Det 20. århundre var preget av de største oppdagelsene innen fysikk og kosmologi. Grunnlaget for disse oppdagelsene var teorier utviklet av en galakse av fremragende fysikere. Den mest kjente av dem er Albert Einstein, hvis arbeid moderne fysikk i stor grad er basert på. Fra forskerens teorier følger det at lysets hastighet i et vakuum er den maksimale hastigheten for partikkelbevegelse og interaksjon. Og tidsparadoksene som oppstår fra disse teoriene er helt fantastiske: For eksempel, for objekter i bevegelse, flyter tiden langsommere i forhold til de som er i ro, og jo nærmere lysets hastighet, jo mer bremser tiden. Det viser seg at for et objekt som flyr med lysets hastighet, vil tiden stoppe helt.
| Vi anbefaler |
Dette gir oss håp om at med riktig teknologinivå, teoretisk sett, er en person i stand til å nå de fjerneste hjørnene av universet i løpet av en generasjons levetid. I dette tilfellet vil flytiden i jordens referanseramme være millioner av år, mens på et skip som flyr med nærlyshastighet vil det bare gå noen få dager... Slike muligheter er imponerende, og samtidig spørsmålet oppstår: hvis fremtidens fysikere og ingeniører på en eller annen måte akselererer romfartøyet til enorme verdier, selv teoretisk opp til lysets hastighet (selv om fysikken vår benekter denne muligheten), vil vi være i stand til å nå ikke bare de fjerneste galaksene og stjernene, men også kanten av universet vårt, se utover grensen til det ukjente, hvilke forskere har ingen anelse om?
Vi vet at universet ble dannet for rundt 13,79 milliarder år siden og har ekspandert kontinuerlig siden den gang. Man kan anta at dens radius for øyeblikket bør være 13,79 milliarder lysår, og dens diameter følgelig 27,58 milliarder lysår. Og dette ville være sant hvis universet ekspanderte jevnt med lysets hastighet - den maksimalt mulige hastigheten. Men de innhentede dataene forteller oss at universet ekspanderer i en akselererende hastighet.
Vi observerer at galaksene som er lengst unna oss beveger seg bort fra oss raskere enn de i nærheten - verdensrommet utvides kontinuerlig. Samtidig er det en del av universet som beveger seg fra oss raskere enn lysets hastighet. I dette tilfellet blir ingen postulater og konklusjoner av relativitetsteorien krenket - objekter inne i universet forblir i underlyshastigheter. Denne delen av universet kan ikke sees - hastigheten til fotoner som sendes ut av strålingskilder er rett og slett ikke nok til å overvinne hastigheten på utvidelse av rommet.
Beregninger viser at den delen av verden som er synlig for oss har en diameter på ca. 93 milliarder lysår og kalles Metagalakse. Vi kan bare gjette om hva som ligger utenfor denne grensen og hvor langt universet strekker seg. Det er logisk å anta at kanten av universet beveger seg raskest fra oss og langt overstiger lysets hastighet. Og denne hastigheten øker stadig. Det blir åpenbart at selv om et objekt flyr med lysets hastighet, vil det aldri nå kanten av universet, fordi kanten av universet vil bevege seg bort fra det raskere.
Hvis du finner en feil, merk en tekst og klikk Ctrl+Enter.
Men egentlig, hva vil skje? Dette spørsmålet har faktisk ikke noe svar, fordi det er i strid med alle fysikkens lover, og som vi vet kan eksperimenter ikke utføres. Men ingen vil forby deg å tenke teoretisk. Så la oss si at vi har fått tak i en VAZ-bil som kan akselerere, for det første, til lysets hastighet. Gå…
Som vi vet fra fysikkkurset i 11. klasse er lyshastigheten en konstant verdi og er verken mer eller mindre, men 300 000 km i sekundet. Ved nærlyshastigheter gjelder ikke fysikkens vanlige lover. Lovene for relativistisk fysikk gjelder her, så vi må henvende oss til Mr. Einstein og lese hans relativitetsteori.
Ved å anvende lovene i klassisk fysikk, kan vi anta at hastigheten til fotoner (lyspartikler) vil legge seg opp til hastigheten til bilen, og frontlyktene vil skinne som alltid. Men... Det viser seg at disse samme fotonene må fly med dobbel lyshastighet - bilens hastighet og fotonene blir lagt sammen. Men dette er umulig, for tilbake i 1905 beviste Einstein at lysets hastighet er konstant i enhver referanseramme. Det betyr at fotonet fra frontlykten fortsatt vil ha en hastighet på 300 000 km/sek. Men bilen har også samme hastighet. Så vil fotoner av lys fly ved siden av bilen? Da vil ikke sjåføren se frontlysene. En observatør på siden av veien skal se ut til å se en lysflekk som flyr forbi. Faktisk ikke helt sånn.
Ved å bruke relativitetsteorien kan man forestille seg et annet bilde, mye mer fantastisk. Her overlapper mange faktorer hverandre og skaper noe utenkelig.
