Prędkość światła jest jedną z uniwersalnych stałych fizycznych, nie zależy od wyboru inercjalnego układu odniesienia i opisuje właściwości czasoprzestrzeni jako całości. Prędkość światła w próżni wynosi 299 792 458 metrów na sekundę i jest to maksymalna prędkość ruchu cząstek i propagacji oddziaływań. Tego uczą nas szkolne podręczniki do fizyki. Można też pamiętać, że masa ciała nie jest stała i w miarę zbliżania się prędkości do prędkości światła dąży do nieskończoności. Dlatego fotony – cząstki bez masy – poruszają się z prędkością światła, podczas gdy w przypadku cząstek posiadających masę jest to znacznie trudniejsze.
Jednak międzynarodowy zespół naukowców z zakrojonego na szeroką skalę eksperymentu OPERA zlokalizowanego pod Rzymem jest gotowy polemizować z elementarną prawdą.
Udało mu się wykryć neutrina, które, jak wykazały eksperymenty, poruszają się z prędkościami większymi od prędkości światła,
podaje służba prasowa Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych (CERN).
Eksperyment OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) bada najbardziej obojętne cząstki we Wszechświecie – neutrina. Są tak bezwładne, że mogą przelecieć przez cały glob, gwiazdy i planety, a aby trafić w żelazną barierę, rozmiar tej bariery musi wynosić od Słońca do Jowisza. W każdej sekundzie przez ciało każdego człowieka na Ziemi przechodzi około 10 14 neutrin emitowanych przez Słońce. Prawdopodobieństwo, że przynajmniej jeden z nich trafi w tkankę ludzką przez całe życie, dąży do zera. Z tych powodów neutrina są niezwykle trudne do wykrycia i zbadania. Laboratoria, które się tym zajmują, znajdują się głęboko pod górami, a nawet pod lodem Antarktydy.
OPERA odbiera wiązkę neutrin z CERN-u, w którym znajduje się Wielki Zderzacz Hadronów. Jego „młodszy brat” – synchrotron superprotonowy (SPS) – kieruje wiązkę światła bezpośrednio pod ziemią w stronę Rzymu. Powstała wiązka neutrin przechodzi przez grubość skorupy ziemskiej, oczyszczając się w ten sposób z innych cząstek zatrzymywanych przez substancję skorupy ziemskiej, i trafia prosto do laboratorium w Gran Sasso, ukrytego pod skałą o głębokości 1200 m.
Neutrina pokonują podziemną ścieżkę o długości 732 km w 2,5 milisekundy.
Detektor projektu OPERA, składający się z około 150 tysięcy elementów i ważący 1300 ton, „łapie” neutrina i je bada. W szczególności głównym celem jest badanie tzw. oscylacji neutrin – przejść z jednego rodzaju neutrina na drugi.
Zapierające dech w piersiach wyniki dotyczące przekraczania prędkości światła potwierdzają poważne statystyki: laboratorium w Gran Sasso zaobserwowało około 15 tysięcy neutrin. Naukowcy to odkryli
Neutrina poruszają się z prędkością o 20 części na milion większą niż prędkość światła – jest to „nieomylne” ograniczenie prędkości.
Wynik ten był dla nich zaskoczeniem i nie zaproponowano jeszcze żadnego wyjaśnienia. Naturalnie, aby temu zaprzeczyć lub potwierdzić, wymagane są niezależne eksperymenty przeprowadzone przez inne grupy na innym sprzęcie - ta zasada „podwójnej ślepej kontroli” jest również wdrażana w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN. Współpraca OPERA natychmiast opublikowała swoje wyniki, aby umożliwić współpracownikom na całym świecie ich przetestowanie. Szczegółowy opis pracy dostępny jest na stronie wydawnictwa Arxiv.Org.
Oficjalna prezentacja wyników odbędzie się dzisiaj na seminarium w CERN o godzinie 18.00 czasu moskiewskiego. tłumaczenie on-line.
„Te dane były całkowitym zaskoczeniem. Po miesiącach gromadzenia, analizowania, czyszczenia i sprawdzania danych nie znaleźliśmy możliwego źródła błędu systemu ani w algorytmie przetwarzania danych, ani w detektorze. Dlatego publikujemy nasze wyniki, kontynuujemy pracę i mamy też nadzieję, że niezależne pomiary innych grup pomogą zrozumieć naturę tej obserwacji” – powiedział lider eksperymentu OPERA Antonio Ereditato z Uniwersytetu w Bernie, cytowany przez służbę prasową CERN.
„Kiedy naukowcy eksperymentalni odkrywają nieprawdopodobny wynik i nie mogą znaleźć artefaktu, który by to wyjaśniał, zwracają się do swoich kolegów z innych grup, aby rozpoczęli szersze badanie problemu. Jest to dobra tradycja naukowa, a obecnie współpraca OPERA ją kontynuuje.
Jeżeli obserwacje przekroczenia prędkości światła się potwierdzą, mogłoby to zmienić nasze rozumienie fizyki, jednak musimy zadbać o to, aby nie istniało dla nich inne, bardziej banalne wytłumaczenie.
Dlatego potrzebne są niezależne eksperymenty” – powiedział dyrektor naukowy CERN Sergio Bertolucci.
Pomiary OPERA są niezwykle dokładne. Tym samym odległość od punktu wystrzelenia neutrin do punktu ich rejestracji (ponad 730 km) znana jest z dokładnością do 20 cm, a czas przelotu mierzony jest z dokładnością do 10 nanosekund.
Eksperyment OPERA trwa od 2006 roku. Bierze w nim udział około 200 fizyków z 36 instytutów i 13 krajów, w tym z Rosji.
Często o tym mówimy maksymalna prędkość światła w naszym Wszechświecie i że nic nie może poruszać się szybciej niż prędkość światła w próżni. A tym bardziej – my. Zbliżając się do prędkości bliskiej światła, obiekt zyskuje masę i energię, co albo go niszczy, albo zaprzecza ogólnej teorii względności Einsteina. Powiedzmy, że w to wierzymy i szukamy obejścia (albo wymyślimy), aby polecieć do najbliższej gwiazdy nie na 75 000 lat, ale na kilka tygodni. Ponieważ jednak niewielu z nas ma wyższe wykształcenie fizyczne, nie jest jasne, dlaczego tak mówią na ulicach prędkość światła jest maksymalna, stała i równa 300 000 km/s?
Istnieje wiele prostych i intuicyjnych wyjaśnień, dlaczego tak się dzieje, ale możesz zacząć je nienawidzić. Wyszukiwanie w Internecie doprowadzi Cię do koncepcji „masy relatywistycznej” i tego, jak wymagana jest większa siła, aby przyspieszyć obiekt, który już porusza się z dużą prędkością. Jest to znany sposób interpretacji aparatu matematycznego szczególnej teorii względności, ale wprowadza w błąd wielu, a zwłaszcza Was, naszych drogich czytelników. Ponieważ wielu z Was (i my też) czuje smak wysokiej fizyki, jakby zanurzył palec u nogi w słonej wodzie przed pływaniem. W rezultacie staje się ono znacznie bardziej złożone i mniej piękne, niż jest w rzeczywistości.
