Lysets hastighet er en av de universelle fysiske konstantene, den avhenger ikke av valget av treghetsreferanse og beskriver egenskapene til romtiden som helhet. Lysets hastighet i et vakuum er 299 792 458 meter per sekund, og dette er den maksimale hastigheten for partikkelbevegelse og forplantning av interaksjoner. Dette er hva skolefysikkbøker lærer oss. Du kan også huske at massen til en kropp ikke er konstant, og når hastigheten nærmer seg lysets hastighet, tenderer den til uendelig. Dette er grunnen til at fotoner – partikler uten masse – beveger seg med lysets hastighet, mens dette er mye vanskeligere for partikler med masse.
Imidlertid er et internasjonalt team av forskere fra det storstilte OPERA-eksperimentet, som ligger i nærheten av Roma, klare til å argumentere med den elementære sannheten.
Han klarte å oppdage nøytrinoer, som, som eksperimenter viste, beveger seg med hastigheter høyere enn lysets hastighet,
melder pressetjenesten til European Organization for Nuclear Research (CERN).
OPERA-eksperimentet (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) studerer de mest inerte partiklene i universet - nøytrinoer. De er så inerte at de kan fly rett gjennom hele kloden, stjerner og planeter, og for at de skal treffe en jernbarriere, må størrelsen på denne barrieren være fra Solen til Jupiter. Hvert sekund passerer omtrent 10 14 nøytrinoer som sendes ut av solen gjennom kroppen til hver person på jorden. Sannsynligheten for at minst en av dem vil treffe menneskelig vev gjennom hele livet, har en tendens til null. Av disse grunnene er nøytrinoer ekstremt vanskelig å oppdage og studere. Laboratoriene som gjør dette ligger dypt under fjellene og til og med under isen i Antarktis.
OPERA mottar en stråle med nøytrinoer fra CERN, der Large Hadron Collider befinner seg. Dens "lillebror" - superprotonsynkrotronen (SPS) - retter strålen rett under jorden mot Roma. Den resulterende nøytrinostrålen passerer gjennom tykkelsen av jordskorpen, og renser seg derved for andre partikler som skorpestoffet holder på, og går rett til laboratoriet i Gran Sasso, skjult under 1200 m med stein.
Nøytrinoer reiser en underjordisk sti på 732 km på 2,5 millisekunder.
OPERA-prosjektdetektoren, som består av omtrent 150 tusen elementer og veier 1300 tonn, "fanger" nøytrinoer og studerer dem. Spesielt er hovedmålet å studere de såkalte nøytrinoscillasjonene – overganger fra en type nøytrino til en annen.
De fantastiske resultatene om å overskride lyshastigheten støttes av seriøs statistikk: Laboratoriet i Gran Sasso observerte rundt 15 tusen nøytrinoer. Forskere har funnet det
Nøytrinoer reiser med hastigheter 20 deler per million raskere enn lysets hastighet - den "ufeilbarlige" fartsgrensen.
Dette resultatet kom overraskende på dem, og det er ennå ikke foreslått noen forklaring. Naturligvis, for å tilbakevise eller bekrefte det, kreves det uavhengige eksperimenter utført av andre grupper på annet utstyr - dette prinsippet om "dobbeltblind kontroll" er også implementert ved CERN Large Hadron Collider. OPERA-samarbeidet publiserte umiddelbart resultatene for å la kolleger over hele verden teste dem. En detaljert beskrivelse av arbeidet er tilgjengelig på preprint-nettstedet Arxiv.Org.
Den offisielle presentasjonen av resultatene vil finne sted i dag på et seminar på CERN kl. 18.00 Moskva-tid, vil bli gjennomført online oversettelse.
"Disse dataene kom som en fullstendig overraskelse. Etter måneder med datainnsamling, analyse, rengjøring og krysssjekking fant vi ikke en mulig kilde til systemfeil i verken databehandlingsalgoritmen eller detektoren. Derfor publiserer vi resultatene våre, fortsetter arbeidet vårt, og håper også at uavhengige målinger fra andre grupper vil hjelpe til med å forstå arten av denne observasjonen», sa OPERA-eksperimentleder Antonio Ereditato fra Universitetet i Bern, sitert av CERNs pressetjeneste.
"Når eksperimentelle forskere oppdager et usannsynlig resultat og ikke finner en artefakt som kan forklare det, henvender de seg til sine kolleger i andre grupper for å starte en bredere studie av problemet. Dette er en god vitenskapelig tradisjon, og OPERA-samarbeidet følger den nå.
Hvis observasjoner av overskridelse av lyshastigheten bekreftes, kan det endre vår forståelse av fysikk, men vi må sørge for at de ikke har en annen, mer banal forklaring.
Dette er grunnen til at det trengs uavhengige eksperimenter, sier vitenskapelig leder for CERN, Sergio Bertolucci.
OPERAs målinger er ekstremt nøyaktige. Dermed er avstanden fra nøytrino-oppskytningspunktet til registreringspunktet (mer enn 730 km) kjent med en nøyaktighet på 20 cm, og flytiden måles med en nøyaktighet på 10 nanosekunder.
OPERA-eksperimentet har pågått siden 2006. Omtrent 200 fysikere fra 36 institutter og 13 land, inkludert Russland, deltar i det.
Vi snakker ofte om det maksimal lyshastighet i vårt univers, og at det ikke er noe som kan bevege seg raskere enn lysets hastighet i et vakuum. Og enda mer - oss. Når man nærmer seg nærlyshastighet, får et objekt masse og energi, som enten ødelegger det eller motsier Einsteins generelle relativitetsteori. La oss si at vi tror på dette og ser etter løsninger (som eller så finner vi ut av det) for å fly til nærmeste stjerne ikke i 75 000 år, men i et par uker. Men siden de færreste av oss har høyere fysikkutdanning, er det ikke klart hvorfor de sier det på gata lysets hastighet er maksimal, konstant og lik 300 000 km/s?
