2011. gada septembrī fiziķis Antonio Ereditato šokēja pasauli. Viņa izteikums varētu apvērst mūsu izpratni par Visumu otrādi. Ja 160 OPERA zinātnieku apkopotie dati bija pareizi, neticami tika novērots. Daļiņas - šajā gadījumā neitrīno - pārvietojās ātrāk nekā gaisma. Saskaņā ar Einšteina relativitātes teoriju tas nav iespējams. Un šāda novērojuma sekas būtu neticamas. Varbūt būtu jāpārskata paši fizikas pamati.
Lai gan Ereditato sacīja, ka viņš un viņa komanda ir “ļoti pārliecināti” par rezultātiem, viņi neteica, ka dati ir pilnīgi precīzi. Gluži pretēji, viņi lūdza citus zinātniekus palīdzēt viņiem saprast, kas notiek.
Beigās izrādījās, ka OPERA rezultāti bija nepareizi. Slikti savienots kabelis izraisīja sinhronizācijas problēmu, un GPS satelītu signāli bija kļūdaini. Notika negaidīta signāla kavēšanās. Rezultātā laika mērījumi, kas nepieciešami, lai neitrīni nobrauktu noteiktu attālumu, parādīja papildus 73 nanosekundēs: likās, ka neitrīni lidoja ātrāk nekā gaisma.
Neskatoties uz mēnešiem ilgo rūpīgo pārbaudi pirms eksperimenta uzsākšanas un datu atkārtotu pārbaudi pēc tam, zinātnieki bija nopietni kļūdījušies. Ereditato atkāpās no amata, pretēji daudzu izteikumiem, ka šādas kļūdas vienmēr ir notikušas daļiņu paātrinātāju ierīces ārkārtīgi sarežģītās ierīces dēļ.
Kāpēc pieņēmums - tikai pieņēmums - ka kaut kas varētu pārvietoties ātrāk nekā gaisma, izraisīja šādu troksni? Cik esam pārliecināti, ka nekas nevar pārvarēt šo barjeru?
Vispirms apskatīsim otro no šiem jautājumiem. Gaismas ātrums vakuumā ir 299 792 458 kilometri sekundē - ērtībai šis skaitlis tiek noapaļots līdz 300 000 kilometriem sekundē. Tas ir diezgan ātri. Saule atrodas 150 miljonu kilometru attālumā no Zemes, un gaisma no tās sasniedz Zemi tikai astoņās minūtēs un divdesmit sekundēs.
Vai kāds no mūsu darbiem var sacensties sacensībās pret gaismu? Viens no ātrākajiem cilvēku radītajiem objektiem, kāds jebkad uzbūvēts, kosmosa zonde New Horizons 2015. gada jūlijā apbēdināja Plutonu un Šaronu. Viņš sasniedza ātrumu, kas attiecībā pret Zemi bija 16 km / s. Daudz mazāk nekā 300 000 km / s.
Tomēr mums bija sīkas daļiņas, kuras ļoti ātri pārvietojās. Sešdesmito gadu sākumā Viljams Bertozzi Masačūsetsas Tehnoloģiju institūtā eksperimentēja ar elektronu paātrināšanu līdz pat vēl lielākam ātrumam.
Reklāmas video:
Tā kā elektroniem ir negatīvs lādiņš, tos var paātrināt - precīzāk atvairīt -, materiālam piemērojot to pašu negatīvo lādiņu. Jo vairāk enerģijas tiek pielietots, jo ātrāk elektroni paātrinās.
Varētu domāt, ka jums vienkārši jāpalielina pielietotā enerģija, lai paātrinātu līdz 300 000 km / s. Bet izrādās, ka elektroni vienkārši nevar tik ātri pārvietoties. Bertozzi eksperimenti parādīja, ka vairāk enerģijas izmantošana neizraisa tieši proporcionālu elektronu ātruma palielināšanos.
Tā vietā bija jāpieliek milzīgi papildu enerģijas daudzumi, lai pat nedaudz mainītu elektronu ātrumu. Tas bija arvien tuvāk un tuvāk gaismas ātrumam, bet nekad to nesasniedza.
Iedomājieties, ka soļojat pa durvīm nelieliem soļiem, no kuriem katrs no jūsu pašreizējā stāvokļa līdz durvīm ved pusi attāluma. Stingri sakot, jūs nekad nenokļūsit pie durvīm, jo pēc katra jūsu veiktā soļa jums būs attālums, kuru jāpārvar. Bertozzi saskārās ar aptuveni šādu problēmu, strādājot ar saviem elektroniem.