Omówmy to zagadnienie z punktu widzenia interpretacji geometrycznej zgodnej z ogólną teorią względności. Jest to mniej oczywiste, ale trochę bardziej skomplikowane niż rysowanie strzałek na papierze, więc wielu z Was natychmiast zrozumie teorię ukrytą za abstrakcjami takimi jak „siła” i jawnymi kłamstwami, takimi jak „masa relatywistyczna”.
Najpierw zdefiniujmy czym jest kierunek, abyśmy mogli jasno określić nasze miejsce. „W dół” to kierunek. Definiuje się go jako kierunek, w którym spadają rzeczy, gdy pozwalasz im odejść. „W górę” jest kierunkiem przeciwnym do „w dół”. Weź kompas i wyznacz dodatkowe kierunki: północ, południe, zachód i wschód. Wszystkie te kierunki są definiowane przez poważnych ludzi jako „podstawa ortonormalna (lub ortogonalna), ale lepiej teraz o tym nie myśleć. Załóżmy, że te sześć kierunków ma charakter absolutny, gdyż będą istnieć tam, gdzie zajmiemy się naszą złożoną kwestią.
Dodajmy teraz jeszcze dwa kierunki: do przyszłości i do przeszłości. Nie możesz łatwo poruszać się w tych kierunkach samodzielnie, ale wyobrażenie sobie ich powinno być dla ciebie wystarczająco łatwe. Przyszłość jest kierunkiem, w którym nadchodzi jutro; przeszłość jest kierunkiem, w którym jest wczoraj.
Te osiem głównych kierunków – góra, dół, północ, południe, zachód, wschód, przeszłość i przyszłość – opisuje podstawową geometrię wszechświata. Każdą parę tych kierunków możemy nazwać „wymiarem” i dlatego żyjemy w czterowymiarowym Wszechświecie. Innym terminem definiującym to czterowymiarowe rozumienie byłaby „czasoprzestrzeń”, ale będziemy starali się unikać używania tego terminu. Pamiętaj tylko, że w naszym kontekście „czasoprzestrzeń” będzie równoznaczna z pojęciem „Wszechświata”.
Witamy na scenie. Przyjrzyjmy się aktorom.
Siedząc teraz przed komputerem, jesteś w ruchu. Nie czujesz tego. Wydaje Ci się, że odpoczywasz. Dzieje się tak tylko dlatego, że wszystko wokół ciebie również porusza się względem ciebie. Nie, nie myślcie, że mówimy o Ziemi krążącej wokół Słońca lub Słońcu poruszającym się przez galaktykę i ciągnącym nas za sobą. To oczywiście prawda, ale nie o tym teraz mówimy. Przez ruch rozumiemy ruch w stronę „przyszłości”.
Wyobraź sobie, że jesteś w wagonie kolejowym z zamkniętymi oknami. Nie widać ulicy i, powiedzmy, szyny są tak idealne, że nie czuje się, czy pociąg jedzie, czy nie. Dlatego siedząc w pociągu nie możesz stwierdzić, czy faktycznie podróżujesz, czy nie. Wyjrzyj na zewnątrz, a zdasz sobie sprawę, że krajobraz pędzi. Ale okna są zamknięte.
Jest tylko jeden sposób, aby dowiedzieć się, czy się poruszasz, czy nie. Po prostu usiądź i poczekaj. Jeśli pociąg pozostanie na stacji, nic się nie stanie. Ale jeśli pociąg jest w ruchu, prędzej czy później dotrzesz na nową stację.
W tej metaforze powóz reprezentuje wszystko, co możemy zobaczyć w otaczającym nas świecie – dom, kotka Vaska, gwiazdy na niebie itp. „Następna stacja – jutro”.
Jeśli będziesz siedzieć bez ruchu, a kot Vaska śpi spokojnie przez wyznaczone mu godziny w ciągu dnia, nie poczujesz ruchu. Ale jutro na pewno nadejdzie.
To właśnie oznacza podążanie w stronę przyszłości. Tylko czas pokaże, co jest prawdą: ruch czy parkowanie.
Jak dotąd wszystko powinno być dość łatwe do wyobrażenia. Myślenie o czasie jako o kierunku może być trudne, a tym bardziej o sobie jako o przedmiocie przechodzącym przez czas. Ale zrozumiesz. Teraz użyj swojej wyobraźni.
Wyobraź sobie, że gdy jedziesz samochodem, dzieje się coś strasznego: psują się hamulce. Dziwnym zbiegiem okoliczności w tym samym momencie zacięła się gaz i skrzynia biegów. Nie możesz ani przyspieszyć, ani zatrzymać się. Jedyne co masz to kierownica. Możesz zmienić kierunek ruchu, ale nie jego prędkość.
Oczywiście pierwszą rzeczą, którą zrobisz, będzie próba wjechania w miękki krzak i jakoś ostrożnie zatrzymanie samochodu. Ale nie używajmy na razie tej techniki. Skupmy się na specyfice Twojego wadliwego samochodu: możesz zmienić kierunek, ale nie prędkość.
W ten sposób poruszamy się po Wszechświecie. Masz kierownicę, ale nie masz pedałów. Kiedy tak siedzisz i czytasz ten artykuł, z pełną prędkością zmierzasz ku świetlanej przyszłości. A kiedy wstaniesz, żeby zrobić sobie herbatę, zmieniasz kierunek ruchu w czasoprzestrzeni, ale nie jego prędkość. Jeśli poruszasz się bardzo szybko w przestrzeni, czas będzie płynął nieco wolniej.
Łatwo to sobie wyobrazić, rysując kilka osi na papierze. Oś, która będzie poruszać się w górę i w dół, to oś czasu, góra oznacza przyszłość. Oś pozioma reprezentuje przestrzeń. Możemy narysować tylko jeden wymiar przestrzeni, ponieważ kartka papieru jest dwuwymiarowa, ale wyobraźmy sobie, że ta koncepcja ma zastosowanie do wszystkich trzech wymiarów przestrzeni.
Narysuj strzałkę od początku osi współrzędnych, gdzie się zbiegają, i skieruj ją w górę wzdłuż osi pionowej. Nie ma znaczenia, jak długi jest, pamiętaj tylko, że będzie dostępny tylko w jednej długości. Ta strzałka, skierowana teraz w przyszłość, reprezentuje wielkość, którą fizycy nazywają „czterema prędkościami”. Jest to prędkość twojego ruchu w czasoprzestrzeni. W tej chwili jesteś w stanie stacjonarnym, więc strzałka wskazuje tylko przyszłość.
