20. sajandit iseloomustasid suurimad avastused füüsika ja kosmoloogia vallas. Nende avastuste aluseks olid teooriad, mille töötas välja silmapaistvate füüsikute galaktika. Tuntuim neist on Albert Einstein, kelle loomingule kaasaegne füüsika suuresti põhineb. Teadlase teooriatest järeldub, et valguse kiirus vaakumis on osakeste liikumise ja vastastikmõju maksimaalne kiirus. Ja nendest teooriatest tulenevad ajaparadoksid on täiesti hämmastavad: näiteks liikuvate objektide puhul voolab aeg puhkeolekuga võrreldes aeglasemalt ja mida lähemale valguse kiirusele, seda rohkem aeg aeglustub. Selgub, et valguse kiirusega lendava objekti puhul peatub aeg täielikult.
| Me soovitame |
See annab lootust, et teoreetiliselt suudab inimene õigel tasemel tehnoloogiaga jõuda ühe põlvkonna eluea jooksul universumi kõige kaugematesse nurkadesse. Sel juhul on lennuaeg maa võrdlusraamis miljoneid aastaid, samas kui valguselähedasel kiirusel lendaval laeval möödub vaid mõni päev... Sellised võimalused on muljetavaldavad ja samas küsimus tekib: kui tuleviku füüsikud ja insenerid kuidagi kiirendavad kosmoselaeva tohutute väärtusteni, kasvõi teoreetiliselt kuni valguse kiiruseni (kuigi meie füüsika eitab seda võimalust), siis kas me suudame jõuda mitte ainult kõige kaugemate galaktikate ja tähtedeni, vaid ka meie Universumi äär, vaata kaugemale tundmatu piirist, millest teadlastel pole õrna aimugi?
Teame, et universum tekkis umbes 13,79 miljardit aastat tagasi ja on sellest ajast alates pidevalt paisunud. Võib eeldada, et selle raadius peaks hetkel olema 13,79 miljardit valgusaastat ja läbimõõt vastavalt 27,58 miljardit valgusaastat. Ja see oleks tõsi, kui Universum paisuks ühtlaselt valguse kiirusel – maksimaalse võimaliku kiirusega. Kuid saadud andmed ütlevad meile, et universum paisub kiireneva kiirusega.
Me täheldame, et meist kõige kaugemal asuvad galaktikad eemalduvad meist kiiremini kui läheduses olevad galaktikad – meie maailma ruum laieneb pidevalt. Samas on Universumis osa, mis eemaldub meist valguse kiirusest kiiremini. Sel juhul ei rikuta relatiivsusteooria postulaate ja järeldusi – Universumi sees olevad objektid jäävad alavalguse kiirustele. Seda Universumi osa pole näha – kiirgusallikate kiirgavate footonite kiirusest lihtsalt ei piisa, et ruumi paisumise kiirusest üle saada.
Arvutused näitavad, et meile nähtava osa maailmast on läbimõõt umbes 93 miljardit valgusaastat ja nn. Metagalaktika. Võime ainult oletada, mis jääb sellest piirist kaugemale ja kui kaugele universum ulatub. Loogiline on eeldada, et Universumi serv eemaldub meist kõige kiiremini ja ületab tunduvalt valguse kiirust. Ja see kiirus kasvab pidevalt. Selgub, et isegi kui mõni objekt lendab valguse kiirusel, ei jõua see kunagi Universumi servani, sest Universumi serv eemaldub sellest kiiremini.
Kui leiate vea, tõstke esile mõni tekstiosa ja klõpsake Ctrl+Enter.
Aga tegelikult, mis saab? Sellele küsimusele pole tegelikult vastust, sest see on vastuolus kõigi füüsikaseadustega ja nagu me teame, katseid läbi viia ei saa. Aga keegi ei keela sul teoreetiliselt mõelda. Ütleme nii, et meil on VAZ-i auto, mis kiirendab alustuseks valguse kiirusele. Mine…
Nagu 11. klassi füüsikakursusest teame, on valguse kiirus konstantne väärtus ega ole ei rohkem ega vähem, vaid 300 000 km sekundis. Valguselähedasel kiirusel tavalised füüsikaseadused ei kehti. Siin kehtivad relativistliku füüsika seadused, seega peame pöörduma hr Einsteini poole ja lugema tema relatiivsusteooriat.
Klassikalise füüsika seadusi rakendades võib eeldada, et footonite (valgusosakeste) kiirus liidetakse kokku auto kiirusega ning esituled säravad nagu alati. Aga... Selgub, et need samad footonid peavad lendama kahekordse valguskiirusega – auto kiirus ja footonite kiirus liidetakse. Kuid see on võimatu, sest juba 1905. aastal tõestas Einstein, et valguse kiirus on konstantne igas võrdlusraamistikus. See tähendab, et esitulest tuleva footoni kiirus jääb endiselt 300 000 km/sek. Aga ka autol on sama kiirus. Niisiis, valguse footonid lendavad auto kõrvale? Siis ei näe juht esitulesid. Tee ääres olev vaatleja peaks nägema mööda lendamas valguslaiku. Tegelikult mitte päris nii.
Relatiivsusteooriat kasutades võib ette kujutada teist pilti, palju fantastilisemat. Siin kattuvad paljud tegurid üksteisega ja loovad midagi kujuteldamatut.
Näiteks valguse kiirusele lähedasel kiirusel peab objekt, see tähendab auto, omandama piiramatu massi. Tulemuseks peaks olema mingi must auk, mis oma raskusjõu tõttu ei lase footonil oma pinnalt lahkuda. Vastupidi, see, nagu uskumatu massiga objektile kohane, tõmbab endasse kogu ümbritseva aine. Valguse kiirusel võrdub meie auto mass lõpmatusega. Noh, veelgi suuremat kiirust ei tasu enam isegi arvata. Sel juhul on selles olev aeg võrdne nulliga, see tähendab, et see peatub.
Teisest küljest määrab mis tahes osakese liikumise vahemaa ajaühikus. Ja kui aeg seisab, siis mis liikumist saab olla? Kõik külmub, kuni kiirus aeglustub. Teoreetiliselt võiks meie auto lennata üle terve universumi ja kell ei loeks isegi sekundi murdosa! Ja kuidas neid loetaks, kui kõik neis olevad molekulid seiskuksid. Kuid molekulide seiskumine tähendab, et objekti temperatuur on absoluutne null! Kujutage ette, autos istuva inimese jaoks läheb aeg aina aeglasemalt, kuni see täielikult peatub. Ta tardub ja isegi molekulid tema kehas seisavad paigal – tema temperatuur on absoluutne null. Aga kuidagi kiirus väheneb ja inimene ärkab ellu. Ta ei pannud seda peatust tähelegi. Nii et ta sirutab käe ja kulutab sellele sekundeid oma ajast, kuid meie jaoks mööduvad tunnid, aastad või isegi sajandid! Kuigi siin on kõik ebamäärane, sest aine kogunemine tõstab rõhku ja temperatuuri ning siin on see absoluutne null. Ükskõik kui supernoovaks see ka ei osutub!
Ütleme isegi, et meie auto jäi autoks ja juht osutus elus ja suutis esituled põlema panna. Nagu teada, töötab suurtel kiirustel nn Doppleri efekt. Valgusel on ju ka laineline olemus. See tähendab, et nähtava valguse sagedus või spekter muutub. Kui objekt läheneb, näeme spektri nihet violetsele osale ja kui see eemaldub, siis punasele.
