Ez gyorsabban mozog, mint a fénysebesség. Lehetséges az FTL járat? Lásd az azonos témájú számban
A fénysebesség az univerzális fizikai állandók egyike, nem függ az inerciális vonatkoztatási rendszer megválasztásától, és a téridő egészének tulajdonságait írja le. A fény sebessége vákuumban 299 792 458 méter másodpercenként, és ez a részecskék mozgásának és a kölcsönhatások terjedésének határsebessége. Így tanítanak bennünket a fizikáról szóló tankönyvek. Emlékezhet arra is, hogy a test tömege nem állandó, és a sebesség közeledtével a fénysebesség a végtelenbe hajlik. Ezért a fotonok fénysebességgel mozognak - a tömeg nélküli részecskék és a tömeggel rendelkező részecskék sokkal nehezebbek.
A Róma közelében található OPERA nagyszabású kísérlet nemzetközi tudóscsoportja azonban kész vitatkozni az elemi igazsággal.
Sikerült neutrínókat találnia, amelyek a kísérletek szerint a fénysebességnél nagyobb sebességgel mozognak.
– számol be az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN) sajtószolgálata.
Az OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) kísérlet az Univerzum leginertebb részecskéit – a neutrínókat – vizsgálja. Annyira tehetetlenek, hogy átrepülhetnek az egész földgömbön, csillagokon és bolygókon, és ahhoz, hogy vasgátba ütközzenek, ennek a gátnak a Naptól a Jupiterig kell lennie. Minden másodpercben körülbelül 10 14, a Nap által kibocsátott neutrínó halad át a Föld minden emberének testén. Annak a valószínűsége, hogy legalább az egyikük élete során eltalálja az emberi szövetet, nullára esik. Ezen okok miatt rendkívül nehéz regisztrálni és tanulmányozni a neutrínókat. Az ezt végző laboratóriumok mélyen a hegyek alatt, sőt az Antarktisz jege alatt vannak.
Az OPERA neutrínósugarat kap a CERN -től, ahol a Nagy Hadronütköztető található. "Kistestvére" - a szuperproton szinkrotron (SPS) - közvetlenül a föld alá irányítja a sugarat Róma felé. Az így létrejövő neutrínósugár áthalad a földkéreg vastagságán, ezáltal megtisztul a többi részecskétől, amelyet a kéreganyag visszatart, és egyenesen a Gran Sasso-i laboratóriumba kerül, amely 1200 méteres szikla alatt védett.
A 732 km-es földalatti utat 2,5 ezredmásodperc alatt borítják be a neutrínók.
Az OPERA projekt mintegy 150 ezer elemből álló, 1300 tonnás tömegű detektora neutrínókat "elfog" és tanulmányozza azokat. A fő cél az úgynevezett neutrínó oszcillációk tanulmányozása – az egyik neutrínótípusból a másikba való átmenet.
A fénysebesség túllépésének lenyűgöző eredményeit komoly statisztikák támasztják alá: a gran sasso -i laboratórium mintegy 15 ezer neutrínót figyelt meg. A tudósok ezt találták
a neutrínók 20 ppm-el gyorsabban mozognak, mint a fénysebesség – ez a „tévedhetetlen” sebességhatár.
Ez az eredmény meglepetés volt számukra, magyarázatát még nem javasolták. Természetesen ennek megcáfolásához vagy megerősítéséhez független kísérletekre van szükség, amelyeket más csoportok végeztek más berendezéseken – a „kettős vak vezérlés” elvét a CERN nagy hadronütköztetőjében valósítják meg. Az OPERA Collaboration azonnal közzétette eredményeit, hogy a kollégák szerte a világon ellenőrizhessék azokat. A munka részletes leírása az előnyomatok honlapján érhető el Arxiv.Org.
Az eredmények hivatalos bemutatására ma egy szemináriumon kerül sor a CERN-ben, moszkvai idő szerint 18 órakor. online streaming.
„Ez az adat teljes meglepetést okozott. Több hónapos adatgyűjtés, elemzés és tisztítás, valamint keresztellenőrzés után nem találtunk lehetséges rendszerhibát az adatfeldolgozó algoritmusban vagy az érzékelőben. Ezért közzétesszük eredményeinket, folytatjuk a munkát, és reméljük, hogy más csoportok független mérései segítenek megérteni ennek a megfigyelésnek a természetét ” - mondta az OPERA kísérlet vezetője, Antonio Ereditato, a Berni Egyetem munkatársa. a CERN sajtószolgálata.
„Amikor a kísérleti tudósok egy valószínűtlen eredményt fedeznek fel, és nem találnak olyan műterméket, amely megmagyarázná ezt, más csoportokhoz tartozó kollégáikhoz fordulnak, hogy megkezdjék a probléma szélesebb körű vizsgálatát. Ez egy jó tudományos hagyomány, és az OPERA együttműködés most ezt követi.
Ha a fénysebességre vonatkozó megfigyelések beigazolódnak, ez megváltoztathatja a fizika megértését, de meg kell győződnünk arról, hogy nincs más, közhelyesebb magyarázatuk.
Erre szolgálnak a független kísérletek ” - mondta Sergio Bertolucci, a CERN tudományos igazgatója.
Az OPERA mérései rendkívül pontosak. Tehát a neutrínó kilövési pontjától a regisztrációjukig eltelt távolság (több mint 730 km) 20 cm pontossággal ismert, és a repülési időt 10 nanoszekundum pontossággal mérik.