Jeśli chcesz poruszać się w przestrzeni – w prawo wzdłuż osi współrzędnych – musisz zmienić swoją czterobiegową prędkość i uwzględnić komponent poziomy. Okazuje się, że musisz obrócić strzałkę. Ale gdy tylko to zrobisz, zauważysz, że strzałka nie jest już skierowana w górę, w przyszłość, tak pewnie jak wcześniej. Poruszasz się teraz w przestrzeni, ale musiałeś poświęcić przyszły ruch, ponieważ czterobiegowa igła może się tylko obracać, ale nigdy nie rozciąga się ani nie kurczy.
Tutaj zaczyna się słynny efekt „dylatacji czasu”, o którym mówią wszyscy, nawet trochę wtajemniczeni w szczególną teorię względności. Jeśli poruszasz się w przestrzeni, nie poruszasz się w czasie tak szybko, jak mógłbyś, gdybyś siedział nieruchomo. Twój zegarek będzie odliczał czas wolniej niż zegarek osoby, która się nie porusza.
I teraz dochodzimy do rozwiązania pytania, dlaczego wyrażenie „szybszy od światła” nie ma żadnego znaczenia w naszym wszechświecie. Zobacz, co się stanie, jeśli będziesz chciał jak najszybciej poruszać się po przestrzeni. Obracasz igłę czterobiegową do końca, aż będzie wskazywała wzdłuż osi poziomej. Pamiętamy, że strzała nie może się rozciągnąć. Może się tylko obracać. Zwiększyłeś więc prędkość w przestrzeni tak bardzo, jak to możliwe. Jednak szybsze poruszanie się stało się niemożliwe. Nie ma gdzie obrócić strzałki, w przeciwnym razie stanie się „prosta niż prosta” lub „pozioma niż pozioma”. Jest to koncepcja, którą utożsamiamy z „szybszym niż światło”. Po prostu nie da się nakarmić wielkiego ludu trzema rybami i siedmioma bochenkami chleba.
Dlatego nic w naszym wszechświecie nie może poruszać się szybciej niż światło. Ponieważ wyrażenie „szybciej niż światło” w naszym wszechświecie jest równoważne wyrażeniu „prosto niż prosto” lub „poziomo niż poziomo”.
Tak, nadal masz kilka pytań. Dlaczego wektory czterobiegowe mogą się tylko obracać, ale nie rozciągają? Istnieje odpowiedź na to pytanie, ale ma ona związek z niezmiennością prędkości światła, ale zostawmy to na później. A jeśli po prostu w to uwierzysz, będziesz nieco mniej poinformowany na ten temat niż najwybitniejsi fizycy, którzy kiedykolwiek chodzili po planecie.
Sceptycy mogą zastanawiać się, dlaczego używamy uproszczonego modelu geometrii przestrzeni, mówiąc o obrotach i okręgach euklidesowych. W prawdziwym świecie geometria czasoprzestrzeni jest zgodna z geometrią Minkowskiego, a rotacje są hiperboliczne. Ale prosta wersja wyjaśnienia ma prawo do życia.
Oprócz prostego wyjaśnienia tego, .
Jak wiadomo, fotony, cząstki światła tworzące światło, poruszają się z prędkością światła. Pomoże nam w tym szczególna teoria względności.
W filmach science fiction międzygwiezdne statki kosmiczne prawie zawsze latają z prędkością światła. Jest to zwykle to, co pisarze science fiction nazywają hiperprędkością. Zarówno pisarze, jak i reżyserzy filmowi opisują ją i pokazują nam ją, posługując się niemal tą samą techniką artystyczną. Najczęściej, aby statek mógł dokonać szybkiego przebicia, bohaterowie pociągają lub wciskają przycisk na elemencie sterującym, a pojazd natychmiast przyspiesza, rozpędzając się niemal do prędkości światła z ogłuszającym hukiem. Gwiazdy, które widz widzi za burtą statku, najpierw migoczą, a następnie całkowicie rozciągają się w linie. Ale czy tak naprawdę wyglądają gwiazdy widziane z okien statku kosmicznego jadącego z nadmierną prędkością? Naukowcy twierdzą, że nie. W rzeczywistości pasażerowie statku zamiast gwiazd ułożonych w linii widzieliby jedynie jasny dysk.
Jeśli obiekt porusza się niemal z prędkością światła, może zaobserwować efekt Dopplera w akcji. W fizyce jest to nazwa zmiany częstotliwości i długości fali spowodowanej szybkim ruchem odbiornika. Częstotliwość światła gwiazd migających przed widzem ze statku wzrośnie tak bardzo, że przesunie się z zakresu widzialnego do części widma rentgenowskiego. Gwiazdy wydają się znikać! Jednocześnie zmniejszy się długość reliktowego promieniowania elektromagnetycznego pozostałego po Wielkim Wybuchu. Promieniowanie tła stanie się widoczne i pojawi się jako jasny dysk, blaknący na krawędziach.
Ale jak wygląda świat od strony obiektu, który osiągnie prędkość światła? Jak wiadomo, fotony, czyli cząsteczki światła, z których się składają, poruszają się z takimi prędkościami. Pomoże nam w tym szczególna teoria względności. Zgodnie z nią, gdy obiekt porusza się z prędkością światła przez dowolny okres czasu, czas poświęcony na ruch tego obiektu staje się równy zeru. Krótko mówiąc, jeśli poruszasz się z prędkością światła, niemożliwe jest wykonanie jakiejkolwiek czynności, takiej jak obserwacja, widzenie, widzenie i tak dalej. Obiekt poruszający się z prędkością światła tak naprawdę nic nie zobaczy.
Fotony zawsze poruszają się z prędkością światła. Nie tracą czasu na przyspieszanie i hamowanie, dzięki czemu całe ich życie trwa dla nich zero czasu. Gdybyśmy byli fotonami, to nasze momenty narodzin i śmierci zbiegałyby się, to znaczy po prostu nie zdawalibyśmy sobie sprawy, że świat w ogóle istnieje. Warto zauważyć, że jeśli obiekt przyspiesza do prędkości światła, to jego prędkość we wszystkich układach odniesienia staje się równa prędkości światła. To jest fizyka fotografii. Stosując szczególną teorię względności możemy stwierdzić, że dla obiektu poruszającego się z prędkością światła cały otaczający go świat będzie wydawał się nieskończenie spłaszczony, a wszystkie zachodzące w nim zdarzenia będą miały miejsce w jednym momencie.
We wrześniu 2011 roku fizyk Antonio Ereditato zaszokował świat. Jego stwierdzenie może zrewolucjonizować nasze rozumienie wszechświata. Jeśli dane zebrane przez 160 naukowców projektu OPERA były prawidłowe, zaobserwowano coś niewiarygodnego. Cząstki – w tym przypadku neutrina – poruszały się szybciej niż światło. Według teorii względności Einsteina jest to niemożliwe. A konsekwencje takiej obserwacji byłyby niewiarygodne. Być może trzeba będzie ponownie rozważyć same podstawy fizyki.