Kui rakendame seda oma peaaegu valguse masinale, võime esitulede asemel saada kõva gammakiirgust või lihtsalt kiirgust. Juht ei pruugi millestki aru saada, see on vaieldav küsimus, sest tema jaoks pole palju muutunud. Kuid meie vaatleja ei ela tõenäoliselt rohkem kui sekundi murdosa pärast seda, kui auto mööda lendab. Ta saab igat tüüpi kiirgust – ultraviolettkiirgust, kui auto läheneb, ja infrapunaosa, kui see eemaldub. Vaevalt saab seda esituledeks nimetada.
Küsimusele, mis juhtub valgusega ülivalguse kiirusel, pole vastust. Nii nagu valguse jaoks pole sellist asja olemas. Ligivalgus – palun, siin kehtib relatiivsusteooria. Valgus jääb tavaliseks valguseks. Aga kui valguse kiirus on saavutatud, algavad sellised imed, et aju pigem keeb, kui leiab vastuse või kujutab ette kõiki võimalikke variante. Seal saavad alguse meie jaoks uskumatud muutused aines ja ajas. Võib-olla on see parim, et sellist kiirust ei saa kunagi saavutada. Superluminaalsest rääkimata...
Kuigi küsimusele ei saanud vastata võimatuse seletamise tõttu, tundub, et mõtteaine osutus maitsvaks.
1) Kas esituled valgustavad teisi objekte ja peegelduvad tagasi teie silmadesse?
Ei. Nagu teate, ei saa te valguse kiirust ületada. See tähendab, et ühes suunas ei saa tuli üldse paista, kuna ei suuda ületada auto kiirust, mistõttu ei tule see kunagi esituledest välja. Elame aga mitmemõõtmelises maailmas ja kogu valgus ei paista ühes suunas.
Kujutagem ette kahemõõtmelist autot, millel puudub mass (st liigub valguse kiirusel), mis kiirgab kaks footonit, üks üles ja teine alla. Kaks tala eralduvad autost ja jäävad selle taha. Nad liiguvad sama valguskiirusega, kuid ei saa liikuda edasi sama kiiresti, kuna üks kiirusvektoritest on suunatud üles/alla, siis möödume neist. Seejärel puutuvad need footonid oma teel kokku mõne takistusega, näiteks liiklusmärgiga või puuga, ja peegelduvad tagasi. Probleem on selles, et nad ei saa teile enam järele jõuda. Teised kõnniteel kõndivad inimesed näevad peegeldunud valgust, kuid teie olete juba lahkunud ja ei näe seda kunagi.
Olgu, kõike saab seletada pelgalt asjaoluga, et kogu valgus liigub sama kiirusega, ükskõik kus. Vaevalt on sellel relatiivsusteooriaga mingit pistmist.
Siiski on ka raskem versioon.
2) Kas valguskiirusel liikuvatel asjadel võivad olla esituled? Kas neil on isegi nägemine?
Siin tulebki mängu pöörane relatiivsusteooria tõde, nii et pole vaja häbeneda, kui millestki aru ei saa, aga vastus tuleb jällegi eitav.
Võib-olla olete tuttav relativistliku aja dilatatsiooni kontseptsiooniga. Oletame, et istume sõbraga erinevatele rongidele ja sõidame üksteisele vastu. Mööda sõites, kui vaatame läbi akna teineteise kupees seinakella, siis mõlemad Pange tähele, et need liiguvad tavapärasest aeglasemalt. Seda mitte sellepärast, et kell aeglustub, vaid see, et mängu tuleb meievaheline valgus: mida kiiremini liigume, seda aeglasemalt vananeme võrreldes vähem liikuvate objektidega. Seda seetõttu, et aeg ei ole absoluutne kõigi universumi objektide jaoks, see on iga objekti puhul erinev ja sõltub selle kiirusest. Meie aeg sõltub ainult sellest meie kiirus universumis. Seda võib mõelda kui ruumi-aja skaalal eri suundades liikumist. Siin on teatav probleem, sest meie aju ei ole loodud mõistma aegruumi geomeetriat, vaid kipub kujutlema aega mingisuguse absoluudina. Kuid pärast veidi selleteemalist kirjandust lugedes võite tavaliselt aktsepteerida loomulikku tõsiasja: need, kes liiguvad teie suhtes kiiresti, vananevad aeglasemalt.
Oletame, et teie sõber istub hüpoteetilises autos ja sõidab valguse kiirusel. Niisiis, ühendame tema kiiruse oma valemiga ja vaatame, mis on vastus.
Oh-oi! Tundub, et tema jaoks pole aega üldse möödas! Meie arvutustes peab midagi valesti olema?! Selgub, et ei. Aeg. Mitte. Olemas. Sest. Objektid. peal. Kiirus. Sveta.
Seda lihtsalt ei eksisteeri.
See tähendab, et valguse kiirusel liikuvad asjad ei suuda "juhtuvaid" sündmusi tajuda samal viisil, nagu meie neid tajume. Sündmused ei saa aset leidma neile. Nad saavad teha toiminguid, kuid ei saa kogemusi. Einstein ise ütles kord: "Aeg on olemas selleks, et kõik ei juhtuks korraga." See on koordinaat, mis on loodud sündmuste järjestamiseks tähenduslikuks jadaks, et saaksime toimuvast aru. Aga objekti jaoks, mis liigub kiirusega valgus, see põhimõte ei tööta, sest Kõik toimub samaaegselt. Valguse kiirusel rändaja ei näe, mõtle ega tunne kunagi midagi, mida me tähenduslikuks peame.
See on nii ootamatu järeldus.
25. märts 2017
FTL-reisid on kosmoseulme üks aluseid. Küllap aga teavad kõik – ka füüsikakauged inimesed, et materiaalsete objektide maksimaalne võimalik liikumiskiirus või igasuguste signaalide levimise kiirus on valguse kiirus vaakumis. Seda tähistatakse tähega c ja see on peaaegu 300 tuhat kilomeetrit sekundis; täpne väärtus c = 299 792 458 m/s.
Valguse kiirus vaakumis on üks põhilisi füüsikalisi konstante. C-d ületavate kiiruste saavutamise võimatus tuleneb Einsteini erirelatiivsusteooriast (STR). Kui õnnestuks tõestada, et signaalide edastamine ülivalguse kiirusega on võimalik, langeks relatiivsusteooria. Siiani pole seda juhtunud, hoolimata arvukatest katsetest kummutada c-st suuremate kiiruste olemasolu keeld. Hiljutised eksperimentaalsed uuringud on aga paljastanud väga huvitavaid nähtusi, mis näitavad, et spetsiaalselt loodud tingimustes on võimalik jälgida superluminaalseid kiirusi ilma relatiivsusteooria põhimõtteid rikkumata.
Alustuseks meenutagem valguse kiiruse probleemiga seotud peamisi aspekte.
Esiteks: miks on võimatu (tavatingimustes) valguse piiri ületada? Sest siis rikutakse meie maailma põhiseadust – põhjuslikkuse seadust, mille järgi tagajärg ei saa eelneda põhjusele. Keegi pole kunagi täheldanud, et näiteks karu kukkus esmalt surnult ja siis tulistas jahimees. Kiiruste korral, mis ületavad c, muutub sündmuste jada vastupidiseks, ajalint keritakse tagasi. Seda on lihtne kontrollida järgmiste lihtsate arutluste põhjal.