Az OPERA kísérlet 2006 óta zajlik. Mintegy 200 fizikus vesz részt rajta 36 intézetből és 13 országból, köztük Oroszországból.
A neutrínók mozgási sebességének közvetlen mérésére szolgál. Az eredmények szenzációsan hangzanak: a neutrínó sebessége kissé – de statisztikailag szignifikánsnak – bizonyult! - több, mint a fénysebesség. Az együttműködés cikke különféle hiba- és bizonytalansági források elemzését tartalmazza, de a fizikusok túlnyomó többségének reakciója továbbra is nagyon szkeptikus, elsősorban azért, mert egy ilyen eredmény nincs összhangban más, a neutrínók tulajdonságaira vonatkozó kísérleti adatokkal.
|
Rizs. 1. |
A kísérlet részletei
A kísérlet ötlete (lásd OPERA kísérlet) nagyon egyszerű. A CERN-ben megszületik egy neutrínósugár, amely átrepül a Földön az olasz Gran Sasso-i laboratóriumba, és ott halad át a speciális OPERA neutrínódetektoron. A neutrínók nagyon gyengén lépnek kölcsönhatásba az anyaggal, de mivel a CERN-ből származó fluxusuk nagyon nagy, néhány neutrínó még mindig ütközik a detektor belsejében lévő atomokkal. Ott töltött részecskék kaszkádját generálják, és ezáltal a jelüket a detektorban hagyják. A CERN-ben a neutrínók nem folyamatosan születnek, hanem "kitörnek", és ha ismerjük a neutrínó születésének és a detektorban való elnyelődésének pillanatát, valamint a két laboratórium közötti távolságot, akkor kiszámíthatjuk a neutrínó sebességét. .
A forrás és a detektor közötti egyenes távolság körülbelül 730 km, és 20 cm-es pontossággal mértük (a referenciapontok pontos távolsága 730 534,61 ± 0,20 méter). Igaz, a neutrínók előállításához vezető folyamat egyáltalán nincs ilyen pontossággal lokalizálva. A CERN-ben egy nagy energiájú protonnyalábot bocsátanak ki az SPS-gyorsítóból, egy grafit céltárgyra dobják, és abban másodlagos részecskéket, köztük mezonokat generálnak. Még mindig közel fénysebességgel repülnek előre, és menet közben müonokká bomlanak le, és neutrínókat bocsátanak ki. A müonok is bomlanak, és további neutrínókat termelnek. Ezután a neutrínók kivételével minden részecske felszívódik az anyag nagy részében, és akadálytalanul eléri a kimutatás helyét. A kísérlet ezen részének általános sémája az ábrán látható. 1.
A neutrínó nyaláb megjelenéséhez vezető teljes kaszkád több száz méterig nyúlhat. Azóta azonban összes az ebben a kötegben lévő részecskék fényhez közeli sebességgel repülnek előre, a detektálási időre gyakorlatilag nincs különbség, hogy a neutrínó azonnal vagy egy kilométeres út után született-e (azonban nagyon fontos, hogy pontosan mikor vezetett a kezdeti proton egy adott neutrínó keletkezése kirepült a gyorsítóból). Ennek eredményeként a keletkezett neutrínók nagyjából megismétlik a kezdeti protonsugár profilját. Ezért itt a kulcsparaméter pontosan a gyorsítóból kibocsátott protonnyaláb időbeli profilja, különös tekintettel az elülső és a hátsó élek pontos helyzetére, és ezt a profilt jó idővel mérjük. NS m felbontás (lásd 2. ábra).
Minden egyes protonnyaláb célpontra történő kidobásának munkamenete (angolul ezt a munkamenetet hívják bukás, "Splash") körülbelül 10 mikromásodpercig tart, és hatalmas számú neutrínó keletkezéséhez vezet. Azonban szinte mindegyik kölcsönhatás nélkül repül át a Földön (és a detektoron). Azokban a ritka esetekben, amikor a detektor egy neutrínót regisztrál, lehetetlen megmondani, hogy a 10 mikroszekundumos intervallum mely pontján bocsátott ki. Az elemzést csak statisztikailag lehet elvégezni, azaz sok neutrínó-detektálási esetet felhalmozni, és ezek időbeli eloszlását megszerkeszteni az egyes szekciók kiindulási pontjához képest. A detektorban referenciapontnak azt a pillanatot vesszük, amikor a fénysebességgel mozgó és pontosan a protonnyaláb elülső élének pillanatában kibocsátott feltételes jel eléri a detektort. Ennek a pillanatnak a pontos mérése a két laboratórium órájának több nanoszekundumos pontossággal történő szinkronizálásának köszönhetően vált lehetővé.
ábrán. A 3. ábra egy ilyen eloszlást mutat be. A fekete pontok valódi neutrínó adatok, amelyeket az érzékelő rögzített, és nagyszámú munkamenetben összesített. A piros görbe egy hagyományos "referencia" jelet mutat, amely fénysebességgel mozogna. Látható, hogy az adatok körülbelül 1048,5 ns-nál kezdődnek korábban referenciajel. Ez azonban nem jelenti azt, hogy a neutrínó valójában mikroszekundummal megelőzi a fényt, hanem csak ok arra, hogy gondosan mérje meg az összes kábelhosszat, a berendezés válaszsebességét, az elektronika késleltetési idejét stb. Ezt az újraellenőrzést elvégezték, és kiderült, hogy 988 ns-el eltolja a "referencia" momentumot. Így kiderül, hogy a neutrínójel valójában megelőzi a referenciajelet, de csak körülbelül 60 nanosekundummal. A neutrínók sebességét tekintve ez a fénysebesség körülbelül 0,0025%-os többletének felel meg.