Chociaż Ereditato stwierdził, że on i jego zespół byli „niezwykle pewni” swoich wyników, nie powiedzieli, że dane są całkowicie dokładne. Zamiast tego poprosili innych naukowców, aby pomogli im dowiedzieć się, co się dzieje.
Ostatecznie okazało się, że wyniki OPERA były błędne. Z powodu źle podłączonego kabla wystąpił problem z synchronizacją, a sygnały z satelitów GPS były niedokładne. Wystąpiło nieoczekiwane opóźnienie sygnału. W rezultacie pomiary czasu potrzebnego neutrinom na przebycie określonej odległości wykazały dodatkowe 73 nanosekundy: wydawało się, że neutrina poruszają się szybciej niż światło.
Pomimo miesięcy dokładnych testów przed rozpoczęciem eksperymentu i ponownego sprawdzenia danych po jego zakończeniu, naukowcy poważnie się mylili. Ereditato zrezygnował pomimo wielu komentarzy, że takie błędy zawsze występowały ze względu na ekstremalną złożoność akceleratorów cząstek.
Dlaczego sugestia – po prostu sugestia – że coś może poruszać się szybciej niż światło, wywołała takie zamieszanie? Jaką mamy pewność, że nic nie jest w stanie pokonać tej bariery?
Przyjrzyjmy się najpierw drugiemu z tych pytań. Prędkość światła w próżni wynosi 299 792,458 kilometrów na sekundę - dla wygody liczbę tę zaokrągla się do 300 000 kilometrów na sekundę. To całkiem szybkie. Słońce znajduje się 150 milionów kilometrów od Ziemi, a jego światło dociera do Ziemi w zaledwie osiem minut i dwadzieścia sekund.
Czy któreś z naszych dzieł może konkurować w wyścigu ze światłem? Sonda kosmiczna New Horizons, jeden z najszybszych obiektów stworzonych przez człowieka, jaki kiedykolwiek zbudowano, przeleciał obok Plutona i Charona w lipcu 2015 roku. Osiągnął prędkość względem Ziemi 16 km/s. Znacznie mniej niż 300 000 km/s.
Mieliśmy jednak maleńkie cząstki, które poruszały się dość szybko. We wczesnych latach sześćdziesiątych William Bertozzi z MIT eksperymentował z przyspieszaniem elektronów do jeszcze większych prędkości.
Ponieważ elektrony mają ładunek ujemny, można je przyspieszyć, a dokładniej, odepchnąć, przykładając ten sam ładunek ujemny do materiału. Im więcej energii zostanie przyłożone, tym szybciej elektrony przyspieszają.
Można by pomyśleć, że aby osiągnąć prędkość 300 000 km/s, wystarczyłoby zwiększyć zastosowaną energię. Okazuje się jednak, że elektrony po prostu nie mogą poruszać się tak szybko. Eksperymenty Bertozziego wykazały, że użycie większej ilości energii nie prowadzi do wprost proporcjonalnego wzrostu prędkości elektronów.
Zamiast tego trzeba było zastosować ogromne ilości dodatkowej energii, aby choćby nieznacznie zmienić prędkość elektronów. Zbliżała się coraz bardziej do prędkości światła, ale nigdy jej nie osiągnęła.
Wyobraź sobie, że zbliżasz się do drzwi małymi krokami, przy czym każdy krok obejmuje połowę odległości od aktualnej pozycji do drzwi. Ściśle mówiąc, nigdy nie dotrzesz do drzwi, bo po każdym wykonanym kroku będziesz miał jeszcze kawałek do pokonania. Bertozzi napotkał mniej więcej ten sam problem, zajmując się swoimi elektronami.
Ale światło składa się z cząstek zwanych fotonami. Dlaczego te cząstki mogą poruszać się z prędkością światła, a elektrony nie?
„W miarę jak obiekty poruszają się coraz szybciej, stają się cięższe – im cięższe, tym trudniej jest im przyspieszyć, więc nigdy nie osiągniesz prędkości światła” – mówi Roger Rassoul, fizyk z Uniwersytetu w Melbourne w Australii. „Foton nie ma masy. Gdyby miał masę, nie mógłby poruszać się z prędkością światła.”
Fotony są wyjątkowe. Nie tylko nie mają masy, co zapewnia im pełną swobodę poruszania się w próżni kosmicznej, ale także nie potrzebują przyspieszania. Naturalna energia, którą posiadają, porusza się falami tak samo jak one, więc kiedy powstają, mają już maksymalną prędkość. W pewnym sensie łatwiej jest myśleć o świetle jako o energii, a nie o strumieniu cząstek, choć w rzeczywistości światło to jedno i drugie.
Jednak światło przemieszcza się znacznie wolniej, niż moglibyśmy się spodziewać. Chociaż technolodzy internetowi lubią mówić o komunikacji przebiegającej z „prędkością światła” w światłowodach, światło w światłowodzie szklanym przemieszcza się o 40% wolniej niż w próżni.
W rzeczywistości fotony poruszają się z prędkością 300 000 km/s, ale napotykają na pewną ilość zakłóceń powodowanych przez inne fotony emitowane przez atomy szkła, gdy przechodzi przez nie główna fala świetlna. Może nie jest to łatwe do zrozumienia, ale przynajmniej próbowaliśmy.
W ten sam sposób, w ramach specjalnych eksperymentów z pojedynczymi fotonami, udało się w imponujący sposób je spowolnić. Ale w większości przypadków wystarczyłaby liczba 300 000. Nie widzieliśmy ani nie zbudowaliśmy niczego, co poruszałoby się tak szybko lub nawet szybciej. Istnieją szczególne punkty, ale zanim się nimi zajmiemy, poruszmy inną kwestię. Dlaczego tak ważne jest ścisłe przestrzeganie zasady prędkości światła?
Odpowiedź wiąże się z osobą o imieniu , jak to często bywa w fizyce. Jego szczególna teoria względności bada wiele konsekwencji jego uniwersalnych ograniczeń prędkości. Jednym z najważniejszych elementów teorii jest pogląd, że prędkość światła jest stała. Nieważne gdzie jesteś i jak szybko się poruszasz, światło zawsze porusza się z tą samą prędkością.
Rodzi to jednak kilka problemów koncepcyjnych.
Wyobraź sobie światło padające z latarki na lustro umieszczone na suficie nieruchomego statku kosmicznego. Światło wznosi się, odbija się od lustra i spada na podłogę statku kosmicznego. Załóżmy, że pokonuje dystans 10 metrów.
Teraz wyobraź sobie, że ten statek kosmiczny zaczyna poruszać się z kolosalną prędkością wielu tysięcy kilometrów na sekundę. Po włączeniu latarki światło zachowuje się jak poprzednio: świeci w górę, uderza w lustro i odbija się na podłodze. Ale aby to zrobić, światło będzie musiało pokonać odległość ukośną, a nie pionową. W końcu lustro porusza się teraz szybko wraz ze statkiem kosmicznym.
