20. yüzyıla fizik ve kozmoloji alanındaki en büyük keşifler damgasını vurdu. Bu keşiflerin temelleri, seçkin fizikçilerden oluşan bir galaksi tarafından geliştirilen teorilerdi. Bunlardan en ünlüsü, modern fiziğin büyük ölçüde dayandığı çalışmaları olan Albert Einstein'dır. Bilim insanının teorilerinden, ışığın boşluktaki hızının parçacık hareketinin ve etkileşiminin maksimum hızı olduğu sonucu çıkıyor. Ve bu teorilerden kaynaklanan zaman paradoksları tamamen şaşırtıcıdır: Örneğin, hareket eden nesnelerde zaman, duran nesnelere göre daha yavaş akar ve ışık hızına yaklaştıkça zaman daha fazla yavaşlar. Işık hızında uçan bir cisim için zamanın tamamen duracağı ortaya çıktı.
| Tavsiye ediyoruz |
Bu bize teorik olarak uygun teknoloji seviyesiyle bir kişinin bir nesil ömrü içinde Evrenin en uzak köşelerine ulaşabileceği umudunu veriyor. Bu durumda dünyanın referans çerçevesindeki uçuş süresi milyonlarca yıl olurken, ışık hızına yakın hızda uçan bir gemide sadece birkaç gün geçecek... Bu tür olasılıklar etkileyici ve aynı zamanda soru işareti. Şu ortaya çıkıyor: Geleceğin fizikçileri ve mühendisleri uzay aracını bir şekilde çok büyük değerlere, hatta teorik olarak ışık hızına kadar hızlandırırsa (fiziğimiz bu olasılığı reddetse de), yalnızca en uzak galaksilere ve yıldızlara değil, aynı zamanda en uzak galaksilere ve yıldızlara da ulaşabilecek miyiz? aynı zamanda Evrenimizin sınırı, bilim adamlarının hangi konuda hiçbir fikrinin olmadığı bilinmeyenin sınırlarının ötesine bakın?
Evrenin yaklaşık 13,79 milyar yıl önce oluştuğunu ve o zamandan bu yana sürekli genişlediğini biliyoruz. Şu anda yarıçapının 13,79 milyar ışıkyılı ve buna göre çapının 27,58 milyar ışıkyılı olması gerektiği varsayılabilir. Ve eğer Evren ışık hızında, mümkün olan en yüksek hızda, eşit biçimde genişliyor olsaydı bu doğru olurdu. Ancak elde edilen veriler bize Evrenin artan bir hızla genişlediğini söylüyor.
Bizden en uzaktaki galaksilerin, yakındakilere göre daha hızlı bizden uzaklaştığını gözlemliyoruz; dünyamızın alanı sürekli genişliyor. Aynı zamanda Evrenin bizden ışık hızından daha hızlı uzaklaşan bir kısmı da var. Bu durumda, görelilik teorisinin hiçbir varsayımı ve sonucu ihlal edilmez - Evrenin içindeki nesneler ışık altı hızlarda kalır. Evrenin bu kısmı görülemiyor; radyasyon kaynakları tarafından yayılan fotonların hızı, uzayın genişleme hızının üstesinden gelmek için yeterli değil.
Hesaplamalar, dünyamızın görebildiğimiz kısmının çapının yaklaşık 93 milyar ışıkyılı olduğunu ve buna denir. Metagalaksi. Bu sınırın ötesinde ne olduğunu ve Evrenin ne kadar uzandığını ancak tahmin edebiliriz. Evrenin kenarının bizden en hızlı şekilde uzaklaştığını ve ışık hızını çok aştığını varsaymak mantıklıdır. Ve bu hız sürekli artıyor. Bir nesne ışık hızında uçsa bile, Evrenin kenarına asla ulaşamayacağı, çünkü Evrenin kenarı ondan daha hızlı uzaklaşacağı aşikar hale geliyor.
Bir hata bulursanız lütfen metnin bir kısmını vurgulayın ve tıklayın. Ctrl+Enter.
Ama gerçekte ne olacak? Bu sorunun aslında bir cevabı yok çünkü tüm fizik kanunlarına aykırıdır ve bildiğimiz gibi deneyler yapılamaz. Ama kimse teorik olarak düşünmenizi yasaklamayacak. Diyelim ki, yeni başlayanlar için ışık hızına çıkabilen bir VAZ arabasını ele geçirdik. Hadi gidelim...
11. sınıf fizik dersinden bildiğimiz gibi ışık hızı sabit bir değerdir ve ne eksik ne fazla, saniyede 300.000 km'dir. Işık hızına yakın hızlarda olağan fizik yasaları geçerli değildir. Görelilik fiziğinin yasaları burada geçerlidir, bu yüzden Bay Einstein'a dönüp onun görelilik teorisini okumamız gerekecek.
Klasik fizik yasalarını uygulayarak fotonların (ışık parçacıklarının) hızının arabanın hızına eşit olacağını ve farların her zamanki gibi parlayacağını varsayabiliriz. Ama... Aynı fotonların ışığın iki katı hızda uçmaları gerektiği ortaya çıktı; arabanın hızı ile fotonların hızı toplanıyor. Ancak bu imkansızdır çünkü 1905 yılında Einstein ışık hızının herhangi bir referans çerçevesinde sabit olduğunu kanıtlamıştı. Bu, fardan çıkan fotonun hâlâ 300.000 km/sn hıza sahip olacağı anlamına geliyor. Ama araba da aynı hıza sahip. Peki ışık fotonları arabanın yanında mı uçacak? O zaman sürücü farları görmeyecektir. Yolun kenarındaki bir gözlemci, yanından geçen bir ışık noktası görüyor gibi görünmelidir. Aslında pek de öyle değil.
Görelilik teorisini kullanarak, çok daha fantastik başka bir resim hayal edilebilir. Burada birçok faktör birbiriyle örtüşüyor ve hayal edilemeyecek bir şey yaratıyor.
Örneğin ışık hızına yakın bir hızda hareket eden bir cismin yani bir arabanın sınırsız kütle kazanması gerekir. Sonuç, yerçekimi nedeniyle hiçbir fotonun yüzeyinden ayrılmasına izin vermeyecek bir tür kara delik olmalıdır. Tam tersine, inanılmaz kütleli bir nesneye yakışır şekilde, etrafındaki tüm maddeyi kendi içine çekecektir. Işık hızında arabamızın kütlesi sonsuza eşit olacaktır. Artık daha yüksek hızları tahmin etmeye bile değmez. Bu durumda içindeki süre sıfıra eşit olacak yani duracaktır.
Öte yandan herhangi bir parçacığın hareketi birim zamandaki mesafeye göre belirlenir. Ve eğer zaman durursa ne tür bir hareket olabilir? Hız yavaşlayana kadar her şey donuyor. Teorik olarak arabamız tüm Evrenin üzerinde uçabilir ve içindeki saat saniyenin bir kısmını bile saymaz! Ve içlerindeki tüm moleküller dursaydı nasıl sayarlardı? Ancak moleküllerin durması, nesnenin sıcaklığının mutlak sıfır olduğu anlamına gelir! Arabadaki bir kişi için zamanın tamamen durana kadar giderek daha yavaş aktığını hayal edin. Donuyor ve vücudundaki moleküller bile hareketsiz duruyor; sıcaklığı mutlak sıfır. Ama bir şekilde hız düşüyor ve insan canlanıyor. Bu durağın farkına bile varmadı. O da elini uzatıp saniyelerini buna ayırıyor ama bizim için saatler, yıllar, hatta yüzyıllar geçiyor! Her ne kadar burada her şey belirsiz olsa da, maddenin birikmesi basıncı ve sıcaklığı arttırdığı için burada mutlak sıfırdır. Ne kadar süpernova ortaya çıkarsa çıksın!