Ennek a mérésnek a hibáját az elemzés készítői 10 nanoszekundumra becsülték, amely statisztikai és szisztematikus hibákat is tartalmaz. Így a szerzők azt állítják, hogy hat standard szórás statisztikai megbízhatósági szintjén "látják" a neutrínók szuperluminális mozgását.
Az eredmények és a várakozások közötti különbség hat szórással már elég nagy, és ezt a fizikában nevezik elemi részecskék a hangos „felfedezés” szóval. Ezt a számot azonban helyesen kell érteni: ez csak azt jelenti, hogy a valószínűség statisztikai Az adatok ingadozása nagyon kicsi, de nem jelzi, mennyire megbízható az adatfeldolgozási technika, és mennyire vették figyelembe a fizikusok az összes műszeres hibát. Hiszen a részecskefizikában számos példa van arra, hogy a kivételesen magas statisztikai megbízhatóságú szokatlan jeleket más kísérletek nem erősítették meg.
Minek mondanak ellent a szuperluminális neutrínók?
A közhiedelemmel ellentétben a speciális relativitáselmélet önmagában nem tiltja meg a fénynél gyorsabban mozgó részecskék létezését. Az ilyen részecskék (összefoglaló néven "tachionok") számára azonban a fénysebesség is korlát, de csak alulról - ennél lassabban nem mozoghatnak. Ebben az esetben a részecskék energiájának a sebességtől való függése inverznek bizonyul: minél nagyobb az energia, annál közelebb van a tachionok sebessége a fénysebességhez.
Sokkal komolyabb problémák kezdődnek a kvantumtér -elméletben. Ez az elmélet helyettesíti a kvantummechanikát, amikor jön nagy energiájú kvantumrészecskékről. Ebben az elméletben a részecskék nem pontok, hanem viszonylagosan egy anyagi mező csomói, és lehetetlen őket a mezőtől elkülönítve tekinteni. Kiderült, hogy a tachionok csökkentik a térenergiát, ami azt jelenti, hogy instabillá teszik a vákuumot. Ilyenkor kifizetődőbb az üresség számára, ha spontán módon szétesik ezeknek a részecskéknek a nagy száma, és ezért egyszerűen értelmetlen egy tachion mozgását a közönséges üres térben figyelembe venni. Azt mondhatjuk, hogy a tachion nem részecske, hanem a vákuum instabilitása.
A tachionok-fermionok esetében valamivel bonyolultabb a helyzet, de még ott is felmerülnek hasonló nehézségek, amelyek meggátolják egy önkonzisztens tachion kvantumtérelmélet megalkotását, beleértve a közönséges relativitáselméletet is.
Ez azonban elméletben sem az utolsó szó. Ahogy a kísérletezők mindent mérnek, ami mérhető, az elméletalkotók is minden lehetséges hipotetikus modellt tesztelnek, amelyek nem mondanak ellent a rendelkezésre álló adatoknak. Különösen léteznek olyan elméletek, amelyekben megengedett a relativitáselmélet posztulátumaitól való kismértékű, még észre nem vett eltérés - például maga a fénysebesség is változó lehet. Az ilyen elméletek még nem rendelkeznek közvetlen kísérleti támogatással, de még nem zárultak le.
Az elméleti lehetőségek ezen rövid vázlata a következőképpen foglalható össze: bár egyes elméleti modellekben lehetséges a szuperluminális sebességű mozgás, ezek pusztán hipotetikus konstrukciók maradnak. Az összes eddig rendelkezésre álló kísérleti adatot szabványos elméletek írják le szuperluminális mozgás nélkül. Ezért, ha még néhány részecskére is megbízhatóan megerősítené, a kvantumtérelméletet gyökeresen meg kellene változtatni.
Az OPERA eredményét ebben az értelemben tekintsük „első jelnek”? Még nem. A szkepticizmus legfontosabb oka talán az, hogy az OPERA eredménye nem egyezik a neutrínókkal kapcsolatos egyéb kísérleti adatokkal.
Először a híres SN1987A szupernóva során neutrínókat is észleltek, amelyek több órával a fényimpulzus előtt érkeztek. Ez nem azt jelenti, hogy neutrínók érkeztek gyorsabb a fénynél, de csak azt a tényt tükrözi, hogy a neutrínók a mag egy korábbi szakaszában bocsátanak ki egy szupernóva -robbanásban, mint a fény. Mivel azonban a neutrínók és a fény, miután 170 ezer évet töltöttek útjukban, nem tértek el néhány óránál többel, ez azt jelenti, hogy sebességük nagyon közel van, és legfeljebb a töredék milliárdod részével tér el egymástól. Az OPERA kísérlet ezerszer erősebb eltérést mutat.