W związku z tym zwiększa się odległość, jaką pokonuje światło. Powiedzmy 5 metrów. Okazuje się, że w sumie jest to 15 metrów, a nie 10.
I pomimo tego, mimo że odległość wzrosła, teorie Einsteina twierdzą, że światło nadal będzie podróżować z tą samą prędkością. Ponieważ prędkość to droga podzielona przez czas, ponieważ prędkość pozostaje taka sama, a odległość wzrasta, czas również musi się zwiększać. Tak, sam czas musi się rozciągać. I choć brzmi to dziwnie, zostało to potwierdzone eksperymentalnie.
Zjawisko to nazywa się dylatacją czasu. Czas płynie wolniej w przypadku osób podróżujących szybko poruszającymi się pojazdami w porównaniu z tymi, które stoją w miejscu.
Na przykład czas płynie o 0,007 sekundy wolniej dla astronautów na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, która porusza się z prędkością 7,66 km/s względem Ziemi w porównaniu z ludźmi na planecie. Jeszcze ciekawsza jest sytuacja z cząstkami takimi jak wspomniane elektrony, które mogą poruszać się z prędkością bliską prędkości światła. W przypadku tych cząstek stopień opóźnienia będzie ogromny.
Stephen Kolthammer, fizyk eksperymentalny z Uniwersytetu Oksfordzkiego w Wielkiej Brytanii, wskazuje na przykład cząstek zwanych mionami.
Miony są niestabilne: szybko rozpadają się na prostsze cząstki. Tak szybko, że większość mionów opuszczających Słońce powinna ulec rozpadowi, zanim dotrą do Ziemi. Ale w rzeczywistości miony przybywają na Ziemię ze Słońca w kolosalnych ilościach. Fizycy od dawna próbują zrozumieć, dlaczego.
„Odpowiedzią na tę zagadkę jest to, że miony generowane są z taką energią, że poruszają się z prędkością bliską prędkości światła” – mówi Kolthammer. „Ich poczucie czasu, że tak powiem, ich wewnętrzny zegar jest powolny”.
Miony „pozostają przy życiu” dłużej niż oczekiwano w stosunku do nas, dzięki rzeczywistemu, naturalnemu zakrzywieniu czasu. Kiedy obiekty poruszają się szybko względem innych obiektów, ich długość również maleje i kurczy się. Te konsekwencje, wydłużenie czasu i redukcja długości, są przykładami tego, jak czasoprzestrzeń zmienia się w zależności od ruchu rzeczy – mnie, ciebie lub statku kosmicznego – które mają masę.
Ważne jest, jak powiedział Einstein, że światło nie ulega wpływowi, ponieważ nie ma masy. Dlatego te zasady idą ze sobą w parze. Gdyby rzeczy mogły poruszać się szybciej niż światło, przestrzegałyby podstawowych praw opisujących działanie wszechświata. To są kluczowe zasady. Teraz możemy porozmawiać o kilku wyjątkach i wyjątkach.
Z jednej strony, choć nie zaobserwowaliśmy niczego szybszego od światła, nie oznacza to, że teoretycznie nie można przekroczyć tego ograniczenia prędkości w bardzo specyficznych warunkach. Weźmy na przykład ekspansję samego Wszechświata. Galaktyki we Wszechświecie oddalają się od siebie z prędkościami znacznie przekraczającymi prędkość światła.
Inna interesująca sytuacja dotyczy cząstek, które mają jednocześnie te same właściwości, niezależnie od tego, jak daleko się od siebie znajdują. Jest to tak zwane „splątanie kwantowe”. Foton będzie się obracał w górę i w dół, losowo wybierając pomiędzy dwoma możliwymi stanami, ale wybór kierunku wirowania będzie dokładnie odzwierciedlony w innym fotonie w innym miejscu, jeśli są one splątane.
Dwóch naukowców, każdy badający swój własny foton, uzyskałoby ten sam wynik w tym samym czasie, szybciej, niż pozwala na to prędkość światła.
Jednak w obu tych przykładach należy zauważyć, że żadna informacja nie przemieszcza się szybciej niż prędkość światła między dwoma obiektami. Możemy obliczyć ekspansję Wszechświata, ale nie możemy obserwować w nim obiektów szybszych od światła: zniknęły one z pola widzenia.
Jeśli chodzi o dwóch naukowców ze swoimi fotonami, choć mogli uzyskać jeden wynik w tym samym czasie, nie mogli dać sobie tego poznać szybciej niż światło przemieszcza się między nimi.
„Nie stwarza to dla nas żadnych problemów, ponieważ jeśli można wysyłać sygnały szybciej niż światło, powstają dziwne paradoksy, w wyniku których informacje mogą w jakiś sposób cofnąć się w czasie” – mówi Kolthammer.
Istnieje inny możliwy sposób technicznego umożliwienia podróży szybszych od światła: szczeliny w czasoprzestrzeni, które umożliwiłyby podróżnikowi ucieczkę od zasad normalnego podróżowania.
Gerald Cleaver z Baylor University w Teksasie wierzy, że pewnego dnia będziemy w stanie zbudować statek kosmiczny, który będzie poruszał się szybciej niż światło. Który porusza się przez tunel czasoprzestrzenny. Tunele czasoprzestrzenne to pętle w czasoprzestrzeni, które idealnie pasują do teorii Einsheina. Mogłyby umożliwić astronautom przeskoczenie z jednego końca wszechświata na drugi poprzez anomalię w czasoprzestrzeni, jakąś formę kosmicznego skrótu.
Obiekt podróżujący przez tunel czasoprzestrzenny nie przekroczy prędkości światła, ale teoretycznie mógłby dotrzeć do celu szybciej niż światło pokonujące „normalną” drogę. Ale tunele czasoprzestrzenne mogą być całkowicie niedostępne dla podróży kosmicznych. Czy istnieje inny sposób aktywnego zakrzywienia czasoprzestrzeni, aby poruszać się szybciej niż 300 000 km/s względem kogoś innego?
Cleaver badał także pomysł „silnika Alcubierre” w 1994 roku. Opisuje sytuację, w której czasoprzestrzeń kurczy się przed statkiem kosmicznym, popychając go do przodu, i rozszerza się za nim, również popychając go do przodu. „Ale potem” – mówi Cleaver – „pojawiły się problemy: jak to zrobić i ile energii będzie potrzebne”.
W 2008 roku on i jego student Richard Obouzi obliczyli, ile energii będzie potrzebne.
„Wyobraziliśmy sobie statek o wymiarach 10 m x 10 m x 10 m – 1000 metrów sześciennych – i obliczyliśmy, że ilość energii potrzebnej do rozpoczęcia procesu będzie równa masie całego Jowisza”.
