U rujnu 2011. fizičar Antonio Ereditato šokirao je svijet. Njegova izjava mogla bi naše razumijevanje svemira okrenuti naopačke. Da su podaci prikupljeni od strane 160 znanstvenika OPERA točni, primijećeno je nevjerojatno. Čestice - u ovom slučaju neutrini - kretale su se brže od svjetlosti. Prema Einsteinovoj teoriji relativnosti to je nemoguće. A posljedice takvog promatranja bile bi nevjerojatne. Možda bi se sami temelji fizike trebali revidirati.
Iako je Ereditato rekao da su on i njegov tim "izuzetno uvjereni" u svoje rezultate, nisu rekli da su podaci savršeno točni. Naprotiv, zamolili su druge znanstvenike da im pomognu shvatiti što se događa.
Na kraju se pokazalo da su rezultati OPERA bili pogrešni. Neispravno povezan kabel uzrokovao je problem s sinkronizacijom i signali s GPS satelita bili su netočni. Došlo je do neočekivanog kašnjenja signala. Kao rezultat toga, mjerenja vremena koje je trebalo da neutrini pređu određenu udaljenost pokazala su dodatnih 73 nanosekunde: činilo se da neutrini lete brže od svjetlosti.
Unatoč višemjesečnom nadzoru prije pokretanja eksperimenta i dvostrukoj provjeri podataka nakon toga, znanstvenici su ozbiljno pogriješili. Ereditato je podnio ostavku, suprotno napomenama mnogih da su se takve pogreške uvijek događale zbog ekstremne složenosti uređaja za ubrzavanje čestica.
Zašto je pretpostavka - samo pretpostavka - da bi se nešto moglo kretati brže od svjetlosti, uzrokovala takav šum? Koliko smo sigurni da ništa ne može prevladati ovu barijeru?
Pogledajmo prvo drugo od ovih pitanja. Brzina svjetlosti u vakuumu iznosi 299.792.458 kilometara u sekundi - radi praktičnosti taj se broj zaokružuje na 300.000 kilometara u sekundi. Dosta je brzo. Sunce je udaljeno 150 milijuna kilometara od Zemlje, a svjetlost s njega stiže na Zemlju za samo osam minuta i dvadeset sekundi.
Može li se neka od naših kreacija natjecati u utrci protiv svjetla? Jedan od najbržih umjetnih objekata ikad izgrađenih, svemirska sonda New Horizons zviždala je pokraj Plutona i Charona u srpnju 2015. godine. Dostigao je brzinu u odnosu na Zemlju 16 km / s. Puno manje od 300 000 km / s.
Međutim, imali smo sitne čestice koje su se kretale vrlo brzo. U ranim šezdesetim godinama William Bertozzi s Tehnološkog instituta u Massachusettsu eksperimentirao je s ubrzavanjem elektrona do još većih brzina.
Promotivni video:
Budući da elektroni imaju negativan naboj, mogu se ubrzati - točnije odbiti - primjenom istog negativnog naboja na materijal. Što se više energije primijeni, brži će se elektroni ubrzati.
Čovjek bi pomislio da samo trebate povećati potrošenu energiju kako biste ubrzali do brzine od 300 000 km / s. No ispada da se elektroni jednostavno ne mogu tako brzo kretati. Bertozzijevi eksperimenti pokazali su da uporaba više energije ne dovodi do izravno proporcionalnog povećanja brzine elektrona.
Umjesto toga, morale su se primijeniti ogromne količine dodatne energije da se lagano promijeni brzina elektrona. Sve se više približavala brzini svjetlosti, ali nikad je nije dosegla.
Zamislite da koračate prema vratima malim koracima od kojih svaki prijeđe pola udaljenost od svog trenutnog položaja do vrata. Strogo govoreći, nikada nećete doći do vrata, jer nakon svakog koraka koji ćete poduzeti, imat ćete distancu koju morate prevladati. Bertozzi se suočio s otprilike takvim problemom kad se bavio svojim elektronima.
