През септември 2011 г. физикът Антонио Ередитато шокира света. Неговото изказване може да обърне разбирането ни за Вселената с главата надолу. Ако данните, събрани от 160 учени OPERA, бяха верни, беше наблюдавано невероятното. Частиците - в случая неутрино - се движат по-бързо от светлината. Според теорията на относителността на Айнщайн това е невъзможно. И последствията от такова наблюдение биха били невероятни. Може би самите основи на физиката ще трябва да бъдат преразгледани.
Докато Ередитода каза, че той и неговият екип са „изключително уверени“в своите резултати, те не казаха, че данните са напълно точни. Напротив, те помолиха други учени да им помогнат да разберат какво става.
В крайна сметка се оказа, че резултатите от OPERA са грешни. Неправилно свързаният кабел предизвика проблем със синхронизирането и сигналите от GPS сателитите бяха неточни. Сигналът имаше неочаквано забавяне. В резултат на това измерванията на времето, необходимо за неутрино за изминаване на определено разстояние, показаха допълнителни 73 наносекунди: изглежда, че неутрино лети по-бързо от светлината.
Въпреки месечните проверки преди започване на експеримента и двойната проверка на данните след това, учените сериозно сбъркаха. Ereditato подаде оставка, въпреки забележките на мнозина, че подобни грешки винаги се появяват поради изключителната сложност на устройството за ускорители на частици.
Защо предположението - само предположението - че нещо може да се движи по-бързо от светлината, предизвиква такъв шум? Колко сме уверени, че нищо не може да преодолее тази бариера?
Нека първо разгледаме втория от тези въпроси. Скоростта на светлината във вакуум е 299,792,458 километра в секунда - за удобство това число е закръглено до 300 000 километра в секунда. Доста е бързо. Слънцето е на 150 милиона километра от Земята, а светлината от него достига до Земята само за осем минути и двадесет секунди.
Може ли някое от нашите творения да се състезава в надпреварата срещу светлината? Една от най-бързите обекти, създадени от човека, създадена някога, космическата сонда „New Horizons“изскача покрай Плутон и Харон през юли 2015 г. Той достигна скорост спрямо Земята от 16 км / с. Много по-малко от 300 000 км / с.
Имахме обаче мънички частици, които се движеха много бързо. В началото на 60-те години Уилям Бертоци от Масачузетския технологичен институт експериментира с ускоряване на електрони до още по-високи скорости.
Промоционално видео:
Тъй като електроните имат отрицателен заряд, те могат да бъдат ускорени - по-точно отблъснати - чрез прилагане на същия отрицателен заряд върху материала. Колкото повече енергия се прилага, толкова по-бързо се ускоряват електроните.
Човек би си помислил, че просто трябва да увеличите приложената енергия, за да се ускорите до скорост от 300 000 км / сек. Но се оказва, че електроните просто не могат да се движат толкова бързо. Експериментите на Бертоци показват, че използването на повече енергия не води до пряко пропорционално увеличаване на скоростта на електроните.
Вместо това трябваше да се прилага огромни количества допълнителна енергия, за да се промени скоростта на електроните дори леко. Тя се приближаваше все по-близо до скоростта на светлината, но никога не я достигаше.
Представете си, че вървите към вратата с малки стъпки, всяка от които изминава половината от разстоянието от текущото ви положение до вратата. Строго погледнато, никога няма да стигнете до вратата, защото след всяка стъпка, която направите, ще имате разстояние, което трябва да преодолеете. Бертоци се сблъскваше с подобен проблем, когато се занимаваше с електроните си.
Но светлината се състои от частици, наречени фотони. Защо тези частици могат да се движат със скоростта на светлината, но електроните не могат?
„Когато обектите се движат все по-бързо и по-бързо, те стават по-тежки - колкото по-тежки стават, толкова по-трудно е да ускорят, така че никога да не достигнете скоростта на светлината“, казва Роджър Расул, физик от университета в Мелбърн в Австралия. „Фотонът няма маса. Ако имаше маса, той не можеше да се движи със скоростта на светлината “.
Фотоните са специални. Те не само липсват маса, която им осигурява пълна свобода на движение във вакуума на пространството, но и не е необходимо да се ускоряват. Естествената енергия, с която разполагат, се движи на вълни, точно както правят, така че към момента на създаването им те вече имат максимална скорост. В известен смисъл е по-лесно да мислиш светлината като енергия, а не като поток от частици, въпреки че в действителност светлината е и двете.
Светлината обаче пътува много по-бавно, отколкото може да очакваме. Докато интернет технологиите обичат да говорят за комуникации, които работят със "скоростта на светлината" във влакната, светлината пътува с 40% по-бавно в стъклото на това влакно, отколкото във вакуум.
