضوؤها إلى الأرض في ثماني دقائق وعشرين ثانية فقط.

هل يمكن لأي من إبداعاتنا التنافس في السباق ضد الضوء؟ يعد المسبار الفضائي نيو هورايزنز واحدًا من أسرع الأجسام التي صنعها الإنسان على الإطلاق، حيث مر بالقرب من بلوتو وشارون في يوليو 2015. ووصلت سرعته بالنسبة للأرض إلى 16 كيلومترا في الثانية. أقل بكثير من 300 ألف كيلومتر في الثانية.

ومع ذلك، كان لدينا جسيمات صغيرة تتحرك بسرعة كبيرة. في أوائل الستينيات، قام ويليام بيرتوزي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بإجراء تجارب على تسريع الإلكترونات إلى سرعات أعلى.

ونظرًا لأن الإلكترونات لها شحنة سالبة، فمن الممكن تسريعها، أو صدها بشكل أكثر دقة، عن طريق تطبيق نفس الشحنة السالبة على مادة ما. كلما تم تطبيق المزيد من الطاقة، زادت سرعة تسارع الإلكترونات.

قد يعتقد المرء أنه سيحتاج ببساطة إلى زيادة الطاقة المطبقة للوصول إلى سرعة 300000 كم/ثانية. ولكن اتضح أن الإلكترونات ببساطة لا تستطيع التحرك بهذه السرعة. أظهرت تجارب بيرتوزي أن استخدام المزيد من الطاقة لا يؤدي إلى زيادة متناسبة بشكل مباشر في سرعة الإلكترون.

وبدلاً من ذلك، كان لا بد من تطبيق كميات هائلة من الطاقة الإضافية لتغيير سرعة الإلكترونات ولو بشكل طفيف. لقد اقتربت أكثر فأكثر من سرعة الضوء، لكنها لم تصل إليها أبدًا.

تخيل أنك تتحرك نحو الباب بخطوات صغيرة، بحيث تغطي كل خطوة نصف المسافة من موقعك الحالي إلى الباب. بالمعنى الدقيق للكلمة، لن تصل أبدًا إلى الباب، لأنه بعد كل خطوة تخطوها، سيظل أمامك مسافة يتعين عليك قطعها. واجه بيرتوزي نفس المشكلة تقريبًا أثناء تعامله مع إلكتروناته.

لكن الضوء يتكون من جسيمات تسمى الفوتونات. لماذا يمكن لهذه الجسيمات أن تنتقل بسرعة الضوء، ولكن الإلكترونات لا تستطيع ذلك؟

يقول روجر رسول، عالم الفيزياء في جامعة ملبورن في أستراليا: "عندما تتحرك الأجسام بشكل أسرع وأسرع، فإنها تصبح أثقل، وكلما أصبحت أثقل، كلما زادت صعوبة تسارعها، لذلك لن تصل أبدًا إلى سرعة الضوء". "الفوتون ليس له كتلة. ولو كان له كتلة، لما استطاع أن يتحرك بسرعة الضوء."

الفوتونات خاصة. ليس فقط أنها ليس لديها كتلة، مما يوفر لها حرية الحركة الكاملة في فراغ الفضاء، ولكنها أيضًا لا تحتاج إلى التسارع. الطاقة الطبيعية التي لديهم تتحرك في موجات مثلهم تمامًا، لذلك عندما يتم إنشاؤها تكون لديهم بالفعل أقصى سرعة. في بعض النواحي، من الأسهل التفكير في الضوء كطاقة بدلاً من اعتباره تيارًا من الجسيمات، على الرغم من أن الضوء في الحقيقة يمثل كليهما.

ومع ذلك، ينتقل الضوء بشكل أبطأ بكثير مما قد نتوقعه. على الرغم من أن خبراء تكنولوجيا الإنترنت يحبون التحدث عن الاتصالات التي تعمل بسرعة "سرعة الضوء" في الألياف الضوئية، إلا أن الضوء ينتقل في الألياف الزجاجية بسرعة أبطأ بنسبة 40٪ منه في الفراغ.

في الواقع، تنتقل الفوتونات بسرعة 300 ألف كيلومتر في الثانية، ولكنها تواجه قدرًا معينًا من التداخل الناجم عن الفوتونات الأخرى المنبعثة من ذرات الزجاج أثناء مرور موجة الضوء الرئيسية. قد لا يكون من السهل فهم ذلك، لكننا حاولنا على الأقل.