Ali svjetlost se sastoji od čestica koje se nazivaju fotoni. Zašto se te čestice mogu kretati brzinom svjetlosti, ali elektroni ne mogu?
"Kako se objekti brže i brže kreću, oni postaju teži - što teže postaju, to je teže da se ubrzavaju, pa nikad ne dođete do brzine svjetlosti", kaže Roger Rassoul, fizičar sa sveučilišta u Melbourneu u Australiji. "Foton nema masu. Da je imao masu, ne bi se mogao kretati brzinom svjetlosti."
Fotoni su posebni. Ne samo da im nedostaje masa koja im pruža potpunu slobodu kretanja u vakuumu prostora, već ih i ne trebaju ubrzavati. Prirodna energija kojom raspolažu kreće se u valovima, baš kao i oni, tako da u trenutku stvaranja već imaju maksimalnu brzinu. U određenom je smislu lakše razmišljati o svjetlosti kao o energiji nego o struji čestica, mada je istina svjetlost oboje.
Međutim, svjetlost putuje mnogo sporije nego što bismo mogli očekivati. Dok internetski tehničari vole razgovarati o komunikacijama koje u vlaknima rade brzinom "svjetlosti", svjetlost u čaši tog vlakna putuje 40% sporije nego u vakuumu.
U stvarnosti, fotoni putuju brzinom od 300 000 km / s, ali nailaze na određenu količinu smetnji, interferencije koje uzrokuju drugi fotoni koje zrače stakleni atomi kad prolazi glavni svjetlosni val. To možda nije lako razumjeti, ali barem smo pokušali.
Na isti je način bilo moguće impresivno usporiti u okviru posebnih eksperimenata s pojedinačnim fotonima. Ali u većini slučajeva vrijedi broj od 300 000. Nismo vidjeli niti stvorili ništa što bi se moglo kretati tako brzo, ili čak brže. Postoje posebne točke, ali prije nego što ih dotaknemo, dotaknemo se i drugog našeg pitanja. Zašto je toliko važno da se strogo slijedi pravilo brzine svjetlosti?
Odgovor ima veze s čovjekom po imenu Albert Einstein, kao što je to često slučaj u fizici. Njegova posebna teorija relativnosti ispituje brojne posljedice njegovih univerzalnih ograničenja brzine. Jedan od najvažnijih elemenata teorije je ideja da je brzina svjetlosti konstantna. Bez obzira gdje se nalazite ili koliko se brzo krećete, svjetlost se uvijek kreće istom brzinom.
Ali to ima nekoliko konceptualnih problema.
Zamislite da svjetlost pada iz svjetiljke na ogledalo na stropu nepomičnog svemirskog broda. Svjetlost se povećava, odbija se od ogledala i pada na pod svemirskog broda. Recimo da prelazi udaljenost od 10 metara.
Sada zamislite da se ovaj svemirski brod kreće kolosalnom brzinom od više tisuća kilometara u sekundi. Kad uključite svjetiljku, svjetlo se ponaša kao i prije: sjaji prema gore, udara u ogledalo i odbija se na pod. Ali za to će svjetlost morati prijeći dijagonalnu udaljenost, a ne vertikalnu. Napokon, ogledalo se sada brzo kreće s svemirskim brodom.
U skladu s tim, povećava se udaljenost kojom svjetlost putuje. Recimo 5 metara. Ispada da ukupno 15 metara, a ne 10.
Unatoč tome, iako se udaljenost povećavala, Einsteinove teorije tvrde da će se svjetlost i dalje kretati istom brzinom. Budući da je brzina udaljenost podijeljena s vremenom, budući da brzina ostaje ista i udaljenost se povećava, vrijeme se također mora povećavati. Da, vrijeme se mora produžiti. Iako zvuči čudno, potvrđeno je eksperimentalno.
Taj se fenomen naziva vremenska dilatacija. Vrijeme se kreće sporije za ljude koji se kreću u brzo pokretnim vozilima, u odnosu na one koji su nepomični.