For eksempel, ved en hastighet nær lysets hastighet, må et objekt, det vil si en bil, få ubegrenset masse. Resultatet bør være et slags sort hull, som med sin gravitasjon ikke vil tillate noen fotoner å forlate overflaten. Tvert imot, som det sømmer seg et objekt med utrolig masse, vil det trekke inn i seg selv all den omkringliggende materie. Ved lysets hastighet vil massen til bilen vår være lik uendelig. Vel, det er ikke lenger verdt å gjette om enda større hastighet. I dette tilfellet vil tiden i den være lik null, det vil si at den stopper.
På den annen side bestemmes bevegelsen til enhver partikkel av avstanden per tidsenhet. Og hvis tiden står stille, hva slags bevegelse kan det være? Alt fryser til hastigheten går ned. Teoretisk sett kunne bilen vår fly over hele universet, og klokken i den ville ikke engang telle en brøkdel av et sekund! Og hvordan ville de telle hvis alle molekylene i dem stoppet. Men stopp av molekyler betyr at temperaturen på objektet er absolutt null! Tenk deg, for en person i en bil går tiden langsommere og langsommere til den stopper helt. Han fryser og til og med molekylene i kroppen hans står stille - temperaturen hans er absolutt null. Men på en eller annen måte synker hastigheten og personen kommer til liv. Han la ikke engang merke til dette stoppet. Så han strekker seg ut og bruker sekunder av tiden sin på dette, men timer, år eller til og med århundrer går for oss! Selv om alt er vagt her, fordi opphopning av materie øker trykk og temperatur, og her er det absolutt null. Uansett hvor supernova det blir!
La oss til og med si at bilen vår forble en bil og sjåføren viste seg å være i live og klarte å slå på frontlysene. Som kjent virker den såkalte Doppler-effekten ved høye hastigheter. Lys har tross alt også en bølgenatur. Dette betyr at frekvensen, eller spekteret, av synlig lys endres. Hvis et objekt nærmer seg, vil vi se et skifte i spekteret til den fiolette delen, og hvis den beveger seg bort, til den røde.
Hvis vi bruker dette på nærlysmaskinen vår, kan vi i stedet for frontlykter få hard gammastråling, eller rett og slett stråling. Det kan hende sjåføren ikke forstår noe som helst, for for ham har ingenting forandret seg. Men vår observatør vil neppe leve mer enn et brøkdel av et sekund etter at bilen flyr forbi. Han vil motta alle typer stråling - den ultrafiolette delen mens bilen nærmer seg, og den infrarøde delen mens den beveger seg bort. Dette kan neppe kalles frontlykter.
Det er ikke noe svar på spørsmålet om hva som vil skje med lys ved superluminale hastigheter. Akkurat som det ikke er noe slikt for lys. Nær-lys - vær så snill, relativitetsteorien gjelder her. Lyset forblir vanlig lys. Men når lysets hastighet er nådd, begynner slike mirakler at hjernen heller vil koke enn å finne svaret eller forestille seg alle mulige alternativer. Endringer i materie og tid som er utrolige for oss begynner der. Kanskje det er til det beste at en slik hastighet aldri kan oppnås. For ikke å snakke om superluminal...
Selv om det ikke var mulig å svare på spørsmålet på grunn av umuligheten av å forklare det umulige, ser det ut til at maten til ettertanke viste seg å være velsmakende.
1) Lyser frontlyktene opp andre objekter og reflekteres tilbake i øynene dine?
Nei. Som du vet kan du ikke overskride lysets hastighet. Dette betyr at i én retning lyset ikke kan skinne i det hele tatt fordi det ikke klarer å overskride hastigheten til bilen, så det vil aldri komme ut av frontlysene. Imidlertid lever vi i en flerdimensjonal verden og ikke alt lys skinner i én retning.
La oss forestille oss en todimensjonal bil uten masse (det vil si beveger seg med lysets hastighet) som sender ut to fotoner, en opp og en ned. To bjelker skiller seg fra bilen og forblir bak den. De beveger seg med samme lyshastighet, men kan ikke bevege seg framover like raskt, siden en av hastighetsvektorene er rettet opp/ned, så vi forbigår dem. Disse fotonene møter da en hindring i veien, for eksempel et veiskilt eller et tre, og reflekteres tilbake. Problemet er at de ikke lenger kan hamle opp med deg. Andre mennesker som går på fortauet er i stand til å se det reflekterte lyset, men du har allerede gått og vil aldri se det.
Her går du, alt kan forklares med det faktum at alt lys beveger seg med samme hastighet, uansett hvor. Dette har neppe noe med relativitetsteorien å gjøre.
Imidlertid er det også en mer hardcore versjon.
2) Kan ting som beveger seg med lysets hastighet ha frontlykter? Kan de til og med ha syn?
Det er her den vanvittige relativitetssannheten virkelig spiller inn, så det er ingen grunn til å skamme seg hvis du ikke forstår noe, men svaret er igjen nei.