Oletame, et oleme mingisugusel kosmose-imelaeval, mis liigub valgusest kiiremini. Siis jõuaksime järk-järgult järele allika poolt varasematel ja varasematel aegadel kiirgavale valgusele. Esiteks jõuaksime järele näiteks eile kiiratud footonitele, siis üleeile, siis nädal, kuu, aasta tagasi ja nii edasi. Kui valgusallikaks oleks elu peegeldav peegel, siis näeksime esmalt eilseid sündmusi, siis üleeile jne. Võiksime näha näiteks vanameest, kes muutub tasapisi keskealiseks meheks, siis noormeheks, noorukiks, lapseks... See tähendab, aeg pöörduks tagasi, liiguksime olevikust minevik. Põhjused ja tagajärjed vahetaksid siis kohti.
Kuigi see arutelu ignoreerib täielikult valguse vaatlemise protsessi tehnilisi üksikasju, näitab see fundamentaalsest vaatepunktist selgelt, et ülivalguse kiirusega liikumine viib olukorrani, mis meie maailmas on võimatu. Loodus on aga seadnud veelgi karmimad tingimused: mitte ainult ülivalguse kiirusega liikumine pole saavutatav, vaid ka valguse kiirusega võrdne kiirus – sellele saab vaid läheneda. Relatiivsusteooriast järeldub, et kui liikumiskiirus suureneb, tekib kolm asjaolu: liikuva objekti mass suureneb, selle suurus liikumissuunas väheneb ja ajavool sellel objektil aeglustub (punktist alates välise "puhkava" vaatleja vaatest). Tavalistel kiirustel on need muutused tühised, kuid valguse kiirusele lähenedes muutuvad nad üha märgatavamaks ja piiril - kiirusel, mis on võrdne c-ga - muutub mass lõpmatult suureks, objekt kaotab oma suuruse täielikult. liikumisest ja aeg peatub sellel. Seetõttu ei suuda ükski materiaalne keha saavutada valguse kiirust. Ainult valgusel endal on selline kiirus! (Ja ka "kõike läbiv" osake - neutriino, mis nagu footon ei saa liikuda kiirusega, mis on väiksem kui c.)
Nüüd signaali edastuskiirusest. Siin on asjakohane kasutada valguse kujutamist elektromagnetlainete kujul. Mis on signaal? See on osa teavet, mis tuleb edastada. Ideaalne elektromagnetlaine on rangelt ühe sagedusega lõpmatu sinusoid ja see ei saa kanda mingit teavet, sest sellise sinusoidi iga periood kordab täpselt eelmist. Siinuslaine faasi liikumiskiirus - nn faasikiirus - võib teatud tingimustel ületada valguse kiirust vaakumis keskkonnas. Siin pole piiranguid, kuna faasikiirus ei ole signaali kiirus - seda pole veel olemas. Signaali loomiseks peate lainele tegema mingi märgi. Selliseks märgiks võib olla näiteks mistahes laineparameetri – amplituudi, sageduse või algfaasi – muutus. Kuid niipea, kui märk on tehtud, kaotab laine sinusoidsuse. See muutub moduleerituks, mis koosneb lihtsate siinuslainete komplektist, millel on erinevad amplituudid, sagedused ja algfaasid - lainete rühm. Märgi liikumise kiirus moduleeritud laines on signaali kiirus. Keskkonnas levides langeb see kiirus tavaliselt kokku rühmakiirusega, mis iseloomustab ülalmainitud lainete rühma levikut tervikuna (vt "Teadus ja elu" nr 2, 2000). Tavatingimustes on rühma kiirus ja seega ka signaali kiirus väiksem kui valguse kiirus vaakumis. Siin pole juhuslikult kasutatud väljendit “normaalsetes tingimustes”, sest mõnel juhul võib grupikiirus ületada c või isegi tähenduse kaotada, kuid siis ei viita see signaali levimisele. Teenindusjaam teeb kindlaks, et signaali on võimatu edastada kiirusel, mis on suurem kui c.
Miks see nii on? Kuna c-st suurema kiirusega mis tahes signaali edastamise takistuseks on sama põhjuslikkuse seadus. Kujutagem ette sellist olukorda. Mingil hetkel A lülitab valgussähvatus (sündmus 1) sisse teatud raadiosignaali saatva seadme ja kaugemas punktis B toimub selle raadiosignaali mõjul plahvatus (sündmus 2). On selge, et sündmus 1 (sähvatus) on põhjus ja sündmus 2 (plahvatus) on tagajärg, mis leiab aset hiljem kui põhjus. Aga kui raadiosignaal leviks ülivalguse kiirusega, näeks punkti B lähedal olev vaatleja esmalt plahvatust ja alles seejärel valgussähvatuse kiirusel temani jõudnud plahvatuse põhjust. Teisisõnu, selle vaatleja jaoks oleks sündmus 2 toimunud varem kui sündmus 1, see tähendab, et tagajärg oleks eelnenud põhjusele.
On kohane rõhutada, et relatiivsusteooria “ülevalguslik keeld” on kehtestatud ainult materiaalsete kehade liikumisele ja signaalide edastamisele. Paljudes olukordades on liikumine mis tahes kiirusega võimalik, kuid see ei ole materiaalsete objektide või signaalide liikumine. Kujutage näiteks ette kahte üsna pikka joonlauda, mis asuvad samas tasapinnas, millest üks asub horisontaalselt ja teine lõikub sellega väikese nurga all. Kui esimest joonlauda suurel kiirusel allapoole (noolega näidatud suunas) liigutada, saab joonlaudade ristumispunkti panna jooksma nii kiiresti kui soovitakse, kuid see punkt ei ole materiaalne keha. Teine näide: kui võtta taskulamp (või näiteks kitsast kiirt tekitav laser) ja kirjeldada kiiresti õhus kaare, siis valguspunkti lineaarkiirus suureneb kaugusega ja piisavalt suurel kaugusel ületab c. . Valguslaik liigub punktide A ja B vahel ülivalguse kiirusega, kuid see ei ole signaali edastamine punktist A punkti B, kuna selline valguspunkt ei kanna punkti A kohta teavet.
Näib, et superluminaalsete kiiruste küsimus on lahendatud. Kuid kahekümnenda sajandi 60ndatel esitasid teoreetilised füüsikud hüpoteesi superluminaalsete osakeste, mida nimetatakse tahhüoniteks, olemasolust. Need on väga kummalised osakesed: teoreetiliselt on need võimalikud, kuid et vältida vastuolusid relatiivsusteooriaga, tuli neile määrata kujuteldav puhkemass. Füüsiliselt kujuteldavat massi ei eksisteeri, see on puhtalt matemaatiline abstraktsioon. See aga ei tekitanud erilist ärevust, kuna tahhüonid ei saa olla puhkeseisundis - nad eksisteerivad (kui on olemas!) ainult kiirustel, mis ületavad valguse kiirust vaakumis ja sel juhul osutub tahhüoni mass tõeliseks. Siin on mingi analoogia footonitega: footoni puhkemass on null, kuid see tähendab lihtsalt seda, et footon ei saa olla puhkeolekus – valgust ei saa peatada.