В действителност фотоните пътуват със скорост 300 000 км / сек, но срещат определено количество интерференция, интерференция, причинена от други фотони, които се излъчват от стъклени атоми при преминаване на основната светлинна вълна. Това може да не е лесно за разбиране, но поне се опитахме.
По същия начин, в рамките на специални експерименти с отделни фотони, беше възможно да се забавят доста впечатляващо. Но в повечето случаи числото от 300 000 ще бъде валидно. Не сме виждали или създавали нещо, което би могло да се движи толкова бързо, или дори по-бързо. Има специални точки, но преди да се докоснем до тях, нека да се докоснем до другия ни въпрос. Защо е толкова важно стриктно да се спазва правилото за скорост на светлината?
Отговорът е свързан с човек на име Алберт Айнщайн, както често се случва във физиката. Неговата специална теория на относителността изследва многото последствия от неговите универсални ограничения на скоростта. Един от най-важните елементи на теорията е идеята, че скоростта на светлината е постоянна. Без значение къде се намирате или колко бързо се движите, светлината винаги се движи със същата скорост.
Но това има няколко концептуални проблема.
Представете си, че светлината пада от фенерче върху огледало на тавана на неподвижен космически кораб. Светлината се издига нагоре, отразява се от огледалото и пада върху пода на космическия кораб. Да кажем, че той покрива разстояние от 10 метра.
А сега си представете, че този космически кораб започва да се движи с колосална скорост от много хиляди километри в секунда. Когато включите фенерчето, светлината се държи както преди: свети нагоре, удря огледалото и се отразява на пода. Но за да направите това, светлината ще трябва да измине диагонално разстояние, а не вертикално. В крайна сметка огледалото сега се движи бързо с космическия кораб.
Съответно разстоянието, което светлината изминава се увеличава. Да речем 5 метра. Оказва се общо 15 метра, а не 10.
Въпреки това, въпреки че разстоянието се е увеличило, теориите на Айнщайн заявяват, че светлината все още ще се движи със същата скорост. Тъй като скоростта е разстоянието, разделено на времето, тъй като скоростта остава същата и разстоянието се увеличава, времето също трябва да се увеличи. Да, самото време трябва да се простира. Въпреки че звучи странно, това е потвърдено експериментално.
Това явление се нарича разширяване на времето. Времето се движи по-бавно за хората, които пътуват в бързо движещи се превозни средства, в сравнение с тези, които са неподвижни.
Например времето минава с 0,007 секунди по-бавно за астронавтите на Международната космическа станция, която се движи със 7,66 км / с спрямо Земята, в сравнение с хората на планетата. Още по-интересна е ситуацията с частици като гореспоменатите електрони, които могат да пътуват близо до скоростта на светлината. В случай на тези частици степента на забавяне ще бъде огромна.
Стивън Колтхамър, експериментален физик от Оксфордския университет във Великобритания, посочва пример на частици, наречени мюони.
Мюоните са нестабилни: те бързо се разпадат в по-прости частици. Толкова бързо, че повечето муони, напускащи Слънцето, трябва да се разпадат до момента, когато достигнат Земята. Но в действителност мюоните пристигат на Земята от Слънцето в колосални обеми. Физиците отдавна се опитват да разберат защо.
„Отговорът на тази мистерия е, че мюоните се генерират с такава енергия, че те се движат със скорост, близка до светлината“, казва Колтхаммер. "Усещането им за време, така да се каже, вътрешният им часовник работи бавно."
Мюоните „оцеляват“по-дълго от очакваното спрямо нас, благодарение на настоящото, естествено изкривяване на времето. Когато обектите се движат бързо спрямо други обекти, дължината им също намалява, свива се. Тези последствия, увеличаването на времето и намаляването на дължината, са примери за това как пространственото време се променя в зависимост от движението на нещата - аз, ти или космически кораб - които имат маса.
Важното, както каза Айнщайн, не влияе върху светлината, тъй като няма маса. Ето защо тези принципи вървят ръка за ръка. Ако обектите биха могли да се движат по-бързо от светлината, те биха се подчинили на основните закони, които описват как работи Вселената. Това са ключови принципи. Сега можем да говорим за няколко изключения и дерогации.
От една страна, макар че не сме виждали как нещо се движи по-бързо от светлината, това не означава, че това ограничение на скоростта теоретично не може да бъде нарушено при много специфични условия. Вземете например разширяването на самата Вселена. Галактиките във Вселената се отдалечават една от друга със скорост, много по-бърза от светлината.
Друга интересна ситуация се отнася до частици, които споделят едни и същи свойства едновременно, независимо колко са отдалечени една от друга. Това е така нареченото „квантово заплитане“. Фотонът ще се върти нагоре и надолу, произволно избирайки между две възможни състояния, но изборът на посоката на въртене ще се отрази точно върху другия фотон на друго място, ако те са заплетени.