Du er kanskje kjent med begrepet relativistisk tidsutvidelse. Tenk deg at vennen min og jeg setter oss på forskjellige tog og reiser mot hverandre. Kjører forbi, hvis vi ser gjennom vinduet på vegguret i hverandres kupé, da både Merk at de beveger seg saktere enn vanlig. Dette er ikke fordi klokken bremser ned, men fordi lyset mellom oss spiller inn: jo raskere vi beveger oss, jo langsommere eldes vi i forhold til mindre bevegelige objekter. Dette er fordi tiden ikke er absolutt for alle objekter i universet, den er forskjellig for hvert objekt og avhenger av hastigheten. Tiden vår avhenger bare av vår hastighet i universet. Du kan tenke på dette som å bevege seg i forskjellige retninger på rom-tidsskala. Det er et visst problem her, fordi hjernen vår ikke er designet for å forstå geometrien til rom-tid, men har en tendens til å forestille seg tid som en slags absolutt. Men etter å ha lest litt litteratur om dette emnet, kan du normalt akseptere som et naturlig faktum: de som beveger seg raskt i forhold til deg, eldes saktere.
La oss si at vennen din sitter i en hypotetisk bil og reiser med lysets hastighet. Så la oss koble hastigheten hans inn i formelen vår og se hva svaret er.
Åh åh! Det ser ut som det ikke har gått noen tid for ham i det hele tatt! Det må være noe galt med beregningene våre?! Det viser seg at nei. Tid. Ikke. Finnes. Til. Objekter. På. Hastighet. Sveta.
Det finnes rett og slett ikke.
Dette betyr at ting med lysets hastighet ikke kan oppfatte "hendende" hendelser på samme måte som vi oppfatter dem. Arrangementer kan ikke ta plass for dem. De kan utføre handlinger, men kan ikke få erfaring. Einstein selv sa en gang, "Tiden eksisterer slik at alt ikke skjer på en gang." lys, dette prinsippet fungerer ikke, fordi Alle skjer samtidig. En reisende med lysets hastighet vil aldri se, tenke eller føle noe som vi anser som meningsfullt.
Dette er en så uventet konklusjon.
25. mars 2017
FTL-reiser er et av grunnlaget for rom-science fiction. Imidlertid vet sannsynligvis alle - selv folk langt fra fysikk - at maksimal mulig hastighet for bevegelse av materielle objekter eller forplantning av signaler er lysets hastighet i et vakuum. Den er betegnet med bokstaven c og er nesten 300 tusen kilometer per sekund; eksakt verdi c = 299.792.458 m/s.
Lysets hastighet i et vakuum er en av de grunnleggende fysiske konstantene. Umuligheten av å oppnå hastigheter over c følger av Einsteins spesielle relativitetsteori (STR). Hvis det kunne bevises at overføring av signaler med superluminale hastigheter er mulig, ville relativitetsteorien falle. Så langt har dette ikke skjedd, til tross for utallige forsøk på å tilbakevise forbudet mot eksistensen av hastigheter over c. Nyere eksperimentelle studier har imidlertid avslørt noen veldig interessante fenomener, som indikerer at under spesielt skapte forhold kan superluminale hastigheter observeres uten å bryte prinsippene for relativitetsteori.
Til å begynne med, la oss huske hovedaspektene knyttet til problemet med lysets hastighet.
Først av alt: hvorfor er det umulig (under normale forhold) å overskride lysgrensen? For da brytes vår verdens grunnleggende lov – kausalitetsloven, ifølge hvilken virkningen ikke kan gå foran årsaken. Ingen har noen gang observert at for eksempel en bjørn først falt død og så skjøt jegeren. Ved hastigheter over c, blir hendelsesforløpet reversert, tidsbåndet spoles tilbake. Dette er lett å bekrefte fra følgende enkle resonnement.
La oss anta at vi er på et slags rommirakelskip, og beveger oss raskere enn lyset. Da ville vi gradvis ta igjen lyset som ble sendt ut av kilden på tidligere og tidligere tidspunkt. Først ville vi ta igjen fotoner som ble sendt ut, for eksempel i går, deretter de som ble sendt ut i forgårs, deretter en uke, en måned, et år siden, og så videre. Hvis lyskilden var et speil som reflekterte livet, ville vi først se hendelsene i går, så i forgårs, og så videre. Vi kunne for eksempel se en gammel mann som gradvis forvandles til en middelaldrende mann, så til en ung mann, til en ungdom, til et barn... Det vil si at tiden ville snudd tilbake, vi ville flytte fra nåtiden til fortiden. Årsaker og virkninger ville da bytte plass.
Selv om denne diskusjonen fullstendig ignorerer de tekniske detaljene i prosessen med å observere lys, viser den fra et grunnleggende synspunkt tydelig at bevegelse i superluminale hastigheter fører til en situasjon som er umulig i vår verden. Naturen har imidlertid satt enda strengere betingelser: Bevegelse ikke bare ved superluminal hastighet er uoppnåelig, men også med en hastighet lik lysets hastighet - man kan bare nærme seg den. Fra relativitetsteorien følger det at når bevegelseshastigheten øker, oppstår tre omstendigheter: massen til et objekt i bevegelse, dets størrelse i bevegelsesretningen avtar, og strømmen av tid på dette objektet bremses ned (fra punktet synet til en ekstern "hvilende" observatør). Ved vanlige hastigheter er disse endringene ubetydelige, men når de nærmer seg lyshastigheten blir de mer og mer merkbare, og i grensen - ved en hastighet lik c - blir massen uendelig stor, objektet mister fullstendig størrelse i retningen av bevegelse og tiden stopper på den. Derfor kan ingen materiell kropp nå lysets hastighet. Bare lys i seg selv har en slik hastighet! (Og også en "alt-penetrerende" partikkel - en nøytrino, som, som et foton, ikke kan bevege seg med en hastighet mindre enn c.)
