Wiek XX upłynął pod znakiem największych odkryć w dziedzinie fizyki i kosmologii. Podstawą tych odkryć były teorie opracowane przez galaktykę wybitnych fizyków. Najbardziej znanym z nich jest Albert Einstein, na którego pracach w dużej mierze opiera się współczesna fizyka. Z teorii naukowca wynika, że prędkość światła w próżni to maksymalna prędkość ruchu i interakcji cząstek. A paradoksy czasowe wynikające z tych teorii są zupełnie zdumiewające: na przykład w przypadku obiektów poruszających się czas płynie wolniej w stosunku do tych w spoczynku, a im bliżej prędkości światła, tym bardziej czas zwalnia. Okazuje się, że dla obiektu lecącego z prędkością światła czas całkowicie się zatrzyma.
| Polecamy |
Daje to nadzieję, że przy odpowiednim poziomie technologii teoretycznie człowiek jest w stanie w ciągu życia jednego pokolenia dotrzeć do najodleglejszych zakątków Wszechświata. W tym przypadku czas lotu w układzie odniesienia Ziemi wyniesie miliony lat, natomiast na statku lecącym z prędkością bliską światła minie zaledwie kilka dni... Takie możliwości robią wrażenie, a jednocześnie pytanie powstaje: jeśli fizycy i inżynierowie przyszłości w jakiś sposób rozpędzą statek kosmiczny do ogromnych wartości, teoretycznie nawet do prędkości światła (choć nasza fizyka zaprzecza takiej możliwości), czy będziemy w stanie dotrzeć nie tylko do najodleglejszych galaktyk i gwiazd, ale także krawędź naszego Wszechświata, spojrzeć poza granicę nieznanego, o którym naukowcy nie mają pojęcia?
Wiemy, że Wszechświat powstał około 13,79 miliarda lat temu i od tego czasu stale się rozszerza. Można założyć, że jego promień w tej chwili powinien wynosić 13,79 miliardów lat świetlnych, a średnica odpowiednio 27,58 miliardów lat świetlnych. I byłoby to prawdą, gdyby Wszechświat rozszerzał się równomiernie z prędkością światła – maksymalną możliwą prędkością. Jednak uzyskane dane mówią nam, że Wszechświat rozszerza się w coraz szybszym tempie.
Obserwujemy, że najbardziej odległe od nas galaktyki oddalają się od nas szybciej niż pobliskie – przestrzeń naszego świata stale się rozszerza. Jednocześnie jest część Wszechświata, która oddala się od nas szybciej niż prędkość światła. W tym przypadku nie zostają naruszone żadne postulaty i wnioski teorii względności - obiekty wewnątrz Wszechświata poruszają się z prędkością podświetlną. Tej części Wszechświata nie można zobaczyć - prędkość fotonów emitowanych przez źródła promieniowania po prostu nie wystarcza, aby pokonać prędkość rozszerzania się przestrzeni.
Obliczenia pokazują, że widoczna dla nas część naszego świata ma średnicę około 93 miliardów lat świetlnych i nazywa się Metagalaktyka. Możemy się jedynie domyślać, co leży poza tą granicą i jak daleko sięga Wszechświat. Logiczne jest założenie, że krawędź Wszechświata oddala się od nas najszybciej i znacznie przekracza prędkość światła. I ta prędkość stale rośnie. Staje się oczywiste, że nawet jeśli jakiś obiekt leci z prędkością światła, to nigdy nie dotrze do krawędzi Wszechświata, ponieważ krawędź Wszechświata będzie się od niego szybciej oddalać.
Jeśli znajdziesz błąd, zaznacz fragment tekstu i kliknij Ctrl+Enter.
Ale tak naprawdę, co się stanie? Na to pytanie właściwie nie ma odpowiedzi, ponieważ jest to sprzeczne ze wszystkimi prawami fizyki, a jak wiemy, eksperymentów nie można przeprowadzać. Ale nikt nie zabroni Ci myśleć teoretycznie. Powiedzmy, że mamy samochód VAZ, który może na początek przyspieszyć do prędkości światła. Iść…
Jak wiemy z zajęć fizyki w 11. klasie, prędkość światła jest wartością stałą i nie jest ani większa, ani mniejsza, ale wynosi 300 000 km na sekundę. Przy prędkościach bliskich prędkościom światła zwykłe prawa fizyki nie mają zastosowania. Obowiązują tu prawa fizyki relatywistycznej, dlatego będziemy musieli zwrócić się do pana Einsteina i przeczytać jego teorię względności.
Stosując prawa fizyki klasycznej, możemy założyć, że prędkość fotonów (cząstek światła) zsumuje się z prędkością samochodu, a reflektory będą świecić jak zawsze. Ale... Okazuje się, że te same fotony muszą lecieć z dwukrotnie większą prędkością światła - prędkość samochodu i prędkość fotonów są dodawane. Jest to jednak niemożliwe, ponieważ już w 1905 roku Einstein udowodnił, że prędkość światła jest stała w dowolnym układzie odniesienia. Oznacza to, że foton z reflektora nadal będzie miał prędkość 300 000 km/s. Ale samochód ma również tę samą prędkość. Czyli fotony światła przelecą obok samochodu? Wtedy kierowca nie będzie widział reflektorów. Obserwator stojący na poboczu drogi powinien dostrzec przelatującą obok plamkę światła. Właściwie to nie do końca tak.
Korzystając z teorii względności, można sobie wyobrazić inny obraz, znacznie bardziej fantastyczny. Tutaj wiele czynników nakłada się na siebie i tworzy coś niewyobrażalnego.