Det er mange enkle og intuitive forklaringer på hvorfor ting er slik, men du kan begynne å hate dem. Et internettsøk vil lede deg til konseptet "relativistisk masse" og hvordan det krever mer kraft for å akselerere et objekt som allerede beveger seg i høy hastighet. Dette er en kjent måte å tolke det matematiske apparatet til den spesielle relativitetsteorien på, men det villeder mange, og spesielt dere, våre kjære lesere. Fordi mange av dere (og vi også) smaker høyfysikk, som om de dypper en tå i det salte vannet før de går inn for å svømme. Som et resultat blir det mye mer komplekst og mindre vakkert enn det faktisk er.
La oss diskutere dette problemet fra synspunktet om en geometrisk tolkning som er i samsvar med generell relativitet. Det er mindre åpenbart, men litt mer komplisert enn å tegne piler på papir, så mange av dere vil umiddelbart forstå teorien som er skjult bak abstraksjoner som "kraft" og direkte løgner som "relativistisk masse".
Først, la oss definere hva en retning er slik at vi tydelig kan definere plassen vår. "Ned" er retningen. Det er definert som retningen ting faller i når du lar dem gå. "Opp" er motsatt retning av "ned". Plukk opp et kompass og bestemme flere retninger: nord, sør, vest og øst. Alle disse retningene er definert av seriøse mennesker som en "ortonormal (eller ortogonal) basis", men det er bedre å ikke tenke på det nå. La oss anta at disse seks retningene er absolutte, siden de vil eksistere der vi behandler vårt komplekse spørsmål.
La oss nå legge til to retninger: til fremtiden og til fortiden. Du kan ikke enkelt bevege deg i disse retningene på egen hånd, men å forestille deg dem burde være lett nok for deg. Fremtiden er retningen der morgendagen kommer; fortid er retningen der gårsdagen er.
Disse åtte kardinalretningene – opp, ned, nord, sør, vest, øst, fortid og fremtid – beskriver universets grunnleggende geometri. Vi kan kalle hvert par av disse retningene en "dimensjon", og det er derfor vi lever i et firedimensjonalt univers. Et annet begrep for å definere denne firedimensjonale forståelsen vil være "rom-tid", men vi vil prøve å unngå å bruke dette begrepet. Bare husk at i vår sammenheng vil "rom-tid" tilsvare konseptet "univers".
Velkommen til scenen. La oss ta en titt på skuespillerne.
Når du sitter foran datamaskinen din akkurat nå, er du i bevegelse. Du føler det ikke. Det ser ut til at du er i ro. Men dette er bare fordi alt rundt deg også beveger seg i forhold til deg. Nei, ikke tro at vi snakker om at jorden sirkler rundt solen eller at solen beveger seg gjennom galaksen og drar oss med den. Dette er selvfølgelig sant, men det er ikke det vi snakker om nå. Med bevegelse mener vi bevegelse mot "fremtiden".
Tenk deg at du sitter i en togvogn med vinduene lukket. Du kan ikke se gaten, og la oss si at skinnene er så perfekte at du ikke føler om toget beveger seg eller ikke. Derfor, bare når du sitter inne i toget, kan du ikke si om du faktisk reiser eller ikke. Se utenfor og du vil innse at landskapet suser forbi. Men vinduene er lukket.
Det er bare én måte å vite om du flytter eller ikke. Bare sitte og vente. Blir toget på stasjonen, skjer det ingenting. Men hvis toget beveger seg, kommer du før eller siden til en ny stasjon.
I denne metaforen representerer vognen alt vi kan se i verden rundt oss - et hus, Vaska katten, stjerner på himmelen, etc. "Neste stasjon - i morgen."
Hvis du sitter urørlig, og katten Vaska sover rolig de tildelte timene per dag, vil du ikke føle bevegelse. Men i morgen kommer definitivt.
Dette er hva det betyr å bevege seg mot fremtiden. Bare tiden vil vise hva som er sant: bevegelse eller parkering.
Det burde være ganske enkelt for deg å forestille deg så langt. Det kan være vanskelig å tenke på tid som en retning, langt mindre på seg selv som et objekt som går gjennom tiden. Men du vil forstå. Bruk nå fantasien.
Tenk deg at når du kjører i bilen din, skjer det noe forferdelig: bremsene svikter. Ved en merkelig tilfeldighet, i samme øyeblikk blokkerer gassen og girkassen. Du kan verken sette fart eller stoppe. Det eneste du har er et ratt. Du kan endre bevegelsesretningen, men ikke hastigheten.
Selvfølgelig er det første du vil gjøre å prøve å kjøre inn i en myk busk og på en eller annen måte stoppe bilen forsiktig. Men la oss ikke bruke denne teknikken foreløpig. La oss bare fokusere på detaljene til den defekte bilen din: du kan endre retning, men ikke hastighet.
Dette er hvordan vi beveger oss gjennom universet. Du har et ratt, men ingen pedaler. Mens du sitter og leser denne artikkelen, ruller du mot en lys fremtid i toppfart. Og når du står opp for å lage deg te, endrer du bevegelsesretningen i rom-tid, men ikke hastigheten. Hvis du beveger deg veldig raskt gjennom verdensrommet, vil tiden flyte litt saktere.
Det er lett å forestille seg ved å tegne et par akser på papir. Aksen som vil gå opp og ned er tidens akse, opp betyr inn i fremtiden. Den horisontale aksen representerer rommet. Vi kan bare tegne én dimensjon av rommet fordi et stykke papir er todimensjonalt, men la oss bare forestille oss at dette konseptet gjelder for alle tre dimensjonene av rommet.
Tegn en pil fra opprinnelsen til koordinataksen, der de konvergerer, og pek den opp langs den vertikale aksen. Det spiller ingen rolle hvor lang den er, bare husk at den kun kommer i én lengde. Denne pilen, som nå peker inn i fremtiden, representerer en mengde som fysikere kaller "fire hastigheter." Dette er hastigheten på bevegelsen din gjennom rom-tid. Akkurat nå er du i en stasjonær tilstand, så pilen peker bare mot fremtiden.