Kõige keerulisemaks osutus, nagu arvata võiks, tahhüoni hüpoteesi ühitamine põhjuslikkuse seadusega. Selles suunas tehtud katsed, kuigi üsna geniaalsed, ei toonud silmnähtavat edu. Samuti pole kellelgi õnnestunud tahhüone eksperimentaalselt registreerida. Selle tulemusena kadus järk-järgult huvi tahhüonite kui üliluminaalsete elementaarosakeste vastu.
60ndatel avastati aga eksperimentaalselt nähtus, mis füüsikud esialgu segadusse ajas. Seda kirjeldatakse üksikasjalikult A. N. Oraevsky artiklis “Superluminal waves in amplifying media” (UFN nr 12, 1998). Siin võtame lühidalt kokku asja olemuse, suunates üksikasjadest huvitatud lugeja nimetatud artikli juurde.
Varsti pärast laserite avastamist – 60ndate alguses – tekkis probleem lühikeste (kestvus umbes 1 ns = 10-9 s) suure võimsusega valgusimpulsside saamisega. Selleks lasti lühike laserimpulss läbi optilise kvantvõimendi. Impulss jagati kiirte jagamise peegli abil kaheks osaks. Üks neist, võimsam, saadeti võimendisse ja teine levis õhus ja oli võrdlusimpulss, millega sai võrrelda võimendit läbivat impulssi. Mõlemad impulsid suunati fotodetektoritesse ja nende väljundsignaale sai visuaalselt jälgida ostsilloskoobi ekraanil. Eeldati, et võimendit läbiv valgusimpulss kogeb selles võrdlusimpulsiga võrreldes mõningast viivitust, see tähendab, et valguse levimise kiirus võimendis on väiksem kui õhus. Kujutage ette teadlaste hämmastust, kui nad avastasid, et impulss levis läbi võimendi kiirusega, mis pole mitte ainult suurem kui õhus, vaid ka mitu korda suurem kui valguse kiirus vaakumis!
Esimesest šokist toibunud, hakkasid füüsikud sellise ootamatu tulemuse põhjust otsima. Erirelatiivsusteooria põhimõtetes ei kahelnud kellelgi vähimatki kahtlust ja just see aitas leida õige seletuse: kui SRT põhimõtted säilivad, siis tuleks vastust otsida võimendava meediumi omadustest.
Siinkohal detailidesse laskumata juhime vaid tähelepanu sellele, et võimendusmeediumi toimemehhanismi üksikasjalik analüüs tegi olukorra täielikult selgeks. Asi oli footonite kontsentratsiooni muutuses impulsi levimise ajal - muutus, mis on põhjustatud keskkonna võimenduse muutumisest kuni negatiivse väärtuseni impulsi tagumise osa läbimisel, kui keskkond juba neelab. energiat, sest selle enda reserv on valgusimpulsile ülemineku tõttu juba ära kasutatud. Imendumine ei põhjusta impulsi suurenemist, vaid nõrgenemist ja seega impulss tugevneb esiosas ja nõrgeneb tagaosas. Kujutagem ette, et vaatleme võimendi keskkonnas valguse kiirusel liikuva seadme abil impulssi. Kui meedium oleks läbipaistev, näeksime impulssi tardunud liikumatus. Keskkonnas, kus eelnimetatud protsess toimub, paistavad vaatlejale impulsi esiserva tugevnemine ja tagumise serva nõrgenemine selliselt, et meedium näib olevat impulsi ettepoole nihutanud. Kuid kuna seade (vaatleja) liigub valguse kiirusel ja impulss möödub sellest, siis impulsi kiirus ületab valguse kiiruse! Just selle efekti registreerisid katsetajad. Ja siin pole relatiivsusteooriaga tegelikult mingit vastuolu: võimendusprotsess on lihtsalt selline, et varem välja tulnud footonite kontsentratsioon osutub suuremaks kui hiljem välja tulnud footonite kontsentratsioon. Superluminaalsel kiirusel ei liigu mitte footonid, vaid ostsilloskoobiga jälgitakse impulsi mähisjoont, eelkõige selle maksimumi.
Seega, kui tavalistes meediumites toimub alati valguse nõrgenemine ja selle kiiruse vähenemine, mille määrab murdumisnäitaja, siis aktiivses laserkandjas ei toimu mitte ainult valguse võimendumist, vaid ka impulsi levimist superluminaalsel kiirusel.
Mõned füüsikud on proovinud eksperimentaalselt tõestada superluminaalse liikumise olemasolu tunneliefekti ajal – see on üks kõige hämmastavamaid nähtusi kvantmehaanikas. See efekt seisneb selles, et mikroosake (täpsemalt mikroobjekt, mis erinevates tingimustes avaldab nii osakese kui ka laine omadusi) on võimeline tungima läbi nn potentsiaalse barjääri – nähtus, mis on täielikult klassikalises mehaanikas võimatu (kus selline olukord oleks analoog: vastu seina visatud pall satuks teisele poole seina või seina külge seotud köiele antud laineline liikumine kanduks üle teiselt poolt seina külge seotud köis). Tunneliefekti olemus kvantmehaanikas on järgmine. Kui teatud energiaga mikroobjekt kohtab oma teel piirkonda, mille potentsiaalse energia ületab mikroobjekti energiat, on see ala tema jaoks barjääriks, mille kõrguse määrab energiaerinevus. Aga mikroobjekt “lekib” läbi tõkke! Selle võimaluse annab talle tuntud Heisenbergi määramatuse seos, mis on kirjutatud interaktsiooni energia ja aja kohta. Kui mikroobjekti interaktsioon barjääriga toimub üsna kindla aja jooksul, siis mikroobjekti energiat iseloomustab seevastu määramatus ja kui see määramatus on barjääri kõrguse suurusjärgus, siis viimane lakkab olemast mikroobjektile ületamatuks takistuseks. Just potentsiaalse barjääri läbimise kiirust on uurinud mitmed füüsikud, kes usuvad, et see võib ületada c.
1998. aasta juunis toimus Kölnis rahvusvaheline sümpoosion superluminaalse liikumise probleemidest, kus arutati neljas laboris – Berkeleys, Viinis, Kölnis ja Firenzes – saadud tulemusi.
Ja lõpuks, 2000. aastal, ilmusid teated kahe uue katse kohta, milles ilmnesid superluminaalse leviku mõjud. Ühe neist esitas Lijun Wong ja tema kolleegid Princetoni uurimisinstituudist (USA). Selle tulemuseks on see, et tseesiumiauruga täidetud kambrisse sisenev valgusimpulss suurendab selle kiirust 300 korda. Selgus, et põhiosa impulsist väljus kambri kaugemast seinast isegi varem, kui impulss esiseina kaudu kambrisse sisenes. See olukord ei ole vastuolus mitte ainult terve mõistusega, vaid sisuliselt relatiivsusteooriaga.
L. Wongi sõnum tekitas füüsikute seas intensiivset diskussiooni, kellest enamik ei kippunud nägema saadud tulemustes relatiivsuspõhimõtete rikkumist. Nende arvates on väljakutse seda katset õigesti selgitada.