Hatta diyelim ki bizim arabamız araba olarak kaldı ve sürücünün hayatta olduğu ve farları açabildiği ortaya çıktı. Bilindiği üzere yüksek hızlarda Doppler etkisi adı verilen olay işliyor. Sonuçta ışığın da dalga doğası vardır. Bu, görünür ışığın frekansının veya spektrumunun değiştiği anlamına gelir. Bir nesne yaklaşıyorsa spektrumda mor kısma, uzaklaşıyorsa kırmızıya doğru bir kayma göreceğiz.
Bunu ışığa yakın makinemize uygularsak, farlar yerine sert gama radyasyonu veya basitçe radyasyon elde edebiliriz. Sürücü hiçbir şeyi anlamayabilir; bu tartışmalı bir konu çünkü onun için pek bir şey değişmedi. Ancak gözlemcimizin, araba geçip gittikten sonra bir saniyeden fazla yaşaması pek mümkün değil. Her türlü radyasyonu alacak; araba yaklaşırken ultraviyole kısmı ve uzaklaşırken kızılötesi kısmı. Buna far denemez.
Işıküstü hızlarda ışığa ne olacağı sorusunun cevabı yok. Tıpkı ışık için böyle bir şeyin olmadığı gibi. Yakın ışık - lütfen, görelilik teorisi burada geçerlidir. Işık sıradan ışık olarak kalır. Ancak ışık hızına ulaşıldığında öyle mucizeler başlar ki beyin, cevabı bulmak veya olası tüm seçenekleri hayal etmek yerine kaynamayı tercih eder. Maddede ve zamanda bizim için inanılmaz olan değişimler burada başlıyor. Belki de böyle bir hıza hiçbir zaman ulaşılamaması en iyisidir. Süperluminalden bahsetmiyorum bile...
İmkansızı açıklamanın imkansızlığı nedeniyle soruyu cevaplamak mümkün olmasa da, düşünülecek yemeğin lezzetli olduğu ortaya çıktı.
1) Farlar diğer nesneleri aydınlatıp gözlerinize geri yansıyor mu?
HAYIR. Bildiğiniz gibi ışık hızını geçemezsiniz. Bu da arabanın hızını geçemediği için ışığın tek yönde hiç parlayamayacağı, dolayısıyla farlardan asla çıkmayacağı anlamına geliyor. Ancak çok boyutlu bir dünyada yaşıyoruz ve tüm ışıklar tek yönde parlamaz.
Kütlesi olmayan (yani ışık hızında hareket eden), biri yukarı, diğeri aşağı olmak üzere iki foton yayan iki boyutlu bir araba hayal edelim. İki kiriş arabadan ayrılır ve arkasında kalır. Işıkla aynı hızda hareket ederler ama hareket edemezler ileri hız vektörlerinden biri yukarı/aşağı yönlü olduğundan onları sollarız. Bu fotonlar daha sonra yollarında bir yol işareti veya ağaç gibi bir tür engelle karşılaşır ve geri yansıtılır. Sorun şu ki, artık size yetişemiyorlar. Kaldırımda yürüyen diğer insanlar yansıyan ışığı görebilirler ama siz onu çoktan terk etmişsinizdir ve onu asla göremeyeceksiniz.
İşte her şey, nerede olursa olsun tüm ışığın aynı hızda hareket etmesi gerçeğiyle açıklanabilir. Bunun görelilik teorisiyle pek alakası yok.
Ancak daha hardcore bir versiyonu da var.
2) Işık hızında hareket eden nesnelerin farları olabilir mi? Vizyon sahibi olabilirler mi?
Göreliliğin çılgın gerçeğinin gerçekten devreye girdiği yer burasıdır, dolayısıyla bir şeyi anlamıyorsanız utanmanıza gerek yok, ancak cevap yine hayırdır.
Göreli zaman genişlemesi kavramına aşina olabilirsiniz. Diyelim ki arkadaşım ve ben farklı trenlere biniyoruz ve birbirimize doğru gidiyoruz. Arabamızla geçerken pencereden birbirimizin kompartımanındaki duvar saatine bakarsak, o zaman ikisi birden Normalden daha yavaş hareket ettiklerini unutmayın. Bunun nedeni saatin yavaşlaması değil, aramızdaki ışığın devreye girmesidir: Ne kadar hızlı hareket edersek, daha az hareket eden nesnelere göre o kadar yavaş yaşlanırız. Bunun nedeni, zamanın Evrendeki tüm nesneler için mutlak olmaması, her nesne için farklı olması ve hızına bağlı olmasıdır. Zamanımız sadece ona bağlı bizim Evrendeki hız. Bunu uzay-zaman ölçeğinde farklı yönlere doğru hareket etmek olarak düşünebilirsiniz. Burada belli bir sorun var, çünkü beynimiz uzay-zamanın geometrisini anlayacak şekilde tasarlanmamıştır, fakat zamanı bir tür mutlak olarak hayal etme eğilimindedir. Ancak bu konuyla ilgili biraz literatür okuduktan sonra normalde doğal bir gerçek olarak kabul edebilirsiniz: Size göre hızlı hareket edenler daha yavaş yaşlanır.
Diyelim ki arkadaşınız varsayımsal bir arabada ışık hızında seyahat ediyor. Öyleyse gelin onun hızını formülümüze koyalım ve cevabın ne olduğunu görelim.
Oh-oh! Görünüşe göre onun için hiç zaman geçmemiş! Hesaplamalarımızda bir sorun mu var? Hayır olduğu ortaya çıktı. Zaman. Olumsuz. Var. İçin. Nesneler. Açık. Hız. Sveta.
Basitçe mevcut değil.
Bu, ışık hızındaki nesnelerin "oluşan" olayları bizim algıladığımız gibi algılayamayacağı anlamına gelir. Etkinlikler yapılamaz olmak onlar için. Eylemler gerçekleştirebilirler ancak deneyim kazanamazlar. Einstein'ın kendisi bir keresinde şöyle demişti: "Zaman, her şeyin bir anda meydana gelmemesi için vardır." Olayları anlamlı bir sıraya göre düzenleyerek, olup biteni anlayabilmemiz için tasarlanmış bir koordinattır. Ancak, hızıyla hareket eden bir nesne için. ışık, bu prensip işe yaramıyor çünkü Tüm aynı anda gerçekleşir. Işık hızında seyahat eden bir yolcu, bizim anlamlı olduğunu düşündüğümüz hiçbir şeyi asla görmez, düşünmez, hissetmez.
Bu çok beklenmedik bir sonuç.
25 Mart 2017
FTL seyahati uzay bilim kurgusunun temellerinden biridir. Bununla birlikte, muhtemelen herkes - hatta fizikten uzak insanlar bile - maddi nesnelerin mümkün olan maksimum hareket hızının veya herhangi bir sinyalin yayılmasının, ışığın boşluktaki hızı olduğunu biliyor. C harfiyle gösterilir ve saniyede neredeyse 300 bin kilometredir; kesin değer c = 299,792,458 m/s.
Işığın boşluktaki hızı temel fiziksel sabitlerden biridir. c'yi aşan hızlara ulaşmanın imkansızlığı Einstein'ın özel görelilik teorisinden (STR) kaynaklanmaktadır. Eğer sinyallerin ışık üstü hızlarda iletilmesinin mümkün olduğu kanıtlanabilseydi, görelilik teorisi çökerdi. C'den daha büyük hızların varlığına ilişkin yasağı çürütmek için yapılan sayısız girişime rağmen, şu ana kadar bu gerçekleşmedi. Bununla birlikte, son deneysel çalışmalar, özel olarak yaratılmış koşullar altında, görelilik teorisinin ilkelerini ihlal etmeden ışık üstü hızların gözlemlenebileceğini gösteren çok ilginç bazı olayları ortaya çıkardı.
Başlangıç olarak ışık hızı problemiyle ilgili ana hususları hatırlayalım.
Öncelikle: Işık sınırını aşmak (normal şartlarda) neden imkansızdır? Çünkü o zaman dünyamızın temel yasası ihlal edilir - sonucun nedenden önce gelemeyeceğine göre nedensellik yasası. Mesela bir ayının önce öldüğünü, sonra avcının vurduğunu hiç kimse gözlemlemedi. C'yi aşan hızlarda olayların sırası tersine döner, zaman bandı geri sarılır. Bunu aşağıdaki basit mantıkla doğrulamak kolaydır.