Nå om signaloverføringshastigheten. Her er det hensiktsmessig å bruke representasjonen av lys i form av elektromagnetiske bølger. Hva er et signal? Dette er noe informasjon som må overføres. En ideell elektromagnetisk bølge er en uendelig sinusoid av strengt tatt en frekvens, og den kan ikke bære noen informasjon, fordi hver periode av en slik sinusoid nøyaktig gjentar den forrige. Bevegelseshastigheten til fasen til en sinusbølge - den såkalte fasehastigheten - kan under visse forhold overstige lysets hastighet i vakuum i et medium. Det er ingen begrensninger her, siden fasehastigheten ikke er hastigheten til signalet - den eksisterer ikke ennå. For å lage et signal må du lage et slags "merke" på bølgen. Et slikt merke kan for eksempel være en endring i hvilken som helst av bølgeparametrene - amplitude, frekvens eller startfase. Men så snart merket er laget, mister bølgen sin sinusform. Den blir modulert, bestående av et sett med enkle sinusbølger med forskjellige amplituder, frekvenser og startfaser - en gruppe bølger. Hastigheten som merket beveger seg med i den modulerte bølgen er hastigheten til signalet. Ved forplantning i et medium faller denne hastigheten vanligvis sammen med gruppehastigheten, som karakteriserer forplantningen av den ovenfor nevnte gruppen av bølger som helhet (se "Vitenskap og liv" nr. 2, 2000). Under normale forhold er gruppehastigheten, og dermed signalhastigheten, mindre enn lysets hastighet i vakuum. Det er ikke tilfeldig at uttrykket "under normale forhold" brukes her, for i noen tilfeller kan gruppehastigheten overstige c eller til og med miste sin betydning, men da refererer det ikke til signalutbredelse. Bensinstasjonen fastslår at det er umulig å sende et signal med en hastighet høyere enn c.
Hvorfor er det slik? Fordi hindringen for overføring av ethvert signal med en hastighet større enn c er den samme kausalitetsloven. La oss forestille oss en slik situasjon. På et tidspunkt A slår et lysblink (hendelse 1) på en enhet som sender et bestemt radiosignal, og på et eksternt punkt B, under påvirkning av dette radiosignalet, oppstår en eksplosjon (hendelse 2). Det er klart at hendelse 1 (flare) er årsaken, og hendelse 2 (eksplosjon) er konsekvensen, som inntreffer senere enn årsaken. Men hvis radiosignalet forplantet seg i superluminal hastighet, ville en observatør nær punkt B først se en eksplosjon, og først da årsaken til eksplosjonen som nådde ham med hastigheten til et lysglimt. Med andre ord, for denne observatøren ville hendelse 2 ha skjedd tidligere enn hendelse 1, det vil si at virkningen ville ha gått foran årsaken.
Det er på sin plass å understreke at det "superluminale forbudet" av relativitetsteorien bare er pålagt bevegelse av materielle kropper og overføring av signaler. I mange situasjoner er bevegelse i enhver hastighet mulig, men dette vil ikke være bevegelse av materielle objekter eller signaler. Tenk deg for eksempel to ganske lange linjaler som ligger i samme plan, hvorav den ene er plassert horisontalt, og den andre skjærer den i en liten vinkel. Hvis den første linjalen flyttes nedover (i retningen angitt av pilen) i høy hastighet, kan skjæringspunktet mellom linjalene fås til å løpe så fort som ønskelig, men dette punktet er ikke en materiell kropp. Et annet eksempel: hvis du tar en lommelykt (eller for eksempel en laser som produserer en smal stråle) og raskt beskriver en bue i luften, vil den lineære hastigheten til lyspunktet øke med avstanden og på en tilstrekkelig stor avstand vil overstige c . Lysflekken vil bevege seg mellom punktene A og B med superluminal hastighet, men dette vil ikke være en signaloverføring fra A til B, siden en slik lysflekk ikke bærer noen informasjon om punkt A.
Det ser ut til at problemet med superluminale hastigheter er løst. Men på 60-tallet av det tjuende århundre fremmet teoretiske fysikere hypotesen om eksistensen av superluminale partikler kalt tachyoner. Dette er veldig merkelige partikler: teoretisk er de mulige, men for å unngå motsetninger med relativitetsteorien, måtte de tildeles en tenkt hvilemasse. Fysisk sett eksisterer ikke imaginær masse, det er en rent matematisk abstraksjon. Dette forårsaket imidlertid ikke mye alarm, siden tachyoner ikke kan være i ro - de eksisterer (hvis de eksisterer!) bare ved hastigheter som overstiger lysets hastighet i et vakuum, og i dette tilfellet viser tachyonmassen seg å være ekte. Det er en viss analogi her med fotoner: et foton har null hvilemasse, men dette betyr ganske enkelt at fotonet ikke kan være i ro - lys kan ikke stoppes.