بنفس الطريقة، في إطار تجارب خاصة مع الفوتونات الفردية، كان من الممكن إبطائها بشكل مثير للإعجاب. ولكن في معظم الحالات، سيكون عدد 300 ألف هو الرقم الصحيح، ولم نر أو نبني أي شيء يمكنه التحرك بهذه السرعة، أو حتى أسرع. هناك نقاط خاصة، ولكن قبل أن نتطرق إليها، دعونا نتطرق إلى سؤالنا الآخر. لماذا من المهم جدًا اتباع قاعدة سرعة الضوء بدقة؟

الجواب يتعلق برجل يدعى ألبرت أينشتاين، كما هو الحال غالبا في الفيزياء. تستكشف نظريته النسبية الخاصة الآثار العديدة لحدود السرعة العالمية. ومن أهم عناصر النظرية فكرة أن سرعة الضوء ثابتة. بغض النظر عن مكان وجودك أو مدى سرعة تحركك، يتحرك الضوء دائمًا بنفس السرعة.

ولكن هذا يثير العديد من المشاكل المفاهيمية.

تخيل الضوء الذي يسقط من مصباح يدوي على مرآة مثبتة في سقف مركبة فضائية ثابتة. يرتفع الضوء وينعكس عن المرآة ويسقط على أرضية المركبة الفضائية. لنفترض أنه قطع مسافة 10 أمتار.

تخيل الآن أن هذه المركبة الفضائية تبدأ في التحرك بسرعة هائلة تبلغ عدة آلاف من الكيلومترات في الثانية. عندما تقوم بتشغيل المصباح، يتصرف الضوء كما كان من قبل: فهو يضيء لأعلى، ويضرب المرآة، وينعكس على الأرض. ولكن للقيام بذلك، يجب على الضوء أن يسافر مسافة قطرية، وليس مسافة عمودية. بعد كل شيء، تتحرك المرآة الآن بسرعة مع المركبة الفضائية.

وبناءً على ذلك، تزداد المسافة التي يقطعها الضوء. لنفترض 5 أمتار. وتبين أن إجمالي ذلك يبلغ 15 مترًا، وليس 10.

وعلى الرغم من ذلك، وعلى الرغم من زيادة المسافة، فإن نظريات أينشتاين تدعي أن الضوء سيظل يتحرك بنفس السرعة. وبما أن السرعة هي المسافة مقسومة على الزمن، وبما أن السرعة تظل كما هي وتزداد المسافة، فلا بد أن يزيد الزمن أيضًا. نعم، الوقت نفسه يجب أن يمتد. وعلى الرغم من أن هذا يبدو غريبا، فقد تم تأكيده تجريبيا.

وتسمى هذه الظاهرة تمدد الزمن. يتحرك الوقت بشكل أبطأ بالنسبة للأشخاص الذين يسافرون في مركبات سريعة الحركة مقارنة بأولئك الذين هم ثابتون.

على سبيل المثال، يتحرك الوقت أبطأ بمقدار 0.007 ثانية بالنسبة لرواد الفضاء في محطة الفضاء الدولية، التي تتحرك بسرعة 7.66 كم/ثانية بالنسبة إلى الأرض، مقارنة بالناس على هذا الكوكب. والأكثر إثارة للاهتمام هو الوضع مع جسيمات مثل الإلكترونات المذكورة أعلاه، والتي يمكن أن تتحرك بسرعة قريبة من سرعة الضوء. وفي حالة هذه الجسيمات، فإن درجة التباطؤ ستكون هائلة.

ويشير ستيفن كولثامر، عالم الفيزياء التجريبية بجامعة أكسفورد بالمملكة المتحدة، إلى مثال الجسيمات التي تسمى الميونات.

الميونات غير مستقرة: فهي تتحلل بسرعة إلى جسيمات أبسط. بسرعة كبيرة لدرجة أن معظم الميونات التي تغادر الشمس يجب أن تتحلل بحلول الوقت الذي تصل فيه إلى الأرض. لكن في الواقع، تصل الميونات إلى الأرض من الشمس بكميات هائلة. لقد حاول الفيزيائيون منذ فترة طويلة فهم السبب.