Na primjer, vrijeme prolazi 0,007 sekundi sporije za astronaute na Međunarodnoj svemirskoj stanici, koja se kreće brzinom od 7,66 km / s u odnosu na Zemlju, u usporedbi s ljudima na planeti. Još je zanimljivija situacija s česticama poput spomenutih elektrona, koje mogu putovati blizu brzine svjetlosti. U slučaju ovih čestica, stupanj usporavanja bit će ogroman.
Stephen Colthammer, eksperimentalni fizičar sa Sveučilišta u Oxfordu u Velikoj Britaniji, ukazuje na primjer čestica zvanih muons.
Muoni su nestabilni: brzo se raspadaju u jednostavnije čestice. Toliko brzo da bi većina muona koji napuštaju Sunce trebala propasti do trenutka kada stignu na Zemlju. Ali u stvarnosti, muoni stižu na Zemlju sa Sunca u ogromnim količinama. Fizičari dugo pokušavaju otkriti zašto.
"Odgovor na ovu misteriju je da se muoni generiraju takvom energijom da se kreću brzinom blizu svjetlosti", kaže Kolthammer. "Njihov osjećaj za vrijeme, da tako kažem, njihov unutarnji sat teče polako."
Muoni "preživljavaju" duže nego što se očekuje u odnosu na nas, zahvaljujući sadašnjoj, prirodnoj zakrivljenosti vremena. Kad se predmeti brzo kreću u odnosu na druge predmete, smanjuje se i njihova duljina. Te posljedice, vremensko širenje i smanjenje duljine, primjeri su kako se prostorno vrijeme mijenja ovisno o kretanju stvari - mene, tebe ili svemirskog broda - masom.
Ono što je važno, kako je rekao Einstein, ne utječe na svjetlost, jer nema masu. Zbog toga ti principi idu od ruke. Ako bi se predmeti mogli kretati brže od svjetlosti, oni bi se pokoravali temeljnim zakonima koji opisuju kako svemir djeluje. To su ključna načela. Sada možemo razgovarati o nekoliko izuzetaka i odstupanja.
S jedne strane, iako nismo vidjeli da se išta kreće brže od svjetlosti, to ne znači da se ta ograničenje brzine teoretski ne može probiti u vrlo specifičnim uvjetima. Uzmimo za primjer širenje samog svemira. Galaksije u svemiru udaljavaju se jedna od druge brzinom mnogo većom od svjetlosti.
Još jedna zanimljiva situacija odnosi se na čestice koje istodobno dijele ista svojstva, bez obzira koliko su udaljene jedna od druge. To je takozvano "kvantno zapletenost". Foton će se okretati prema gore i prema dolje, nasumično birajući između dva moguća stanja, ali izbor smjera rotacije točno će se odraziti na drugi foton negdje drugdje ako su zapleteni.
Dvojica znanstvenika, svaki proučavajući vlastiti foton, istodobno će dobiti iste rezultate, brže nego što bi brzina svjetlosti dopuštala.
Međutim, u oba ova primjera važno je napomenuti da niti jedna informacija ne putuje brže od brzine svjetlosti između dva objekta. Možemo izračunati širenje Svemira, ali ne možemo promatrati objekte brže od svjetlosti u njemu: oni su nestali iz vidnog polja.
Što se tiče dvojice znanstvenika koji imaju svoje fotone, iako su mogli dobiti isti rezultat u isto vrijeme, nisu se mogli međusobno informirati brže nego što svjetlost putuje između njih.
"To nam ne predstavlja nikakav problem, jer ako ste sposobni slati signale brže od svjetlosti, dobivate bizarne paradokse prema kojima informacije mogu nekako putovati natrag u vremenu", kaže Kolthammer.
Postoji još jedan mogući način da se tehnički omogući brže putovanje od svjetlosti: provali u prostor-vremenu koji putniku omogućuju da izbjegne pravila uobičajena putovanja.