Przykładowo przy prędkości bliskiej prędkości światła obiekt, czyli samochód, musi uzyskać nieograniczoną masę. W rezultacie powinna powstać pewnego rodzaju czarna dziura, która dzięki swojej grawitacji nie pozwoli fotonom opuścić swojej powierzchni. Wręcz przeciwnie, jak przystało na obiekt o niesamowitej masie, wciągnie w siebie całą otaczającą materię. Przy prędkości światła masa naszego samochodu będzie równa nieskończoności. Cóż, o jeszcze większej prędkości nie warto już nawet zgadywać. W takim przypadku czas w nim będzie równy zero, to znaczy zatrzyma się.
Z drugiej strony ruch dowolnej cząstki zależy od odległości w jednostce czasu. A jeśli czas stoi w miejscu, jaki rodzaj ruchu może nastąpić? Wszystko zawiesza się, dopóki prędkość nie spadnie. Teoretycznie nasz samochód mógłby przelecieć cały Wszechświat, a znajdujący się w nim zegar nie odliczyłby nawet ułamka sekundy! I jak by liczyły, gdyby wszystkie zawarte w nich cząsteczki zatrzymały się. Ale zatrzymanie cząsteczek oznacza, że temperatura obiektu wynosi zero absolutne! Wyobraź sobie, że dla osoby w samochodzie czas płynie coraz wolniej, aż do całkowitego zatrzymania. Zamarza i nawet cząsteczki jego ciała zatrzymują się – jego temperatura wynosi zero absolutne. Ale jakoś prędkość maleje i osoba ożywa. Nawet nie zauważył tego przystanku. Dlatego wyciąga rękę i poświęca na to sekundy, a dla nas mijają godziny, lata, a nawet stulecia! Chociaż tutaj wszystko jest niejasne, bo nagromadzenie materii zwiększa ciśnienie i temperaturę, a tutaj jest zero absolutne. Nieważne, jak supernowa się okaże!
Powiedzmy nawet, że nasze auto pozostało samochodem, a kierowca okazał się żywy i potrafił włączyć światła mijania. Jak wiadomo, przy dużych prędkościach działa tzw. efekt Dopplera. Przecież światło też ma naturę falową. Oznacza to, że zmienia się częstotliwość lub widmo światła widzialnego. Jeśli obiekt się zbliży, zobaczymy przesunięcie widma w stronę fioletu, a jeśli się odsunie, w stronę czerwieni.
Jeśli zastosujemy to do naszej maszyny bliskiej świetle, zamiast reflektorów możemy otrzymać twarde promieniowanie gamma, czyli po prostu promieniowanie. Kierowca może nic nie zrozumieć, to kwestia dyskusyjna, bo dla niego niewiele się zmieniło. Jednak nasz obserwator prawdopodobnie nie przeżyje dłużej niż ułamek sekundy po przelocie samochodu. Otrzyma on wszystkie rodzaje promieniowania – część ultrafioletową, gdy samochód się zbliża, i część podczerwoną, gdy się oddala. Trudno to nazwać reflektorami.
Nie ma odpowiedzi na pytanie, co stanie się ze światłem przy prędkościach ponadświetlnych. Tak jak nie ma czegoś takiego dla światła. Bliskie światło - proszę, teoria względności ma tu zastosowanie. Światło pozostaje zwyczajnym światłem. Ale kiedy zostanie osiągnięta prędkość światła, zaczynają się takie cuda, że mózg woli się zagotować, niż znaleźć odpowiedź lub wyobrazić sobie wszystkie możliwe opcje. Tam zaczynają się niewiarygodne dla nas zmiany w materii i czasie. Może lepiej, że takiej prędkości nigdy nie uda się osiągnąć. Nie mówiąc już o superświetleniu...
Choć nie udało się odpowiedzieć na pytanie ze względu na niemożność wyjaśnienia niemożliwego, wydaje się, że dał do myślenia.
1) Czy reflektory oświetlają inne obiekty i odbijają się w Twoich oczach?
NIE. Jak wiadomo, nie można przekroczyć prędkości światła. Oznacza to, że w jedną stronę światło nie może w ogóle świecić, gdyż nie jest w stanie przekroczyć prędkości samochodu, zatem nigdy nie wyjdzie z reflektorów. Żyjemy jednak w wielowymiarowym świecie i nie całe światło świeci w jednym kierunku.
Wyobraźmy sobie dwuwymiarowy samochód bez masy (czyli poruszający się z prędkością światła), który emituje dwa fotony, jeden w górę i jeden w dół. Dwie belki oddzielają się od samochodu i pozostają za nim. Poruszają się z tą samą prędkością światła, ale nie mogą się poruszać do przodu równie szybko, ponieważ jeden z wektorów prędkości jest skierowany w górę/w dół, więc je wyprzedzamy. Fotony te następnie napotykają na swojej drodze przeszkodę, taką jak znak drogowy lub drzewo, i są odbijane. Problem w tym, że nie mogą już Cię dogonić. Inni ludzie idący chodnikiem widzą odbite światło, ale ty już wyszedłeś i nigdy go nie zobaczysz.
Proszę bardzo, wszystko można wytłumaczyć samym faktem, że całe światło porusza się z tą samą prędkością, bez względu na to gdzie. To nie ma nic wspólnego z teorią względności.
Istnieje jednak również wersja bardziej hardkorowa.
2) Czy rzeczy poruszające się z prędkością światła mogą mieć reflektory? Czy oni w ogóle mogą mieć wizję?
Tutaj właśnie wchodzi w grę szalona prawda względności, więc nie ma się czego wstydzić, jeśli czegoś nie rozumiesz, ale odpowiedź znów jest przecząca.