يقول كولثامر: "الإجابة على هذا اللغز هي أن الميونات تتولد بطاقة كبيرة لدرجة أنها تنتقل بسرعة تقارب سرعة الضوء". "إن إحساسهم بالوقت، إذا جاز التعبير، فإن ساعتهم الداخلية بطيئة."

"يبقى الميون على قيد الحياة" لفترة أطول من المتوقع بالنسبة لنا، وذلك بفضل انحراف زمني حقيقي وطبيعي. عندما تتحرك الأجسام بسرعة مقارنة بالأشياء الأخرى، فإن طولها أيضًا يتناقص وينكمش. هذه العواقب، تمدد الزمن وتقليل الطول، هي أمثلة لكيفية تغير الزمكان اعتمادًا على حركة الأشياء - أنا، أنت، أو مركبة فضائية - ذات كتلة.

والمهم كما قال أينشتاين هو أن الضوء لا يتأثر لأنه لا كتلة له. ولهذا السبب تسير هذه المبادئ جنبًا إلى جنب. إذا تمكنت الأشياء من السفر بسرعة أكبر من الضوء، فإنها ستطيع القوانين الأساسية التي تصف كيفية عمل الكون. هذه هي المبادئ الأساسية. الآن يمكننا أن نتحدث عن بعض الاستثناءات والاستثناءات.

من ناحية، على الرغم من أننا لم نر أي شيء يسير بسرعة أكبر من الضوء، فإن هذا لا يعني أنه لا يمكن نظريًا التغلب على حد السرعة هذا في ظل ظروف محددة للغاية. على سبيل المثال، خذ توسع الكون نفسه. تبتعد المجرات في الكون عن بعضها البعض بسرعات تفوق سرعة الضوء بشكل كبير.

هناك موقف آخر مثير للاهتمام يتعلق بالجسيمات التي تشترك في نفس الخصائص في نفس الوقت، بغض النظر عن المسافة بينها. وهذا ما يسمى "التشابك الكمي". سوف يدور الفوتون لأعلى ولأسفل، ويختار عشوائيًا بين حالتين محتملتين، لكن اختيار اتجاه الدوران سوف ينعكس تمامًا في فوتون آخر في مكان آخر إذا كانا متشابكين.

سيحصل عالمان، يدرس كل منهما الفوتون الخاص به، على نفس النتيجة في نفس الوقت، بسرعة أكبر مما تسمح به سرعة الضوء.

ومع ذلك، في كلا المثالين، من المهم ملاحظة أنه لا توجد معلومات تنتقل بسرعة أكبر من سرعة الضوء بين جسمين. يمكننا حساب توسع الكون، لكننا لا نستطيع مراقبة الأجسام الموجودة فيه بشكل أسرع من الضوء: لقد اختفت عن الأنظار.

أما العالمان بفوتوناتهما، فرغم أنهما استطاعا الحصول على نتيجة واحدة في نفس الوقت، إلا أنهما لم يستطيعا أن يعرف كل منهما الآخر بسرعة أكبر من سرعة انتقال الضوء بينهما.

يقول كولثامر: "هذا لا يخلق أي مشاكل بالنسبة لنا، لأنه إذا كان بإمكانك إرسال إشارات أسرع من الضوء، فستحصل على مفارقات غريبة حيث يمكن للمعلومات أن تعود بطريقة أو بأخرى بالزمن إلى الوراء".

هناك طريقة أخرى ممكنة لجعل السفر بسرعة أكبر من الضوء ممكنًا من الناحية التقنية: حدوث انشقاقات في الزمكان تسمح للمسافر بالهروب من قواعد السفر العادي.

يعتقد جيرالد كليفر من جامعة بايلور في تكساس أنه في يوم من الأيام سنكون قادرين على بناء مركبة فضائية تنتقل بسرعة أكبر من الضوء. الذي يتحرك من خلال الثقب الدودي. الثقوب الدودية عبارة عن حلقات في الزمكان تتناسب تمامًا مع نظريات أينشين. يمكن أن تسمح لرائد الفضاء بالقفز من أحد طرفي الكون إلى الطرف الآخر عبر شذوذ في الزمكان، وهو شكل من أشكال الاختصار الكوني.