Hvis du vil bevege deg gjennom verdensrommet - til høyre langs koordinataksen - må du endre fire-hastigheten og inkludere en horisontal komponent. Det viser seg at du må snu pilen. Men så snart du gjør dette, vil du legge merke til at pilen ikke lenger peker oppover, inn i fremtiden, like selvsikkert som før. Du beveger deg nå gjennom verdensrommet, men du har måttet ofre fremtidig bevegelse siden firetrinnsnålen bare kan rotere, men aldri strekke seg eller trekke seg sammen.
Det er her den berømte "tidsutvidelseseffekten" begynner, som alle snakker om, selv litt kjent med den spesielle relativitetsteorien. Hvis du beveger deg gjennom rommet, beveger du deg ikke gjennom tiden så raskt som du kunne hvis du satt stille. Klokken din vil telle ned tiden langsommere enn klokken til en person som ikke beveger seg.
Og nå kommer vi til løsningen på spørsmålet om hvorfor uttrykket "raskere enn lyset" ikke har noen betydning i universet vårt. Se hva som skjer hvis du vil bevege deg gjennom plassen så raskt som mulig. Du snur firetrinnsnålen helt til den peker langs den horisontale aksen. Vi husker at pilen ikke kan strekke seg. Den kan bare rotere. Så du har økt hastigheten i verdensrommet så mye som mulig. Men det ble umulig å bevege seg raskere. Det er ingen steder å snu pilen, ellers vil den bli "rettere enn rett" eller "horisontal enn horisontal." Dette er konseptet vi sidestiller med "raskere enn lyset." Det er rett og slett umulig å mate et stort folk med tre fisker og syv brød.
Dette er grunnen til at ingenting i universet vårt kan reise raskere enn lys. Fordi uttrykket «raskere enn lys» i universet vårt tilsvarer uttrykket «rettere enn rett» eller «horisontalt enn horisontalt».
Ja, du har fortsatt noen spørsmål. Hvorfor kan firehastighetsvektorer bare rotere, men ikke strekke seg? Det er et svar på dette spørsmålet, men det har å gjøre med invariansen til lysets hastighet, og vi lar det ligge til senere. Og hvis du bare tror dette, vil du være litt mindre informert om dette emnet enn de mest briljante fysikerne som noen gang har gått på planeten.
Skeptikere kan stille spørsmål ved hvorfor vi bruker en forenklet modell av rommets geometri når vi snakker om euklidiske rotasjoner og sirkler. I den virkelige verden adlyder romtidens geometri geometrien til Minkowski, og rotasjonene er hyperbolske. Men en enkel versjon av forklaringen har livets rett.
Samt en enkel forklaring på dette, .
Som du vet, beveger fotoner, lyspartiklene som utgjør lyset, med lysets hastighet. Den spesielle relativitetsteorien vil hjelpe oss i denne saken.
I science fiction-filmer flyr interstellare romskip nesten alltid med lysets hastighet. Dette er vanligvis hva science fiction-forfattere kaller hyperspeed. Både forfattere og filmregissører beskriver og viser det til oss ved å bruke nesten samme kunstneriske teknikk. Oftest, for at skipet skal gjøre et raskt rykk, trekker eller trykker heltene på en knapp på kontrollelementet, og kjøretøyet akselererer øyeblikkelig, og akselererer nesten til lysets hastighet med et øredøvende smell. Stjernene som betrakteren ser over bord i skipet flimrer først, og strekker seg deretter helt ut i linjer. Men er det slik stjerner virkelig ser ut gjennom vinduene til et romskip i høy hastighet? Forskere sier nei. I virkeligheten ville skipets passasjerer bare se en lys skive i stedet for stjerner strukket ut i en linje.
Hvis et objekt beveger seg nesten med lysets hastighet, kan det se Doppler-effekten i aksjon. I fysikk er dette navnet på endringen i frekvens og bølgelengde på grunn av mottakerens raske bevegelse. Frekvensen av lyset fra stjerner som blinker foran betrakteren fra skipet vil øke så mye at det vil skifte fra det synlige området til røntgendelen av spekteret. Stjernene ser ut til å forsvinne! Samtidig vil lengden på den relikte elektromagnetiske strålingen som er igjen etter Big Bang reduseres. Bakgrunnsstrålingen vil bli synlig og vises som en lys skive som falmer i kantene.
Men hvordan ser verden ut fra siden av et objekt som vil nå lysets hastighet? Som kjent beveger fotoner, lyspartiklene det består av, med slike hastigheter. Den spesielle relativitetsteorien vil hjelpe oss i denne saken. Ifølge den, når et objekt beveger seg med lysets hastighet over lengre tid, blir tiden brukt på bevegelsen til dette objektet lik null. Enkelt sagt, hvis du beveger deg med lysets hastighet, er det umulig å utføre noen handling, som å observere, se, se, og så videre. Et objekt som reiser med lysets hastighet vil faktisk ikke se noe.
Fotoner reiser alltid med lysets hastighet. De kaster ikke bort tid på å akselerere og bremse, så hele livet varer null tid for dem. Hvis vi var fotoner, ville våre øyeblikk av fødsel og død falle sammen, det vil si at vi rett og slett ikke ville innse at verden eksisterer i det hele tatt. Det er verdt å merke seg at hvis et objekt akselererer til lysets hastighet, blir hastigheten i alle referansesystemer lik lysets hastighet. Dette er fotofysikk. Ved å bruke den spesielle relativitetsteorien kan vi konkludere med at for et objekt som beveger seg med lysets hastighet, vil hele verden rundt se uendelig flatt ut, og alle hendelser som skjer i den vil finne sted på et tidspunkt.
I september 2011 sjokkerte fysikeren Antonio Ereditato verden. Hans uttalelse kan revolusjonere vår forståelse av universet. Hvis dataene samlet inn av de 160 forskerne i OPERA-prosjektet var riktige, ble det utrolige observert. Partiklene – i dette tilfellet nøytrinoer – beveget seg raskere enn lyset. I følge Einsteins relativitetsteori er dette umulig. Og konsekvensene av en slik observasjon ville være utrolige. Selve grunnlaget for fysikk må kanskje revurderes.
