2011 m. Rugsėjo mėn. Fizikas Antonio Ereditato sukrėtė pasaulį. Jo pareiškimas galėtų apversti mūsų supratimą apie visatą aukštyn kojomis. Jei 160 OPERA mokslininkų surinkti duomenys buvo teisingi, buvo pastebėta neįtikėtina. Dalelės - šiuo atveju neutrinai - judėjo greičiau nei šviesa. Remiantis Einsteino reliatyvumo teorija, tai neįmanoma. O tokio stebėjimo pasekmės būtų neįtikėtinos. Galbūt reikėtų peržiūrėti pačius fizikos pagrindus.
Nors Ereditato teigė, kad jis ir jo komanda buvo „be galo pasitikintys“savo rezultatais, jie nesakė, kad duomenys buvo visiškai tikslūs. Priešingai, jie paprašė kitų mokslininkų padėti jiems išsiaiškinti, kas vyksta.
- „Salik.biz“
Galų gale paaiškėjo, kad OPERA rezultatai buvo klaidingi. Dėl netinkamai prijungto laido kilo sinchronizavimo problema, o GPS palydovų signalai buvo netikslūs. Įvyko netikėtas signalo uždelsimas. Dėl to matuojant laiką, per kurį neutrinai turėjo įveikti tam tikrą atstumą, atsirado papildomos 73 nanosekundės: atrodė, kad neutrinai skrido greičiau nei šviesa.
Nepaisant kelis mėnesius trukusio tikrinimo prieš pradedant eksperimentą ir po to patikrinus du kartus, mokslininkai rimtai klydo. „Ereditato“atsistatydino, priešingai daugelio pastebėjimams, kad tokios klaidos visada pasitaikydavo dėl ypatingo dalelių greitintuvo įtaiso sudėtingumo.
Kodėl prielaida - tik prielaida - kad kažkas gali judėti greičiau nei šviesa, sukėlė tokį triukšmą? Ar esame įsitikinę, kad niekas negali įveikti šios kliūties?
Pirmiausia pažvelkime į antrą iš šių klausimų. Šviesos greitis vakuume yra 299 792 458 kilometrai per sekundę - patogumui šis skaičius suapvalinamas iki 300 000 kilometrų per sekundę. Tai gana greitai. Saulė yra 150 milijonų kilometrų nuo Žemės, o šviesa iš jos Žemę pasiekia vos per aštuonias minutes ir dvidešimt sekundžių.
Ar kuris nors iš mūsų kūrinių gali konkuruoti varžybose su šviesa? Vienas greičiausių kada nors pastatytų žmogaus sukurtų objektų, „New Horizons“kosminis zondas 2015 m. Liepą paskendo Plutono ir Charono praeityje. Jis pasiekė 16 km / s greitį žemės atžvilgiu. Daug mažiau nei 300 000 km / s.
Tačiau mes turėjome mažas daleles, kurios judėjo labai greitai. Septintojo dešimtmečio pradžioje Williamas Bertozzi Masačusetso technologijos institute eksperimentavo su elektronų greitinimu į dar didesnį greitį.
Reklaminis vaizdo įrašas:
Kadangi elektronai turi neigiamą krūvį, juos galima pagreitinti - tiksliau atstumti - pritaikant tą patį neigiamą krūvį medžiagai. Kuo daugiau energijos dedama, tuo greičiau elektronai įsibėgėja.
Galima pamanyti, kad norint įsibėgėti iki 300 000 km / s greičio, reikia tiesiog padidinti naudojamą energiją. Bet paaiškėja, kad elektronai tiesiog negali judėti taip greitai. Bertozzi eksperimentai parodė, kad naudojant daugiau energijos, elektronų greitis tiesiogiai proporcingai nepadidėja.
Vietoje to, norint šiek tiek pakeisti elektronų greitį, reikėjo įdėti milžinišką kiekį papildomos energijos. Jis artėjo arčiau šviesos greičio, bet niekada jo nepasiekė.
Įsivaizduokite, kad einate link durų mažais žingsneliais, kurių kiekviena eina per pusę atstumo nuo jūsų dabartinės padėties iki durų. Griežtai tariant, niekada nepasieksite durų, nes po kiekvieno jūsų žingsnio turėsite įveikti atstumą. Bertozzi susidūrė su maždaug tokia problema dirbdamas su savo elektronais.