Det vanskeligste viste seg å være, som man kunne forvente, å forene tachyon-hypotesen med kausalitetsloven. Forsøkene som ble gjort i denne retningen, selv om de var ganske geniale, førte ikke til åpenbar suksess. Ingen har vært i stand til å eksperimentelt registrere tachyoner heller. Som et resultat avtok interessen for tachyoner som superluminale elementærpartikler gradvis.
På 60-tallet ble det imidlertid eksperimentelt oppdaget et fenomen som i utgangspunktet forvirret fysikere. Dette er beskrevet i detalj i artikkelen av A. N. Oraevsky "Superluminal waves in amplifying media" (UFN nr. 12, 1998). Her vil vi kort oppsummere essensen av saken, og henvise leseren som er interessert i detaljer til den spesifiserte artikkelen.
Rett etter oppdagelsen av lasere - på begynnelsen av 60-tallet - oppsto problemet med å oppnå korte (varige ca. 1 ns = 10-9 s) høyeffekts lyspulser. For å gjøre dette ble en kort laserpuls ført gjennom en optisk kvanteforsterker. Pulsen ble delt i to deler av et stråledelingsspeil. En av dem, kraftigere, ble sendt til forsterkeren, og den andre forplantet seg i luften og fungerte som en referansepuls som pulsen som passerte gjennom forsterkeren kunne sammenlignes med. Begge pulsene ble matet til fotodetektorer, og utgangssignalene deres kunne observeres visuelt på oscilloskopskjermen. Det var forventet at lyspulsen som passerte gjennom forsterkeren ville oppleve en viss forsinkelse i den sammenlignet med referansepulsen, det vil si at hastigheten på lysutbredelsen i forsterkeren ville være mindre enn i luft. Se for deg forskernes forundring da de oppdaget at pulsen forplantet seg gjennom forsterkeren med en hastighet som ikke bare var større enn i luft, men også flere ganger høyere enn lysets hastighet i vakuum!
Etter å ha kommet seg etter det første sjokket, begynte fysikere å lete etter årsaken til et så uventet resultat. Ingen hadde selv den minste tvil om prinsippene for den spesielle relativitetsteorien, og det var dette som hjalp til med å finne den riktige forklaringen: Hvis prinsippene for SRT er bevart, bør svaret søkes i egenskapene til forsterkermediet.
Uten å gå inn på detaljer her, vil vi bare påpeke at en detaljert analyse av virkningsmekanismen til forsterkermediet fullstendig avklarte situasjonen. Poenget var en endring i konsentrasjonen av fotoner under forplantningen av pulsen - en endring forårsaket av en endring i forsterkningen til mediet opp til en negativ verdi under passasjen av den bakre delen av pulsen, når mediet allerede absorberer energi, fordi dens egen reserve allerede er brukt opp på grunn av dens overføring til lyspulsen. Absorpsjon forårsaker ikke en økning, men en svekkelse av impulsen, og dermed blir impulsen forsterket i fremre del og svekket i bakre del. La oss forestille oss at vi observerer en puls ved hjelp av en enhet som beveger seg med lysets hastighet i forsterkermediet. Hvis mediet var gjennomsiktig, ville vi sett impulsen stivnet i ubevegelighet. I miljøet hvor den ovennevnte prosessen skjer, vil forsterkningen av forkanten og svekkelsen av bakkanten av pulsen fremstå for observatøren på en slik måte at mediet ser ut til å ha flyttet pulsen fremover. Men siden enheten (observatøren) beveger seg med lysets hastighet, og impulsen innhenter den, så overskrider impulsens hastighet lysets hastighet! Det er denne effekten som ble registrert av eksperimenter. Og her er det egentlig ingen motsetning til relativitetsteorien: amplifikasjonsprosessen er ganske enkelt slik at konsentrasjonen av fotoner som kom ut tidligere viser seg å være større enn de som kom ut senere. Det er ikke fotoner som beveger seg med superluminale hastigheter, men pulsomhyllingen, spesielt dens maksimum, som observeres på et oscilloskop.
Således, mens det i vanlige medier alltid er en svekkelse av lys og en reduksjon i dets hastighet, bestemt av brytningsindeksen, er det i aktive lasermedier ikke bare en forsterkning av lys, men også forplantning av en puls ved superluminal hastighet.