Selv om Ereditato sa at han og teamet hans var "ekstremt sikre" på resultatene sine, sa de ikke at dataene var helt nøyaktige. I stedet spurte de andre forskere om å hjelpe dem å forstå hva som foregikk.
Til slutt viste det seg at OPERAs resultater var feil. På grunn av en dårlig tilkoblet kabel var det et synkroniseringsproblem og signalene fra GPS-satellitter var unøyaktige. Det var en uventet forsinkelse i signalet. Som et resultat viste målinger av tiden det tok nøytrinoer å reise en viss avstand, 73 nanosekunder ekstra: det så ut til at nøytrinoene reiste raskere enn lyset.
Til tross for måneder med nøye testing før eksperimentet begynte og dobbeltsjekking av dataene etterpå, tok forskerne alvorlig feil. Ereditato trakk seg til tross for kommentarer fra mange om at slike feil alltid skjedde på grunn av den ekstreme kompleksiteten til partikkelakseleratorer.
Hvorfor forårsaket forslaget - bare forslaget - om at noe kunne reise fortere enn lyset? Hvor sikre er vi på at ingenting kan overvinne denne barrieren?
La oss først se på det andre av disse spørsmålene. Lyshastigheten i et vakuum er 299 792,458 kilometer per sekund - for enkelhets skyld er dette tallet avrundet til 300 000 kilometer per sekund. Det er ganske raskt. Solen er 150 millioner kilometer fra jorden, og lyset når jorden på bare åtte minutter og tjue sekunder.
Kan noen av våre kreasjoner konkurrere i kappløpet mot lyset? En av de raskeste menneskeskapte gjenstandene som noen gang er bygget, New Horizons-romsonden suste forbi Pluto og Charon i juli 2015. Den nådde en hastighet i forhold til jorden på 16 km/s. Mye mindre enn 300 000 km/s.
Imidlertid hadde vi bittesmå partikler som beveget seg ganske raskt. På begynnelsen av 1960-tallet eksperimenterte William Bertozzi ved MIT med å akselerere elektroner til enda høyere hastigheter.
Fordi elektroner har en negativ ladning, kan de akselereres - mer nøyaktig, frastøtes - ved å bruke den samme negative ladningen på et materiale. Jo mer energi som brukes, jo raskere akselererer elektronene.
Man skulle tro at man rett og slett måtte øke den påførte energien for å nå en hastighet på 300 000 km/s. Men det viser seg at elektroner rett og slett ikke kan bevege seg så fort. Bertozzis eksperimenter viste at bruk av mer energi ikke fører til en direkte proporsjonal økning i elektronhastighet.
I stedet måtte enorme mengder ekstra energi tilføres for å endre hastigheten til elektronene i liten grad. Hun kom nærmere og nærmere lysets hastighet, men nådde den aldri.
Se for deg å bevege deg mot døren i små skritt, hvert trinn dekker halve avstanden fra din nåværende posisjon til døren. Strengt tatt kommer du aldri til døren, for etter hvert steg du tar har du fortsatt en distanse å tilbakelegge. Bertozzi møtte omtrent det samme problemet mens han jobbet med elektronene sine.
Men lys er bygd opp av partikler som kalles fotoner. Hvorfor kan disse partiklene reise med lysets hastighet, men ikke elektronene?
– Etter hvert som objekter beveger seg raskere og raskere, blir de tyngre – jo tyngre de blir, jo vanskeligere er det for dem å akselerere, så du når aldri lysets hastighet, sier Roger Rassoul, fysiker ved University of Melbourne i Australia. "Et foton har ingen masse. Hvis den hadde masse, kunne den ikke bevege seg med lysets hastighet."
Fotoner er spesielle. Ikke bare har de ingen masse, noe som gir dem full bevegelsesfrihet i rommets vakuum, men de trenger heller ikke å akselerere. Den naturlige energien de har beveger seg i bølger akkurat som dem, så når de er skapt har de allerede maksimal hastighet. På noen måter er det lettere å tenke på lys som energi i stedet for som en strøm av partikler, selv om lys i sannhet er begge deler.
Lyset beveger seg imidlertid mye langsommere enn vi kanskje forventer. Selv om internetteknologer liker å snakke om kommunikasjon som kjører med "lysets hastighet" i fiberoptikk, beveger lys seg 40 % saktere i glassfiberoptikk enn i et vakuum.
I virkeligheten reiser fotoner med hastigheter på 300 000 km/s, men møter en viss mengde interferens forårsaket av andre fotoner som sendes ut av glassatomer når hovedlysbølgen passerer gjennom. Dette er kanskje ikke lett å forstå, men vi prøvde i det minste.
På samme måte, innenfor rammen av spesielle eksperimenter med individuelle fotoner, var det mulig å bremse dem ganske imponerende. Men for de fleste tilfeller vil 300 000 være riktig. Vi har ikke sett eller bygget noe som kan bevege seg så fort, eller enda raskere. Det er spesielle punkter, men før vi berører dem, la oss berøre det andre spørsmålet vårt. Hvorfor er det så viktig at lyshastighetsregelen følges strengt?
Svaret er assosiert med en person som heter , som ofte er tilfellet i fysikk. Hans spesielle relativitetsteori utforsker de mange implikasjonene av hans universelle fartsgrenser. Et av de viktigste elementene i teorien er ideen om at lysets hastighet er konstant. Uansett hvor du er eller hvor fort du beveger deg, beveger lyset seg alltid med samme hastighet.
Men dette reiser flere konseptuelle problemer.
Se for deg lyset som faller fra en lommelykt på et speil i taket på et stasjonært romfartøy. Lyset går opp, reflekteres fra speilet og faller på gulvet i romfartøyet. La oss si at han dekker en avstand på 10 meter.
Tenk deg nå at dette romfartøyet begynner å bevege seg med en kolossal hastighet på mange tusen kilometer i sekundet. Når du slår på lommelykten, oppfører lyset seg som før: det skinner oppover, treffer speilet og reflekteres på gulvet. Men for å gjøre dette, må lyset reise en diagonal avstand, ikke en vertikal. Tross alt beveger speilet seg nå raskt sammen med romfartøyet.