Itt persze elmondhatjuk, hogy a szupernóva-robbanások során keletkezett neutrínók és a CERN-ből származó neutrínók energiája nagymértékben különbözik (a szupernóvákban több tíz MeV, a leírt kísérletben pedig 10-40 GeV), és a neutrínók sebessége az energiától függően változik. De ez a változás ebben az esetben „rossz” irányban működik: elvégre minél nagyobb a tachionok energiája, annál közelebb kell lennie a sebességüknek a fény sebességéhez. Természetesen itt lehet gondolni a tachion elmélet néhány módosítására, amelyben ez a függőség teljesen más lenne, de ebben az esetben szükséges lesz a "kettős hipotetikus" modell tárgyalása.
Továbbá a neutrínó -rezgésekre vonatkozó kísérleti adatokból utóbbi évek, ebből az következik, hogy az összes neutrínó tömege csak az elektronvolt töredékével tér el egymástól. Ha az OPERA eredményt a neutrínók szuperluminális mozgásának megnyilvánulásaként érzékeljük, akkor legalább egy neutrínó tömegének négyzetének értéke - (100 MeV) 2 nagyságrendű lesz (a tömeg negatív négyzete a matematikai megnyilvánulása annak, hogy a részecskét tachionnak tekintik). Akkor ezt el kell ismerned összes a neutrínók tachionjai, tömegük megközelítőleg azonos. Másrészt a trícium atommagok béta-bomlásában a neutrínók tömegének közvetlen mérése azt mutatja, hogy a neutrínó tömege (abszolút értékben) nem haladhatja meg a 2 elektronvoltot. Vagyis mindezek az adatok nem egyeztethetők egymással.
Ebből a következő következtetés vonható le: az OPERA együttműködés deklarált eredménye nehezen illeszthető bármilyen, még a legegzotikusabb elméleti modellbe is.
Mi a következő lépés?
Minden nagy részecskefizikai együttműködésben az a szokásos gyakorlat, hogy minden egyes konkrét elemzést a résztvevők kis csoportja végez el, és az eredményeket csak ezután hozzuk fel általános vitára. Ebben az esetben úgy tűnik, ez a szakasz túl rövid volt, aminek következtében az együttműködésben nem minden résztvevő vállalta, hogy a cikk alatt aláírja az aláírását (a teljes listán 216 kísérleti résztvevő szerepel, az előnyomatnak pedig csak 174 szerzője van) . Ezért a közeljövőben nagy valószínűséggel számos további ellenőrzésre kerül sor az együttműködésen belül, és csak ezt követően kerül kinyomtatásra a cikk.
Természetesen most elméleti cikkek folyamára számíthatunk, különféle egzotikus magyarázatokkal erre az eredményre. Amíg azonban a deklarált eredményt nem igazolják megbízhatóan, az nem tekinthető teljes értékű felfedezésnek.
2011 szeptemberében Antonio Ereditato fizikus sokkolta a világot. Kijelentése felforgathatja az univerzumról alkotott felfogásunkat. Ha az OPERA 160 tudósa által összegyűjtött adatok helytállóak voltak, akkor hihetetlen dolgokat figyeltek meg. A részecskék – jelen esetben a neutrínók – gyorsabban mozogtak, mint a fény. Einstein relativitáselmélete szerint ez lehetetlen. És egy ilyen megfigyelésnek hihetetlen következményei lennének. Talán a fizika alapjait kellene felülvizsgálni.
Míg Ereditato azt mondta, hogy ő és csapata „rendkívül magabiztosak” az eredményeikben, azt nem mondták, hogy az adatok tökéletesen pontosak. Éppen ellenkezőleg, más tudósokat kértek fel, hogy segítsenek nekik kideríteni, mi történik.
Végül kiderült, hogy az OPERA eredmények rosszak voltak. A rosszul csatlakoztatott kábel szinkronizálási problémát okozott, és a GPS -műholdak jelei pontatlanok voltak. Váratlan késés volt a jelzésben. Ennek eredményeként a neutrínóknak egy bizonyos távolság megtételéhez szükséges idő mérése további 73 nanoszekundumot mutatott: úgy tűnt, hogy a neutrínók gyorsabban repültek el, mint a fény.
A kísérlet megkezdése előtt több hónapig tartó vizsgálat és az adatok későbbi újraellenőrzése ellenére a tudósok súlyosan tévedtek. Ereditato lemondott, ellentétben sokak megjegyzésével, miszerint ilyen hibák mindig a részecskegyorsítók berendezésének rendkívül bonyolultsága miatt fordultak elő.
Miért okozott ekkora zajt az a feltevés – csak az a feltételezés –, hogy valami a fénynél gyorsabban tud mozogni? Mennyire vagyunk biztosak abban, hogy ezt a gátat semmi sem képes legyőzni?
Nézzük először a második kérdést. A fény sebessége vákuumban 299 792,458 kilométer/másodperc – a kényelem kedvéért ezt a számot 300 000 kilométer/másodpercre kerekítjük. Elég gyors. A Nap 150 millió kilométerre van a Földtől, és a róla érkező fény mindössze nyolc perc húsz másodperc alatt éri el a Földet.
Bármely alkotásunk felveheti a versenyt a fénnyel? A valaha épített egyik leggyorsabb ember alkotta objektum, a New Horizons űrszonda 2015 júliusában elsuhant a Plútó és a Charon mellett. A Földhöz képest 16 km/s sebességet ért el. Sokkal kevesebb, mint 300 000 km/s.
Voltak azonban apró részecskéink, amelyek nagyon gyorsan mozogtak. Az 1960-as évek elején William Bertozzi az MIT-n az elektronok még nagyobb sebességre történő gyorsításával kísérletezett.