Noen fysikere har forsøkt å eksperimentelt bevise tilstedeværelsen av superluminal bevegelse under tunneleffekten - et av de mest fantastiske fenomenene innen kvantemekanikk. Denne effekten består i at en mikropartikkel (nærmere bestemt et mikroobjekt som under forskjellige forhold viser både egenskapene til en partikkel og egenskapene til en bølge) er i stand til å trenge gjennom den såkalte potensielle barrieren - et fenomen som er fullstendig umulig i klassisk mekanikk (hvor en slik situasjon ville være en analog: en ball kastet mot en vegg ville ende opp på den andre siden av veggen, eller den bølgelignende bevegelsen gitt til et tau bundet til veggen ville bli overført til et tau bundet til veggen på den andre siden). Essensen av tunneleffekten i kvantemekanikk er som følger. Hvis et mikroobjekt med en viss energi på sin vei møter et område med potensiell energi som overstiger energien til mikroobjektet, er dette området en barriere for det, hvis høyde bestemmes av energiforskjellen. Men mikroobjektet "lekker" gjennom barrieren! Denne muligheten er gitt ham av den velkjente Heisenberg-usikkerhetsrelasjonen, skrevet for energien og tiden for interaksjon. Hvis interaksjonen mellom et mikroobjekt og en barriere skjer over en ganske viss tid, vil energien til mikroobjektet tvert imot være preget av usikkerhet, og hvis denne usikkerheten er i størrelsesorden barrierens høyde, vil sistnevnte slutter å være en uoverstigelig hindring for mikroobjektet. Det er hastigheten på penetrering gjennom den potensielle barrieren som har blitt gjenstand for forskning av en rekke fysikere, som mener at den kan overstige ca.
I juni 1998 ble det holdt et internasjonalt symposium om problemene med superluminal bevegelse i Köln, hvor resultatene oppnådd i fire laboratorier ble diskutert - i Berkeley, Wien, Köln og Firenze.
Og til slutt, i 2000, dukket det opp rapporter om to nye eksperimenter der effektene av superluminal forplantning dukket opp. En av dem ble utført av Lijun Wong og hans kolleger ved Princeton Research Institute (USA). Resultatet er at en lyspuls som kommer inn i et kammer fylt med cesiumdamp øker hastigheten med 300 ganger. Det viste seg at hoveddelen av pulsen forlot den fjerneste veggen av kammeret enda tidligere enn pulsen kom inn i kammeret gjennom frontveggen. Denne situasjonen motsier ikke bare sunn fornuft, men i hovedsak relativitetsteorien.
L. Wongs budskap forårsaket intens diskusjon blant fysikere, hvorav de fleste ikke var tilbøyelige til å se et brudd på relativitetsprinsippene i de oppnådde resultatene. Utfordringen mener de er å forklare dette eksperimentet riktig.
I L. Wongs eksperiment hadde lyspulsen som kom inn i kammeret med cesiumdamp en varighet på ca. 3 μs. Cesiumatomer kan eksistere i seksten mulige kvantemekaniske tilstander, kalt "hyperfine magnetiske undernivåer av grunntilstanden." Ved å bruke optisk laserpumping ble nesten alle atomer brakt inn i bare én av disse seksten tilstandene, tilsvarende nesten absolutt nulltemperatur på Kelvin-skalaen (-273,15 ° C). Lengden på cesiumkammeret var 6 centimeter. I et vakuum beveger lyset seg 6 centimeter på 0,2 ns. Som målingene viste gikk lyspulsen gjennom kammeret med cesium i en tid som var 62 ns mindre enn i vakuum. Med andre ord, tiden det tar før en puls passerer gjennom et cesiummedium har et minustegn! Faktisk, hvis vi trekker 62 ns fra 0,2 ns, får vi "negativ" tid. Denne "negative forsinkelsen" i mediet - et uforståelig tidshopp - er lik tiden som pulsen ville gjort 310 passeringer gjennom kammeret i et vakuum. Konsekvensen av denne "tidsmessige reverseringen" var at pulsen som forlot kammeret klarte å bevege seg 19 meter unna den før den innkommende pulsen nådde nærveggen av kammeret. Hvordan kan en så utrolig situasjon forklares (med mindre vi selvfølgelig tviler på renheten til eksperimentet)?
Ut fra den pågående diskusjonen er det ennå ikke funnet en eksakt forklaring, men det er ingen tvil om at de uvanlige spredningsegenskapene til mediet spiller en rolle her: cesiumdamp, bestående av atomer eksitert av laserlys, er et medium med unormal spredning . La oss kort huske hva det er.
Spredningen av et stoff er avhengigheten av fase (vanlig) brytningsindeks n på lysbølgelengden l. Ved normal spredning øker brytningsindeksen med avtagende bølgelengde, og dette er tilfellet i glass, vann, luft og alle andre lysgjennomsiktige stoffer. I stoffer som sterkt absorberer lys, reverseres forløpet av brytningsindeksen med en endring i bølgelengde og blir mye brattere: med synkende l (økende frekvens w), synker brytningsindeksen kraftig og i et bestemt bølgelengdeområde blir mindre enn enhet ( fasehastighet Vf > s ). Dette er unormal spredning, der mønsteret for lysutbredelse i et stoff endres radikalt. Gruppehastigheten Vgr blir større enn fasehastigheten til bølgene og kan overstige lyshastigheten i vakuum (og også bli negativ). L. Wong peker på denne omstendigheten som årsaken til muligheten for å forklare resultatene av eksperimentet hans. Det bør imidlertid bemerkes at betingelsen Vgr > c er rent formell, siden konseptet gruppehastighet ble introdusert for tilfellet med liten (normal) spredning, for transparente medier, når en gruppe bølger nesten ikke endrer form under forplantning. I områder med unormal spredning blir lyspulsen raskt deformert og begrepet gruppehastighet mister sin betydning; i dette tilfellet introduseres begrepene signalhastighet og energiutbredelseshastighet, som i transparente medier sammenfaller med gruppehastigheten, og i medier med absorpsjon forblir mindre enn lyshastigheten i vakuum. Men her er det som er interessant med Wongs eksperiment: en lyspuls som passerer gjennom et medium med unormal spredning, blir ikke deformert - den beholder nøyaktig sin form! Og dette tilsvarer antakelsen om at impulsen forplanter seg med gruppehastighet. Men i så fall, så viser det seg at det ikke er noen absorpsjon i mediet, selv om den unormale spredningen av mediet skyldes nettopp absorpsjon! Wong selv, selv om han erkjenner at mye fortsatt er uklart, mener at det som skjer i hans eksperimentelle oppsett kan, til en første tilnærming, tydelig forklares som følger.