Følgelig øker avstanden som lyset reiser. La oss si 5 meter. Det blir 15 meter totalt, ikke 10.
Og til tross for dette, selv om avstanden har økt, hevder Einsteins teorier at lys fortsatt vil reise med samme hastighet. Siden hastighet er avstand delt på tid, siden hastigheten forblir den samme og avstanden øker, må tiden også øke. Ja, tiden må strekke seg. Og selv om dette høres merkelig ut, har det blitt bekreftet eksperimentelt.
Dette fenomenet kalles tidsutvidelse. Tiden går langsommere for folk som reiser i raske kjøretøy sammenlignet med de som står stille.
For eksempel går tiden 0,007 sekunder langsommere for astronauter på den internasjonale romstasjonen, som beveger seg med 7,66 km/s i forhold til jorden, sammenlignet med mennesker på planeten. Enda mer interessant er situasjonen med partikler som de nevnte elektronene, som kan bevege seg nær lysets hastighet. Når det gjelder disse partiklene, vil graden av retardasjon være enorm.
Stephen Kolthammer, en eksperimentell fysiker ved University of Oxford i Storbritannia, peker på eksemplet med partikler kalt myoner.
Myoner er ustabile: de forfaller raskt til enklere partikler. Så raskt at de fleste myoner som forlater solen burde forfalle når de når jorden. Men i virkeligheten kommer myoner til jorden fra solen i kolossale volumer. Fysikere har lenge prøvd å forstå hvorfor.
"Svaret på dette mysteriet er at myoner genereres med slik energi at de beveger seg nær lysets hastighet," sier Kolthammer. "Deres følelse av tid, så å si, deres interne klokke er treg."
Muoner "blir i live" lenger enn forventet i forhold til oss, takket være en ekte, naturlig tidssprang. Når objekter beveger seg raskt i forhold til andre objekter, reduseres også lengden og trekker seg sammen. Disse konsekvensene, tidsutvidelse og lengdereduksjon, er eksempler på hvordan rom-tid endres avhengig av bevegelsen til ting - meg, deg eller et romfartøy - som har masse.
Det som er viktig, som Einstein sa, er at lyset ikke påvirkes fordi det ikke har noen masse. Det er derfor disse prinsippene går hånd i hånd. Hvis ting kunne reise raskere enn lyset, ville de adlyde de grunnleggende lovene som beskriver hvordan universet fungerer. Dette er nøkkelprinsippene. Nå kan vi snakke om noen få unntak og unntak.
På den ene siden, selv om vi ikke har sett noe som reiser raskere enn lys, betyr det ikke at denne fartsgrensen teoretisk ikke kan slås under veldig spesifikke forhold. Ta for eksempel utvidelsen av selve universet. Galakser i universet beveger seg bort fra hverandre med hastigheter som betydelig overstiger lyshastigheten.
En annen interessant situasjon gjelder partikler som deler de samme egenskapene på samme tid, uansett hvor langt fra hverandre de er. Dette er den såkalte "kvanteforviklingen". Fotonet vil spinne opp og ned, tilfeldig velge mellom to mulige tilstander, men valget av spinnretning vil bli nøyaktig reflektert i et annet foton andre steder hvis de er sammenfiltret.
To forskere, som studerte hvert sitt foton, ville få det samme resultatet på samme tid, raskere enn lysets hastighet kunne tillate.
I begge disse eksemplene er det imidlertid viktig å merke seg at ingen informasjon beveger seg raskere enn lysets hastighet mellom to objekter. Vi kan beregne utvidelsen av universet, men vi kan ikke observere objekter raskere enn lyset i det: de har forsvunnet fra synet.
Når det gjelder to forskere med fotonene sine, selv om de kunne få ett resultat samtidig, kunne de ikke la hverandre få vite det raskere enn lyset beveger seg mellom dem.
– Dette skaper ingen problemer for oss, for hvis du kan sende signaler raskere enn lyset, får du rare paradokser der informasjon på en eller annen måte kan gå tilbake i tid, sier Kolthammer.
Det er en annen mulig måte å gjøre raskere enn lys-reise teknisk mulig: rifter i romtid som vil tillate den reisende å unnslippe reglene for normal reise.
Gerald Cleaver fra Baylor University i Texas tror at vi en dag vil være i stand til å bygge et romfartøy som reiser raskere enn lyset. Som beveger seg gjennom et ormehull. Ormehull er løkker i rom-tid som passer perfekt inn i Einsheins teorier. De kunne tillate en astronaut å hoppe fra den ene enden av universet til den andre via en anomali i romtid, en form for kosmisk snarvei.
En gjenstand som beveger seg gjennom et ormehull vil ikke overskride lysets hastighet, men kan teoretisk nå målet raskere enn lys som tar en "normal" vei. Men ormehull kan være helt utilgjengelige for romfart. Kan det være en annen måte å aktivt forvrenge romtiden for å bevege seg raskere enn 300 000 km/s i forhold til noen andre?
Cleaver utforsket også ideen om en "Alcubierre-motor" i 1994. Den beskriver en situasjon der romtiden trekker seg sammen foran romfartøyet, skyver det fremover og utvider seg bak det, og skyver det også fremover. "Men så," sier Cleaver, "oppsto problemene: hvordan gjøre det og hvor mye energi som ville være nødvendig."
I 2008 regnet han og hans hovedfagsstudent Richard Obouzi ut hvor mye energi som ville være nødvendig.
"Vi så for oss et skip på 10m x 10m x 10m - 1000 kubikkmeter - og beregnet at mengden energi som kreves for å starte prosessen, ville tilsvare massen til hele Jupiter."
Etter dette må energi hele tiden "tilføres" slik at prosessen ikke tar slutt. Ingen vet om dette noen gang vil være mulig, eller hvordan den nødvendige teknologien vil se ut. "Jeg ønsker ikke å bli sitert i århundrer som om jeg forutså noe som aldri ville skje," sier Cleaver, "men jeg ser ingen løsninger ennå."