Następnie należy stale „dodawać” energię, aby proces się nie zakończył. Nikt nie wie, czy kiedykolwiek będzie to możliwe i jak będzie wyglądać niezbędna technologia. „Nie chcę, żeby przez stulecia mnie cytowano, jakbym przewidział coś, co nigdy się nie wydarzy” – mówi Cleaver, „ale nie widzę jeszcze żadnych rozwiązań”.
Zatem podróżowanie z prędkością większą niż prędkość światła pozostaje obecnie science fiction. Na razie jedynym sposobem jest zanurzenie się w głęboko zawieszoną animację. A jednak nie wszystko jest takie złe. Przez większość czasu mówiliśmy o świetle widzialnym. Ale w rzeczywistości światło to znacznie więcej. Od fal radiowych i mikrofal po światło widzialne, promieniowanie ultrafioletowe, promienie rentgenowskie i promienie gamma emitowane przez atomy podczas ich rozpadu – wszystkie te piękne promienie składają się z tego samego: fotonów.
Różnica polega na energii, a co za tym idzie, na długości fali. Razem promienie te tworzą widmo elektromagnetyczne. Fakt, że na przykład fale radiowe przemieszczają się z prędkością światła, jest niezwykle przydatny w komunikacji.
W swoich badaniach Kolthammer tworzy obwód wykorzystujący fotony do przesyłania sygnałów z jednej części obwodu do drugiej, zatem ma odpowiednie kwalifikacje, aby wypowiedzieć się na temat użyteczności niesamowitej prędkości światła.
„Sam fakt, że zbudowaliśmy infrastrukturę na przykład Internetu, a wcześniej radia, opartą na świetle, ma związek z łatwością, z jaką możemy ją transmitować” – zauważa. I dodaje, że światło pełni rolę siły komunikacyjnej Wszechświata. Kiedy elektrony w telefonie komórkowym zaczynają się trząść, uwalniane są fotony, które powodują, że elektrony w innym telefonie komórkowym również się trzęsą. Tak rodzi się rozmowa telefoniczna. Drżenie elektronów w Słońcu emituje także fotony – w ogromnych ilościach – które oczywiście tworzą światło, dając życie na Ziemi ciepło, a hm, światło.
Światło jest uniwersalnym językiem Wszechświata. Jego prędkość – 299 792,458 km/s – pozostaje stała. Tymczasem przestrzeń i czas są plastyczne. Może nie powinniśmy myśleć o tym, jak poruszać się szybciej niż światło, ale jak szybciej poruszać się w tej przestrzeni i tym czasie? Iść do katalogu głównego, że tak powiem?
Okazało się jednak, że jest to możliwe; teraz wierzą, że nigdy nie będziemy mogli podróżować szybciej niż światło…” Ale tak naprawdę nie jest prawdą, że ktoś kiedyś wierzył, że podróżowanie szybciej niż dźwięk jest niemożliwe. Na długo przed pojawieniem się samolotów naddźwiękowych było już wiadomo, że kule latać szybciej niż dźwięk, ale w rzeczywistości rozmawialiśmy o tym, że jest to niemożliwe kontrolowane lotu naddźwiękowego i to był błąd. Ruch SS to zupełnie inna sprawa. Od samego początku było jasne, że lot naddźwiękowy jest utrudniony przez problemy techniczne, które po prostu trzeba rozwiązać. Nie jest jednak całkowicie jasne, czy problemy utrudniające ruch SS uda się kiedykolwiek rozwiązać. Teoria względności ma wiele do powiedzenia na ten temat. Jeśli możliwa będzie podróż SS, a nawet transmisja sygnału, wówczas przyczynowość zostanie naruszona i wynikną z tego zupełnie niewiarygodne wnioski.
Najpierw omówimy proste przypadki ruchu CC. Wspominamy o nich nie dlatego, że są interesujące, ale dlatego, że stale pojawiają się w dyskusjach na temat ruchu SS i dlatego należy się nimi zająć. Następnie omówimy, co uważamy za trudne przypadki ruchu lub komunikacji STS i rozważymy niektóre argumenty przeciwko nim. Na koniec przyjrzymy się najpoważniejszym założeniom dotyczącym prawdziwego ruchu SS.
Prosty ruch SS
1. Zjawisko promieniowania Czerenkowa
Jednym ze sposobów poruszania się szybciej niż światło jest najpierw spowolnienie samego światła! :-) W próżni światło przemieszcza się z dużą prędkością C, a wielkość ta jest stałą uniwersalną (patrz pytanie Czy prędkość światła jest stała), a w gęstszym ośrodku jak woda czy szkło zwalnia do prędkości c/n, Gdzie N jest współczynnikiem załamania światła ośrodka (1,0003 dla powietrza; 1,4 dla wody). Dlatego cząstki mogą poruszać się szybciej w wodzie lub powietrzu niż światło. W rezultacie powstaje promieniowanie Wawiłowa-Czerenkowa (patrz pytanie).
Ale kiedy mówimy o ruchu SS, mamy oczywiście na myśli przekraczanie prędkości światła w próżni C(299 792 458 m/s). Dlatego fenomenu Czerenkowa nie można uważać za przykład ruchu SS.
2. Od osoby trzeciej
Jeśli rakieta A odlatuje ode mnie z dużą prędkością 0,6c na zachód i drugi B- ode mnie z szybkością 0,6c na wschód, to całkowita odległość pomiędzy A I B w moim układzie odniesienia rośnie wraz z prędkością 1,2c. Zatem pozorną prędkość względną większą niż c można zaobserwować „z trzeciej strony”.
Jednak taka prędkość nie jest tym, co zwykle rozumiemy przez prędkość względną. Prawdziwa prędkość rakiety A w stosunku do rakiety B- jest to tempo wzrostu odległości pomiędzy rakietami obserwowane przez obserwatora w rakiecie B. Należy dodać dwie prędkości, korzystając ze wzoru relatywistycznego na dodawanie prędkości (patrz pytanie Jak dodawać prędkości w częściowej teorii względności). W tym przypadku prędkość względna jest w przybliżeniu 0,88c to znaczy nie jest nadświetlny.
3. Cienie i króliczki
Pomyśl o tym, jak szybko może się poruszać cień? Jeśli palcem pobliskiej lampy utworzysz cień na odległej ścianie, a następnie poruszysz palcem, cień porusza się znacznie szybciej niż palec. Jeśli palec porusza się równolegle do ściany, prędkość cienia będzie wynosić D/d razy prędkość palca, gdzie D- odległość od palca do lampy oraz D- odległość lampy od ściany. Możesz uzyskać jeszcze większą prędkość, jeśli ściana jest ustawiona pod kątem. Jeśli ściana znajduje się bardzo daleko, ruch cienia będzie opóźniony w stosunku do ruchu palca, ponieważ światło nadal będzie musiało sięgać od palca do ściany, ale prędkość cienia będzie taka sama wielokrotnie większą. Oznacza to, że prędkość cienia nie jest ograniczona prędkością światła.