Işıktan hızlı hareket eden bir tür uzay mucizesi gemisinde olduğumuzu varsayalım. Daha sonra yavaş yavaş kaynağın daha erken ve daha erken bir zamanda yaydığı ışığa yetişirdik. İlk olarak, örneğin dün yayılan fotonları yakalardık, sonra dünden önceki gün yayılanları, sonra bir hafta, bir ay, bir yıl önce vb. yayılanları yakalardık. Işık kaynağı hayatı yansıtan bir ayna olsaydı, önce dünün olaylarını, sonra dünden önceki günü vb. görürdük. Mesela yaşlı bir adamın yavaş yavaş orta yaşlı bir adama, sonra genç bir adama, bir delikanlıya, bir çocuğa dönüştüğünü görebiliyorduk... Yani zaman geri dönecek, şimdiki zamandan şimdiki zamana geçecektik. geçmiş. O zaman nedenler ve sonuçlar yer değiştirecektir.
Her ne kadar bu tartışma, ışığı gözlemleme sürecinin teknik ayrıntılarını tamamen göz ardı etse de, temel bir bakış açısıyla, süper ışık hızlarındaki hareketin dünyamızda mümkün olmayan bir duruma yol açtığını açıkça göstermektedir. Bununla birlikte, doğa daha da katı koşullar belirlemiştir: yalnızca süper ışık hızında hareket etmek değil, aynı zamanda ışık hızına eşit bir hızda hareket etmek de imkansızdır - ona ancak yaklaşılabilir. Görelilik teorisine göre, hareket hızı arttığında üç durum ortaya çıkar: Hareket eden bir nesnenin kütlesi artar, hareket yönündeki boyutu azalır ve bu nesne üzerindeki zamanın akışı yavaşlar (noktadan itibaren). harici bir "dinlenme" gözlemcisinin görüşü). Sıradan hızlarda, bu değişiklikler ihmal edilebilir düzeydedir, ancak ışık hızına yaklaştıkça giderek daha fazla fark edilir hale gelirler ve sınırda - c'ye eşit bir hızda - kütle sonsuz büyüklükte olur, nesne yöndeki boyutunu tamamen kaybeder. hareket eder ve zaman onun üzerinde durur. Bu nedenle hiçbir maddi cisim ışık hızına ulaşamaz. Yalnızca ışığın kendisi böyle bir hıza sahiptir! (Ayrıca "herşeye nüfuz eden" bir parçacık - foton gibi c'den daha düşük bir hızda hareket edemeyen bir nötrino.)
Şimdi sinyal iletim hızı hakkında. Burada ışığın elektromanyetik dalgalar biçimindeki temsilinin kullanılması uygundur. Sinyal nedir? Bu iletilmesi gereken bazı bilgilerdir. İdeal bir elektromanyetik dalga, kesinlikle tek bir frekansa sahip sonsuz bir sinüzoiddir ve herhangi bir bilgi taşıyamaz çünkü böyle bir sinüzoidin her periyodu bir öncekini tam olarak tekrarlar. Sinüs dalgası fazının hareket hızı (faz hızı olarak da adlandırılır), belirli koşullar altında ışığın ortamdaki boşluktaki hızını aşabilir. Faz hızı sinyalin hızı olmadığından burada herhangi bir kısıtlama yoktur - henüz mevcut değildir. Bir sinyal oluşturmak için dalganın üzerinde bir tür "işaret" yapmanız gerekir. Böyle bir işaret, örneğin dalga parametrelerinden herhangi birinde (genlik, frekans veya başlangıç fazı) bir değişiklik olabilir. Ancak işaret konulduğu anda dalga sinüzoidalliğini kaybeder. Farklı genliklere, frekanslara ve başlangıç aşamalarına sahip bir dizi basit sinüs dalgasından (bir grup dalga) oluşan modüle edilmiş hale gelir. İşaretin modüle edilmiş dalgada hareket ettiği hız, sinyalin hızıdır. Bir ortamda yayılırken, bu hız genellikle yukarıda bahsedilen dalga grubunun bir bütün olarak yayılmasını karakterize eden grup hızıyla çakışır (bkz. "Bilim ve Yaşam" No. 2, 2000). Normal koşullar altında grup hızı ve dolayısıyla sinyal hızı, ışığın boşluktaki hızından daha düşüktür. Burada "normal koşullar altında" ifadesinin kullanılması tesadüf değildir, çünkü bazı durumlarda grup hızı c'yi aşabilir, hatta anlamını kaybedebilir, ancak bu durumda sinyal yayılımını ifade etmez. Servis istasyonu, c'den daha yüksek bir hızda sinyal iletmenin imkansız olduğunu tespit eder.
Bu neden böyle? Çünkü herhangi bir sinyalin c'den daha büyük bir hızda iletilmesinin önündeki engel aynı nedensellik yasasıdır. Böyle bir durumu hayal edelim. A noktasında, bir ışık parlaması (olay 1), belirli bir radyo sinyali gönderen cihazı açar ve uzak bir B noktasında, bu radyo sinyalinin etkisi altında bir patlama meydana gelir (olay 2). Olay 1'in (parlama) neden olduğu, olay 2'nin (patlama) ise nedenden sonra meydana gelen sonuç olduğu açıktır. Ancak radyo sinyali süper ışık hızında yayılırsa, B noktasına yakın bir gözlemci önce bir patlamayı, sonra da kendisine bir ışık parlaması hızıyla ulaşan patlamanın nedenini görecektir. Yani bu gözlemci için 2. olay, 1. olaydan daha önce meydana gelmiş, yani sonuç nedenden önce gelmiş olacaktır.
Görelilik teorisinin “süper ışık yasağının” yalnızca maddi cisimlerin hareketine ve sinyallerin iletimine dayatıldığını vurgulamak yerinde olur. Çoğu durumda herhangi bir hızda hareket etmek mümkündür ancak bu, maddi nesnelerin veya sinyallerin hareketi olmayacaktır. Örneğin, biri yatay olarak yerleştirilmiş, diğeri küçük bir açıyla kesişen, aynı düzlemde uzanan oldukça uzun iki cetveli hayal edin. Birinci cetvel yüksek hızla aşağı doğru (okla gösterilen yönde) hareket ettirilirse cetvellerin kesişme noktasının istenildiği kadar hızlı koşması sağlanabilir ancak bu nokta maddi bir cisim değildir. Başka bir örnek: Bir el feneri (veya örneğin dar bir ışın veren bir lazer) alırsanız ve havada hızlı bir şekilde bir yay tanımlarsanız, ışık noktasının doğrusal hızı mesafeyle birlikte artacak ve yeterince büyük bir mesafede c'yi aşacaktır. . Işık noktası A ve B noktaları arasında ışık üstü hızda hareket edecektir, ancak bu A'dan B'ye bir sinyal iletimi olmayacaktır çünkü böyle bir ışık noktası A noktası hakkında herhangi bir bilgi taşımamaktadır.
Görünüşe göre süper ışık hızları sorunu çözülmüş. Ancak yirminci yüzyılın 60'lı yıllarında teorik fizikçiler, takyon adı verilen süperluminal parçacıkların varlığına dair hipotezi öne sürdüler. Bunlar çok tuhaf parçacıklar: Teorik olarak mümkünler, ancak görelilik teorisiyle çelişkileri önlemek için onlara hayali bir hareketsiz kütle atanması gerekiyordu. Fiziksel olarak hayali kütle mevcut değildir; bu tamamen matematiksel bir soyutlamadır. Bununla birlikte, takyonlar hareketsiz olamayacağı için bu pek fazla alarma neden olmadı - sadece boşlukta ışık hızını aşan hızlarda var olurlar (eğer varsa!) ve bu durumda takyon kütlesinin gerçek olduğu ortaya çıkar. Burada fotonlarla bazı benzerlikler var: Bir fotonun sıfır dinlenme kütlesi vardır, ancak bu basitçe fotonun hareketsiz olamayacağı anlamına gelir; ışık durdurulamaz.