L. Wongi katses kestis tseesiumiauruga kambrisse sisenev valgusimpulss umbes 3 μs. Tseesiumi aatomid võivad eksisteerida kuueteistkümnes võimalikus kvantmehaanilises olekus, mida nimetatakse "põhioleku hüperpeenteks magnetilisteks alamtasanditeks". Optilise laserpumpamise abil viidi peaaegu kõik aatomid ainult ühte neist kuueteistkümnest olekust, mis vastab peaaegu absoluutsele nulltemperatuurile Kelvini skaalal (-273,15 ° C). Tseesiumikambri pikkus oli 6 sentimeetrit. Vaakumis läbib valgus 0,2 ns jooksul 6 sentimeetrit. Nagu mõõtmised näitasid, läbis valgusimpulss tseesiumiga kambrit ajaga, mis oli 62 ns vähem kui vaakumis. Teisisõnu, aeg, mis kulub pulsi läbimiseks tseesiumikeskkonnast, on miinusmärgiga! Tõepoolest, kui lahutada 0,2 ns-st 62 ns, saame “negatiivse” aja. See "negatiivne viivitus" keskkonnas – arusaamatu ajahüpe – on võrdne ajaga, mille jooksul impulss läbiks 310 korda kambrit vaakumis. Selle "ajalise pöördumise" tagajärjeks oli see, et kambrist väljuv impulss suutis sellest 19 meetrit eemale liikuda, enne kui sissetulev impulss kambri lähiseinani jõudis. Kuidas seletada sellist uskumatut olukorda (kui me muidugi ei kahtle katse puhtuses)?
Käimasoleva arutelu põhjal ei ole täpset seletust veel leitud, kuid kahtlemata mängivad siin rolli keskkonna ebatavalised dispersiooniomadused: laservalgusega ergastatud aatomitest koosnev tseesiumiaur on anomaalse dispersiooniga keskkond. . Tuletagem lühidalt meelde, mis see on.
Aine dispersioon on faasi (tavalise) murdumisnäitaja n sõltuvus valguse lainepikkusest l. Tavalise dispersiooni korral suureneb murdumisnäitaja lainepikkuse kahanemisel ja seda nii klaasis, vees, õhus ja kõigis muudes valgust läbipaistvates ainetes. Tugevalt valgust neelavates ainetes on murdumisnäitaja kulg koos lainepikkuse muutumisega vastupidine ja muutub palju järsemaks: l vähenemisega (suurenev sagedus w) väheneb murdumisnäitaja järsult ja teatud lainepikkuse piirkonnas muutub see väiksemaks kui ühtsus ( faasikiirus Vf > s ). See on anomaalne dispersioon, mille puhul valguse levimise muster aines muutub radikaalselt. Rühmakiirus Vgr muutub suuremaks kui lainete faasikiirus ja võib ületada valguse kiirust vaakumis (ja muutuda ka negatiivseks). L. Wong osutab sellele asjaolule kui oma katse tulemuste selgitamise võimaluse aluseks. Siiski tuleb märkida, et tingimus Vgr > c on puhtalt formaalne, kuna rühma kiiruse mõiste võeti kasutusele väikese (normaalse) dispersiooni korral, läbipaistva keskkonna jaoks, kui lainete rühm peaaegu ei muuda oma kuju. paljundamise ajal. Anomaalse hajutusega piirkondades deformeerub valgusimpulss kiiresti ja grupikiiruse mõiste kaotab oma tähenduse; sel juhul võetakse kasutusele signaali kiiruse ja energia levimiskiiruse mõisted, mis läbipaistvas keskkonnas ühtivad grupikiirusega ja neeldumisega keskkonnas jäävad vaakumis valguse kiirusest väiksemaks. Kuid Wongi katses on huvitav siin: valgusimpulss, mis läbib anomaalse dispersiooniga keskkonda, ei deformeeru - see säilitab täpselt oma kuju! Ja see vastab eeldusele, et impulss levib rühmakiirusega. Aga kui nii, siis selgub, et söötmes puudub neeldumine, kuigi söötme anomaalne hajumine on tingitud just neeldumisest! Wong ise, tunnistades, et palju jääb ebaselgeks, usub, et tema eksperimentaalses seadistuses toimuvat saab esmapilgul selgelt selgitada järgmiselt.
Valgusimpulss koosneb paljudest erineva lainepikkusega (sagedusega) komponentidest. Joonisel on kolm neist komponentidest (lained 1-3). Mingil hetkel on kõik kolm lainet faasis (nende maksimumid langevad kokku); siin nad, liites, tugevdavad üksteist ja moodustavad impulsi. Kosmoses edasi levides muutuvad lained faasituks ja seeläbi "tühistavad" üksteist.
Anomaalse dispersiooni piirkonnas (tseesiumiraku sees) pikeneb laine, mis oli lühem (laine 1). Ja vastupidi, laine, mis oli kolmest pikim (laine 3), muutub lühemaks.
Järelikult muutuvad lainete faasid vastavalt. Kui lained on tseesiumiraku läbinud, taastuvad nende lainefrondid. Olles läbinud ebatavalise faasimodulatsiooni anomaalse dispersiooniga aines, satuvad kõnealused kolm lainet mingil hetkel uuesti faasi. Siin liidetakse need uuesti ja moodustub täpselt sama kujuga pulss, mis siseneb tseesiumikeskkonda.
Tavaliselt õhus ja tegelikult igas normaalse dispersiooniga läbipaistvas keskkonnas ei suuda valgusimpulss kaugelt levides täpselt oma kuju säilitada, see tähendab, et kõiki selle komponente ei saa levitee üheski kaugemas punktis faasida. Ja tavatingimustes tekib mõne aja pärast nii kauges punktis valgusimpulss. Kuid eksperimendis kasutatud söötme anomaalsete omaduste tõttu osutus pulss kaugemas punktis faasituks samamoodi nagu sellesse söötmesse sisenemisel. Seega käitub valgusimpulss nii, nagu oleks tal teel kaugesse punkti negatiivne ajaline viivitus ehk ta jõuaks selleni mitte hiljem, vaid varem, kui oli meediumi läbinud!
Enamik füüsikuid on kaldunud seostama seda tulemust madala intensiivsusega prekursori ilmumisega kambri hajutavasse keskkonda. Fakt on see, et impulsi spektraalse lagunemise ajal sisaldab spekter ebaoluliselt väikese amplituudiga suvaliselt kõrgete sagedustega komponente, nn prekursorit, mis läheb impulsi "põhiosast" ette. Tekkimise olemus ja lähteaine kuju sõltuvad keskkonnas levimise seadusest. Seda silmas pidades tehakse Wongi katse sündmuste jada ettepanek tõlgendada järgmiselt. Saabuv laine, mis "venitab" kuulutaja enda ette, läheneb kaamerale. Enne kui sissetuleva laine tipp tabab kambri lähiseina, käivitab prekursor kambris impulsi, mis jõuab kaugemasse seina ja peegeldub sealt, moodustades "tagurpidi laine". See laine, mis levib 300 korda kiiremini kui c, jõuab lähiseinani ja kohtub sissetuleva lainega. Ühe laine tipud kohtuvad teise lainega, nii et need lõhuvad üksteist ja selle tulemusena ei jää midagi järele. Selgub, et sissetulev laine “tasustab võla” tseesiumi aatomitele, mis “laenasid” talle energiat kambri teises otsas. Igaüks, kes vaatas ainult katse algust ja lõppu, nägi ainult valgusimpulssi, mis "hüppas" ajas edasi, liikudes kiiremini kui c.