Bet gaismu veido daļiņas, kuras sauc par fotoniem. Kāpēc šīs daļiņas var pārvietoties ar gaismas ātrumu, bet elektroni nevar?
“Tā kā objekti pārvietojas ātrāk un ātrāk, tie kļūst smagāki - jo smagāki tie kļūst, jo grūtāk tiem ir paātrināties, tāpēc jūs nekad nenokļūstat gaismas ātrumā,” saka Austrālijas Melburnas universitātes fiziķis Rodžers Rassouls. “Fotonam nav masas. Ja viņam būtu masa, viņš nevarētu pārvietoties ar gaismas ātrumu."
Fotoni ir īpaši. Viņiem ne tikai trūkst masas, kas viņiem nodrošina pilnīgu pārvietošanās brīvību kosmosa vakuumā, bet arī nav jāpaātrina. Viņu rīcībā esošā dabiskā enerģija pārvietojas viļņos, tāpat kā viņi to dara, tāpēc radīšanas laikā viņiem jau ir maksimālais ātrums. Savā ziņā ir vieglāk domāt par gaismu kā enerģiju, nevis daļiņu straumi, lai gan patiesībā gaisma ir abas.
Tomēr gaisma ceļo daudz lēnāk, nekā mēs varētu gaidīt. Kaut arī interneta tehniķiem patīk runāt par sakariem, kas šķiedrās darbojas ar “gaismas ātrumu”, šīs šķiedras stiklā gaisma pārvietojas par 40% lēnāk nekā vakuumā.
Patiesībā fotoni pārvietojas ar ātrumu 300 000 km / s, taču tie sastopas ar zināmu daudzumu traucējumiem, traucējumiem, ko izraisa citi fotoni, kurus izstaro stikla atomi, kad iet galvenais gaismas vilnis. Varbūt to nav viegli saprast, bet vismaz mēs mēģinājām.
Tādā pašā veidā, veicot īpašus eksperimentus ar atsevišķiem fotoniem, bija iespējams tos iespaidīgi palēnināt. Bet vairumā gadījumu derīgs skaits ir 300 000. Mēs neesam redzējuši vai izveidojuši neko tādu, kas varētu pārvietoties tikpat ātri vai pat ātrāk. Ir īpaši punkti, bet pirms mēs tiem pieskaramies, pievērsīsimies otram mūsu jautājumam. Kāpēc ir tik svarīgi stingri ievērot gaismas ātruma noteikumus?
Atbilde ir saistīta ar cilvēku vārdā Alberts Einšteins, kā tas bieži notiek fizikā. Viņa īpašā relativitātes teorija pēta viņa universālo ātruma ierobežojumu daudzās sekas. Viens no vissvarīgākajiem teorijas elementiem ir ideja, ka gaismas ātrums ir nemainīgs. Neatkarīgi no tā, kur atrodaties vai cik ātri pārvietojaties, gaisma vienmēr pārvietojas ar tādu pašu ātrumu.
Bet tam ir vairākas konceptuālas problēmas.
Iedomājieties gaismu, kas no lukturīša krīt uz spoguļa uz nekustīga kosmosa kuģa griestiem. Gaisma iet uz augšu, tiek atspoguļota no spoguļa un nokrīt uz kosmosa kuģa grīdas. Teiksim, ka viņš veic 10 metru attālumu.
Tagad iedomājieties, ka šis kosmosa kuģis sāk kustēties ar kolosālu ātrumu - daudzu tūkstošu kilometru sekundē. Ieslēdzot lukturīti, gaisma uzvedas tāpat kā iepriekš: tā spīd uz augšu, atsitās pret spoguli un tiek atstarota uz grīdas. Bet, lai to izdarītu, gaismai būs jānobrauc nevis pa vertikāli, bet pa diagonāli. Galu galā spogulis tagad ātri pārvietojas ar kosmosa kuģi.
Attiecīgi palielinās gaismas attālums. Teiksim, 5 metri. Izrādās, ka kopumā 15 metri, nevis 10.
Neskatoties uz to, lai arī attālums ir palielinājies, Einšteina teorijas apgalvo, ka gaisma joprojām kustēsies ar tādu pašu ātrumu. Tā kā ātrums tiek dalīts ar laiku ar laiku, jo ātrums paliek tāds pats un attālums palielinās, laikam arī jāpalielinās. Jā, laikam pašam ir jāstiepjas. Lai arī tas izklausās dīvaini, tas ir apstiprināts eksperimentāli.