Beklenebileceği gibi en zor şeyin, takiyon hipotezini nedensellik yasasıyla uzlaştırmak olduğu ortaya çıktı. Bu yönde yapılan girişimler oldukça ustaca olmasına rağmen bariz bir başarıya yol açmadı. Takyonları deneysel olarak da hiç kimse kaydetmeyi başaramadı. Sonuç olarak, süperluminal temel parçacıklar olarak takyonlara olan ilgi yavaş yavaş azaldı.
Ancak 60'lı yıllarda, başlangıçta fizikçilerin kafasını karıştıran bir fenomen deneysel olarak keşfedildi. Bu, A. N. Oraevsky'nin “Güçlendirici medyada süper ışık dalgaları” (UFN No. 12, 1998) makalesinde ayrıntılı olarak açıklanmaktadır. Burada konunun özünü kısaca özetleyerek ayrıntıları merak eden okuyucuyu belirtilen yazıya yönlendireceğiz.
Lazerlerin keşfinden kısa bir süre sonra - 60'ların başında - kısa (yaklaşık 1 ns = 10-9 s süren) yüksek güçlü ışık darbelerinin elde edilmesi sorunu ortaya çıktı. Bunu yapmak için, bir optik kuantum amplifikatöründen kısa bir lazer darbesi geçirildi. Darbe, ışın bölücü bir ayna tarafından iki parçaya bölündü. Bunlardan daha güçlü olan biri amplifikatöre gönderildi ve diğeri havada yayıldı ve amplifikatörden geçen darbenin karşılaştırılabileceği bir referans darbesi olarak görev yaptı. Her iki darbe de fotodetektörlere beslendi ve bunların çıkış sinyalleri osiloskop ekranında görsel olarak gözlemlendi. Amplifikatörden geçen ışık darbesinin referans darbeye kıyasla bir miktar gecikme yaşaması, yani amplifikatördeki ışığın yayılma hızının havadakinden daha az olması bekleniyordu. Darbenin amplifikatörde yalnızca havadakinden daha yüksek bir hızda değil, aynı zamanda vakumdaki ışığın hızından birkaç kat daha yüksek bir hızda yayıldığını keşfettiklerinde araştırmacıların şaşkınlığını bir düşünün!
İlk şoku atlatan fizikçiler, böylesine beklenmedik bir sonucun nedenini aramaya başladı. Özel görelilik teorisinin ilkeleri hakkında hiç kimsenin en ufak bir şüphesi bile yoktu ve doğru açıklamanın bulunmasına yardımcı olan da buydu: SRT'nin ilkeleri korunursa, o zaman cevap, yükseltici ortamın özelliklerinde aranmalıdır.
Burada ayrıntılara girmeden sadece yükseltici ortamın etki mekanizmasının ayrıntılı bir analizinin durumu tamamen açıklığa kavuşturduğunu belirteceğiz. Önemli olan, darbenin yayılması sırasında foton konsantrasyonundaki bir değişiklikti; ortam zaten soğurduğunda, darbenin arka kısmının geçişi sırasında ortamın kazancındaki negatif bir değere kadar olan değişimin neden olduğu bir değişiklikti. enerji, çünkü ışık darbesine aktarılması nedeniyle kendi rezervi zaten tükenmiştir. Emilim, dürtünün artmasına değil, zayıflamasına neden olur ve böylece dürtü ön kısımda güçlenir, arka kısımda zayıflar. Amplifikatör ortamında ışık hızında hareket eden bir cihaz kullanarak bir darbe gözlemlediğimizi hayal edelim. Ortam şeffaf olsaydı, dürtünün hareketsizlik içinde donduğunu görürdük. Yukarıda bahsedilen sürecin gerçekleştiği ortamda, darbenin ön kenarının güçlenmesi ve arka kenarının zayıflaması, gözlemciye ortamın darbeyi ileriye doğru hareket ettirdiği gibi görünecektir. Ancak cihaz (gözlemci) ışık hızında hareket ettiğinden ve dürtü onu geçtiğinden, dürtü hızı ışık hızını aşıyor! Deneyciler tarafından kaydedilen bu etkidir. Ve burada aslında görelilik teorisiyle hiçbir çelişki yok: Amplifikasyon süreci basitçe öyle ki, daha önce ortaya çıkan fotonların konsantrasyonu, daha sonra ortaya çıkanlardan daha büyük çıkıyor. Süperluminal hızlarda hareket eden fotonlar değil, bir osiloskopta gözlemlenen darbe zarfı, özellikle de maksimumudur.
Bu nedenle, sıradan ortamlarda her zaman ışığın zayıflaması ve kırılma indisi tarafından belirlenen hızında bir azalma olurken, aktif lazer ortamda yalnızca ışığın artması değil, aynı zamanda ışık üstü hızda bir darbenin yayılması da vardır.
Bazı fizikçiler, kuantum mekaniğinin en şaşırtıcı olaylarından biri olan tünel etkisi sırasında süperlüminal hareketin varlığını deneysel olarak kanıtlamaya çalıştılar. Bu etki, bir mikropartikülün (daha kesin olarak, farklı koşullar altında hem bir partikülün özelliklerini hem de bir dalganın özelliklerini sergileyen bir mikronesnenin), sözde potansiyel bariyeri - tamamen klasik mekanikte imkansızdır (burada böyle bir durum bir analog olacaktır: duvara atılan bir top duvarın diğer tarafına geçecektir ya da duvara bağlı bir ipe verilen dalga benzeri hareket, diğer tarafa aktarılacaktır). diğer taraftaki duvara bağlı bir ip). Kuantum mekaniğinde tünel etkisinin özü aşağıdaki gibidir. Belirli bir enerjiye sahip bir mikro nesne, yolu üzerinde, mikro nesnenin enerjisini aşan potansiyel enerjiye sahip bir alanla karşılaşırsa, bu alan onun için bir bariyer görevi görür ve yüksekliği enerji farkına göre belirlenir. Ancak mikro nesne bariyerden "sızıyor"! Bu olasılık ona, etkileşimin enerjisi ve zamanı için yazılmış, iyi bilinen Heisenberg belirsizlik ilişkisi tarafından verilmiştir. Bir mikro nesnenin bir bariyerle etkileşimi oldukça belirli bir süre boyunca meydana gelirse, o zaman mikro nesnenin enerjisi tam tersine belirsizlikle karakterize edilecektir ve eğer bu belirsizlik bariyerin yüksekliği düzeyindeyse o zaman mikro nesnenin enerjisi belirsizlikle karakterize edilecektir. ikincisi, mikro nesne için aşılmaz bir engel olmaktan çıkar. C'yi aşabileceğine inanan bazı fizikçiler tarafından araştırmaya konu olan, potansiyel bariyerden geçme hızıdır.
Haziran 1998'de, Köln'de, Berkeley, Viyana, Köln ve Floransa'daki dört laboratuvarda elde edilen sonuçların tartışıldığı, süperlüminal hareket sorunları üzerine uluslararası bir sempozyum düzenlendi.
Ve son olarak, 2000 yılında süperluminal yayılmanın etkilerinin ortaya çıktığı iki yeni deney hakkında raporlar ortaya çıktı. Bunlardan biri, Princeton Araştırma Enstitüsü'ndeki (ABD) Lijun Wong ve meslektaşları tarafından gerçekleştirildi. Bunun sonucu, sezyum buharıyla dolu bir odaya giren ışık darbesinin hızını 300 kat arttırmasıdır. Nabzın ana kısmının, nabız ön duvardan odaya girdiğinden bile önce odanın uzak duvarından çıktığı ortaya çıktı. Bu durum sadece sağduyuya değil, esas itibarıyla görelilik teorisine de aykırıdır.
L. Wong'un mesajı, çoğu elde edilen sonuçlarda görelilik ilkelerinin ihlal edildiğini görmeye meyilli olmayan fizikçiler arasında yoğun tartışmalara neden oldu. Onlara göre asıl zorluk bu deneyi doğru bir şekilde açıklamaktır.