Så å reise raskere enn lysets hastighet forblir science fiction for øyeblikket. Foreløpig er den eneste måten å kaste seg ut i dyp suspendert animasjon. Og likevel er ikke alt ille. Mesteparten av tiden snakket vi om synlig lys. Men i virkeligheten er lys mye mer enn det. Fra radiobølger og mikrobølger til synlig lys, ultrafiolett stråling, røntgenstråler og gammastråler som sendes ut av atomer når de forfaller, disse vakre strålene er alle laget av det samme: fotoner.
Forskjellen er i energi, og derfor i bølgelengde. Sammen utgjør disse strålene det elektromagnetiske spekteret. Det faktum at radiobølger for eksempel beveger seg med lysets hastighet er utrolig nyttig for kommunikasjon.
I sin forskning lager Kolthammer en krets som bruker fotoner til å overføre signaler fra en del av kretsen til en annen, så han er godt kvalifisert til å kommentere nytten av den utrolige lyshastigheten.
"Selve det faktum at vi bygget infrastrukturen til Internett, for eksempel, og radio før den, basert på lys, har å gjøre med hvor lett vi kan overføre det," bemerker han. Og han legger til at lys fungerer som universets kommunikasjonskraft. Når elektronene i en mobiltelefon begynner å riste, frigjøres fotoner og gjør at elektronene i en annen mobiltelefon også rister. Slik blir en telefonsamtale født. Skjelvingen av elektroner i solen sender også ut fotoner - i enorme mengder - som selvfølgelig danner lys, og gir livet på jorden varme og, ahem, lys.
Lys er universets universelle språk. Hastigheten - 299 792,458 km/s - forblir konstant. I mellomtiden er rom og tid formbare. Kanskje vi ikke bør tenke på hvordan vi kan bevege oss raskere enn lyset, men hvordan vi kan bevege oss raskere gjennom dette rommet og denne gangen? Gå til roten, for å si det sånn?
Men det viste seg at det var mulig; nå tror de at vi aldri vil kunne reise raskere enn lyset...» Men det er faktisk ikke sant at noen en gang trodde at det var umulig å reise fortere enn lyd Lenge før supersoniske fly dukket opp, var det allerede kjent at kulene fly raskere enn lyd I virkeligheten snakket vi om det som er umulig. kontrollert supersonisk flytur, og det var feilen. SS-bevegelsen er en helt annen sak. Helt fra begynnelsen var det klart at overlydsflyging ble hemmet av tekniske problemer som bare måtte løses. Men det er helt uklart om problemene som hindrer SS-bevegelsen noen gang kan løses. Relativitetsteorien har mye å si om dette. Hvis SS-reise eller til og med signaloverføring er mulig, vil kausaliteten bli krenket, og helt utrolige konklusjoner vil følge av dette.
Vi vil først diskutere enkle tilfeller av CC-bevegelse. Vi nevner dem ikke fordi de er interessante, men fordi de kommer opp igjen og igjen i diskusjoner om SS-bevegelsen og derfor må håndteres. Deretter vil vi diskutere hva vi anser som vanskelige tilfeller av STS-bevegelse eller kommunikasjon og vurdere noen av argumentene mot dem. Til slutt skal vi se på de mest seriøse antakelsene om den virkelige SS-bevegelsen.
Enkel SS-bevegelse
1. Fenomenet Cherenkov-stråling
En måte å bevege seg raskere enn lyset er først å bremse selve lyset! :-) I et vakuum reiser lyset med hastighet c, og denne mengden er en universell konstant (se spørsmålet Er lysets hastighet konstant), og i et tettere medium som vann eller glass bremser den ned til hastigheten c/n, Hvor n er brytningsindeksen til mediet (1,0003 for luft; 1,4 for vann). Derfor kan partikler bevege seg raskere i vann eller luft enn lys beveger seg dit. Som et resultat oppstår Vavilov-Cherenkov-stråling (se spørsmål).
Men når vi snakker om SS-bevegelse, mener vi selvfølgelig å overskride lysets hastighet i et vakuum c(299.792.458 m/s). Derfor kan Cherenkov-fenomenet ikke betraktes som et eksempel på SS-bevegelsen.
2. Fra tredjepart
Hvis raketten EN flyr fra meg i fart 0,6c mot vest, og den andre B- fra meg med fart 0,6c mot øst, deretter den totale avstanden mellom EN Og B i min referanseramme øker med hastigheten 1,2c. Dermed kan en tilsynelatende relativ hastighet større enn c observeres "fra den tredje siden."
Slik hastighet er imidlertid ikke det vi vanligvis forstår med relativ hastighet. Ekte raketthastighet EN i forhold til raketten B- dette er økningshastigheten i avstanden mellom rakettene som observeres av observatøren i raketten B. To hastigheter må legges til ved å bruke den relativistiske formelen for å legge til hastigheter (se spørsmålet Hvordan legge til hastigheter i partiell relativitet). I dette tilfellet er den relative hastigheten omtrentlig 0,88c, det vil si ikke er superluminal.
3. Skygger og kaniner
Tenk på hvor raskt en skygge kan bevege seg? Hvis du lager en skygge på en fjern vegg med fingeren fra en lampe i nærheten, og deretter beveger fingeren, beveger skyggen seg mye raskere enn fingeren. Hvis fingeren beveger seg parallelt med veggen, vil hastigheten på skyggen være D/d ganger fingerhastigheten, hvor d- avstand fra finger til lampe, og D- avstand fra lampen til veggen. Og du kan få enda større hastighet hvis veggen er plassert på skrå. Hvis veggen er plassert veldig langt unna, vil skyggens bevegelse ligge bak fingerens bevegelse, siden lyset fortsatt må nå fra fingeren til veggen, men skyggens hastighet vil fortsatt være den samme antall ganger større. Det vil si at bevegelseshastigheten til skyggen ikke er begrenset av lysets hastighet.