L. Wong usub, et tema eksperiment ei ole relatiivsusteooriaga kooskõlas. Väide üliluminaalse kiiruse kättesaamatuse kohta kehtib tema arvates ainult puhkemassiga objektide kohta. Valgust saab kujutada kas lainetena, mille puhul massi mõiste üldiselt ei kehti, või footonitena, mille puhkemass on teadupärast võrdne nulliga. Seetõttu ei ole valguse kiirus vaakumis Wongi sõnul piiriks. Siiski tunnistab Wong, et tema avastatud efekt ei võimalda edastada teavet kiirustel, mis on suuremad kui c.
"Siinne teave sisaldub juba impulsi esiservas," ütleb Ameerika Ühendriikide Los Alamose riikliku labori füüsik P. Milonni. "Ja see võib jätta mulje, nagu saadaks teavet kiiremini kui valgus, isegi kui te ei saada seda."
Enamik füüsikuid usub, et uus töö ei anna põhiprintsiipidele purustavat lööki. Kuid mitte kõik füüsikud ei usu, et probleem on lahendatud. Professor A. Ranfagni Itaalia uurimisrühmast, kes tegi 2000. aastal veel ühe huvitava katse, usub, et küsimus on endiselt lahtine. See katse, mille viisid läbi Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni ja Rocco Ruggeri, avastas, et sentimeetrilainete raadiolained tavalises õhus liiguvad kiirusega 25% kiiremini kui c.
Kokkuvõtteks võime öelda järgmist.
Viimaste aastate töö näitab, et teatud tingimustel võib superluminaalne kiirus ka tegelikult tekkida. Aga mis täpselt üliluminaalsel kiirusel liigub? Relatiivsusteooria, nagu juba mainitud, keelab sellise kiiruse materiaalsete kehade ja informatsiooni kandvate signaalide puhul. Sellegipoolest üritavad mõned teadlased väga visalt demonstreerida valgusbarjääri ületamist spetsiaalselt signaalide jaoks. Selle põhjuseks on asjaolu, et erirelatiivsusteoorias puudub range matemaatiline põhjendus (põhineb näiteks Maxwelli elektromagnetvälja võrranditel) signaalide edastamise võimatusele kiirustel, mis on suuremad kui c. Selline STR-i võimatus on kindlaks tehtud, võib öelda, puhtaritmeetiliselt, tuginedes Einsteini kiiruste liitmise valemile, kuid seda kinnitab põhimõtteliselt põhjuslikkuse põhimõte. Einstein ise kirjutas superluminaalse signaaliedastuse teemat käsitledes, et antud juhul "... oleme sunnitud võimalikuks pidama signaali edastamise mehhanismi, milles saavutatud tegevus eelneb põhjusele. Kuid kuigi see tuleneb puhtloogilisest aspektist vaade ei sisalda ennast, minu arvates pole vastuolusid; see on siiski nii vastuolus kogu meie kogemuse olemusega, et eelduse V > c võimatus näib olevat piisavalt tõestatud. Põhjuslikkuse põhimõte on superluminaalse signaali edastamise võimatuse aluseks. Ja ilmselt komistavad kõik eranditult üliluminaalsete signaalide otsingud selle kivi otsa, hoolimata sellest, kui väga eksperimenteerijad selliseid signaale tuvastada tahaksid, sest selline on meie maailma olemus.
Kujutagem siiski ette, et relatiivsusteooria matemaatika töötab endiselt ülivalguse kiirusega. See tähendab, et teoreetiliselt saame ikkagi teada, mis juhtuks, kui keha ületaks valguse kiiruse.
Kujutagem ette, et kaks kosmoselaeva suunduvad Maalt tähe poole, mis asub meie planeedist 100 valgusaasta kaugusel. Esimene laev väljub Maalt 50% valguse kiirusega, seega kulub teekonna läbimiseks 200 aastat. Teine laev, mis on varustatud hüpoteetilise lõimeajamiga, sõidab 200% valguse kiirusega, kuid 100 aastat pärast esimest. Mis juhtub?
Relatiivsusteooria järgi sõltub õige vastus suuresti vaatleja vaatenurgast. Maalt paistab, et esimene laev on juba läbinud märkimisväärse vahemaa, enne kui teine laev, mis liigub neli korda kiiremini, möödub sellest. Aga esimese laeva inimeste vaatevinklist on kõik veidi teistmoodi.
Laev nr 2 liigub kiiremini kui valgus, mis tähendab, et see võib isegi ületada valgust, mida ta ise kiirgab. Tulemuseks on omamoodi "valguselaine" (sarnaselt helilainele, kuid õhuvibratsiooni asemel vibreerivad valguslained), mis tekitab mitmeid huvitavaid efekte. Tuletage meelde, et laeva nr 2 valgus liigub aeglasemalt kui laev ise. Tulemuseks on visuaalne kahekordistumine. Ehk siis esmalt näeb laeva nr 1 meeskond, et teine laev on nende kõrvale justkui eikuskilt ilmunud. Seejärel jõuab teise laeva valgus väikese hilinemisega esimesele ja tulemuseks on nähtav koopia, mis liigub väikese hilinemisega samas suunas.
Midagi sarnast võib näha ka arvutimängudes, kui süsteemirikke tagajärjel laadib mootor mudeli ja selle algoritme liikumise lõpp-punktis kiiremini kui liikumisanimatsioon ise lõppeb, nii et tekib mitu võtmist. See on ilmselt põhjus, miks meie teadvus ei taju universumi hüpoteetilist aspekti, milles kehad liiguvad ülivalguse kiirusega – võib-olla on see parim.
P.S. ... aga viimases näites ei saanud ma millestki aru, miks seostatakse laeva tegelikku asukohta “selle poolt kiirgava valgusega”? Noh, isegi kui nad näevad teda vales kohas, siis tegelikult möödub ta esimesest laevast!
allikatest
2011. aasta septembris vapustas füüsik Antonio Ereditato maailma. Tema avaldus võib muuta meie arusaama universumist. Kui 160 OPERA projekti teadlase kogutud andmed olid õiged, täheldati uskumatut. Osakesed – antud juhul neutriinod – liikusid kiiremini kui valgus. Einsteini relatiivsusteooria järgi on see võimatu. Ja sellise tähelepaneku tagajärjed oleksid uskumatud. Võimalik, et füüsika alused tuleb uuesti läbi vaadata.
Kuigi Ereditato ütles, et tema ja ta meeskond olid oma tulemustes "äärmiselt enesekindlad", ei öelnud nad, et andmed olid täiesti täpsed. Selle asemel palusid nad teistel teadlastel aidata neil aru saada, mis toimub.
Lõpuks selgus, et OPERA tulemused olid valed. Halvasti ühendatud kaabli tõttu tekkis sünkroonimisprobleem ja GPS-satelliitide signaalid olid ebatäpsed. Signaalis tekkis ootamatu viivitus. Selle tulemusena näitasid neutriinodel teatud vahemaa läbimiseks kulunud aja mõõtmised 73 nanosekundit lisa: tundus, et neutriinod liiguvad valgusest kiiremini.