Bet šviesą sudaro dalelės, vadinamos fotonais. Kodėl šios dalelės gali judėti šviesos greičiu, bet elektronai negali?
„Kuo daiktai juda greičiau ir greičiau, jie tampa sunkesni - kuo sunkesni, tuo sunkiau jiems įsibėgėti, todėl niekada nepasieksite šviesos greičio“, - sako Australijos Melburno universiteto fizikas Rogeris Rassoulas. „Fotonas neturi masės. Jei jis turėjo masę, jis negalėjo judėti šviesos greičiu “.
Fotonai yra ypatingi. Jiems ne tik trūksta masės, o tai suteikia visišką judėjimo laisvę erdvės vakuume, jiems taip pat nereikia įsibėgėti. Natūrali energija, kuria jie disponuoja, juda bangomis, kaip ir daro, todėl sukūrimo metu jie jau pasiekia maksimalų greitį. Tam tikra prasme lengviausia galvoti apie šviesą kaip apie energiją, o ne apie dalelių srautą, nors tiesa, šviesa yra ir viena, ir kita.
Tačiau šviesa keliauja daug lėčiau, nei mes galime tikėtis. Nors interneto technologijos mėgsta kalbėti apie ryšius, kurie pluošto „šviesos greičiu“veikia, šviesa to pluošto stikle sklinda 40% lėčiau nei vakuume.
Realybėje fotonai juda 300 000 km / s greičiu, tačiau jie patiria tam tikrą trukdį, trukdžius, kuriuos sukelia kiti fotonai, kuriuos skleidžia stiklo atomai, kai praeina pagrindinė šviesos banga. Tai gali būti nelengva suprasti, bet bent jau mes bandėme.
Lygiai taip pat, atliekant specialius eksperimentus su atskirais fotonais, buvo galima juos gana įspūdingai sulėtinti. Bet daugeliu atvejų galioja 300 000. Nematėme ir nesukūrėme nieko, kas galėtų judėti taip greitai ar net greičiau. Yra specialių punktų, tačiau prieš juos neliesdami, palieskime kitą mūsų klausimą. Kodėl taip svarbu griežtai laikytis šviesos greičio taisyklių?
Kaip dažnai būna fizikoje, atsakymą turi vyras, vardu Albertas Einšteinas. Jo specialioji reliatyvumo teorija nagrinėja daugybę jo visuotinių greičio apribojimų padarinių. Vienas iš svarbiausių teorijos elementų yra idėja, kad šviesos greitis yra pastovus. Nesvarbu, kur esate ar kaip greitai judate, šviesa visada juda tuo pačiu greičiu.
Tačiau tai turi keletą koncepcinių problemų.
Įsivaizduokite šviesą, krintančią iš žibintuvėlio ant veidrodžio ant nejudančio erdvėlaivio lubų. Šviesa kyla, atsispindi nuo veidrodžio ir krinta ant erdvėlaivio grindų. Tarkime, kad jis įveikia 10 metrų atstumą.
Dabar įsivaizduokite, kad šis erdvėlaivis pradeda judėti kolosaliu daugybės tūkstančių kilometrų per sekundę greičiu. Įjungus žibintuvėlį, šviesa elgiasi kaip anksčiau: ji šviečia aukštyn, atsitrenkia į veidrodį ir atsispindi ant grindų. Bet norint tai padaryti, šviesa turės nuvažiuoti ne į vertikalę, o įstrižai. Galų gale veidrodis dabar greitai juda kartu su erdvėlaiviu.
Atitinkamai padidėja atstumas, kurį nukelia šviesa. Tarkim, 5 metrai. Pasirodo, iš viso 15 metrų, o ne 10.
Nepaisant to, nors atstumas padidėjo, Einšteino teorijos teigia, kad šviesa vis tiek judės tuo pačiu greičiu. Kadangi greitis yra padalintas iš laiko, nes greitis išlieka tas pats, o atstumas didėja, laikas taip pat turi didėti. Taip, pats laikas turi ištempti. Nors tai skamba keistai, tai buvo patvirtinta eksperimentiškai.
Šis reiškinys vadinamas laiko išsiplėtimu. Žmonėms, kurie važiuoja greitai judančiomis transporto priemonėmis, laikas juda lėčiau, palyginti su nejudančiais automobiliais.