En lyspuls består av mange komponenter med forskjellige bølgelengder (frekvenser). Figuren viser tre av disse komponentene (bølge 1-3). På et tidspunkt er alle tre bølgene i fase (deres maksima faller sammen); her forsterker de hverandre og danner en impuls. Etter hvert som de forplanter seg videre i rommet, blir bølgene utfaset og "opphever" hverandre derved.
I området med unormal spredning (inne i cesiumcellen) blir bølgen som var kortere (bølge 1) lengre. Motsatt blir bølgen som var den lengste av de tre (bølge 3) den korteste.
Følgelig endres fasene til bølgene tilsvarende. Når bølgene har passert gjennom cesiumcellen, gjenopprettes bølgefrontene deres. Etter å ha gjennomgått en uvanlig fasemodulering i et stoff med unormal spredning, befinner de tre aktuelle bølgene seg igjen i fase på et tidspunkt. Her legger de seg opp igjen og danner en puls av nøyaktig samme form som den som kommer inn i cesiummediet.
Typisk i luft, og faktisk i et hvilket som helst gjennomsiktig medium med normal spredning, kan ikke en lyspuls nøyaktig opprettholde sin form når den forplanter seg over en fjern avstand, det vil si at alle dens komponenter ikke kan fases på noe fjernt punkt langs forplantningsbanen. Og under normale forhold vises en lyspuls på et så fjernt punkt etter en stund. På grunn av de unormale egenskapene til mediet som ble brukt i eksperimentet, viste det seg imidlertid at pulsen på et avsidesliggende punkt ble faset på samme måte som når den gikk inn i dette mediet. Dermed oppfører lyspulsen seg som om den hadde en negativ tidsforsinkelse på vei til et fjernt punkt, det vil si at den ville ankomme den ikke senere, men tidligere enn den hadde passert gjennom mediet!
De fleste fysikere er tilbøyelige til å assosiere dette resultatet med utseendet til en lavintensitetsforløper i det dispersive mediet i kammeret. Faktum er at under den spektrale dekomponeringen av en puls, inneholder spekteret komponenter med vilkårlig høye frekvenser med ubetydelig liten amplitude, den såkalte forløperen, som går foran "hoveddelen" av pulsen. Arten av etablering og formen til forløperen avhenger av loven om spredning i miljøet. Med dette i bakhodet foreslås hendelsesforløpet i Wongs eksperiment tolket som følger. Den innkommende bølgen, som "strekker" forvarselen foran seg, nærmer seg kameraet. Før toppen av den innkommende bølgen treffer den nære veggen av kammeret, initierer forløperen utseendet til en puls i kammeret, som når den fjerne veggen og reflekteres fra den, og danner en "omvendt bølge." Denne bølgen, som forplanter seg 300 ganger raskere enn c, når nærveggen og møter den innkommende bølgen. Toppene av en bølge møter dalene til en annen, slik at de ødelegger hverandre og som et resultat er det ingenting igjen. Det viser seg at den innkommende bølgen "tilbakebetaler gjelden" til cesiumatomene, som "lånte" energi til den i den andre enden av kammeret. Alle som bare så begynnelsen og slutten av eksperimentet ville bare se en lyspuls som "hoppet" fremover i tid, og beveget seg raskere enn ca.
L. Wong mener at eksperimentet hans ikke stemmer overens med relativitetsteorien. Utsagnet om uoppnåelighet av superluminal hastighet, mener han, gjelder kun objekter med hvilemasse. Lys kan representeres enten i form av bølger, hvor begrepet masse generelt ikke er anvendelig, eller i form av fotoner med en hvilemasse, som kjent, lik null. Derfor er ikke lysets hastighet i et vakuum, ifølge Wong, grensen. Wong innrømmer imidlertid at effekten han oppdaget ikke gjør det mulig å overføre informasjon med hastigheter høyere enn ca.
"Informasjonen her er allerede inneholdt i forkanten av pulsen," sier P. Milonni, en fysiker ved Los Alamos National Laboratory i USA. "Og det kan gi inntrykk av å sende informasjon raskere enn lyset, selv når du sender den ikke."