Vaatamata kuudepikkusele hoolikale testimisele enne eksperimendi algust ja andmete hilisemale kontrollimisele, eksisid teadlased tõsiselt. Ereditato astus tagasi vaatamata paljude kommentaaridele, et sellised vead tekkisid alati osakeste kiirendite äärmise keerukuse tõttu.
Miks see ettepanek – just soovitus –, et miski võiks valgusest kiiremini liikuda, sellise kära tekitas? Kui kindlad me oleme, et miski ei suuda seda barjääri ületada?
Vaatame kõigepealt nendest küsimustest teist. Valguse kiirus vaakumis on 299 792,458 kilomeetrit sekundis – mugavuse huvides on see arv ümardatud 300 000 kilomeetrini sekundis. See on üsna kiire. Päike asub Maast 150 miljoni kilomeetri kaugusel ja selle valgus jõuab Maani vaid kaheksa minuti ja kahekümne sekundiga.
Kas mõni meie looming suudab võistelda võidujooksus valgusega? Üks kiiremaid kunagi ehitatud tehisobjekte, kosmosesond New Horizons vihises 2015. aasta juulis Pluutost ja Charonist mööda. See saavutas Maa suhtes kiiruseks 16 km/s. Tunduvalt alla 300 000 km/s.
Meil olid aga pisikesed osakesed, mis liikusid üsna kiiresti. 1960. aastate alguses katsetas William Bertozzi MIT-is elektronide kiirendamist veelgi suurema kiiruseni.
Kuna elektronidel on negatiivne laeng, saab neid kiirendada – täpsemalt tõrjuda –, rakendades materjalile sama negatiivset laengut. Mida rohkem energiat rakendatakse, seda kiiremini elektronid kiirenevad.
Võiks arvata, et 300 000 km/s kiiruse saavutamiseks on vaja lihtsalt rakendatavat energiat suurendada. Kuid selgub, et elektronid lihtsalt ei saa nii kiiresti liikuda. Bertozzi katsed näitasid, et suurema energia kasutamine ei too kaasa elektronide kiiruse otseselt proportsionaalset suurenemist.
Selle asemel tuli rakendada tohutul hulgal lisaenergiat, et elektronide kiirust kasvõi pisutki muuta. Ta tuli valguse kiirusele üha lähemale, kuid ei jõudnud selleni.
Kujutage ette, et liigute väikeste sammudega ukse poole, iga samm katab poole vahemaast teie praegusest asendist ukseni. Rangelt võttes ei jõua sa kunagi ukseni, sest iga sammu järel jääb sul veel vahemaa läbida. Bertozzi puutus oma elektronidega tegeledes kokku ligikaudu sama probleemiga.
Kuid valgus koosneb osakestest, mida nimetatakse footoniteks. Miks võivad need osakesed liikuda valguse kiirusel, kuid elektronid mitte?
"Kui objektid liiguvad üha kiiremini, muutuvad nad raskemaks – mida raskemaks nad muutuvad, seda raskem on neil kiirendada, nii et te ei saavuta kunagi valguse kiirust," ütleb Austraalia Melbourne'i ülikooli füüsik Roger Rassoul. "Footonil pole massi. Kui sellel oleks mass, ei saaks ta valguse kiirusel liikuda."
Footonid on erilised. Neil pole mitte ainult massi, mis annab neile ruumi vaakumis täieliku liikumisvabaduse, vaid nad ei pea ka kiirendama. Looduslik energia, mis neil on, liigub lainetena nagu nemadki, nii et nende loomisel on neil juba maksimaalne kiirus. Mõnes mõttes on kergem pidada valgust energiaks, mitte osakeste vooluks, kuigi tegelikult on valgus mõlemad.
Valgus liigub aga palju aeglasemalt, kui võiksime eeldada. Kuigi internetitehnoloogidele meeldib rääkida fiiberoptikas "valgusekiirusel" töötavast sidest, liigub valgus klaaskiudoptikas 40% aeglasemalt kui vaakumis.
Tegelikkuses liiguvad footonid kiirusega 300 000 km/s, kuid peamise valguslaine läbimisel puutuvad nad kokku teatud häiretega, mida põhjustavad klaasiaatomite kiirgavad teised footonid. Seda ei pruugi olla lihtne mõista, kuid vähemalt proovisime.
Samamoodi suudeti üksikute footonitega tehtud spetsiaalsete katsete raames neid päris muljetavaldavalt aeglustada. Kuid enamikul juhtudel oleks 300 000. Me pole näinud ega ehitanud midagi, mis suudaks nii kiiresti või isegi kiiremini liikuda. On erilisi punkte, kuid enne kui neid puudutame, puudutame meie teist küsimust. Miks on valguse kiiruse reegli range järgimine nii oluline?
Vastus on seotud mehega, kelle nimi on Albert Einstein, nagu füüsikas sageli juhtub. Tema eriline relatiivsusteooria uurib tema universaalsete kiiruspiirangute paljusid tagajärgi. Teooria üks olulisemaid elemente on idee, et valguse kiirus on konstantne. Pole tähtis, kus te viibite või kui kiiresti liigute, valgus liigub alati sama kiirusega.
Kuid see tekitab mitmeid kontseptuaalseid probleeme.
Kujutage ette valgust, mis kukub taskulambist seisva kosmoselaeva laes olevale peeglile. Valgus tõuseb üles, peegeldub peeglist ja langeb kosmoselaeva põrandale. Oletame, et ta läbib 10 meetrise distantsi.
Kujutage nüüd ette, et see kosmoselaev hakkab liikuma kolossaalse kiirusega tuhandeid kilomeetreid sekundis. Taskulambi sisselülitamisel käitub valgus nagu varem: see paistab ülespoole, tabab peeglit ja peegeldub põrandale. Kuid selleks peab valgus läbima diagonaali, mitte vertikaalse vahemaa. Peegel liigub ju nüüd kiiresti koos kosmoselaevaga.
Sellest tulenevalt pikeneb valguse läbitav vahemaa. Ütleme 5 meetrit. Selgub, et kokku on 15 meetrit, mitte 10.
Ja vaatamata sellele, kuigi vahemaa on suurenenud, väidavad Einsteini teooriad, et valgus liigub endiselt sama kiirusega. Kuna kiirus jagatakse vahemaa ajaga, kuna kiirus jääb samaks ja vahemaa pikeneb, peab ka aeg pikenema. Jah, aeg ise peab venima. Ja kuigi see kõlab kummaliselt, on see eksperimentaalselt kinnitatud.
Seda nähtust nimetatakse aja dilatatsiooniks. Aeg liigub aeglasemalt inimestel, kes reisivad kiiresti liikuvates sõidukites, võrreldes seisvate inimestega.
Näiteks Rahvusvahelises Kosmosejaamas, mis liigub Maa suhtes kiirusega 7,66 km/s, astronautide jaoks liigub aeg planeedi inimestega võrreldes 0,007 sekundit aeglasemalt. Veelgi huvitavam on olukord selliste osakestega nagu eelmainitud elektronid, mis võivad liikuda valguse kiirusele lähedale. Nende osakeste puhul on aeglustusaste tohutu.
Ühendkuningriigi Oxfordi ülikooli eksperimentaalfüüsik Stephen Kolthammer toob näite osakestest, mida nimetatakse müüoniteks.