I tillegg til skygger, kan kaniner også bevege seg raskere enn lys, for eksempel en flekk fra en laserstråle rettet mot månen. Når du vet at avstanden til månen er 385 000 km, prøv å beregne hastigheten til kaninen ved å bevege laseren litt. Du kan også tenke på en havbølge som treffer kysten på skrå. Hvor raskt kan punktet der bølgen bryter bevege seg?
Lignende ting kan skje i naturen. For eksempel kan en lysstråle fra en pulsar gre gjennom en støvsky. Et sterkt blits skaper et ekspanderende skall av lys eller annen stråling. Når den krysser overflaten, skaper den en ring av lys som vokser raskere enn lysets hastighet. I naturen skjer dette når en elektromagnetisk puls fra lynet når de øvre lagene i atmosfæren.
Dette var alle eksempler på ting som beveget seg raskere enn lyset, men som ikke var fysiske kropper. Å bruke en skygge eller en kanin kan ikke formidle en SS-melding, så kommunikasjon raskere enn lys fungerer ikke. Og igjen, dette er tilsynelatende ikke det vi ønsker å forstå med SS-bevegelse, selv om det blir klart hvor vanskelig det er å finne ut hva vi trenger (se spørsmålet FTL saks).
4. Faste stoffer
Hvis du tar en lang hard pinne og skyver den ene enden, flytter den andre enden inn umiddelbart eller ikke? Er det mulig å utføre CC-overføring av en melding på denne måten?
Ja det var ville kan gjøres hvis slike faste stoffer eksisterte. I virkeligheten forplanter påvirkningen av et slag på enden av en pinne seg langs den med lydhastigheten i et gitt stoff, og lydhastigheten avhenger av materialets elastisitet og tetthet. Relativitet setter en absolutt grense for den mulige hardheten til ethvert legeme, slik at lydhastigheten i dem ikke kan overstige c.
Det samme skjer hvis du er i et attraksjonsfelt, og først holder en snor eller stang vertikalt i den øvre enden, og så slipper du den. Punktet du slapp vil begynne å bevege seg umiddelbart, og den nedre enden vil ikke kunne begynne å falle før påvirkningen av utgivelsen når den med lydens hastighet.
Det er vanskelig å formulere en generell teori om elastiske materialer innenfor rammen av relativitet, men grunnideen kan demonstreres ved å bruke eksemplet med Newtonsk mekanikk. Ligningen for den langsgående bevegelsen til et ideelt elastisk legeme kan fås fra Hookes lov. I massevariabler per lengdeenhet s og Youngs elastisitetsmodul Y, langsgående forskyvning X tilfredsstiller bølgeligningen.
Planbølgeløsningen beveger seg med lydens hastighet s, og s 2 = Y/p. Denne ligningen innebærer ikke muligheten for at årsakspåvirkning sprer seg raskere s. Dermed setter relativitet en teoretisk grense for størrelsen på elastisitet: Y < PC 2. I praksis er det ingen materialer i nærheten av det. Forresten, selv om lydhastigheten i materialet er nær c, materien i seg selv er slett ikke forpliktet til å bevege seg i en relativistisk hastighet. Men hvordan vet vi at det i prinsippet ikke kan være et stoff som overvinner denne grensen? Svaret er at all materie består av partikler, interaksjonen mellom disse adlyder standardmodellen for elementærpartikler, og i denne modellen kan ingen interaksjon forplante seg raskere enn lys (se nedenfor om kvantefeltteori).
5. Fasehastighet
Se på denne bølgeligningen:
Den har løsninger av formen:
Disse løsningene er sinusformede bølger som beveger seg med en hastighet
Men dette er raskere enn lys, noe som betyr at vi har tachyon-feltligningen i våre hender? Nei, dette er bare en vanlig relativistisk ligning av en massiv skalarpartikkel!
Paradokset vil løses hvis vi forstår forskjellen mellom denne hastigheten, også kalt fasehastigheten vph fra en annen hastighet kalt gruppehastighet v gr som er gitt av formelen,
Hvis bølgeløsningen har en frekvensspredning, vil den ha form av en bølgepakke som beveger seg med en gruppehastighet som ikke overstiger c. Bare bølgetoppene beveger seg med fasehastighet. Det er mulig å overføre informasjon ved hjelp av en slik bølge bare ved gruppehastighet, så fasehastighet gir oss et annet eksempel på superluminal hastighet, som ikke kan bære informasjon.
7. Relativistisk rakett
En kontroller på jorden overvåker et romfartøy som flyr bort med en hastighet på 0,8 c. I følge relativitetsteorien, selv etter å ha tatt i betraktning dopplerforskyvningen av signaler fra skipet, vil han se at tiden på skipet bremses ned og klokken der går saktere med en faktor på 0,6. Hvis han beregner kvotienten av den tilbakelagte avstanden av skipet med tiden det tar, målt ved skipets klokke, vil han få 4/3 c. Dette betyr at skipets passasjerer reiser gjennom det interstellare rommet med en effektiv hastighet som er større enn lyshastigheten de ville opplevd hvis den ble målt. Fra skipets passasjerers synspunkt er interstellare avstander utsatt for Lorentz-sammentrekning med samme faktor på 0,6, og derfor må de også erkjenne at de dekker kjente interstellare avstander med en hastighet på 4/3 c.
Dette er et reelt fenomen og kan i prinsippet brukes av romreisende til å tilbakelegge store avstander i løpet av livet. Hvis de akselererer med en konstant akselerasjon lik akselerasjonen av fritt fall på jorden, vil de ikke bare ha ideell kunstig gravitasjon på skipet sitt, men de vil også ha tid til å krysse galaksen på bare 12 av årene! (se spørsmålet Hva er ligningene til en relativistisk rakett?)
Dette er imidlertid ikke en ekte SS-bevegelse. Effektiv hastighet beregnes fra avstand i en referanseramme og tid i en annen. Dette er ikke ekte hastighet. Det er kun skipets passasjerer som drar nytte av denne hastigheten. Senderen vil for eksempel ikke ha tid i løpet av livet til å se hvordan de flyr en gigantisk distanse.