لن تتجاوز سرعة الجسم الذي يسافر عبر الثقب الدودي سرعة الضوء، لكنه نظريًا يمكنه الوصول إلى وجهته بشكل أسرع من الضوء الذي يتخذ مسارًا "طبيعيًا". لكن الثقوب الدودية قد لا تكون متاحة تمامًا للسفر إلى الفضاء. هل يمكن أن تكون هناك طريقة أخرى لتشويه الزمكان بشكل فعال للتحرك بسرعة أكبر من 300 ألف كيلومتر في الثانية بالنسبة لشخص آخر؟

كما استكشف كليفر فكرة "محرك ألكوبيير"، التي اقترحها الفيزيائي النظري ميغيل ألكوبيير في عام 1994. وهو يصف الحالة التي ينقبض فيها الزمكان أمام المركبة الفضائية، ويدفعها للأمام، ويتوسع خلفها، ويدفعها أيضًا للأمام. يقول كليفر: «ولكن بعد ذلك، ظهرت المشاكل: كيفية القيام بذلك، وما مقدار الطاقة المطلوبة».

وفي عام 2008، قام هو وطالب الدراسات العليا ريتشارد أوبوزي بحساب مقدار الطاقة المطلوبة.

"لقد تخيلنا سفينة 10 م × 10 م × 10 م - 1000 متر مكعب - وحسبنا أن كمية الطاقة المطلوبة لبدء العملية ستكون معادلة لكتلة كوكب المشتري بأكمله."

بعد ذلك يجب "إضافة" الطاقة باستمرار حتى لا تنتهي العملية. ولا أحد يعرف ما إذا كان هذا ممكنًا أم لا، أو كيف ستبدو التكنولوجيا اللازمة. يقول كليفر: "لا أريد أن يُقتبس مني لعدة قرون وكأنني تنبأت بشيء لن يحدث أبدًا، لكنني لا أرى أي حلول حتى الآن".

لذا، فإن السفر بسرعة أكبر من سرعة الضوء يظل خيالًا علميًا في الوقت الحالي. حتى الآن، الطريقة الوحيدة لزيارة كوكب خارج المجموعة الشمسية أثناء الحياة هي الانغماس في الرسوم المتحركة المعلقة العميقة. ومع ذلك، فالأمر ليس سيئًا تمامًا. تحدثنا في معظم الأوقات عن الضوء المرئي. ولكن في الواقع، الضوء هو أكثر من ذلك بكثير. من موجات الراديو وأجهزة الميكروويف إلى الضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية والأشعة السينية وأشعة جاما المنبعثة من الذرات أثناء اضمحلالها، هذه الأشعة الجميلة كلها مصنوعة من نفس الشيء: الفوتونات.

الفرق يكمن في الطاقة، وبالتالي في الطول الموجي. وتشكل هذه الأشعة معًا الطيف الكهرومغناطيسي. حقيقة أن موجات الراديو، على سبيل المثال، تنتقل بسرعة الضوء مفيدة بشكل لا يصدق للاتصالات.

في بحثه، أنشأ كولثامر دائرة تستخدم الفوتونات لنقل الإشارات من جزء من الدائرة إلى جزء آخر، لذا فهو مؤهل جيدًا للتعليق على فائدة سرعة الضوء المذهلة.

ويشير إلى أن "حقيقة أننا قمنا ببناء البنية التحتية للإنترنت، على سبيل المثال، والراديو قبله، بناءً على الضوء، لها علاقة بالسهولة التي يمكننا بها نقلها". ويضيف أن الضوء يعمل بمثابة قوة الاتصال في الكون. عندما تبدأ الإلكترونات الموجودة في الهاتف المحمول في الاهتزاز، يتم إطلاق الفوتونات وتتسبب في اهتزاز الإلكترونات الموجودة في هاتف محمول آخر أيضًا. هذه هي الطريقة التي تولد بها مكالمة هاتفية. كما أن ارتعاش الإلكترونات في الشمس ينبعث منه فوتونات - بكميات هائلة - والتي تشكل الضوء بالطبع، مما يمنح الحياة على الأرض الحرارة والضوء.

الضوء هو اللغة العالمية للكون. وتبقى سرعتها - 299,792.458 كيلومترًا في الثانية - ثابتة. وفي الوقت نفسه، المكان والزمان مرنان. ربما لا ينبغي لنا أن نفكر في كيفية التحرك بشكل أسرع من الضوء، ولكن في كيفية التحرك بشكل أسرع عبر هذا الفضاء وهذه المرة؟ الذهاب إلى الجذر، إذا جاز التعبير؟