Šo parādību sauc par laika dilatāciju. Laiks pārvietojas lēnāk cilvēkiem, kuri pārvietojas ātri pārvietojošos transportlīdzekļos, salīdzinot ar cilvēkiem, kuri stāv.
Piemēram, salīdzinot ar planētas cilvēkiem, Starptautiskajā kosmosa stacijā, kas pārvietojas ar ātrumu 7,66 km / s, laiks iet par 0,007 sekundēm lēnāk. Vēl interesantāka ir situācija ar tādām daļiņām kā iepriekš minētie elektroni, kas var pārvietoties tuvu gaismas ātrumam. Šo daļiņu gadījumā kavēšanās pakāpe būs milzīga.
Stīvens Koltammers, eksperimentālais fiziķis no Oksfordas universitātes Lielbritānijā, norāda uz daļiņu piemēru, ko sauc par muoniem.
Mēnesi ir nestabili: tie ātri sadalās vienkāršās daļiņās. Tik ātri, ka lielākajai daļai mūonu, kas iziet no Saules, vajadzētu samazināties, līdz tie sasniedz Zemi. Bet patiesībā mūoni no Saules ierodas kolosālos apjomos. Fiziķi jau sen mēģināja izdomāt, kāpēc.
"Atbilde uz šo noslēpumu ir tāda, ka muoni tiek ģenerēti ar tādu enerģiju, ka tie pārvietojas ar ātrumu, kas ir tuvu gaismai," saka Kolthammers. "Viņu laika izjūta, tā sakot, viņu iekšējais pulkstenis darbojas lēni."
Mēneši, pateicoties pašreizējam dabiskajam laika izliekumam, "izdzīvo" ilgāk, nekā gaidīts attiecībā pret mums. Kad objekti ātri pārvietojas attiecībā pret citiem objektiem, to garums arī samazinās. Šīs sekas, laika paplašināšanās un garuma samazināšanās ir piemēri tam, kā kosmosa laiks mainās atkarībā no lietu kustības - man, jums vai kosmosa kuģim - ar masu.
Svarīgi, kā teica Einšteins, neietekmē gaismu, jo tai nav masas. Tāpēc šie principi iet roku rokā. Ja objekti varētu pārvietoties ātrāk nekā gaisma, tie pakļautos pamatlikumiem, kas apraksta Visuma darbību. Šie ir galvenie principi. Tagad mēs varam runāt par dažiem izņēmumiem un atkāpēm.
No vienas puses, kaut arī mēs neesam redzējuši, ka kaut kas pārvietojas ātrāk nekā gaisma, tas nenozīmē, ka šo ātruma ierobežojumu teorētiski nevar pārkāpt ļoti īpašos apstākļos. Veikt, piemēram, paša Visuma paplašināšanos. Galaktikas Visumā attālinās viena no otras ar ātrumu, kas ir daudz ātrāks nekā gaisma.
Vēl viena interesanta situācija attiecas uz daļiņām, kurām ir vienādas īpašības vienlaikus, neatkarīgi no tā, cik tālu viena no otras. Šī ir tā saucamā "kvantu sapīšanās". Fotons rotēs augšup un lejup, nejauši izvēloties starp diviem iespējamiem stāvokļiem, bet rotācijas virziena izvēle precīzi atspoguļos citu fotonu citur, ja tie ir iepinušies.
Divi zinātnieki, katrs pētot savu fotonu, iegūs vienādu rezultātu vienlaikus, ātrāk, nekā ļautu gaismas ātrums.
Tomēr abos šajos piemēros ir svarīgi atzīmēt, ka neviena informācija starp diviem objektiem nepārvietojas ātrāk par gaismas ātrumu. Mēs varam aprēķināt Visuma izplešanos, bet objektus nevar novērot ātrāk par gaismu: tie ir pazuduši no redzamības lauka.
Kas attiecas uz diviem zinātniekiem ar saviem fotoniem, lai arī viņi varēja iegūt vienādu rezultātu vienlaikus, viņi nevarēja par to uzzināt cits citam ātrāk, nekā gaisma pārvietojas starp viņiem.
"Tas mums nerada nekādas problēmas, jo, ja jūs spējat sūtīt signālus ātrāk nekā gaisma, jūs saņemat dīvainus paradoksus, saskaņā ar kuriem informācija kaut kādā veidā var atgriezties laikā," saka Kolthammers.