Двама учени, всеки изучаващ свой фотон, ще получат един и същ резултат едновременно, по-бърз, отколкото би позволила скоростта на светлината.
И в двата примера обаче е важно да се отбележи, че никоя информация не пътува по-бързо от скоростта на светлината между два обекта. Можем да изчислим разширяването на Вселената, но не можем да наблюдаваме обекти по-бързи от светлината в нея: те са изчезнали от зрителното поле.
Що се отнася до двамата учени със своите фотони, въпреки че биха могли да получат един и същ резултат едновременно, те не можеха да се уведомят за това по-бързо, отколкото светлината пътува между тях.
„Това не представлява проблем за нас, защото ако сте в състояние да изпращате сигнали по-бързо от светлината, получавате причудливи парадокси, според които информацията може по някакъв начин да върне назад във времето“, казва Колтхамър.
Има и друг възможен начин да се направи технически възможно по-бързото пътуване, отколкото лекото: разриви в пространството и времето, които биха позволили на пътника да избягва правилата на нормалното пътуване.
Джералд Клевър от университета Бейлор в Тексас смята, че един ден може да успеем да изградим космически кораб, който пътува по-бързо от светлината. Което се движи през червей. Червените дупки са примки в пространството и времето, които идеално се вписват в теориите на Айнщайн. Те биха могли да позволят на астронавт да скочи от единия край на Вселената до другия, използвайки аномалия в космическото време, някаква форма на космически пряк път.
Обект, пътуващ през дупка на червей, няма да надвишава скоростта на светлината, но теоретично би могъл да достигне местоназначението си по-бързо от светлината, пътуваща по "нормалния" път. Но дупки за червеи изобщо не могат да бъдат достъпни за пътуване в Космоса. Може ли да има друг начин активно изкривяване на пространството, за да се движи по-бързо от 300 000 км / сек спрямо някой друг?
Клийвър също изследва идеята за „двигател на Алкубиер“, предложена от теоретичния физик Мигел Алкубиер през 1994 г. Той описва ситуация, при която космическото време се свива пред космическия кораб, избутвайки го напред и се разширява зад него, също го избутва напред. „Но тогава - казва Клийвър, - възникнаха проблеми: как да го направите и колко енергия ще е необходима“.
През 2008 г. той и неговият аспирант Ричард Оубоси изчислиха колко енергия ще е необходима.
„Представихме си космически кораб от 10 м х 10 м х 10 м - 1000 кубически метра - и изчислихме, че количеството енергия, необходимо за стартиране на процеса, ще бъде еквивалентно на масата на цял Юпитер.
След това енергията трябва непрекъснато да се "излива", за да не приключи процесът. Никой не знае дали това някога ще бъде възможно или какви ще са необходимите технологии. „Не искам от векове да бъда цитиран като предсказващ нещо, което никога няма да се случи“, казва Клийвър, „но все още не виждам решения“.
Така че пътуването по-бързо от скоростта на светлината остава фантазия в момента. Засега единственият начин да посетите екзопланета по време на живота е да се потопите в дълбока анимация. И все пак не всичко е лошо. В повечето случаи говорихме за видима светлина. Но в действителност светлината е много повече. От радиовълните и микровълните до видимата светлина, ултравиолетовото лъчение, рентгеновите лъчи и гама лъчите, излъчвани от атомите, докато разлагат, тези красиви лъчи са съставени от едно и също нещо: фотони.
Разликата е в енергията, което означава в дължината на вълната. Заедно тези лъчи съставят електромагнитния спектър. Фактът, че радиовълните например пътуват със скоростта на светлината е невероятно полезен за комуникация.
В своите изследвания Колтхамър създава схема, която използва фотони за предаване на сигнали от една част на веригата до друга, така че той заслужава правото да коментира полезността на невероятната скорост на светлината.
„Самият факт, че например изградихме инфраструктурата на Интернет, а преди това радиото, базирано на светлина, има връзка с лекотата, с която можем да го предаваме“, отбелязва той. И добавя, че светлината действа като комуникационна сила на Вселената. Когато електроните в мобилния телефон започнат да се разклащат, фотоните излитат и причиняват разклащане на електроните в другия мобилен телефон. Така се ражда телефонен разговор. Трепетите на електрони в Слънцето също излъчват фотони - в огромни количества - които, разбира се, образуват светлината, която дава живот на Земята топлина и, а, светлина.
Светлината е универсалният език на Вселената. Скоростта му - 299 792.458 км / с - остава постоянна. Междувременно пространството и времето са податливи. Може би не трябва да мислим как да се движим по-бързо от светлината, а как да се движим по-бързо през това пространство и този път? Да зрееш в основата, така да се каже?