Być może znasz koncepcję relatywistycznej dylatacji czasu. Załóżmy, że ja i mój przyjaciel wsiadamy do różnych pociągów i podróżujemy ku sobie. Przejeżdżając obok, jeśli spojrzymy przez okno na zegar ścienny w swoim przedziale, to wtedy Zarówno Zauważ, że poruszają się wolniej niż zwykle. Nie dzieje się tak dlatego, że zegar zwalnia, ale dlatego, że w grę wchodzi światło między nami: im szybciej się poruszamy, tym wolniej się starzejemy w porównaniu z mniej poruszającymi się obiektami. Dzieje się tak dlatego, że czas nie jest absolutny dla wszystkich obiektów we Wszechświecie, jest inny dla każdego obiektu i zależy od jego prędkości. Nasz czas zależy tylko od nasz prędkość we wszechświecie. Można to sobie wyobrazić jako poruszanie się w różnych kierunkach w skali czasoprzestrzennej. Jest tu pewien problem, ponieważ nasz mózg nie jest przystosowany do rozumienia geometrii czasoprzestrzeni, ale ma tendencję do wyobrażania sobie czasu jako pewnego rodzaju absolutu. Jednak po przeczytaniu odrobiny literatury na ten temat można zwykle przyjąć jako naturalny fakt: ci, którzy poruszają się szybciej w stosunku do Ciebie, starzeją się wolniej.
Załóżmy, że Twój przyjaciel siedzi w hipotetycznym samochodzie i podróżuje z prędkością światła. Podstawmy więc jego prędkość do naszego wzoru i zobaczmy, jaka jest odpowiedź.
Och, och! Wygląda na to, że dla niego w ogóle nie minął czas! Coś musi być nie tak z naszymi obliczeniami?! Okazuje się, że nie. Czas. Nie. Istnieje. Dla. Obiekty. Na. Prędkość. Swieta.
Po prostu nie istnieje.
Oznacza to, że rzeczy poruszające się z prędkością światła nie mogą postrzegać „wydających się” zdarzeń w taki sam sposób, w jaki je postrzegamy. Wydarzenia nie mogą odbywać się dla nich. Mogą wykonywać akcje, ale nie mogą zdobywać doświadczenia. Sam Einstein powiedział kiedyś: „Czas istnieje po to, żeby wszystko nie wydarzyło się na raz”. Jest to współrzędna zaprojektowana w celu ułożenia zdarzeń w sensowną sekwencję, abyśmy mogli zrozumieć, co się dzieje. Jednak w przypadku obiektu poruszającego się z prędkością światło, ta zasada nie działa, ponieważ Wszystko dzieje się jednocześnie. Podróżujący z prędkością światła nigdy nie zobaczy, nie pomyśli ani nie poczuje niczego, co uznamy za znaczące.
To taki nieoczekiwany wniosek.
25 marca 2017 r
Podróże FTL to jeden z fundamentów kosmicznej fantastyki naukowej. Jednak chyba każdy – nawet ludzie dalecy od fizyki – wiedzą, że maksymalna możliwa prędkość ruchu obiektów materialnych czy propagacji jakichkolwiek sygnałów to prędkość światła w próżni. Jest oznaczony literą c i wynosi prawie 300 tysięcy kilometrów na sekundę; dokładna wartość c = 299 792 458 m/s.
Prędkość światła w próżni jest jedną z podstawowych stałych fizycznych. Niemożność osiągnięcia prędkości przekraczających c wynika ze szczególnej teorii względności Einsteina (STR). Gdyby można było udowodnić, że transmisja sygnałów z prędkością ponadświetlną jest możliwa, teoria względności upadłaby. Jak dotąd tak się nie stało, pomimo licznych prób obalenia zakazu istnienia prędkości większych niż ok. Jednak ostatnie badania eksperymentalne ujawniły kilka bardzo interesujących zjawisk, wskazujących, że w specjalnie stworzonych warunkach można obserwować prędkości nadświetlne bez naruszania zasad teorii względności.
Na początek przypomnijmy główne aspekty związane z problemem prędkości światła.
Po pierwsze: dlaczego nie da się (w normalnych warunkach) przekroczyć limitu światła? Bo wówczas zostaje naruszone podstawowe prawo naszego świata – prawo przyczynowości, zgodnie z którym skutek nie może poprzedzać przyczyny. Nikt nigdy nie zaobserwował, żeby np. najpierw padł martwy niedźwiedź, a potem myśliwy strzelił. Przy prędkościach przekraczających c następuje odwrócenie kolejności zdarzeń i cofnięcie taśmy czasu. Łatwo to sprawdzić na podstawie następującego prostego rozumowania.
Załóżmy, że jesteśmy na jakimś kosmicznym cudownym statku, poruszającym się szybciej niż światło. Wtedy stopniowo doganialibyśmy światło emitowane przez źródło w coraz wcześniejszych momentach. Najpierw dogoniliśmy fotony wyemitowane powiedzmy wczoraj, potem te wyemitowane przedwczoraj, potem tydzień, miesiąc, rok temu i tak dalej. Gdyby źródłem światła było lustro odbijające życie, najpierw widzielibyśmy wydarzenia z wczoraj, potem przedwczoraj i tak dalej. Moglibyśmy zobaczyć, powiedzmy, starego człowieka, który stopniowo przemienia się w mężczyznę w średnim wieku, potem w młodzieńca, w młodzieńca, w dziecko... Czyli czas by się cofnął, przeszlibyśmy od teraźniejszości do przeszłość. Przyczyny i skutki zamieniłyby się wówczas miejscami.