Mivel az elektronok negatív töltésűek, gyorsítani - pontosabban taszítani - úgy lehet, hogy ugyanazt a negatív töltést alkalmazzák az anyagra. Minél több energiát alkalmazunk, annál gyorsabban gyorsulnak az elektronok.
Az ember azt gondolná, hogy csak növelnie kell az alkalmazott energiát, hogy 300 000 km / s sebességre gyorsuljon. De kiderült, hogy az elektronok egyszerűen nem tudnak ilyen gyorsan mozogni. Bertozzi kísérletei kimutatták, hogy több energia felhasználása nem vezet az elektronok sebességének egyenes arányos növekedéséhez.
Ehelyett hatalmas mennyiségű további energiát kellett alkalmazni, hogy az elektronok sebességét akár kismértékben is megváltoztassák. Egyre közelebb került a fénysebességhez, de soha nem érte el.
Képzelje el, hogy kis lépésekben sétál az ajtó felé, amelyek mindegyike megteszi a jelenlegi helyzetétől az ajtóig tartó távolság felét. Szigorúan véve soha nem fogsz eljutni az ajtóig, mert minden egyes lépés után le kell küzdened a távolságot. Bertozzi nagyjából ugyanezzel a problémával szembesült, miközben elektronjaival foglalkozott.
A fény azonban fotonoknak nevezett részecskékből áll. Miért tudnak ezek a részecskék fénysebességgel mozogni, de az elektronok nem?
„Ahogy a tárgyak egyre gyorsabban mozognak, egyre nehezebbek lesznek – minél nehezebbek, annál nehezebben gyorsulnak, így soha nem fogod felvenni a fénysebességet” – mondja Roger Rassoul, a Melbourne-i Egyetem fizikusa. Ausztráliában. „A fotonnak nincs tömege. Ha tömege lenne, nem tudna fénysebességgel mozogni. "
A fotonok különlegesek. Nemcsak tömeg hiányzik belőlük, ami teljes mozgásszabadságot biztosít számukra a tér vákuumában, de nem is kell gyorsítaniuk. A bennük rejlő természetes energia hullámokban mozog, akárcsak ők, tehát létrehozásukkor már rendelkeznek maximális sebesség... Bizonyos értelemben könnyebb úgy gondolni a fényre, mint energiára, mint a részecskék áramlására, bár valójában a fény mindkettő.
A fény azonban sokkal lassabban terjed, mint azt várnánk. Bár az internetes technikusok szeretnek olyan kommunikációról beszélni, amely "fénysebességgel" működik a szálban, a fény 40%-kal lassabban halad az üvegszálban, mint a vákuumban.
A valóságban a fotonok 300 000 km/s sebességgel haladnak, de bizonyos mértékű interferenciával találkoznak, olyan interferenciával, amelyet más fotonok okoznak, amelyeket az üvegatomok bocsátanak ki, amikor a fő fényhullám áthalad. Lehet, hogy ezt nem könnyű megérteni, de legalább megpróbáltuk.
Ugyanígy az egyes fotonokkal végzett speciális kísérletek keretében igen hatásosan le lehetett lassítani őket. De a legtöbb esetben a 300 000-es szám érvényes lesz.Nem láttunk vagy alkottunk olyat, ami ilyen gyorsan, vagy még gyorsabban tudna haladni. Vannak speciális pontok, de mielőtt hozzáérnénk, érintsük meg a másik kérdésünket. Miért olyan fontos a fénysebesség szabályának szigorú betartása?
A válasz a személy névvel kapcsolatos, ahogy az a fizikában gyakran előfordul. Speciális relativitáselmélete az univerzális sebességkorlátozások sokféle vonatkozását tárja fel. Az elmélet egyik legfontosabb eleme az az elképzelés, hogy a fénysebesség állandó. Nem számít, hol van vagy milyen gyorsan mozog, a fény mindig azonos sebességgel mozog.
Ennek azonban több fogalmi problémája is van.
Képzelje el, hogy egy zseblámpáról fény esik egy álló űrhajó mennyezetén lévő tükörre. A fény felfelé megy, visszaverődik a tükörről, és az űrhajó padlójára esik. Tegyük fel, hogy 10 méter távolságot tesz meg.
Most képzelje el, hogy ez az űrhajó hatalmas, sok ezer kilométeres másodpercenkénti sebességgel kezd mozogni. Amikor bekapcsolja a zseblámpát, a fény úgy viselkedik, mint korábban: felfelé világít, nekiütközik a tükörnek és visszaverődik a padlón. De ehhez a fénynek átlós távolságot kell megtennie, nem függőlegest. Hiszen a tükör most gyorsan mozog az űrhajóval.
Ennek megfelelően a fény által megtett távolság növekszik. Mondjuk 5 méter. Összesen 15 méter derül ki, nem 10.
Ennek ellenére, bár a távolság nőtt, Einstein elméletei szerint a fény továbbra is ugyanolyan sebességgel fog mozogni. Mivel a sebességet a távolság osztja az idővel, mivel a sebesség ugyanaz marad, és a távolság nőtt, az időnek is növekednie kell. Igen, magának az időnek el kell nyúlnia. Bár furcsán hangzik, kísérletileg megerősítették.
Ezt a jelenséget idő tágításnak nevezik. Az idő lassabban telik a gyorsan mozgó járművekben utazók számára, mint az állókkal.