L. Wong'un deneyinde, sezyum buharının bulunduğu odaya giren ışık atımının süresi yaklaşık 3 μs idi. Sezyum atomları, "temel durumun aşırı ince manyetik alt seviyeleri" olarak adlandırılan on altı olası kuantum mekaniksel durumda mevcut olabilir. Optik lazer pompalama kullanılarak neredeyse tüm atomlar bu on altı durumdan yalnızca birine getirildi; bu, Kelvin ölçeğinde (-273,15 ° C) neredeyse mutlak sıfır sıcaklığa karşılık geliyor. Sezyum odasının uzunluğu 6 santimetreydi. Boşlukta ışık 0,2 ns'de 6 santimetre yol alır. Ölçümlerin gösterdiği gibi, ışık atımı sezyumlu odadan vakumdakinden 62 ns daha kısa bir sürede geçti. Başka bir deyişle, bir darbenin sezyum ortamından geçmesi için geçen süre eksi işaretine sahiptir! Aslında 0,2 ns'den 62 ns'yi çıkarırsak “negatif” zaman elde ederiz. Ortamdaki bu "negatif gecikme" - anlaşılmaz bir zaman sıçraması - darbenin boşlukta odacıktan 310 geçiş yaptığı süreye eşittir. Bu "geçici tersine dönmenin" sonucu, odadan çıkan darbenin, gelen darbe odanın yakın duvarına ulaşmadan önce odadan 19 metre uzağa hareket etmeyi başarmasıydı. Böylesine inanılmaz bir durum nasıl açıklanabilir (tabii ki deneyin saflığından şüphe etmiyorsak)?
Devam eden tartışmaya bakılırsa, henüz kesin bir açıklama bulunamamıştır, ancak ortamın alışılmadık dağılım özelliklerinin burada bir rol oynadığına şüphe yoktur: Lazer ışığıyla uyarılan atomlardan oluşan sezyum buharı, anormal dağılıma sahip bir ortamdır . Ne olduğunu kısaca hatırlayalım.
Bir maddenin dağılımı, faz (sıradan) kırılma indisinin n ışık dalga boyu l'ye bağımlılığıdır. Normal dağılımda, dalga boyu azaldıkça kırılma indisi artar ve bu durum cam, su, hava ve ışığa karşı şeffaf olan diğer tüm maddeler için de geçerlidir. Işığı güçlü bir şekilde emen maddelerde, kırılma indisinin dalga boyundaki değişiklikle seyri tersine çevrilir ve çok daha dik hale gelir: azalan l ile (artan frekans w), kırılma indisi keskin bir şekilde azalır ve belirli bir dalga boyu bölgesinde birlikten daha az olur ( faz hızı Vf > s). Bu, bir maddedeki ışığın yayılma düzeninin kökten değiştiği anormal bir dağılımdır. Grup hızı Vgr, dalgaların faz hızından daha büyük hale gelir ve ışığın boşluktaki hızını aşabilir (ve ayrıca negatif olabilir). L. Wong, deneyinin sonuçlarının açıklanabilme ihtimalinin altında yatan neden olarak bu duruma işaret ediyor. Bununla birlikte, Vgr > c koşulunun tamamen biçimsel olduğuna dikkat edilmelidir, çünkü grup hızı kavramı, bir dalga grubunun neredeyse şeklini değiştirmediği şeffaf ortam için küçük (normal) dağılım durumu için ortaya atılmıştır. yayılma sırasında. Anormal dağılım bölgelerinde ışık darbesi hızla deforme olur ve grup hızı kavramı anlamını kaybeder; bu durumda, şeffaf ortamda grup hızına denk gelen ve emilimli ortamlarda ışığın boşluktaki hızından daha düşük kalan sinyal hızı ve enerji yayılma hızı kavramları tanıtılmaktadır. Ancak Wong'un deneyinde ilginç olan şey şu: Anormal dağılıma sahip bir ortamdan geçen ışık darbesi deforme olmaz; şeklini tam olarak korur! Bu da dürtünün grup hızıyla yayıldığı varsayımına karşılık gelir. Ancak eğer öyleyse, o zaman ortamda herhangi bir absorpsiyon olmadığı ortaya çıkıyor, ancak ortamın anormal dağılımı tam olarak absorpsiyondan kaynaklanıyor! Wong, pek çok şeyin belirsiz kaldığını kabul ederken, deney düzeneğinde olup bitenlerin ilk tahminde aşağıdaki gibi açıkça açıklanabileceğine inanıyor.
Bir ışık darbesi farklı dalga boylarına (frekanslara) sahip birçok bileşenden oluşur. Şekilde bu bileşenlerden üçü gösterilmektedir (dalga 1-3). Bir noktada, üç dalganın tümü aynı fazdadır (maksimumları çakışır); burada toplanıyorlar, birbirlerini güçlendiriyorlar ve bir dürtü oluşturuyorlar. Uzayda daha fazla yayıldıkça, dalgalar fazları bozulur ve böylece birbirlerini “iptal ederler”.
Anormal dağılım bölgesinde (sezyum hücresinin içinde), daha kısa olan dalga (1. dalga) uzar. Tersine, üçünün en uzunu olan dalga (3. dalga) en kısası olur.
Dolayısıyla dalgaların evreleri de buna göre değişir. Dalgalar sezyum hücresinden geçtikten sonra dalga cepheleri eski haline döner. Anormal dağılıma sahip bir maddede alışılmadık bir faz modülasyonuna uğrayan söz konusu üç dalga, bir noktada kendilerini yine aynı fazda buluyor. Burada tekrar toplanırlar ve sezyum ortamına giren darbeyle tamamen aynı şekle sahip bir darbe oluştururlar.
Tipik olarak havada ve aslında normal dağılıma sahip herhangi bir şeffaf ortamda, bir ışık atımı uzak bir mesafeye yayılırken şeklini doğru bir şekilde koruyamaz, yani tüm bileşenleri yayılma yolu boyunca herhangi bir uzak noktada aşamalandırılamaz. Ve normal şartlarda bir süre sonra bu kadar uzak bir noktada bir ışık darbesi belirir. Ancak deneyde kullanılan ortamın anormal özellikleri nedeniyle, uzak noktadaki darbenin bu ortama girerken olduğu gibi aşamalı olduğu ortaya çıktı. Böylece ışık atımı sanki uzak bir noktaya giderken negatif bir zaman gecikmesine sahipmiş gibi davranır, yani ona daha geç değil, ortamdan geçtiğinden daha erken varır!
Çoğu fizikçi bu sonucu odanın dağıtıcı ortamında düşük yoğunluklu bir öncül maddenin ortaya çıkışıyla ilişkilendirme eğilimindedir. Gerçek şu ki, bir darbenin spektral ayrışması sırasında, spektrum, darbenin "ana kısmının" önüne geçen, öncü olarak adlandırılan, göz ardı edilebilecek kadar küçük genliğe sahip, keyfi olarak yüksek frekansların bileşenlerini içerir. Kuruluşun niteliği ve öncülün şekli, ortamdaki dağılma yasasına bağlıdır. Bunu akılda tutarak, Wong'un deneyindeki olaylar dizisinin aşağıdaki şekilde yorumlanması önerildi. Haberciyi kendi önüne "uzatan" gelen dalga kameraya yaklaşıyor. Gelen dalganın zirvesi odanın yakın duvarına çarpmadan önce, öncü, odada uzak duvara ulaşan ve ondan yansıyan bir "ters dalga" oluşturan bir darbenin görünümünü başlatır. c'den 300 kat daha hızlı yayılan bu dalga, yakındaki duvara ulaşıyor ve gelen dalgayla karşılaşıyor. Bir dalganın zirveleri diğerinin çukurlarıyla buluşuyor, böylece birbirlerini yok ediyorlar ve sonuç olarak geriye hiçbir şey kalmıyor. Gelen dalganın, odanın diğer ucunda kendisine enerji "ödünç veren" sezyum atomlarına "borcunu ödediği" ortaya çıktı. Deneyin yalnızca başlangıcını ve sonunu izleyen herkes, yalnızca zamanda ileri "sıçrayan" ve c'den daha hızlı hareket eden bir ışık darbesi görecektir.