Chociaż dyskusja ta całkowicie ignoruje szczegóły techniczne procesu obserwacji światła, z podstawowego punktu widzenia wyraźnie pokazuje, że poruszanie się z prędkościami ponadświetlnymi prowadzi do sytuacji, która jest niemożliwa w naszym świecie. Jednak natura postawiła jeszcze bardziej rygorystyczne warunki: ruch nie tylko z prędkością nadświetlną jest nieosiągalny, ale także z prędkością równą prędkości światła - można się do niej jedynie zbliżyć. Z teorii względności wynika, że wraz ze wzrostem prędkości ruchu zachodzą trzy okoliczności: wzrasta masa poruszającego się obiektu, maleje jego wielkość w kierunku ruchu oraz zwalnia się upływ czasu na tym obiekcie (od punktu z punktu widzenia zewnętrznego „odpoczywającego” obserwatora). Przy zwykłych prędkościach zmiany te są znikome, jednak w miarę zbliżania się do prędkości światła stają się coraz bardziej zauważalne, a w granicy - przy prędkości równej c - masa staje się nieskończenie duża, obiekt całkowicie traci rozmiar w kierunku ruchu i czas się na nim zatrzymuje. Dlatego żadne ciało materialne nie może osiągnąć prędkości światła. Tylko samo światło ma taką prędkość! (A także cząstka „wszechprzenikająca” - neutrino, które podobnie jak foton nie może poruszać się z prędkością mniejszą niż c.)
Teraz o prędkości transmisji sygnału. Właściwe jest tutaj użycie reprezentacji światła w postaci fal elektromagnetycznych. Co to jest sygnał? To są pewne informacje, które należy przekazać. Idealna fala elektromagnetyczna to nieskończona sinusoida o ściśle jednej częstotliwości i nie może ona przenosić żadnej informacji, ponieważ każdy okres takiej sinusoidy dokładnie powtarza poprzedni. Prędkość ruchu fazy fali sinusoidalnej – tzw. prędkość fazowa – może w pewnych warunkach przekraczać prędkość światła w próżni w ośrodku. Nie ma tutaj żadnych ograniczeń, ponieważ prędkość fazowa nie jest prędkością sygnału - jeszcze nie istnieje. Aby stworzyć sygnał, musisz zrobić jakiś „znak” na fali. Takim znakiem może być np. zmiana dowolnego parametru fali – amplitudy, częstotliwości czy fazy początkowej. Ale gdy tylko znak zostanie wykonany, fala traci swoją sinusoidalność. Zostaje zmodulowany, składający się z zestawu prostych fal sinusoidalnych o różnych amplitudach, częstotliwościach i fazach początkowych - grupy fal. Prędkość, z jaką znacznik porusza się w modulowanej fali, jest prędkością sygnału. Podczas propagacji w ośrodku prędkość ta zwykle pokrywa się z prędkością grupową, która charakteryzuje propagację wyżej wymienionej grupy fal jako całości (patrz „Science and Life” nr 2, 2000). W normalnych warunkach prędkość grupowa, a tym samym prędkość sygnału, jest mniejsza niż prędkość światła w próżni. Nieprzypadkowo zostało tu użyte określenie „w normalnych warunkach”, gdyż w niektórych przypadkach prędkość grupowa może przekroczyć c lub nawet stracić znaczenie, ale wtedy nie odnosi się ono do propagacji sygnału. Stacja serwisowa stwierdza, że nie jest możliwa transmisja sygnału z prędkością większą niż c.
Dlaczego tak jest? Ponieważ przeszkodą w transmisji dowolnego sygnału z prędkością większą niż c jest to samo prawo przyczynowości. Wyobraźmy sobie taką sytuację. W pewnym momencie A błysk światła (zdarzenie 1) włącza urządzenie wysyłające określony sygnał radiowy, a w odległym punkcie B pod wpływem tego sygnału radiowego następuje eksplozja (zdarzenie 2). Jest oczywiste, że zdarzenie 1 (rozbłysk) jest przyczyną, a zdarzenie 2 (eksplozja) jest konsekwencją występującą później niż przyczyna. Gdyby jednak sygnał radiowy rozchodził się z prędkością ponadświetlną, obserwator w pobliżu punktu B najpierw zobaczyłby eksplozję, a dopiero potem przyczynę eksplozji, która dotarła do niego z prędkością błyskawicy. Innymi słowy, dla tego obserwatora zdarzenie 2 miałoby miejsce wcześniej niż zdarzenie 1, to znaczy skutek poprzedzałby przyczynę.
Należy podkreślić, że „nadświetlny zakaz” teorii względności nałożony jest jedynie na ruch ciał materialnych i przekazywanie sygnałów. W wielu sytuacjach możliwy jest ruch z dowolną prędkością, ale nie będzie to ruch obiektów materialnych ani sygnałów. Wyobraźmy sobie na przykład dwie dość długie linijki leżące w tej samej płaszczyźnie, z których jedna jest umieszczona poziomo, a druga przecina ją pod niewielkim kątem. Jeśli pierwszą linijkę przesuniemy w dół (w kierunku wskazanym przez strzałkę) z dużą prędkością, punkt przecięcia linijek może biec tak szybko, jak to konieczne, ale ten punkt nie jest ciałem materialnym. Inny przykład: jeśli weźmiemy latarkę (lub powiedzmy laser wytwarzający wąską wiązkę) i szybko opiszemy łuk w powietrzu, to prędkość liniowa plamki świetlnej będzie rosła wraz z odległością i przy wystarczająco dużej odległości przekroczy c . Plamka świetlna będzie przemieszczać się pomiędzy punktami A i B z prędkością nadświetlną, ale nie będzie to transmisja sygnału z A do B, gdyż taka plamka świetlna nie niesie żadnej informacji o punkcie A.