Például az időutazás 0,007 másodperccel lassabban halad az űrhajósok számára a Nemzetközi Űrállomáson, amely 7,66 km/s sebességgel halad a Földhöz képest, mint a bolygón élő emberek. Még érdekesebb a helyzet az olyan részecskékkel, mint a fent említett elektronok, amelyek közel fénysebességgel tudnak haladni. Ezen részecskék esetében a lassulás mértéke óriási lesz.
Stephen Kolthammer, az Egyesült Királyság Oxfordi Egyetem kísérleti fizikusa a müonoknak nevezett részecskékkel kapcsolatos példára mutat rá.
A müonok instabilak: gyorsan lebomlanak egyszerűbb részecskékre. Olyan gyorsan, hogy a Napot elhagyó müonok többsége elbomlik, mire eléri a Földet. De a valóságban a muonok hatalmas mennyiségben érkeznek a Földre a Napból. A fizikusok régóta próbálják kitalálni, miért.
"A válasz erre a rejtélyre az, hogy a müonok olyan energiával jönnek létre, hogy a fényhez közeli sebességgel mozognak" - mondja Kolthammer. – Úgymond időérzékük, belső órájuk lassan jár.
A müonok az idő jelenlegi természetes görbületének köszönhetően a hozzánk képest vártnál tovább " maradnak életben". Amikor az objektumok gyorsan mozognak más tárgyakhoz képest, akkor a hosszuk is csökken, összehúzódik. Ezek a következmények, az idő dilatációja és a hosszúság csökkenése példák arra, hogy a téridő hogyan változik a dolgok – én, te vagy egy űrhajó – tömeggel való mozgásától függően.
Ami fontos, ahogy Einstein mondta, az nem befolyásolja a fényt, mivel nincs tömege. Ezért ezek az elvek kéz a kézben járnak. Ha a tárgyak a fénynél gyorsabban mozoghatnának, akkor betartanák azokat az alapvető törvényeket, amelyek leírják az univerzum működését. Ezek kulcsfontosságú elvek. Most néhány kivételről és eltérésről beszélhetünk.
Egyrészt, bár fénynél gyorsabban mozgó dolgot nem láttunk, ez nem jelenti azt, hogy ezt a sebességkorlátozást elméletileg ne lehetne áthágni nagyon konkrét körülmények között. Vegyük például magát az univerzum tágulását. A világegyetem galaxisai sokkal gyorsabban távolodnak el egymástól, mint a fény.
Egy másik érdekes helyzet azokkal a részecskékkel kapcsolatos, amelyek egyidejűleg ugyanazokkal a tulajdonságokkal rendelkeznek, függetlenül attól, hogy milyen messze vannak egymástól. Ez az úgynevezett "kvantum-összefonódás". A foton fel-le forog, véletlenszerűen választva két lehetséges állapot közül, de a forgásirány megválasztása pontosan tükrözi a másik foton máshol, ha összegabalyodnak.
Két tudós, mindegyik a saját fotonját tanulmányozza, egyidejűleg ugyanazt az eredményt kapja, gyorsabban, mint amennyit a fénysebesség lehetővé tenne.
Mindkét példában azonban fontos megjegyezni, hogy egyetlen információ sem halad a fénysebességnél gyorsabban két objektum között. Ki tudjuk számolni az Univerzum tágulását, de nem figyelhetünk meg benne fénynél gyorsabb tárgyakat: eltűntek a látómezőből.
Ami a két tudóst a fotonjaival illeti, bár ugyanarra az eredményre juthatnának egyszerre, de nem tudták egymást gyorsabban, mint ahogy a fény eljut közöttük.
"Ez nem jelent problémát számunkra, mert ha a fénynél gyorsabban tudsz jeleket küldeni, akkor bizarr paradoxonokat kapsz, amelyek szerint az információ valahogy visszautazhat az időben" - mondja Kolthammer.
Van egy másik lehetséges módja technikailag lehetségessé teszik a fénynél gyorsabb utazást: olyan szakadások a téridőben, amelyek lehetővé teszik az utazó számára, hogy elkerülje a normál utazás szabályait.
Gerald Cleaver, a texasi Baylor Egyetem munkatársa úgy véli, hogy egy nap képesek leszünk egy űrhajót építeni, amely gyorsabban halad a fénynél. Ami egy féreglyukon halad át. A féreglyukak a tér-idő hurkai, amelyek tökéletesen illeszkednek Einstein elméleteihez. Lehetővé teszik, hogy az űrhajós a világegyetem egyik végéből a másikba ugorjon egy téridő anomáliája, valamilyen kozmikus parancsikon segítségével.
A féreglyukon áthaladó tárgy nem haladja meg a fénysebességet, de elméletileg gyorsabban érheti el célját, mint a "normál" úton haladó fény. De előfordulhat, hogy a féreglyukak egyáltalán nem hozzáférhetők. űrutazás... Lehet-e más mód a téridő aktív torzítására, hogy valaki máshoz képest 300 000 km/s-nál gyorsabban haladjon?
Cleaver 1994-ben megvizsgálta az "Alcubierre motor" ötletét is. Olyan helyzetet ír le, amelyben a téridő az űrszonda előtt összehúzódik, előrenyomva azt, és kitágul mögötte, előre is tolva. "De aztán - mondja Cleaver - problémák merültek fel: hogyan kell ezt csinálni, és mennyi energiára lesz szükség."