L. Wong, deneyinin görelilik teorisiyle tutarlı olmadığına inanıyor. Süper ışık hızının erişilemezliği hakkındaki ifadenin yalnızca hareketsiz kütleye sahip nesneler için geçerli olduğuna inanıyor. Işık, kütle kavramının genellikle uygulanamadığı dalgalar biçiminde ya da bilindiği gibi durgun kütlesi sıfıra eşit olan fotonlar biçiminde temsil edilebilir. Bu nedenle Wong'a göre ışığın boşluktaki hızı sınır değildir. Ancak Wong, keşfettiği etkinin bilginin c'den daha yüksek hızlarda iletilmesini mümkün kılmadığını itiraf ediyor.
Amerika Birleşik Devletleri'ndeki Los Alamos Ulusal Laboratuvarı'nda fizikçi olan P. Milonni, "Buradaki bilgi zaten nabzın öncüsünde yer alıyor" diyor ve "Ve ışıktan daha hızlı bilgi gönderiyormuşsunuz izlenimini verebilir" diyor. göndermiyoruz.”
Çoğu fizikçi, yeni çalışmanın temel ilkelere yıkıcı bir darbe indirmeyeceğine inanıyor. Ancak fizikçilerin tümü sorunun çözüldüğüne inanmıyor. 2000 yılında ilginç bir deney daha gerçekleştiren İtalyan araştırma grubundan Profesör A. Ranfagni, bu sorunun hala cevapsız olduğuna inanıyor. Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni ve Rocco Ruggeri tarafından gerçekleştirilen bu deney, santimetre dalga radyo dalgalarının normal havada c'den %25 daha hızlı hareket ettiğini keşfetti.
Özetlemek gerekirse şunu söyleyebiliriz.
Son yıllarda yapılan çalışmalar, belirli koşullar altında süper ışık hızının gerçekten oluşabileceğini gösteriyor. Peki süper ışık hızlarında tam olarak ne hareket ediyor? Daha önce de belirtildiği gibi görelilik teorisi, maddi cisimler ve bilgi taşıyan sinyaller için bu tür hızları yasaklamaktadır. Bununla birlikte, bazı araştırmacılar ısrarla ışık bariyerinin özellikle sinyaller için aşıldığını göstermeye çalışıyorlar. Bunun nedeni, özel görelilik teorisinde sinyallerin c'den daha büyük hızlarda iletilmesinin imkansızlığı konusunda (mesela Maxwell'in elektromanyetik alan denklemlerine dayanan) katı bir matematiksel gerekçenin bulunmamasıdır. STR'de böyle bir imkansızlığın, Einstein'ın hızları toplama formülüne dayanarak tamamen aritmetik olarak kurulduğu söylenebilir, ancak bu temelde nedensellik ilkesiyle doğrulanır. Einstein'ın kendisi, süperluminal sinyal iletimi konusunu ele alarak, bu durumda şunu yazdı: “... elde edilen eylemin nedenden önce geldiği bir sinyal iletim mekanizmasının mümkün olduğunu düşünmek zorundayız. Ancak bu tamamen mantıksal bir noktadan kaynaklansa da. Benim görüşüme göre, görüş kendini içermiyor, hiçbir çelişki yok; yine de tüm deneyimimizin doğasıyla o kadar çelişiyor ki, V > c varsayımının imkansızlığı yeterince kanıtlanmış görünüyor." Nedensellik ilkesi, süperluminal sinyal iletiminin imkansızlığının altında yatan temel taşıdır. Ve görünüşe göre, deneyciler bu tür sinyalleri ne kadar tespit etmek isterse istesin, istisnasız tüm ışık ötesi sinyal arayışları bu taşa rastlayacaktır, çünkü dünyamızın doğası böyledir.
Ama yine de görelilik matematiğinin süperluminal hızlarda çalışmaya devam edeceğini hayal edelim. Bu, teorik olarak bir cismin ışık hızını aşması durumunda ne olacağını hâlâ öğrenebileceğimiz anlamına geliyor.
İki uzay gemisinin Dünya'dan gezegenimize 100 ışıkyılı uzaklıktaki bir yıldıza doğru ilerlediğini hayal edelim. İlk gemi Dünya'dan ışık hızının %50'si hızla ayrılacak, yani yolculuğun tamamlanması 200 yıl sürecek. Varsayımsal bir warp sürücüsüyle donatılmış ikinci gemi, ışık hızının %200'üyle seyahat edecek, ancak ilkinden 100 yıl sonra. Ne olacak?
Görelilik teorisine göre doğru cevap büyük ölçüde gözlemcinin bakış açısına bağlıdır. Dünya'dan bakıldığında, ilk geminin, dört kat daha hızlı hareket eden ikinci gemi tarafından geçilmeden önce zaten önemli bir mesafe kat ettiği görülecektir. Ancak ilk gemideki insanların bakış açısından her şey biraz farklı.
2 No'lu Gemi ışıktan daha hızlı hareket ediyor, bu da kendi yaydığı ışığı bile geride bırakabileceği anlamına geliyor. Bu, çeşitli ilginç etkilere yol açan bir tür “ışık dalgası” (ses dalgasına benzer, ancak hava titreşimleri yerine titreşen ışık dalgaları vardır) ile sonuçlanır. 2 numaralı gemiden gelen ışığın geminin kendisinden daha yavaş hareket ettiğini hatırlayın. Sonuç görsel olarak ikiye katlama olacaktır. Yani önce 1 No'lu geminin mürettebatı, ikinci geminin sanki birdenbire yanlarında belirdiğini görecek. Daha sonra ikinci gemiden gelen ışık, hafif bir gecikmeyle birinciye ulaşacak ve sonuç, hafif bir gecikmeyle aynı yönde hareket edecek görünür bir kopya olacaktır.
Benzer bir durum bilgisayar oyunlarında da görülebilir; bir sistem arızası sonucunda motor, modeli ve algoritmalarını hareketin bitiş noktasında, hareket animasyonunun sona ermesinden daha hızlı yükler ve böylece birden fazla çekim gerçekleşir. Muhtemelen bilincimizin, cisimlerin süper ışık hızlarında hareket ettiği Evrenin varsayımsal yönünü algılamamasının nedeni budur - belki de bu en iyisidir.
Not: ... ama son örnekte bir şey anlamadım, neden geminin gerçek konumu "onun yaydığı ışık" ile ilişkilendiriliyor? Onu yanlış yerde görseler bile gerçekte ilk gemiyi geçecek!
kaynaklar
Eylül 2011'de fizikçi Antonio Ereditato dünyayı şok etti. Onun açıklaması evren anlayışımızda devrim yaratabilir. OPERA Projesi'ndeki 160 bilim insanının topladığı veriler doğruysa inanılmaz bir şey gözlemlendi. Parçacıklar (bu durumda nötrinolar) ışıktan daha hızlı hareket ediyordu. Einstein'ın görelilik teorisine göre bu imkansızdır. Ve böyle bir gözlemin sonuçları inanılmaz olurdu. Fiziğin temellerinin yeniden gözden geçirilmesi gerekebilir.
Ereditato, kendisinin ve ekibinin sonuçlardan "son derece emin" olduklarını söylese de verilerin tamamen doğru olduğunu söylemediler. Bunun yerine diğer bilim adamlarından neler olup bittiğini anlamalarına yardım etmelerini istediler.
Sonunda OPERA'nın sonuçlarının yanlış olduğu ortaya çıktı. Kablonun kötü bağlanması nedeniyle senkronizasyon sorunu yaşandı ve GPS uydularından gelen sinyaller hatalıydı. Sinyalde beklenmeyen bir gecikme yaşandı. Sonuç olarak, nötrinoların belirli bir mesafeyi kat etmesi için geçen süreye ilişkin ölçümler fazladan 73 nanosaniye olduğunu gösterdi: Nötrinoların ışıktan daha hızlı hareket ettiği görülüyordu.