Wydawać by się mogło, że problem prędkości nadświetlnych został rozwiązany. Jednak w latach 60. XX wieku fizycy teoretyczni wysunęli hipotezę o istnieniu cząstek nadświetlnych zwanych tachionami. To bardzo dziwne cząstki: teoretycznie są możliwe, ale aby uniknąć sprzeczności z teorią względności, trzeba było im przypisać wyimaginowaną masę spoczynkową. Fizycznie wyimaginowana masa nie istnieje, jest to czysto matematyczna abstrakcja. Nie wywołało to jednak większego niepokoju, gdyż tachiony nie mogą znajdować się w spoczynku – istnieją (jeśli istnieją!) tylko z prędkościami przekraczającymi prędkość światła w próżni i w tym przypadku masa tachionu okazuje się rzeczywista. Istnieje tu pewna analogia z fotonami: foton ma zerową masę spoczynkową, ale oznacza to po prostu, że foton nie może znajdować się w spoczynku – światła nie można zatrzymać.
Najtrudniejszą rzeczą okazało się, jak można było się spodziewać, pogodzenie hipotezy tachionowej z prawem przyczynowości. Próby podejmowane w tym kierunku, choć dość pomysłowe, nie doprowadziły do oczywistego sukcesu. Nikomu też nie udało się eksperymentalnie zarejestrować tachionów. W rezultacie zainteresowanie tachionami jako nadświetlnymi cząstkami elementarnymi stopniowo zanikało.
Jednak w latach 60. eksperymentalnie odkryto zjawisko, które początkowo zdezorientowało fizyków. Zostało to szczegółowo opisane w artykule A. N. Oraevsky’ego „Fale superluminalne w mediach wzmacniających” (UFN nr 12, 1998). Tutaj krótko streścimy istotę sprawy, odsyłając czytelnika zainteresowanego szczegółami do wskazanego artykułu.
Wkrótce po odkryciu laserów – na początku lat 60-tych – pojawił się problem uzyskania krótkich (trwających około 1 ns = 10-9 s) impulsów świetlnych o dużej mocy. W tym celu krótki impuls laserowy przepuszczono przez optyczny wzmacniacz kwantowy. Impuls został podzielony na dwie części za pomocą lustra rozdzielającego wiązkę. Jeden z nich, mocniejszy, był wysyłany do wzmacniacza, drugi zaś rozchodził się w powietrzu i służył jako impuls odniesienia, z którym można było porównać impuls przechodzący przez wzmacniacz. Obydwa impulsy podawano do fotodetektorów, a ich sygnały wyjściowe można było wizualnie obserwować na ekranie oscyloskopu. Oczekiwano, że impuls świetlny przechodzący przez wzmacniacz będzie charakteryzował się pewnym opóźnieniem w stosunku do impulsu odniesienia, to znaczy prędkość propagacji światła we wzmacniaczu będzie mniejsza niż w powietrzu. Wyobraźcie sobie zdumienie badaczy, gdy odkryli, że impuls rozchodzi się przez wzmacniacz z prędkością nie tylko większą niż w powietrzu, ale także kilkukrotnie większą niż prędkość światła w próżni!
Po otrząsnięciu się z pierwszego szoku fizycy zaczęli szukać przyczyny tak nieoczekiwanego wyniku. Nikt nie miał najmniejszych wątpliwości co do zasad szczególnej teorii względności i właśnie to pomogło znaleźć właściwe wyjaśnienie: jeśli zachowane zostaną zasady SRT, to odpowiedzi należy szukać we właściwościach ośrodka wzmacniającego.
Nie wchodząc w szczegóły, zaznaczymy jedynie, że szczegółowa analiza mechanizmu działania ośrodka wzmacniającego całkowicie wyjaśniła sytuację. Chodziło o zmianę koncentracji fotonów w trakcie propagacji impulsu – zmianę spowodowaną zmianą wzmocnienia ośrodka do wartości ujemnej podczas przejścia tylnej części impulsu, gdy ośrodek już pochłonął energię, gdyż jej rezerwa własna została już wyczerpana w związku z jej przejściem na impuls świetlny. Absorpcja powoduje nie wzrost, ale osłabienie impulsu, w związku z czym impuls zostaje wzmocniony w przedniej części i osłabiony w tylnej części. Wyobraźmy sobie, że obserwujemy impuls za pomocą urządzenia poruszającego się z prędkością światła w ośrodku wzmacniacza. Gdyby medium było przezroczyste, widzielibyśmy impuls zastygły w bezruchu. W środowisku, w którym zachodzi powyższy proces, wzmocnienie zbocza narastającego i osłabienie zbocza tylnego impulsu będzie dla obserwatora widoczne w taki sposób, że będzie się wydawało, że ośrodek przesunął impuls do przodu. Ale ponieważ urządzenie (obserwator) porusza się z prędkością światła, a impuls go wyprzedza, to prędkość impulsu przekracza prędkość światła! To właśnie ten efekt zarejestrowali eksperymentatorzy. I tutaj naprawdę nie ma sprzeczności z teorią względności: proces wzmacniania jest po prostu taki, że koncentracja fotonów, które wyszły wcześniej, okazuje się większa niż tych, które wyszły później. To nie fotony poruszają się z prędkościami nadświetlnymi, ale obwiednia impulsu, w szczególności jego maksimum, które obserwuje się na oscyloskopie.
Tak więc, o ile w zwykłych ośrodkach zawsze następuje osłabienie światła i zmniejszenie jego prędkości, określone przez współczynnik załamania światła, o tyle w aktywnych ośrodkach laserowych dochodzi nie tylko do wzmocnienia światła, ale także do propagacji impulsu z prędkością ponadświetlną.