2008-ban végzős diákjával, Richard Aubosie-val kiszámolta, mennyi energiára lenne szükség.
"Elképzeltünk egy 10 m x 10 m x 10 m méretű űrhajót - 1000 köbmétert -, és kiszámítottuk, hogy a folyamat elindításához szükséges energiamennyiség egyenértékű lesz az egész Jupiter tömegével."
Ezt követően az energiát folyamatosan "ki kell önteni", hogy a folyamat ne érjen véget. Senki sem tudja, hogy ez valaha is lehetséges lesz-e, vagy milyenek lesznek a szükséges technológiák. „Nem akarom, hogy évszázadokig azt idézzék, hogy olyasmit jósolnak, ami soha nem fog megtörténni - mondja Cleaver -, de még nem látok megoldásokat.”
Tehát a fénysebességnél gyorsabb utazás jelenleg fantázia marad. Eddig az egyetlen módja annak, hogy mélyen felfüggesztett animációba merüljön. És mégsem minden rossz. A legtöbb esetben a látható fényről beszéltünk. De a valóságban a fény sokkal több. A rádióhullámoktól és a mikrohullámoktól a látható fényig ultraibolya sugárzás, röntgen- és gamma-sugarak, amelyeket az atomok bocsátanak ki a bomlás során – mindezek a gyönyörű sugarak ugyanabból a dologból: fotonokból állnak.
A különbség az energiában van, ami azt jelenti, hogy a hullámhossz. Ezek a sugarak együtt alkotják az elektromágneses spektrumot. Az a tény, hogy például a rádióhullámok fénysebességgel terjednek, hihetetlenül hasznos a kommunikációhoz.
Kolthammer kutatásai során olyan áramkört hoz létre, amely fotonok segítségével továbbítja a jeleket az áramkör egyik részéből a másikba, így jogot érdemel, hogy véleményt nyilvánítson a hihetetlen fénysebesség hasznosságáról.
„Maga az a tény, hogy kiépítettük például az internet infrastruktúráját, és előtte a fényre épülő rádiót, az átvitel egyszerűségéhez kapcsolódik” – jegyzi meg. És hozzáteszi, hogy a fény az univerzum kommunikációs erejeként működik. Amikor egy mobiltelefon elektronjai remegni kezdenek, a fotonok kirepülnek, és a másik mobiltelefon elektronjai is megremegnek. Így születik egy telefonhívás. A Napban az elektronok remegése is fotonokat bocsát ki - hatalmas mennyiségben -, amelyek természetesen fényt képeznek, ami meleget, és na, fényt ad a Földön.
A fény a világegyetem egyetemes nyelve. Sebessége - 299 792,458 km / s - változatlan marad. Eközben a tér és az idő alakítható. Talán nem azon kellene gondolkodnunk, hogyan haladjunk gyorsabban a fénynél, hanem arra, hogyan haladjunk gyorsabban ezen a téren és ebben az időben? Úgymond a gyökerénél érni?
A fény terjedési sebessége másodpercenként 299 792 458 méter, de ez már nem határérték. A "futurista" 4 elméletet gyűjtött össze, ahol a fény már nem Michael Schumacher.
Egy japán származású amerikai tudós, az elméleti fizika szakértője, Michio Kaku biztos abban, hogy a fénysebesség leküzdhető.
Nagy durranás
A leghíresebb példa, amikor a fénysorompót leküzdötték, Michio Kaku az ősrobbanást nevezi - egy ultragyors "pop"-nak, amely az Univerzum tágulásának kezdete lett, amelyhez egyedülálló állapotban volt.
„Semmilyen anyagi tárgy nem tud áthatolni a fénysorompón. De az üres tér minden bizonnyal gyorsabban mozoghat, mint a fény. Semmi sem lehet üresebb, mint a vákuum, ami azt jelenti, hogy gyorsabban tágulhat, mint a fénysebesség” – biztos a tudós.
Zseblámpa az éjszakai égbolton
Ha megvilágít egy lámpát az éjszakai égbolton, akkor elvileg az Univerzum egyik részéből a másikba tartó, sok fényévnyi távolságra lévő sugár gyorsabban mozoghat, mint a fénysebesség. A probléma az, hogy ebben az esetben nem lesz olyan anyagi tárgy, amely valóban gyorsabban mozog, mint a fény. Képzeld el, hogy egy fényév átmérőjű óriási gömb vesz körül. Egy fénysugár képe a mérete ellenére pillanatok alatt végigsöpör ezen a gömbön. De csak egy sugár képe haladhat gyorsabban az éjszakai égbolton, mint a fény, nem pedig információ vagy anyagi tárgy.
Kvantum összefonódás
A fénysebességnél gyorsabb lehet, hogy nem egy tárgy, hanem egy egész jelenség, vagy inkább kvantumösszefonódásnak nevezett összefüggés. Ez egy kvantummechanikai jelenség, amelyben két vagy több objektum kvantumállapotai kölcsönösen függenek egymástól. Ahhoz, hogy összegabalyodott fotonpárt kapjunk, egy lézert meghatározott frekvenciával és intenzitással rávilágíthatunk egy nemlineáris kristályra. A lézersugár szóródása következtében két különböző polarizációs kúpban jelennek meg a fotonok, amelyek közötti kapcsolatot kvantumösszefonódásnak nevezzük. Tehát a kvantum összefonódás a szubatomi részecskék kölcsönhatásának egyik módja, és ennek a kapcsolatnak a folyamata gyorsabb lehet, mint a fény.