Deney başlamadan önce aylarca süren dikkatli testlere ve sonrasında verileri tekrar kontrol etmelerine rağmen bilim insanları ciddi şekilde yanılıyordu. Ereditato, birçok kişinin bu tür hataların her zaman parçacık hızlandırıcıların aşırı karmaşıklığı nedeniyle meydana geldiği yönündeki yorumlarına rağmen istifa etti.
Bir şeyin ışıktan daha hızlı gidebileceği yönündeki öneri -sadece öneri- neden bu kadar telaşa neden oldu? Hiçbir şeyin bu engeli aşamayacağından ne kadar eminiz?
Önce bu sorulardan ikincisine bakalım. Işığın boşluktaki hızı saniyede 299.792.458 kilometredir; kolaylık olması açısından bu sayı saniyede 300.000 kilometreye yuvarlanır. Oldukça hızlı. Güneş, Dünya'dan 150 milyon kilometre uzaktadır ve ışığının Dünya'ya ulaşması yalnızca sekiz dakika yirmi saniye sürer.
Yaratılışlarımızdan herhangi biri ışığa karşı yarışta yarışabilir mi? Şimdiye kadar yapılmış en hızlı insan yapımı nesnelerden biri olan New Horizons uzay aracı, Temmuz 2015'te Plüton ve Charon'un yanından hızla geçti. Dünyaya göre 16 km/s hıza ulaştı. 300.000 km/s'den çok daha az.
Ancak oldukça hızlı hareket eden küçük parçacıklarımız vardı. 1960'ların başında MIT'den William Bertozzi, elektronları daha da yüksek hızlara hızlandırmayı denedi.
Elektronlar negatif yüke sahip olduğundan, aynı negatif yükün bir malzemeye uygulanmasıyla hızlandırılabilirler (daha doğrusu itilebilirler). Ne kadar fazla enerji uygulanırsa elektronlar o kadar hızlı hızlanır.
300.000 km/s hıza ulaşmak için uygulanan enerjinin arttırılmasının yeterli olduğu düşünülebilir. Ancak elektronların bu kadar hızlı hareket edemeyecekleri ortaya çıktı. Bertozzi'nin deneyleri, daha fazla enerji kullanmanın elektronların hızında doğru orantılı bir artışa yol açmadığını gösterdi.
Bunun yerine, elektronların hızını biraz bile değiştirmek için muazzam miktarda ek enerjinin uygulanması gerekiyordu. Işık hızına giderek yaklaştı ama asla ulaşamadı.
Küçük adımlarla kapıya doğru ilerlediğinizi, her adımın mevcut konumunuzdan kapıya olan mesafenin yarısını kat ettiğini hayal edin. Açıkçası kapıya asla ulaşamayacaksınız çünkü attığınız her adımdan sonra hala katetmeniz gereken bir mesafe olacak. Bertozzi elektronlarıyla uğraşırken hemen hemen aynı problemle karşılaştı.
Ancak ışık, foton adı verilen parçacıklardan oluşur. Bu parçacıklar neden ışık hızında hareket edebiliyorken elektronlar neden gidemiyor?
Avustralya'daki Melbourne Üniversitesi'nden fizikçi Roger Rassoul, "Nesneler giderek daha hızlı hareket ettikçe daha da ağırlaşıyorlar; ne kadar ağırlaşırlarsa, hızlanmaları o kadar zorlaşıyor, dolayısıyla hiçbir zaman ışık hızına ulaşamazsınız" diyor. “Fotonun kütlesi yoktur. Kütlesi olsaydı ışık hızında hareket edemezdi."
Fotonlar özeldir. Kütlelerinin olmaması, onlara uzay boşluğunda tam bir hareket özgürlüğü sağlamasının yanı sıra hızlanmalarına da gerek yok. Sahip oldukları doğal enerji tıpkı kendileri gibi dalgalar halinde hareket eder, dolayısıyla yaratıldıklarında zaten maksimum hıza sahiptirler. Bazı yönlerden ışığı bir parçacık akışı yerine enerji olarak düşünmek daha kolaydır, ancak gerçekte ışık her ikisidir.
Ancak ışık beklediğimizden çok daha yavaş hareket eder. Her ne kadar internet teknoloji uzmanları fiber optikte iletişimin "ışık hızında" gerçekleştiğinden bahsetmeyi sevse de, ışık cam fiber optikte boşluğa göre %40 daha yavaş hareket ediyor.
Gerçekte fotonlar 300.000 km/s hızla yol alırlar, ancak ana ışık dalgası geçerken cam atomlarının yaydığı diğer fotonların neden olduğu bir miktar girişimle karşılaşırlar. Bunu anlamak kolay olmayabilir ama en azından denedik.
Aynı şekilde, bireysel fotonlarla yapılan özel deneyler çerçevesinde, onları oldukça etkileyici bir şekilde yavaşlatmak mümkün oldu. Ancak çoğu durumda 300.000 doğru olurdu. Bu kadar hızlı, hatta daha hızlı hareket edebilen bir şey görmedik veya inşa etmedik. Özel noktalar var ama bunlara değinmeden önce diğer sorumuza değinelim. Işık hızı kuralına sıkı sıkıya uyulması neden bu kadar önemli?
Cevap, fizikte sıklıkla olduğu gibi, Albert Einstein adında bir adamla ilgilidir. Özel görelilik teorisi, evrensel hız sınırlarının birçok sonucunu araştırıyor. Teorinin en önemli unsurlarından biri ışık hızının sabit olduğu düşüncesidir. Nerede olursanız olun, ne kadar hızlı hareket ederseniz edin, ışık her zaman aynı hızda hareket eder.
Ancak bu durum birçok kavramsal sorunu da beraberinde getiriyor.
Bir el fenerinden gelen ışığın, sabit bir uzay aracının tavanındaki aynaya düştüğünü hayal edin. Işık yukarı çıkıyor, aynadan yansıyor ve uzay aracının zeminine düşüyor. Diyelim ki 10 metre mesafe kat etti.
Şimdi bu uzay aracının saniyede binlerce kilometrelik devasa bir hızla hareket etmeye başladığını hayal edin. El fenerini açtığınızda ışık eskisi gibi davranır: Yukarı doğru parlar, aynaya çarpar ve yere yansır. Ancak bunu yapabilmek için ışığın dikey değil çapraz bir mesafe kat etmesi gerekecek. Sonuçta ayna artık uzay aracıyla birlikte hızla hareket ediyor.
Buna bağlı olarak ışığın kat ettiği mesafe artar. 5 metre diyelim. Yani toplamda 10 metre değil 15 metre çıkıyor.
Ve buna rağmen mesafe artsa da Einstein'ın teorileri ışığın hala aynı hızla gideceğini iddia ediyor. Hız, mesafenin zamana bölümü olduğundan, hız aynı kaldığı ve mesafe arttığı için zamanın da artması gerekir. Evet, zamanın kendisi de uzamalı. Her ne kadar bu kulağa tuhaf gelse de deneysel olarak doğrulandı.
Bu olaya zaman genişlemesi denir. Hızlı hareket eden araçlarda seyahat eden insanlar için zaman, duranlara göre daha yavaş akar.
Örneğin, Dünya'ya göre 7,66 km/s hızla hareket eden Uluslararası Uzay İstasyonu'nda astronotlar için zaman, gezegendeki insanlara göre 0,007 saniye daha yavaş akıyor. Daha da ilginci, yukarıda bahsi geçen elektronlar gibi ışık hızına yakın hareket edebilen parçacıkların durumudur. Bu parçacıklar söz konusu olduğunda yavaşlamanın derecesi çok büyük olacaktır.
İngiltere'deki Oxford Üniversitesi'nden deneysel fizikçi Stephen Kolthammer, müon adı verilen parçacık örneğine dikkat çekiyor.
Müonlar kararsızdır; hızla daha basit parçacıklara bozunurlar. O kadar hızlı ki, Güneş'ten ayrılan müonların çoğu, Dünya'ya ulaşana kadar bozunacak. Ancak gerçekte müonlar Dünya'ya Güneş'ten devasa hacimlerde geliyor. Fizikçiler uzun süredir bunun nedenini anlamaya çalışıyorlar.