De fleste fysikere mener at det nye verket ikke gir et knusende slag for grunnleggende prinsipper. Men ikke alle fysikere tror at problemet er løst. Professor A. Ranfagni, fra den italienske forskningsgruppen som gjennomførte nok et interessant eksperiment i 2000, mener at spørsmålet fortsatt er åpent. Dette eksperimentet, utført av Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni og Rocco Ruggeri, oppdaget at centimeterbølge radiobølger i normal flyreise med hastigheter 25 % raskere enn ca.
For å oppsummere kan vi si følgende.
Arbeid de siste årene viser at under visse forhold faktisk kan oppstå superluminal hastighet. Men hva er det egentlig som beveger seg i superluminal hastighet? Relativitetsteorien, som allerede nevnt, forbyr slik hastighet for materielle kropper og for signaler som bærer informasjon. Likevel prøver noen forskere veldig vedvarende å demonstrere å overvinne lysbarrieren spesifikt for signaler. Årsaken til dette ligger i det faktum at i den spesielle relativitetsteorien er det ingen streng matematisk begrunnelse (basert for eksempel på Maxwells ligninger for det elektromagnetiske feltet) for umuligheten av å overføre signaler med hastigheter større enn c. En slik umulighet i STR er etablert, kan man si, rent aritmetisk, basert på Einsteins formel for å legge til hastigheter, men dette er fundamentalt bekreftet av kausalitetsprinsippet. Einstein selv, med tanke på spørsmålet om superluminal signaloverføring, skrev at i dette tilfellet "... vi er tvunget til å vurdere en mulig signaloverføringsmekanisme, der den oppnådde handlingen går foran årsaken, men selv om dette er et resultat av et rent logisk punkt synet inneholder ikke seg selv, etter min mening er det ingen motsetninger, det motsier likevel naturen av hele vår erfaring at umuligheten av antagelsen V > c synes å være tilstrekkelig bevist." Kausalitetsprinsippet er hjørnesteinen som ligger til grunn for umuligheten av superluminal signaloverføring. Og tilsynelatende vil alle søk etter superluminale signaler uten unntak snuble over denne steinen, uansett hvor mye eksperimentører ønsker å oppdage slike signaler, for slik er vår verdens natur.
Men la oss likevel forestille oss at relativitetsmatematikken fortsatt vil fungere i superluminale hastigheter. Dette betyr at vi teoretisk fortsatt kan finne ut hva som ville skje hvis en kropp skulle overskride lysets hastighet.
La oss forestille oss to romskip på vei fra jorden mot en stjerne som er 100 lysår unna planeten vår. Det første skipet forlater jorden med 50 % av lysets hastighet, så det vil ta 200 år å fullføre reisen. Det andre skipet, utstyrt med en hypotetisk warp-drift, vil reise med 200 % av lysets hastighet, men 100 år etter det første. Hva vil skje?
I følge relativitetsteorien avhenger det riktige svaret i stor grad av observatørens perspektiv. Fra jorden vil det se ut til at det første skipet allerede har tilbakelagt et betydelig stykke før det ble forbigått av det andre skipet, som beveger seg fire ganger raskere. Men fra synspunktet til menneskene på det første skipet, er alt litt annerledes.
Skip nr. 2 beveger seg raskere enn lyset, noe som betyr at det til og med kan overgå lyset det selv sender ut. Dette resulterer i en slags "lysbølge" (lik en lydbølge, men i stedet for luftvibrasjoner er det lysbølger som vibrerer) som gir opphav til flere interessante effekter. Husk at lyset fra skip #2 beveger seg langsommere enn selve skipet. Resultatet blir visuell dobling. Med andre ord, først vil mannskapet på skip nr. 1 se at det andre skipet har dukket opp ved siden av dem som fra ingensteds. Deretter vil lyset fra det andre skipet nå det første med en liten forsinkelse, og resultatet vil være en synlig kopi som vil bevege seg i samme retning med en liten forsinkelse.
Noe lignende kan sees i dataspill, når motoren, som et resultat av en systemfeil, laster modellen og dens algoritmer ved endepunktet av bevegelsen raskere enn selve bevegelsesanimasjonen avsluttes, slik at flere opptak oppstår. Dette er sannsynligvis grunnen til at vår bevissthet ikke oppfatter det hypotetiske aspektet av universet der kropper beveger seg i superluminale hastigheter - kanskje dette er det beste.
P.S. ... men i det siste eksemplet forsto jeg ikke noe, hvorfor den virkelige posisjonen til skipet er assosiert med "lyset som sendes ut av det"? Vel, selv om de ser ham på feil sted, vil han i virkeligheten overta det første skipet!
kilder
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 ba de andre forskere om å hjelpe dem med å finne ut 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 på 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?
«Når 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.
Imidlertid beveger lyset seg mye saktere 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 har å gjøre med en mann som heter Albert Einstein, slik det ofte er 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, selve 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 sola 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 går 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 deformere romtiden for å bevege seg raskere enn 300 000 km/s i forhold til noen andre?
Cleaver utforsket også ideen om en "Alcubierre-motor", foreslått av den teoretiske fysikeren Miguel Alcubierre 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. Så langt er den eneste måten å besøke en eksoplanet i løpet av livet på 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 bygde infrastrukturen til Internett, for eksempel, og radio før den, basert på lys, har å gjøre med hvor enkelt 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?