Komplekse tilfeller av SS-bevegelse
9. Einstein, Podolsky, Rosen-paradokset (EPR)
10. Virtuelle fotoner
11. Kvantetunnelering
Ekte kandidater for SS-reisende
Denne delen inneholder spekulative, men seriøse spekulasjoner om muligheten for superluminal reise. Dette vil ikke være den typen ting som normalt vil bli satt i en FAQ, siden de reiser flere spørsmål enn de svarer. De presenteres her hovedsakelig for å vise at det forskes seriøst i denne retningen. Det gis kun en kort introduksjon til hver retning. Mer detaljert informasjon finnes på Internett.
19. Tachyons
Takyoner er hypotetiske partikler som lokalt beveger seg raskere enn lys. For å gjøre dette må de ha en tenkt masse, men energien og fremdriften må være positiv. Noen ganger tror man at slike SS-partikler skal være umulige å oppdage, men det er faktisk ingen grunn til å tro det. Skygger og kaniner forteller oss at SS-bevegelse ennå ikke innebærer usynlighet.
Tachyoner har aldri blitt observert, og de fleste fysikere tviler på deres eksistens. Det ble en gang uttalt at det var utført eksperimenter for å måle massen av nøytrinoer som ble sendt ut under forfallet av Tritium, og at disse nøytrinoene var tachyon. Dette er høyst tvilsomt, men fortsatt ikke utelukket. Det er problemer i tachyon-teorier, siden fra synspunktet om mulige brudd på årsakssammenheng, destabiliserer de vakuumet. Det kan være mulig å omgå disse problemene, men da vil det være umulig å bruke tachyoner i SS-meldingen vi trenger.
Sannheten er at de fleste fysikere anser tachyoner for å være et tegn på feil i feltteoriene deres, og interessen for dem blant allmennheten drives hovedsakelig av science fiction (se artikkelen Tachyons).
20. Ormehull
Den mest kjente foreslåtte muligheten for STS-reise er bruken av ormehull. Ormehull er tunneler i rom-tid som forbinder et sted i universet til et annet. Du kan bruke dem til å bevege deg mellom disse punktene raskere enn lys ville ta sin normale vei. Ormehull er et fenomen av klassisk generell relativitetsteori, men for å lage dem må du endre romtidens topologi. Muligheten for dette kan være inneholdt i teorien om kvantegravitasjon.
For å holde ormehull åpne, trengs enorme mengder negativ energi. Misner Og Thorne foreslått at storskala Casimir-effekten kan brukes til å generere negativ energi, og Visser foreslått en løsning ved bruk av kosmiske strenger. Alle disse ideene er svært spekulative og kan rett og slett være urealistiske. Et uvanlig stoff med negativ energi eksisterer kanskje ikke i den formen som kreves for fenomenet.
Thorne oppdaget at hvis ormehull kunne lages, kunne de brukes til å lage lukkede tidssløyfer som ville gjøre tidsreiser mulig. Det har også blitt antydet at den multivariate tolkningen av kvantemekanikk indikerer at tidsreiser ikke vil forårsake noen paradokser, og at hendelser rett og slett vil utfolde seg annerledes når du går tilbake i tid. Hawking sier at ormehull rett og slett kan være ustabile og derfor ikke praktiske. Men selve emnet forblir et fruktbart område for tankeeksperimenter, som lar en forstå hva som er mulig og hva som ikke er mulig basert på fysikkens kjente og antatte lover.
refs:
WG Morris og K.S. Thorne, American Journal of Physics 56
,
395-412 (1988)
W.G. Morris, K.S. Thorne og U. Yurtsever, Phys. Rev. Bokstaver 61
, 1446-9 (1988)
Matt Visser, Fysisk gjennomgang D39, 3182-4 (1989)
se også "Black Holes and Time Warps" Kip Thorn, Norton & co. (1994)
For en forklaring av multiverset, se "The Fabric of Reality" David Deutsch, Penguin Press.
21. Deformere motorer
[Jeg aner ikke hvordan jeg skal oversette dette! I det originale warp-drevet. - ca. oversetter;
oversatt analogt med artikkelen om Membrane]
En renning kan være en mekanisme for å vri romtiden slik at et objekt kan reise raskere enn lys. Miguel Alcabière ble kjent for å utvikle geometrien som beskriver en slik deformer. Forvrengningen av rom-tid gjør det mulig for et objekt å reise raskere enn lys mens det forblir på en tidslignende kurve. Hindrene er de samme som når du lager ormehull. For å lage en deformer trenger du et stoff med negativ energitetthet og. Selv om et slikt stoff er mulig, er det fortsatt uklart hvordan det kan oppnås og hvordan man bruker det for å få en deformer til å virke.
ref M. Alcubierre, klassisk og kvantegravitasjon, 11
, L73-L77, (1994)
Konklusjon
For det første viste det seg å være vanskelig å generelt definere hva SS-reise og SS-melding betyr. Mange ting, som skygger, utfører CC-bevegelse, men på en slik måte at den ikke kan brukes for eksempel til å overføre informasjon. Men det er også seriøse muligheter for ekte SS-bevegelse, som er foreslått i den vitenskapelige litteraturen, men implementeringen av dem er ennå ikke teknisk mulig. Heisenberg-usikkerhetsprinsippet gjør det umulig å bruke tilsynelatende SS-bevegelse i kvantemekanikk. Det er potensielle midler for SS-fremdrift i generell relativitetsteori, men de er kanskje ikke mulige å bruke. Det virker ekstremt usannsynlig at teknologi i overskuelig fremtid, eller i det hele tatt, vil være i stand til å skape romfartøy med SS-fremdrift, men det er merkelig at teoretisk fysikk, slik vi nå kjenner den, ikke stenger døren for SS-fremdrift for godt. En SS-bevegelse i stil med science fiction-romaner er tilsynelatende helt umulig. Et interessant spørsmål for fysikere er: "hvorfor er dette faktisk umulig, og hva kan man lære av dette?"