Kolthammer, "Bu gizemin cevabı, müonların ışık hızına yakın bir hızla hareket edecek kadar enerjiyle üretilmesidir" diyor. "Onların zaman algısı, tabiri caizse, iç saatleri yavaştır."
Gerçek ve doğal bir zaman bükülmesi sayesinde, müonlar bize göre beklenenden daha uzun süre "hayatta kalıyor". Nesneler diğer nesnelere göre hızlı hareket ettiğinde uzunlukları da kısalır ve kısalır. Bu sonuçlar, yani zaman genişlemesi ve uzunluk azalması, kütleye sahip nesnelerin (benim, sizin veya bir uzay aracının) hareketine bağlı olarak uzay-zamanın nasıl değiştiğinin örnekleridir.
Önemli olan Einstein'ın dediği gibi ışığın kütlesi olmadığı için etkilenmemesidir. Bu nedenle bu ilkeler el ele gider. Eğer şeyler ışıktan daha hızlı hareket edebilseydi, evrenin nasıl çalıştığını açıklayan temel yasalara uyacaklardı. Bunlar temel ilkelerdir. Şimdi birkaç istisna ve istisnadan bahsedebiliriz.
Bir yandan ışıktan hızlı hareket eden hiçbir şey görmemiş olsak da bu, teorik olarak bu hız sınırının çok özel koşullar altında aşılamayacağı anlamına gelmiyor. Örneğin evrenin genişlemesini ele alalım. Evrendeki galaksiler ışık hızını önemli ölçüde aşan hızlarda birbirlerinden uzaklaşıyorlar.
Bir başka ilginç durum da, birbirlerinden ne kadar uzakta olursa olsun, aynı anda aynı özellikleri paylaşan parçacıklarla ilgilidir. Buna “kuantum dolaşması” denir. Foton, iki olası durum arasında rastgele seçim yaparak yukarı ve aşağı dönecektir, ancak dönüş yönü seçimi, eğer dolaşmışlarsa, başka bir yerdeki başka bir fotona doğru bir şekilde yansıtılacaktır.
Her biri kendi fotonunu inceleyen iki bilim adamı, aynı anda, ışık hızının izin verebileceğinden daha hızlı bir şekilde aynı sonucu elde edecekti.
Ancak bu örneklerin her ikisinde de iki nesne arasında hiçbir bilginin ışık hızından daha hızlı gitmediğine dikkat etmek önemlidir. Evrenin genişlemesini hesaplayabiliriz, ancak içindeki ışıktan daha hızlı nesneleri gözlemleyemeyiz: onlar görüş alanından kaybolmuştur.
İki bilim adamı ise fotonlarıyla aynı anda tek bir sonuç elde edebilseler de, ışığın aralarında seyahat etmesinden daha hızlı bir şekilde bunu birbirlerine bildiremezlerdi.
Kolthammer, "Bu bize herhangi bir sorun yaratmıyor, çünkü eğer ışıktan daha hızlı sinyal gönderebiliyorsanız, bilginin bir şekilde zamanda geriye gidebileceği tuhaf paradokslarla karşılaşırsınız" diyor.
Işıktan hızlı yolculuğu teknik olarak mümkün kılmanın başka bir olası yolu daha var: uzay-zamanda yolcunun normal yolculuğun kurallarından kaçmasına olanak tanıyacak yarıklar.
Teksas'taki Baylor Üniversitesi'nden Gerald Cleaver, bir gün ışıktan daha hızlı giden bir uzay aracı yapabileceğimize inanıyor. Bir solucan deliğinden geçiyor. Solucan delikleri, Einshein'ın teorilerine mükemmel bir şekilde uyan, uzay-zamandaki döngülerdir. Bir astronotun, uzay-zamandaki bir anormallik, bir tür kozmik kısayol yoluyla evrenin bir ucundan diğer ucuna atlamasına izin verebilirler.
Solucan deliğinden geçen bir nesne ışık hızını aşmayacaktır ancak teorik olarak hedefine "normal" bir yol izleyen ışıktan daha hızlı ulaşabilir. Ancak solucan delikleri uzay yolculuğu için tamamen erişilemez olabilir. Başka birine göre 300.000 km/s'den daha hızlı hareket etmek için uzay-zamanı aktif olarak bükmenin başka bir yolu olabilir mi?
Cleaver ayrıca 1994 yılında teorik fizikçi Miguel Alcubierre tarafından önerilen "Alcubierre motoru" fikrini de araştırdı. Uzay-zamanın uzay aracının önünde kasılarak onu ileri ittiği ve arkasında genişleyerek aynı zamanda onu ileri doğru ittiği bir durumu anlatır. Cleaver şöyle diyor: "Ama sonra sorunlar ortaya çıktı: nasıl yapılacağı ve ne kadar enerjiye ihtiyaç duyulacağı."
2008 yılında kendisi ve yüksek lisans öğrencisi Richard Obouzi ne kadar enerjiye ihtiyaç duyulacağını hesapladılar.
"10m x 10m x 10m - 1000 metreküp boyutlarında bir gemi hayal ettik ve süreci başlatmak için gereken enerji miktarının tüm Jüpiter'in kütlesine eşdeğer olacağını hesapladık."
Bundan sonra sürecin bitmemesi için enerjinin sürekli “eklenmesi” gerekir. Bunun mümkün olup olmayacağını ya da gerekli teknolojinin neye benzeyeceğini kimse bilmiyor. Cleaver, "Yüzyıllar boyunca asla olmayacak bir şeyi tahmin ediyormuşum gibi alıntılanmak istemiyorum" diyor ve ekliyor: "Ama henüz bir çözüm göremiyorum."
Yani ışık hızından daha hızlı yolculuk yapmak şu anda bilim kurgu olarak kalıyor. Şimdiye kadar, yaşam boyunca bir dış gezegeni ziyaret etmenin tek yolu, derin bir askıya alınmış animasyona dalmaktır. Ve yine de o kadar da kötü değil. Çoğu zaman görünür ışıktan bahsettik. Ancak gerçekte ışık bundan çok daha fazlasıdır. Radyo dalgaları ve mikrodalgalardan görünür ışığa, ultraviyole radyasyona, X ışınlarına ve atomların bozunurken yaydığı gama ışınlarına kadar bu güzel ışınların hepsi aynı şeyden yapılmıştır: fotonlar.
Fark enerjide ve dolayısıyla dalga boyundadır. Bu ışınlar hep birlikte elektromanyetik spektrumu oluşturur. Örneğin radyo dalgalarının ışık hızında hareket etmesi iletişim açısından inanılmaz derecede faydalıdır.
Araştırmasında Kolthammer, devrenin bir kısmından diğerine sinyal iletmek için fotonları kullanan bir devre yaratıyor, dolayısıyla ışığın inanılmaz hızının kullanışlılığı hakkında yorum yapma konusunda oldukça yetkin.
"Örneğin internetin ve radyonun altyapısını ondan önce ışığa dayalı olarak inşa etmiş olmamız, onu iletme kolaylığıyla ilgilidir" diye belirtiyor. Ve ışığın Evrenin iletişim gücü olarak hareket ettiğini ekliyor. Bir cep telefonundaki elektronlar sallanmaya başladığında fotonlar açığa çıkıyor ve başka bir cep telefonundaki elektronların da sarsılmasına neden oluyor. Bir telefon görüşmesi böyle doğar. Güneş'teki elektronların titremesi aynı zamanda büyük miktarlarda fotonlar da yayar; bunlar elbette ışık oluşturur, Dünya'ya ısı ve ışık verir.
Işık Evrenin evrensel dilidir. Hızı (299.792,458 km/s) sabit kalıyor. Bu arada uzay ve zaman şekillendirilebilir. Belki de ışıktan daha hızlı nasıl hareket edeceğimizi değil, bu uzayda ve bu zamanda nasıl daha hızlı hareket edebileceğimizi düşünmeliyiz? Tabiri caizse köke gitmek mi?