Niektórzy fizycy próbowali eksperymentalnie wykazać obecność ruchu nadświetlnego podczas efektu tunelowego – jednego z najbardziej niesamowitych zjawisk w mechanice kwantowej. Efekt ten polega na tym, że mikrocząstka (a dokładniej mikroobiekt, który w różnych warunkach wykazuje zarówno właściwości cząstki, jak i właściwości fali) jest w stanie przedostać się przez tzw. barierę potencjału – zjawisko całkowicie niemożliwe w mechanice klasycznej (w której taka sytuacja byłaby analogiczna: kula rzucona w ścianę wylądowałaby po drugiej stronie ściany lub ruch falowy nadawany przywiązanej do ściany linie zostałby przeniesiony na lina przywiązana do ściany po drugiej stronie). Istota efektu tunelowego w mechanice kwantowej jest następująca. Jeżeli mikroobiekt o określonej energii napotka na swojej drodze obszar o energii potencjalnej przekraczającej energię mikroobiektu, obszar ten stanowi dla niego barierę, której wysokość wyznaczana jest przez różnicę energii. Ale mikroobiekt „przecieka” przez barierę! Możliwość taką daje mu dobrze znana zależność niepewności Heisenberga, zapisana dla energii i czasu oddziaływania. Jeżeli oddziaływanie mikroobiektu z barierą zachodzi przez dość pewien czas, to energia mikroobiektu, przeciwnie, będzie charakteryzowała się niepewnością, a jeśli ta niepewność będzie rzędu wysokości bariery, to ten ostatni przestaje być dla mikroobiektu przeszkodą nie do pokonania. To właśnie prędkość przenikania przez barierę potencjału stała się przedmiotem badań wielu fizyków, którzy uważają, że może ona przekraczać ok.
W czerwcu 1998 roku odbyło się w Kolonii międzynarodowe sympozjum poświęcone problematyce ruchu nadświetlnego, na którym omówiono wyniki uzyskane w czterech laboratoriach - w Berkeley, Wiedniu, Kolonii i Florencji.
I wreszcie w 2000 roku pojawiły się doniesienia o dwóch nowych eksperymentach, w których pojawiły się efekty propagacji nadświetlnej. Jedno z nich wykonał Lijun Wong i jego współpracownicy z Princeton Research Institute (USA). W rezultacie impuls świetlny wchodzący do komory wypełnionej oparami cezu zwiększa swoją prędkość 300-krotnie. Okazało się, że główna część impulsu opuściła odległą ścianę komory jeszcze wcześniej niż impuls wszedł do komory przez przednią ścianę. Sytuacja ta jest sprzeczna nie tylko ze zdrowym rozsądkiem, ale w istocie z teorią względności.
Przesłanie L. Wonga wywołało ożywioną dyskusję wśród fizyków, z których większość nie była skłonna widzieć w uzyskanych wynikach naruszenia zasad względności. Uważają, że wyzwaniem jest prawidłowe wyjaśnienie tego eksperymentu.
W doświadczeniu L. Wonga impuls świetlny wchodzący do komory z parami cezu trwał około 3 μs. Atomy cezu mogą istnieć w szesnastu możliwych stanach mechaniki kwantowej, zwanych „nadsubtelnymi podpoziomami magnetycznymi stanu podstawowego”. Za pomocą optycznego pompowania laserowego prawie wszystkie atomy zostały doprowadzone tylko do jednego z tych szesnastu stanów, odpowiadających temperaturze niemal zera absolutnego w skali Kelvina (-273,15°C). Długość komory cezowej wynosiła 6 centymetrów. W próżni światło pokonuje odległość 6 centymetrów w ciągu 0,2 ns. Jak wykazały pomiary, impuls świetlny przeszedł przez komorę z cezem w czasie o 62 ns krótszym niż w próżni. Innymi słowy, czas potrzebny impulsowi na przejście przez ośrodek cezowy ma znak minus! Rzeczywiście, jeśli odejmiemy 62 ns od 0,2 ns, otrzymamy czas „ujemny”. To „ujemne opóźnienie” w ośrodku – niezrozumiały skok czasu – jest równe czasowi, w którym impuls spowodowałby 310 przejść przez komorę w próżni. Konsekwencją tego „czasowego odwrócenia” było to, że impuls opuszczający komorę zdołał odsunąć się od niej o 19 metrów, zanim nadchodzący impuls dotarł do najbliższej ściany komory. Jak można wytłumaczyć tak niewiarygodną sytuację (chyba że oczywiście wątpimy w czystość eksperymentu)?
Sądząc po toczącej się dyskusji, nie znaleziono jeszcze dokładnego wyjaśnienia, ale nie ma wątpliwości, że odgrywają tu rolę niezwykłe właściwości dyspersyjne ośrodka: pary cezu, składające się z atomów wzbudzonych światłem lasera, są ośrodkiem o anomalnej dyspersji . Przypomnijmy pokrótce o co chodzi.