Pavyzdžiui, laikas praeina 0,007 sekundėmis lėčiau astronautams Tarptautinėje kosminėje stotyje, kuri Žemės atžvilgiu juda 7,66 km / s greičiu, palyginti su žmonėmis planetoje. Dar įdomiau yra situacija su tokiomis dalelėmis kaip minėti elektronai, kurios gali judėti arti šviesos greičio. Šių dalelių sulėtėjimo laipsnis bus milžiniškas.
Stephenas Colthammeris, eksperimentinis fizikas iš Oksfordo universiteto JK, nurodo dalelių, vadinamų muonais, pavyzdį.
Muonai yra nestabilūs: jie greitai skyla į paprastesnes daleles. Taip greitai, kad didžioji dalis Saulės palikuonių, kurie pasiekia Žemę, turėtų suirti. Tačiau iš tikrųjų muonai į Žemę iš Saulės atkeliauja kolosaliais tūriais. Fizikai ilgai bandė išsiaiškinti, kodėl.
„Atsakymas į šią paslaptį yra tas, kad muonai generuojami su tokia energija, kad juda greičiu, artimu šviesai“, - sako Kolthammeris. "Jų laiko pojūtis, taip sakant, vidinis laikrodis veikia lėtai".
Dėl esamo natūralaus laiko kreivumo mėnuliai „išgyvena“ilgiau, nei tikėtasi. Kai objektai greitai juda kitų objektų atžvilgiu, jų ilgis taip pat mažėja, traukiasi. Šios pasekmės, laiko išsiplėtimas ir ilgio sumažėjimas yra pavyzdžiai, kaip erdvės laikas keičiasi atsižvelgiant į masės turinčių daiktų - manęs, jūsų ar erdvėlaivio - judėjimą.
Svarbu, kaip sakė Einšteinas, nedaro įtakos šviesai, nes ji neturi masės. Štai kodėl šie principai žengia koja kojon. Jei objektai galėtų judėti greičiau nei šviesa, jie laikytųsi pagrindinių įstatymų, apibūdinančių, kaip veikia visata. Tai yra pagrindiniai principai. Dabar galime kalbėti apie keletą išimčių ir išimčių.
Viena vertus, nors mes nematėme nieko judančio greičiau nei šviesa, tai nereiškia, kad šio greičio apribojimo teoriškai negalima pažeisti labai specifinėmis sąlygomis. Paimkime, pavyzdžiui, pačios Visatos plėtimąsi. Visatos galaktikos nutolsta viena nuo kitos greičiu nei šviesa.
Kita įdomi situacija yra susijusi su dalelėmis, kurios tuo pačiu metu turi tas pačias savybes, nesvarbu, kaip toli viena nuo kitos. Tai yra vadinamasis „kvantinis įsipainiojimas“. Fotonas pasisuks aukštyn ir žemyn, atsitiktinai pasirinkdamas iš dviejų galimų būsenų, tačiau sukimosi krypties pasirinkimas tiksliai atspindės kitą fotoną kitur, jei jie yra įsipainioję.
Du mokslininkai, kiekvienas tiriantis savo fotoną, gaus tą patį rezultatą vienu metu, greičiau, nei leistų šviesos greitis.
Tačiau abiejuose šiuose pavyzdžiuose svarbu pažymėti, kad jokia informacija tarp dviejų objektų nekeliauja greičiau nei šviesos greitis. Mes galime apskaičiuoti Visatos plėtimąsi, tačiau negalime stebėti objektų greičiau nei šviesa jame: jie dingo iš matymo lauko.
Du mokslininkai su savo fotonais, nors ir galėjo gauti tą patį rezultatą tuo pačiu metu, negalėjo pranešti vienas kitam apie tai greičiau, nei šviesa sklinda tarp jų.
„Tai mums nekelia jokių problemų, nes jei sugebate siųsti signalus greičiau nei šviesa, jums atsiranda keistų paradoksų, pagal kuriuos informacija gali kažkaip grįžti atgal į laiką“, - sako Kolthammeris.
Yra dar vienas būdas, leidžiantis techniškai įmanyti greitesnes nei lengvas keliones: erdvės laiko spragos, leidžiančios keliautojui išvengti įprastų kelionių taisyklių.