Gerald Cleaver sa Sveučilišta Baylor u Teksasu vjeruje da ćemo jednog dana moći izgraditi svemirski brod koji putuje brže od svjetlosti. Koji se kreće kroz crvotočanicu. Crvotočine su petlje u prostor-vremenu koje se savršeno uklapaju u Einsteinove teorije. Oni bi mogli dopustiti astronautu da preskoči s jednog kraja svemira na drugi koristeći anomaliju u prostornom vremenu, neki oblik kozmičke prečice.
Objekt koji putuje kroz crvotočnu rupu neće premašiti brzinu svjetlosti, ali bi teoretski mogao dostići svoje odredište brže od svjetlosti koja putuje "normalnom" stazom. Ali crvotočine možda uopće nisu dostupne za svemirska putovanja. Moze li postojati drugi nacin da se aktivno iskrivi vrijeme, da se krece brze od 300 000 km / s u odnosu na nekoga drugoga?
Cleaver je također istraživao ideju "Alcubierre motora" koji je 1994. godine predložio teorijski fizičar Miguel Alcubierre. On opisuje situaciju u kojoj se svemirski vremenski ugovor smanjuje ispred svemirskog broda, gurajući ga naprijed i širi iza njega, također ga gurajući prema naprijed. "Ali tada", kaže Cleaver, "su se pojavili problemi: kako to učiniti i koliko će energije trebati."
2008. i on, njegov diplomski student Richard Aubosie izračunali su koliko energije će trebati.
"Zamišljali smo svemirsku letjelicu 10m x 10m x 10m - 1.000 kubnih metara - i izračunali smo da će količina energije koja je potrebna za pokretanje postupka biti jednaka masi cijelog Jupitera."
Nakon toga, energija se mora neprestano "ulijevati" kako se proces ne bi završio. Nitko ne zna hoće li to ikada biti moguće ili kakve će biti potrebne tehnologije. "Ne želim me stoljećima citirati kao da predviđa nešto što se nikada neće dogoditi", kaže Cleaver, "ali još ne vidim rješenja."
Dakle, putovanje brže od brzine svjetlosti za sada ostaje fantazija. Do sada je jedini način da posjetite neku egzoplanetu tijekom života uranjanje u duboku suspendiranu animaciju. A ipak nije sve loše. U većini slučajeva razgovarali smo o vidljivoj svjetlosti. Ali u stvarnosti je svjetla mnogo više. Od radio valova i mikrotalasa do vidljive svjetlosti, ultraljubičastog zračenja, X-zraka i gama zraka koje zrače atomi dok propadaju, sve ove prekrasne zrake sastoje se od iste stvari: fotona.
Razlika je u energiji, što znači u valnoj duljini. Ove zrake zajedno čine elektromagnetski spektar. Činjenica da radio valovi, na primjer, putuju brzinom svjetlosti, nevjerojatno je korisna za komunikaciju.
U svom istraživanju, Kolthammer stvara krug koji koristi fotone za prijenos signala iz jednog dijela kruga u drugi, pa zaslužuje pravo komentiranja korisnosti nevjerojatne brzine svjetlosti.
„Sama činjenica da smo, primjerice, izgradili infrastrukturu interneta, a prije toga radio koji se temelji na svjetlu, ima veze s lakoćom s kojom ga možemo prenositi“, napominje. I dodaje da svjetlost djeluje kao komunikacijska snaga svemira. Kad se elektroni u mobilnom telefonu počnu tresti, fotoni lete i uzrokuju da se i drugi mobiteli tresu. Tako se rađa telefonski poziv. Drhtavanje elektrona na Suncu također emitira fotone - u ogromnim količinama - koji, naravno, tvore svjetlost koja daje životu Zemlju toplinu i, ah, svjetlost.
Svjetlost je univerzalni jezik svemira. Njegova brzina - 299 792.458 km / s - ostaje konstantna. U međuvremenu, prostor i vrijeme su popravljivi. Možda ne bismo trebali razmišljati o tome kako se kretati brže od svjetlosti, nego kako se brže kretati kroz ovaj prostor i ovaj put? Da sazrijem u korijenu, da tako kažem?