Dyspersja substancji to zależność fazowego (zwykłego) współczynnika załamania światła n od długości fali światła l. Przy normalnej dyspersji współczynnik załamania światła wzrasta wraz ze zmniejszaniem się długości fali i ma to miejsce w przypadku szkła, wody, powietrza i wszystkich innych substancji przezroczystych dla światła. W substancjach silnie pochłaniających światło przebieg współczynnika załamania światła wraz ze zmianą długości fali ulega odwróceniu i staje się znacznie bardziej stromy: wraz ze spadkiem l (rosnąca częstotliwość w) współczynnik załamania światła gwałtownie maleje i w pewnym obszarze długości fali staje się mniejszy niż jedność ( prędkość fazowa Vf > s). Jest to anomalna dyspersja, w której wzór rozchodzenia się światła w substancji zmienia się radykalnie. Prędkość grupowa Vgr staje się większa niż prędkość fazowa fal i może przekroczyć prędkość światła w próżni (a także stać się ujemna). L. Wong wskazuje na tę okoliczność jako na przyczynę leżącą u podstaw możliwości wyjaśnienia wyników jego eksperymentu. Należy jednak zaznaczyć, że warunek Vgr > c ma charakter czysto formalny, gdyż pojęcie prędkości grupowej wprowadzono dla przypadku małej (normalnej) dyspersji, dla ośrodków przezroczystych, gdy grupa fal prawie nie zmienia swojego kształtu podczas propagacji. W obszarach o anomalnym rozproszeniu impuls świetlny ulega szybkiemu odkształceniu i pojęcie prędkości grupowej traci swoje znaczenie; w tym przypadku wprowadza się pojęcia prędkości sygnału i prędkości propagacji energii, które w ośrodkach przezroczystych pokrywają się z prędkością grupową, a w ośrodkach z absorpcją pozostają mniejsze niż prędkość światła w próżni. Ale oto, co jest interesujące w eksperymencie Wonga: impuls świetlny przechodzący przez ośrodek o anomalnej dyspersji nie ulega deformacji - dokładnie zachowuje swój kształt! Odpowiada to założeniu, że impuls rozchodzi się z prędkością grupową. Ale jeśli tak, to okazuje się, że w ośrodku nie ma absorpcji, chociaż anomalne rozproszenie ośrodka wynika właśnie z absorpcji! Sam Wong, choć przyznaje, że wiele pozostaje niejasnych, uważa, że to, co dzieje się w jego układzie eksperymentalnym, można w pierwszym przybliżeniu jasno wyjaśnić w następujący sposób.
Impuls świetlny składa się z wielu składowych o różnych długościach fal (częstotliwościach). Rysunek przedstawia trzy z tych komponentów (fale 1-3). W pewnym momencie wszystkie trzy fale są w fazie (ich maksima pokrywają się); tutaj sumując się, wzmacniają się i tworzą impuls. W miarę dalszej propagacji w przestrzeni fale ulegają defazie i w ten sposób „znoszą się” wzajemnie.
W obszarze anomalnej dyspersji (wewnątrz ogniwa cezowego) fala, która była krótsza (fala 1), staje się dłuższa. I odwrotnie, fala, która była najdłuższa z trzech (fala 3), staje się najkrótsza.
W związku z tym fazy fal odpowiednio się zmieniają. Gdy fale przejdą przez komórkę cezową, ich czoło falowe zostaje przywrócone. Po przejściu niezwykłej modulacji fazowej w substancji o anomalnej dyspersji, trzy fale, o których mowa, ponownie w pewnym momencie znajdują się w fazie. Tutaj sumują się ponownie i tworzą impuls o dokładnie tym samym kształcie, co impuls wchodzący do ośrodka cezowego.
Zwykle w powietrzu, a właściwie w każdym przezroczystym ośrodku o normalnym rozproszeniu, impuls świetlny nie może dokładnie zachować swojego kształtu podczas propagacji na odległą odległość, to znaczy, że wszystkie jego składniki nie mogą być fazowane w żadnym odległym punkcie ścieżki propagacji. A w normalnych warunkach po pewnym czasie w tak odległym punkcie pojawia się impuls świetlny. Jednakże ze względu na anomalne właściwości ośrodka użytego w eksperymencie, impuls w odległym punkcie okazał się fazowany w taki sam sposób, jak przy wejściu do tego ośrodka. Impuls świetlny zachowuje się więc tak, jakby miał ujemne opóźnienie w drodze do odległego punktu, to znaczy miał do niego dotrzeć nie później, ale wcześniej niż przeszedł przez ośrodek!
Większość fizyków jest skłonna kojarzyć ten wynik z pojawieniem się prekursora o niskim natężeniu w ośrodku dyspersyjnym komory. Faktem jest, że podczas rozkładu widmowego impulsu widmo zawiera składowe o dowolnie wysokich częstotliwościach o pomijalnie małej amplitudzie, tzw. prekursor, wyprzedzający „główną część” impulsu. Charakter osadzania i kształt prekursora zależą od prawa dyspersji w ośrodku. Mając to na uwadze, proponuje się interpretować sekwencję zdarzeń w eksperymencie Wonga w następujący sposób. Nadchodząca fala, „wyciągając” przed siebie zwiastuna, zbliża się do kamery. Zanim szczyt nadchodzącej fali uderzy w bliższą ścianę komory, prekursor inicjuje pojawienie się w komorze impulsu, który dociera do dalszej ściany i odbija się od niej, tworząc „falę odwrotną”. Fala ta, rozchodząca się 300 razy szybciej niż c, dociera do najbliższej ściany i spotyka się z nadchodzącą falą. Szczyty jednej fali spotykają się z dolinami drugiej, tak że niszczą się nawzajem i w rezultacie nic nie zostaje. Okazuje się, że nadchodząca fala „spłaca dług” wobec atomów cezu, które „użyczyły” jej energii na drugim końcu komory. Każdy, kto obserwowałby tylko początek i koniec eksperymentu, zobaczyłby jedynie impuls światła, który „przeskoczył” w czasie do przodu, poruszając się szybciej niż ok.
L. Wong uważa, że jego eksperyment nie jest zgodny z teorią względności. Jego zdaniem stwierdzenie o nieosiągalności prędkości nadświetlnej odnosi się jedynie do obiektów o masie spoczynkowej. Światło można przedstawić albo w postaci fal, do których pojęcie masy na ogół nie ma zastosowania, albo w postaci fotonów o masie spoczynkowej, jak wiadomo, równej zeru. Dlatego według Wonga prędkość światła w próżni nie jest granicą. Wong przyznaje jednak, że odkryty przez niego efekt nie pozwala na przesyłanie informacji z prędkością większą niż c.
„Informacje zawarte są już w przedniej krawędzi impulsu” – mówi P. Milonni, fizyk z Los Alamos National Laboratory w Stanach Zjednoczonych. „I może sprawiać wrażenie, że informacje przesyłane są szybciej niż światło, nawet jeśli nie wysyłają”.