„Ha két elektront összehozunk, a kvantumelmélet szerint egyhangúan rezegnek. De ha azután ezeket az elektronokat sok fényévvel elosztja, akkor is kommunikálni fognak egymással. Ha megrázod az egyik elektront, a másik is érezni fogja ezt a rezgést, és ez gyorsabban fog megtörténni, mint a fénysebesség. Albert Einstein úgy gondolta, hogy ez a jelenség megcáfolja a kvantumelméletet, mivel semmi sem tud gyorsabban mozogni a fénynél, de valójában tévedett ”- mondja Michio Kaku.
Féreglyukak
A fénysebesség leküzdésének témája számos tudományos-fantasztikus filmben felvetődik. Most még azok is hallják a "féreglyuk" kifejezést, akik távol állnak az asztrofizikától, köszönhetően az "Interstellar" című filmnek. Ez egy speciális görbület a tér-idő rendszerben, egy alagút a térben, amely lehetővé teszi, hogy elhanyagolható idő alatt leküzdje a hatalmas távolságokat.
Ilyen torzulásokról nemcsak filmforgatókönyvírók beszélnek, hanem tudósok is. Michio Kaku úgy véli, hogy a féreglyuk, vagy más néven féreglyuk a két legreálisabb módszer egyike az információk fénysebességnél gyorsabb továbbítására.
A második út, amely szintén az anyag változásaihoz kapcsolódik, az előtted lévő tér összehúzódása és a mögötted való terjeszkedés. Ebben a deformált térben egy hullám keletkezik, amely gyorsabban halad, mint a fénysebesség, ha sötét anyag szabályozza.
Így az egyetlen igazi esély arra, hogy az ember megtanulja, hogyan kell leküzdeni a fénysorompót, az általános relativitáselméletben, valamint a tér és idő görbületében rejtőzhet. Azonban minden a sötét anyagon nyugszik: senki sem tudja, hogy biztosan létezik-e, és hogy a féreglyukak stabilak-e.
A sebesség nagyobb, mint a fény sebessége vákuumban - ez a valóság. Einstein relativitáselmélete csak a szuperluminális információátvitelt tiltja. Ezért van jó néhány olyan eset, amikor a tárgyak gyorsabban tudnak mozogni, mint a fény, és nem zavarnak semmit. Kezdjük az árnyékokkal és a napsugarakkal.
Ha az ujjadból árnyékot hozol létre egy távoli falon, amelyre egy zseblámpát világítasz, majd mozgatod az ujjadat, akkor az árnyék sokkal gyorsabban mozog, mint az ujjad. Ha a fal nagyon messze van, akkor az árnyék mozgása elmarad az ujj mozgásától, mivel a fénynek továbbra is az ujjától a falig kell haladnia, de az árnyék mozgásának sebessége ahányszor magasabb. Vagyis az árnyék sebességét nem korlátozza a fény sebessége.
Az árnyékok mellett a "napsugarak" is gyorsabban mozoghatnak, mint a fény. Például egy folt egy lézersugárból, amely a Holdra irányult. A Hold távolsága 385 000 km. Ha kissé mozgatja a lézert, csak 1 cm -rel, akkor lesz ideje átfutni a Holdon, körülbelül harmadával nagyobb sebességgel, mint a fénysebesség.
Hasonló dolgok történhetnek a természetben. Például egy pulzárból, egy neutroncsillagból származó fénysugár átsöpörhet egy porfelhőn. A fényes villanás táguló fényburkot vagy más sugárzást hoz létre. Amikor áthalad a felhő felszínén, egy fénygyűrű jön létre, amely gyorsabban növekszik, mint a fénysebesség.
Ezek mind példák a fénynél gyorsabban mozgó dolgokra, amelyek azonban nem voltak fizikai testek. Árnyék vagy nyuszi segítségével lehetetlen szuperluminális üzenetet továbbítani, így a kommunikáció nem lehet gyorsabb a fénynél.
És itt van egy példa a fizikai testekkel kapcsolatban. Előretekintve azt mondjuk, hogy ismét nem lesz FTL üzenet.
A forgó testhez tartozó vonatkoztatási rendszerben a távoli objektumok szuperluminális sebességgel mozoghatnak. Például az Alpha Centauri, a Föld referenciakeretében, a fénysebesség több mint 9600-szorosával mozog, naponta körülbelül 26 fényév távolságot „elhaladva”. És pontosan ugyanez a példa a Holddal. Állj vele szemben, és forgasd a tengelyed körül néhány másodpercig. Ez idő alatt körülbelül 2,4 millió kilométert fordult meg körülötted, vagyis négyszer gyorsabban, mint a fénysebesség. Ha-ha, azt mondod, nem ez forgott, de én... És ne feledd, hogy a relativitáselméletben minden vonatkoztatási rendszer független, beleértve a forgókat is. Szóval melyik oldalt nézzük...
Szóval mit tehetsz? Nos, valójában itt nincsenek ellentmondások, mert ez a jelenség ismét nem használható fel a fénynél gyorsabb üzenetátvitelre. Azt is vegye figyelembe, hogy a Hold nem haladja meg a fénysebességet a környezetében. Ugyanis az általános relativitáselméletben minden tilalom elő van írva a lokális fénysebesség túllépésére.