Oprócz cieni króliczki potrafią także poruszać się szybciej od światła, na przykład plamka z wiązki lasera wycelowanej w Księżyc. Wiedząc, że odległość do Księżyca wynosi 385 000 km, spróbuj obliczyć prędkość króliczka, lekko przesuwając laser. Można także pomyśleć o fali morskiej uderzającej ukośnie w brzeg. Jak szybko może poruszać się punkt, w którym fala się załamuje?
Podobne rzeczy mogą się zdarzyć w przyrodzie. Na przykład wiązka światła pulsara może przeczesać chmurę pyłu. Jasny błysk tworzy rozszerzającą się powłokę światła lub innego promieniowania. Kiedy przecina powierzchnię, tworzy pierścień światła, który rośnie szybciej niż prędkość światła. W naturze ma to miejsce, gdy impuls elektromagnetyczny z pioruna dociera do górnych warstw atmosfery.
To wszystko były przykłady rzeczy poruszających się szybciej od światła, ale niebędących ciałami fizycznymi. Użycie cienia czy króliczka nie jest w stanie przekazać wiadomości SS, więc komunikacja szybsza od światła nie działa. I znowu najwyraźniej nie to chcemy rozumieć przez ruch SS, choć staje się jasne, jak trudno jest określić, czego dokładnie potrzebujemy (patrz pytanie Nożyczki FTL).
4. Ciało stałe
Jeśli weźmiesz długi, twardy kij i popchniesz jeden koniec, czy drugi koniec wsunie się natychmiast, czy nie? Czy w ten sposób można przeprowadzić transmisję CC komunikatu?
tak, było zrobiłbym można to zrobić, gdyby takie ciała stałe istniały. W rzeczywistości wpływ uderzenia w koniec patyka rozchodzi się wzdłuż niego z prędkością dźwięku w danej substancji, a prędkość dźwięku zależy od sprężystości i gęstości materiału. Teoria względności nakłada bezwzględną granicę na możliwą twardość dowolnego ciała, tak aby prędkość dźwięku w nich nie mogła przekroczyć C.
To samo dzieje się, gdy znajdujesz się w polu przyciągania i najpierw trzymasz sznurek lub drążek pionowo za górny koniec, a następnie go puszczasz. Punkt, który zwolniłeś, zacznie się natychmiast poruszać, a dolny koniec nie będzie mógł zacząć opadać, dopóki wpływ uwolnienia nie dotrze do niego z prędkością dźwięku.
Trudno jest sformułować ogólną teorię materiałów sprężystych w ramach teorii względności, ale podstawową ideę można wykazać na przykładzie mechaniki Newtona. Równanie ruchu wzdłużnego ciała idealnie sprężystego można wyprowadzić z prawa Hooke'a. W zmiennych masowych na jednostkę długości P oraz moduł sprężystości Younga Y, przemieszczenie wzdłużne X spełnia równanie falowe.
Rozwiązanie fali płaskiej porusza się z prędkością dźwięku S, I S 2 = T/p. Równanie to nie implikuje możliwości szybszego rozprzestrzeniania się wpływu przyczynowego S. Zatem teoria względności nakłada teoretyczne ograniczenie wielkości elastyczności: Y < komputer osobisty 2. W praktyce nie ma materiałów nawet blisko niego. Nawiasem mówiąc, nawet jeśli prędkość dźwięku w materiale jest bliska C, materia sama w sobie nie jest wcale zobowiązana do poruszania się z relatywistyczną prędkością. Skąd jednak wiemy, że w zasadzie nie może istnieć substancja, która przekraczałaby tę granicę? Odpowiedź jest taka, że cała materia składa się z cząstek, których interakcja jest zgodna ze standardowym modelem cząstek elementarnych i w tym modelu żadna interakcja nie może rozprzestrzeniać się szybciej niż światło (patrz poniżej o kwantowej teorii pola).
5. Prędkość fazowa
Spójrz na to równanie falowe:
Ma rozwiązania postaci:
Roztwory te są falami sinusoidalnymi poruszającymi się z prędkością
Ale to jest szybsze niż światło, co oznacza, że mamy w rękach równanie pola tachionowego? Nie, to tylko zwykłe relatywistyczne równanie masywnej cząstki skalarnej!
Paradoks zostanie rozwiązany, jeśli zrozumiemy różnicę między tą prędkością, zwaną także prędkością fazową wf z innej prędkości zwanej prędkością grupową v gr co jest dane wzorem,
Jeśli rozwiązanie falowe ma rozproszenie częstotliwości, wówczas przybierze postać pakietu falowego, który porusza się z prędkością grupową nieprzekraczającą C. Tylko grzbiety fal poruszają się z prędkością fazową. Możliwe jest przesyłanie informacji za pomocą takiej fali tylko z prędkością grupową, więc prędkość fazowa daje nam kolejny przykład prędkości nadświetlnej, która nie może przenosić informacji.
7. Rakieta relatywistyczna
Kontroler na Ziemi monitoruje statek kosmiczny odlatujący z prędkością 0,8 C. Zgodnie z teorią względności, nawet po uwzględnieniu przesunięcia Dopplera sygnałów ze statku, zobaczy, że czas na statku ulega spowolnieniu, a zegar tam biega wolniej o współczynnik 0,6. Jeżeli obliczy iloraz drogi przebytej przez statek przez czas mierzony przez zegar pokładowy, otrzyma 4/3 C. Oznacza to, że pasażerowie statku podróżują w przestrzeni międzygwiazdowej z efektywną prędkością większą niż prędkość światła, której doświadczyliby, gdyby została zmierzona. Z punktu widzenia pasażerów statku odległości międzygwiazdowe podlegają skróceniu Lorentza o ten sam współczynnik wynoszący 0,6 i dlatego oni również muszą zdać sobie sprawę, że znane odległości międzygwiazdowe pokonują z szybkością 4/3 C.
Jest to zjawisko realne, które w zasadzie mogłoby zostać wykorzystane przez podróżników kosmicznych do pokonywania ogromnych odległości w ciągu ich życia. Jeśli przyspieszą ze stałym przyspieszeniem równym przyspieszeniu swobodnego spadania na Ziemi, to nie tylko będą mieli na swoim statku idealną sztuczną grawitację, ale także zdążą przelecieć Galaktykę w zaledwie 12 lat! (zobacz pytanie Jakie są równania rakiety relatywistycznej?)
Nie jest to jednak prawdziwy ruch SS. Efektywna prędkość jest obliczana na podstawie odległości w jednym układzie odniesienia i czasu w innym. To nie jest rzeczywista prędkość. Z tej prędkości korzystają wyłącznie pasażerowie statku. Dyspozytor na przykład nie będzie miał czasu w życiu zobaczyć, jak przelatują gigantyczną odległość.