Geraldas Cleaveris iš Teksaso Bayloro universiteto mano, kad vieną dieną galbūt pavyks pastatyti erdvėlaivį, kuris skraidytų greičiau nei šviesa. Kuris juda per kirminą. Kirmėlės yra erdvės-laiko kilpos, kurios puikiai tinka Einšteino teorijoms. Jie galėtų leisti astronautui peršokti iš vieno visatos galo į kitą, naudojant erdvėlaikio anomaliją, tam tikrą kosminio nuorodos formą.
Objektas, keliaujantis per sliekų skylę, neviršys šviesos greičio, tačiau teoriškai galėtų pasiekti tikslą greičiau nei šviesa, einanti „normaliu“keliu. Bet kirminų skylės gali būti visai neprieinamos kelionėms kosmose. Ar gali būti dar vienas būdas aktyviai iškraipyti erdvės laiką, norint judėti greičiau nei 300 000 km / s kažkieno atžvilgiu?
Cleaveris taip pat ištyrė „Alcubierre variklio“idėją, kurią 1994 m. Pasiūlė teorinis fizikas Miguelis Alcubierre'as. Jis apibūdina situaciją, kai erdvėlaikis susitraukia priešais erdvėlaivį, pastumdamas jį į priekį, ir plečiasi už jo, taip pat stumdamas į priekį. "Bet tada, - sako Cleaveris, - kilo problemų: kaip tai padaryti ir kiek energijos reikės".
2008 m. Jis ir jo abiturientas Richardas Aubosie paskaičiavo, kiek energijos reikės.
"Mes įsivaizdavome 10m x 10m x 10m erdvėlaivį - 1 000 kubinių metrų - ir apskaičiavome, kad procesui pradėti reikalingos energijos kiekis bus lygus viso Jupiterio masei."
Po to energija turi būti nuolat „pilama“, kad procesas nesibaigtų. Niekas nežino, ar tai kada nors bus įmanoma, ar bus reikalingos technologijos. „Aš nenoriu, kad šimtmečiai būtų cituojami kaip numatantys tai, kas niekada neįvyks“, - sako Cleaveris, „tačiau aš dar nematau sprendimų“.
Taigi, keliauti greičiau nei šviesos greičiu šiuo metu išlieka fantazija. Kol kas vienintelis būdas aplankyti egzoplanetą per gyvenimą yra pasinerti į gilią pakabinamą animaciją. Ir vis dėlto ne viskas blogai. Daugeliu atvejų mes kalbėdavome apie matomą šviesą. Tačiau iš tikrųjų šviesos yra kur kas daugiau. Nuo radijo bangų ir mikrobangų iki matomos šviesos, ultravioletinės spinduliuotės, rentgeno ir gama spindulių, kuriuos skleidžia atomai, kai jie suyra, šie gražūs spinduliai yra sudaryti iš to paties: fotonų.
Skirtumas yra energijoje, kuri reiškia bangos ilgį. Kartu šie spinduliai sudaro elektromagnetinį spektrą. Tai, kad, pavyzdžiui, radijo bangos sklinda šviesos greičiu, yra nepaprastai naudinga bendravimui.
Savo tyrime Kolthammeris sukuria grandinę, naudojančią fotonus signalams perduoti iš vienos grandinės dalies į kitą, todėl jis nusipelno teisės pakomentuoti neįtikėtino šviesos greičio naudingumą.
„Pats faktas, kad mes sukūrėme, pavyzdžiui, interneto infrastruktūrą ir prieš tai radiją, pagrįstą šviesa, yra susijęs su lengvumu, kuriuo galime ją perduoti“, - pažymi jis. Ir priduria, kad šviesa veikia kaip visatos komunikacijos jėga. Kai mobiliojo telefono elektronai pradeda drebėti, fotonai išskrenda ir kartu sukrėsti gali ir kito mobiliojo telefono elektronai. Taip gimsta telefono skambutis. Saulės elektronų drebulys taip pat skleidžia fotonus - didžiuliais kiekiais -, kurie, be abejo, sudaro šviesą, suteikiančią gyvybę Žemėje, šilumą, o, ahem, šviesą.
Šviesa yra universali visatos kalba. Jo greitis - 299 792,458 km / s - išlieka pastovus. Tuo tarpu erdvė ir laikas yra kaltiniai. Turbūt neturėtume galvoti apie tai, kaip judėti greičiau nei šviesa, bet kaip judėti greičiau per šią erdvę ir šį kartą? Brandinti šaknyje, taip sakant?