Większość fizyków uważa, że nowa praca nie zadaje miażdżącego ciosu podstawowym zasadom. Jednak nie wszyscy fizycy wierzą, że problem został rozwiązany. Profesor A. Ranfagni z włoskiej grupy badawczej, która w 2000 r. przeprowadziła kolejny ciekawy eksperyment, uważa, że kwestia ta jest nadal otwarta. Eksperyment przeprowadzony przez Daniela Mugnai, Anedio Ranfagniego i Rocco Ruggeri wykazał, że fale radiowe o długości fali centymetrowej w normalnym powietrzu przemieszczają się z prędkością o 25% większą niż ok.
Podsumowując, możemy powiedzieć, co następuje.
Prace przeprowadzone w ostatnich latach pokazują, że w pewnych warunkach faktycznie może wystąpić prędkość nadświetlna. Ale co dokładnie porusza się z prędkością ponadświetlną? Teoria względności, jak już wspomniano, zabrania takiej prędkości w przypadku ciał materialnych i sygnałów przenoszących informację. Niemniej jednak niektórzy badacze bardzo uporczywie próbują wykazać pokonanie bariery świetlnej specjalnie dla sygnałów. Powodem tego jest fakt, że w szczególnej teorii względności nie ma ścisłego uzasadnienia matematycznego (opierającego się, powiedzmy, na równaniach Maxwella dla pola elektromagnetycznego), niemożności przesyłania sygnałów z prędkościami większymi niż c. Taka niemożność w STW została ustalona, można by rzec, czysto arytmetycznie, na podstawie wzoru Einsteina na dodawanie prędkości, ale zasadniczo potwierdza to zasada przyczynowości. Sam Einstein rozpatrując kwestię nadświetlnej transmisji sygnału napisał, że w tym przypadku „...zmuszeni jesteśmy rozważyć możliwy mechanizm transmisji sygnału, w którym osiągnięte działanie poprzedza przyczynę. Jednak choć wynika to z punktu czysto logicznego poglądu nie zawiera się, moim zdaniem, nie ma w nim sprzeczności, niemniej jednak tak bardzo zaprzecza naturze całego naszego doświadczenia, że niemożliwość założenia V > c wydaje się być dostatecznie udowodniona. Zasada przyczynowości jest kamieniem węgielnym leżącym u podstaw niemożności nadświetlnej transmisji sygnału. I najwyraźniej wszystkie poszukiwania sygnałów nadświetlnych bez wyjątku natkną się na ten kamień, niezależnie od tego, jak bardzo eksperymentatorzy chcieliby wykryć takie sygnały, bo taka jest natura naszego świata.
Ale mimo to wyobraźmy sobie, że matematyka względności będzie nadal działać przy prędkościach nadświetlnych. Oznacza to, że teoretycznie wciąż możemy dowiedzieć się, co by się stało, gdyby ciało przekroczyło prędkość światła.
Wyobraźmy sobie dwa statki kosmiczne zmierzające z Ziemi w stronę gwiazdy oddalonej o 100 lat świetlnych od naszej planety. Pierwszy statek opuszcza Ziemię z prędkością 50% prędkości światła, więc podróż zajmie 200 lat. Drugi statek, wyposażony w hipotetyczny napęd warp, będzie podróżować z prędkością 200% prędkości światła, ale 100 lat po pierwszym. Co się stanie?
Zgodnie z teorią względności poprawna odpowiedź zależy w dużej mierze od punktu widzenia obserwatora. Z Ziemi będzie widać, że pierwszy statek przebył już znaczną odległość, zanim został wyprzedzony przez drugi, poruszający się czterokrotnie szybciej. Ale z punktu widzenia ludzi na pierwszym statku wszystko jest trochę inne.
Statek nr 2 porusza się szybciej niż światło, co oznacza, że może nawet wyprzedzić światło, które sam emituje. W rezultacie powstaje swego rodzaju „fala świetlna” (podobna do fali dźwiękowej, ale zamiast wibracji powietrza wibrują fale świetlne), która daje kilka ciekawych efektów. Przypomnij sobie, że światło ze statku nr 2 porusza się wolniej niż sam statek. Rezultatem będzie wizualne podwojenie. Innymi słowy, najpierw załoga statku nr 1 zobaczy, że obok nich, jakby znikąd, pojawił się drugi statek. Wtedy światło z drugiego statku dotrze do pierwszego z niewielkim opóźnieniem, w wyniku czego powstanie widoczna kopia, która będzie poruszać się w tym samym kierunku z niewielkim opóźnieniem.
Coś podobnego można zaobserwować w grach komputerowych, gdzie na skutek awarii systemu silnik ładuje model i jego algorytmy w końcowym punkcie ruchu szybciej, niż kończy się sama animacja ruchu, przez co następuje wielokrotne ujęcie. Prawdopodobnie dlatego nasza świadomość nie dostrzega tego hipotetycznego aspektu Wszechświata, w którym ciała poruszają się z prędkościami ponadświetlnymi – może tak będzie najlepiej.
P.S. ...ale w ostatnim przykładzie czegoś nie zrozumiałem, dlaczego rzeczywiste położenie statku wiąże się z „emitowanym przez niego światłem”? Cóż, nawet jeśli zobaczą go w niewłaściwym miejscu, w rzeczywistości wyprzedzi pierwszy statek!
źródła
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 człowiekiem o imieniu Albert Einstein, 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 zgłębiał także koncepcję „silnika Alcubierre’a”, zaproponowaną przez fizyka teoretycznego Miguela Alcubierre’a 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. Jak dotąd jedynym sposobem na odwiedzenie egzoplanety za życia 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?