Złożone przypadki ruchu SS
9. Einstein, Podolski, paradoks Rosena (EPR)
10. Fotony wirtualne
11. Tunelowanie kwantowe
Prawdziwi kandydaci na podróżników SS
Ta sekcja zawiera spekulatywne, ale poważne spekulacje na temat możliwości podróży nadświetlnych. Nie będą to tego rodzaju rzeczy, które normalnie umieszcza się w FAQ, ponieważ rodzą więcej pytań niż udzielają odpowiedzi. Zaprezentowano je tutaj głównie po to, aby pokazać, że prowadzone są poważne badania w tym kierunku. Do każdego kierunku podano jedynie krótkie wprowadzenie. Bardziej szczegółowe informacje można znaleźć w Internecie.
19. Tachiony
Tachyony to hipotetyczne cząstki, które lokalnie poruszają się szybciej niż światło. Aby to zrobić, muszą mieć wyimaginowaną masę, ale ich energia i pęd muszą być dodatnie. Czasami uważa się, że takie cząstki SS powinny być niemożliwe do wykrycia, ale w rzeczywistości nie ma powodu, aby tak sądzić. Cienie i króliczki mówią nam, że ruch SS nie oznacza jeszcze niewidzialności.
Tachionów nigdy nie zaobserwowano i większość fizyków wątpi w ich istnienie. Kiedyś stwierdzono, że przeprowadzono eksperymenty mające na celu zmierzenie masy neutrin emitowanych podczas rozpadu trytu i że neutrina te są tachionami. Jest to wysoce wątpliwe, ale nadal nie wykluczone. Istnieją problemy z teoriami tachionów, ponieważ z punktu widzenia możliwych naruszeń przyczynowości destabilizują one próżnię. Być może uda się ominąć te problemy, ale wówczas użycie tachionów w potrzebnym nam komunikacie SS będzie niemożliwe.
Prawda jest taka, że większość fizyków uważa tachiony za oznakę błędu w swoich teoriach pola, a zainteresowanie nimi wśród ogółu społeczeństwa podsycane jest głównie przez fantastykę naukową (patrz artykuł Tachiony).
20. Tunele czasoprzestrzenne
Najbardziej znaną proponowaną możliwością podróży STS jest wykorzystanie tuneli czasoprzestrzennych. Tunele czasoprzestrzenne to tunele w czasoprzestrzeni, które łączą jedno miejsce we Wszechświecie z drugim. Można ich używać do poruszania się pomiędzy tymi punktami szybciej, niż światło podróżuje swoją normalną ścieżką. Tunele czasoprzestrzenne są zjawiskiem klasycznej ogólnej teorii względności, ale aby je stworzyć, trzeba zmienić topologię czasoprzestrzeni. Możliwość tego może być zawarta w teorii grawitacji kwantowej.
Aby tunele czasoprzestrzenne były otwarte, potrzebne są ogromne ilości energii ujemnej. Misnera I Thorne'a zaproponowali, że wielkoskalowy efekt Casimira można wykorzystać do generowania energii ujemnej, oraz Vissera zaproponował rozwiązanie wykorzystujące struny kosmiczne. Wszystkie te pomysły mają charakter wysoce spekulacyjny i mogą być po prostu nierealne. Niezwykła substancja o energii ujemnej może nie istnieć w formie wymaganej dla tego zjawiska.
Thorne odkrył, że gdyby można było stworzyć tunele czasoprzestrzenne, można by je wykorzystać do stworzenia zamkniętych pętli czasowych, które umożliwiłyby podróże w czasie. Sugerowano również, że wielowymiarowa interpretacja mechaniki kwantowej wskazuje, że podróże w czasie nie spowodują żadnych paradoksów, a wydarzenia po prostu potoczą się inaczej, gdy cofniemy się w czasie. Hawking twierdzi, że tunele czasoprzestrzenne mogą być po prostu niestabilne i dlatego niepraktyczne. Jednak sam temat pozostaje owocnym polem do eksperymentów myślowych, pozwalających zrozumieć, co jest możliwe, a co nie jest możliwe w oparciu o znane i zakładane prawa fizyki.
referencje:
WG Morris i KS Thorne, American Journal of Physics 56
,
395-412 (1988)
W. G. Morris, K. S. Thorne i U. Yurtsever, Phys. Obrót silnika. Listy 61
, 1446-9 (1988)
Matt Visser, Przegląd fizyczny D39, 3182-4 (1989)
zobacz także „Czarne dziury i zakrzywienia czasu” Kip Thorn, Norton & co. (1994)
Wyjaśnienie wieloświata można znaleźć w „The Fabric of Reality” David Deutsch, Penguin Press.
21. Silniki deformujące
[Nie mam pojęcia jak to przetłumaczyć! W oryginalnym napędzie warp. - około. tłumacz;
przetłumaczone przez analogię z artykułem na temat membrany]
Wypaczenie może być mechanizmem skręcającym czasoprzestrzeń, dzięki czemu obiekt może podróżować szybciej niż światło. Miguela Alcabière zasłynął z opracowania geometrii opisującej taki deformator. Zniekształcenie czasoprzestrzeni umożliwia obiektowi poruszanie się szybciej niż światło, pozostając po krzywej podobnej do czasu. Przeszkody są takie same, jak przy tworzeniu tuneli czasoprzestrzennych. Aby stworzyć odkształcacz, potrzebujesz substancji o ujemnej gęstości energii i. Nawet jeśli taka substancja jest możliwa, nadal nie jest jasne, w jaki sposób można ją uzyskać i jak wykorzystać, aby deformator zadziałał.
ref M. Alcubierre, Grawitacja klasyczna i kwantowa, 11
, L73-L77, (1994)
Wniosek
Po pierwsze, okazało się, że trudno jest ogólnie zdefiniować, co oznacza podróż SS i przesłanie SS. Wiele rzeczy, np. cienie, wykonuje ruch CC, ale w taki sposób, że nie można go wykorzystać na przykład do przesyłania informacji. Ale istnieją również poważne możliwości prawdziwego ruchu SS, które są proponowane w literaturze naukowej, ale ich wdrożenie nie jest jeszcze technicznie możliwe. Zasada nieoznaczoności Heisenberga uniemożliwia wykorzystanie pozornego ruchu SS w mechanice kwantowej. W ogólnej teorii względności istnieją potencjalne środki napędu SS, ale mogą nie być możliwe do wykorzystania. Wydaje się niezwykle mało prawdopodobne, aby w najbliższej przyszłości lub w ogóle technologia była w stanie stworzyć statek kosmiczny z napędem SS, ciekawe jednak, że fizyka teoretyczna, jaką znamy obecnie, nie zamyka na dobre drzwi do napędu SS. Ruch SS w stylu powieści science fiction jest najwyraźniej całkowicie niemożliwy. Ciekawym pytaniem dla fizyków jest: „dlaczego w rzeczywistości jest to niemożliwe i czego można się z tego dowiedzieć?”