Muonid on ebastabiilsed: lagunevad kiiresti lihtsamateks osakesteks. Nii kiiresti, et enamik Päikeselt lahkuvaid müüone peaks Maale jõudes lagunema. Kuid tegelikkuses saabuvad müüonid Maale Päikeselt kolossaalsetes kogustes. Füüsikud on pikka aega püüdnud mõista, miks.
"Vastus sellele mõistatusele on see, et müüonid genereeritakse sellise energiaga, et nad liiguvad valguse kiiruse lähedal," ütleb Kolthammer. "Nende ajataju, nii-öelda sisemine kell on aeglane."
Muonid "püsivad elus" kauem, kui meie suhtes oodati, tänu tõelisele loomulikule ajakõverale. Kui objektid liiguvad teiste objektide suhtes kiiresti, väheneb ka nende pikkus ja tõmbub kokku. Need tagajärjed, aja laienemine ja pikkuse vähendamine, on näited sellest, kuidas aegruum muutub sõltuvalt massiga asjade – mina, sina või kosmoselaev – liikumisest.
Nagu Einstein ütles, on oluline, et valgust ei mõjutata, kuna sellel pole massi. Seetõttu käivad need põhimõtted käsikäes. Kui asjad saaksid liikuda valgusest kiiremini, järgiksid nad põhiseadusi, mis kirjeldavad universumi toimimist. Need on peamised põhimõtted. Nüüd saame rääkida mõnest erandist ja erandist.
Ühest küljest, kuigi me pole näinud midagi valgusest kiiremini liikumas, ei tähenda see, et seda kiiruspiirangut ei saaks teoreetiliselt väga spetsiifilistes tingimustes ületada. Võtame näiteks Universumi enda paisumise. Universumi galaktikad eemalduvad üksteisest kiirusega, mis ületab oluliselt valguse kiirust.
Veel üks huvitav olukord puudutab osakesi, millel on samal ajal samad omadused, olenemata nende vahekaugusest. See on niinimetatud "kvantpõimumine". Footon pöörleb üles ja alla, valides juhuslikult kahe võimaliku oleku vahel, kuid pöörlemissuuna valik peegeldub täpselt teises footonis mujal, kui need on takerdunud.
Kaks teadlast, kes kumbki uurivad oma footonit, saaksid samaaegselt sama tulemuse, kiiremini kui valguse kiirus võimaldaks.
Siiski on mõlema näite puhul oluline märkida, et ükski teave ei liigu kahe objekti vahel kiiremini kui valguse kiirus. Universumi paisumise võime arvutada, kuid me ei saa selles valgusest kiiremini objekte vaadelda: need on vaateväljast kadunud.
Mis puudutab kahte teadlast oma footonitega, siis kuigi nad võisid saada ühe tulemuse korraga, ei saanud nad seda üksteisele kiiremini teada anda, kui valgus nende vahel liigub.
"See ei tekita meile probleeme, sest kui saate signaale saata kiiremini kui valgus, tekivad veidrad paradoksid, mille tõttu teave võib kuidagi ajas tagasi minna," ütleb Kolthammer.
Valgusest kiirema reisimise tehniliselt võimalikuks muutmiseks on veel üks võimalik viis: lõhed aegruumis, mis võimaldaks reisijal tavaliikluse reeglite eest põgeneda.
Gerald Cleaver Texase Baylori ülikoolist usub, et ühel päeval suudame ehitada kosmoselaeva, mis liigub kiiremini kui valgus. Mis liigub läbi ussiaugu. Ussiaugud on aegruumi silmused, mis sobivad ideaalselt Einsheini teooriatega. Need võivad võimaldada astronaudil hüpata universumi ühest otsast teise aegruumi anomaalia kaudu, mis on mingi kosmiline otsetee.
Läbi ussiaugu liikuv objekt ei ületa valguse kiirust, kuid võib teoreetiliselt jõuda sihtkohta kiiremini kui valgus, mis kulgeb "tavalist" rada pidi. Kuid ussiaugud võivad olla kosmosereisidele täiesti kättesaamatud. Kas võib olla veel üks viis aegruumi aktiivseks moonutamiseks, et liikuda kellegi teise suhtes kiiremini kui 300 000 km/s?
Cleaver uuris ka "Alcubierre'i mootori" ideed, mille pakkus välja teoreetiline füüsik Miguel Alcubierre 1994. aastal. See kirjeldab olukorda, kus aegruum tõmbub kokku kosmoselaeva ees, lükates seda ette, ja laieneb selle taga, lükates seda ka edasi. "Aga siis," ütleb Cleaver, "kerkisid probleemid: kuidas seda teha ja kui palju energiat oleks vaja."
2008. aastal arvutas ta koos magistrandi Richard Obouziga välja, kui palju energiat oleks vaja.
"Kujutasime ette laeva mõõtmetega 10m x 10m x 10m – 1000 kuupmeetrit – ja arvutasime, et protsessi käivitamiseks kuluv energiakogus oleks võrdne kogu Jupiteri massiga.
Pärast seda tuleb pidevalt energiat “lisata”, et protsess ei lõpeks. Keegi ei tea, kas see saab kunagi võimalikuks või milline näeb välja vajalik tehnoloogia. "Ma ei taha, et mind sajandeid tsiteeritakse, nagu oleksin ennustanud midagi, mida kunagi ei juhtu," ütleb Cleaver, "aga ma ei näe veel lahendusi."
Seega jääb valguse kiirusest kiirem reisimine praegu ulmeks. Seni on ainus viis elu jooksul eksoplaneeti külastada sukelduda sügavale peatatud animatsiooni. Ja ometi pole see kõik halb. Enamasti rääkisime nähtavast valgusest. Kuid tegelikkuses on valgus palju enamat. Alates raadiolainetest ja mikrolainetest kuni nähtava valguse, ultraviolettkiirguse, röntgeni- ja gammakiirteni, mida aatomite lagunemisel kiirgavad, on need kaunid kiired valmistatud ühest ja samast asjast: footonitest.
Erinevus on energias ja seega ka lainepikkuses. Need kiired koos moodustavad elektromagnetilise spektri. Asjaolu, et raadiolained levivad näiteks valguse kiirusel, on side jaoks uskumatult kasulik.
Oma uurimistöös loob Kolthammer vooluringi, mis kasutab footoneid signaalide edastamiseks ühest ahela osast teise, nii et ta on hästi kvalifitseeritud kommenteerima uskumatu valguse kiiruse kasulikkust.
"Juba see, et me ehitasime valguse baasil üles näiteks Interneti ja raadio infrastruktuuri enne seda, on seotud selle edastamise lihtsusega," märgib ta. Ja lisab, et valgus toimib Universumi kommunikatsioonijõuna. Kui mobiiltelefonis olevad elektronid hakkavad värisema, eralduvad footonid ja need põhjustavad ka teise mobiiltelefoni elektronide värisemist. Nii sünnib telefonikõne. Elektronide värisemine Päikesel kiirgab – tohututes kogustes – ka footoneid, mis loomulikult moodustavad valgust, andes Maale elusoojuse ja, ahh, valgust.
Valgus on universumi universaalne keel. Selle kiirus – 299 792,458 km/s – jääb muutumatuks. Samal ajal on ruum ja aeg vormitavad. Võib-olla peaksime mõtlema mitte sellele, kuidas liikuda kiiremini kui valgus, vaid kuidas liikuda kiiremini läbi selle ruumi ja selle aja? Kas nii-öelda juure juurde minna?