Ir arī vēl viens veids, kā padarīt tehniski iespējamu ātrāku nekā vieglu ceļojumu: telpas laika izmaiņas, kas ceļotājam ļautu izvairīties no normāla ceļojuma noteikumiem.
Džeralds Klīvers no Bīloras universitātes Teksasā uzskata, ka kādu dienu mēs varētu uzbūvēt kosmosa kuģi, kas pārvietojas ātrāk nekā gaisma. Kas pārvietojas caur slieku caurumu. Tārpu caurumi ir cilpas telpā laikā, kas lieliski iekļaujas Einšteina teorijās. Viņi varētu ļaut astronautam pāriet no viena Visuma gala uz otru, izmantojot kosmosa laika anomāliju, kaut kādu kosmiskā saīsnes veidu.
Objekts, kas pārvietojas caur slieku caurumu, nepārsniegs gaismas ātrumu, bet teorētiski varētu sasniegt galamērķi ātrāk nekā gaisma, kas pārvietojas pa “parasto” ceļu. Bet tārpu caurumi var nebūt pieejami ceļojumiem kosmosā. Vai varētu būt cits veids, kā aktīvi izkropļot kosmosa laiku, lai pārvietotos ātrāk par 300 000 km / s attiecībā pret kādu citu?
Cleaver arī izpētīja ideju par "Alcubierre motoru", ko 1994. gadā ierosināja teorētiskais fiziķis Migels Alcubierre. Viņš apraksta situāciju, kad kosmosa laiks kontraktē kosmosa kuģa priekšā, virzot to uz priekšu, un izplešas aiz tā, arī virzot to uz priekšu. “Bet tad,” saka Klēvers, radās problēmas: kā to izdarīt un cik daudz enerģijas būtu nepieciešams.
2008. gadā viņš un viņa absolvents Ričards Aubosijs aprēķināja, cik daudz enerģijas būs nepieciešams.
"Mēs iedomājāmies 10m x 10m x 10m kosmosa kuģi - 1000 kubikmetrus - un aprēķinājām, ka procesa sākšanai nepieciešamais enerģijas daudzums būs līdzvērtīgs vesela Jupitera masai."
Pēc tam enerģija ir nepārtraukti "jālej", lai process nebeidzas. Neviens nezina, vai tas kādreiz būs iespējams, vai arī kādas būs vajadzīgās tehnoloģijas. "Es nevēlos, lai gadsimtiem ilgi tiek minēts, ka tas paredz kaut ko tādu, kas nekad nenotiks," Klīvers saka, "bet es pagaidām neredzu risinājumus."
Tātad, ceļot ātrāk nekā gaismas ātrums šobrīd ir fantāzija. Pagaidām vienīgais veids, kā dzīves laikā apmeklēt eksoplanetu, ir ienirt dziļi apturētā animācijā. Un tomēr tas viss nav slikti. Vairumā gadījumu mēs runājām par redzamo gaismu. Bet patiesībā gaismu ir daudz vairāk. Sākot ar radioviļņiem un mikroviļņiem līdz redzamajai gaismai, ultravioletajam starojumam, rentgena un gamma stariem, ko izstaro atomi, tiem samazinoties, šos skaistos starus veido viena un tā pati lieta: fotoni.
Atšķirība ir enerģijā, kas nozīmē viļņa garumu. Šie stari kopā veido elektromagnētisko spektru. Fakts, ka, piemēram, radioviļņi pārvietojas gaismas ātrumā, ir neticami noderīgs saziņai.
Savos pētījumos Kolthammers izveido shēmu, kas izmanto fotonus signālu pārsūtīšanai no vienas shēmas daļas uz otru, tāpēc viņš ir pelnījis tiesības komentēt neticamā gaismas ātruma lietderību.
“Pats fakts, ka mēs izveidojām, piemēram, interneta infrastruktūru un pirms tam radio, kura pamatā ir gaisma, ir saistīts ar to, cik viegli mēs to varam pārraidīt,” viņš atzīmē. Un viņš piebilst, ka gaisma darbojas kā Visuma komunikācijas spēks. Kad mobilā tālruņa elektroni sāk trīcēt, fotoni izlien un izraisa arī cita mobilā tālruņa elektronu trīcēšanu. Šādi dzimst telefona zvans. Saules elektronu trīce izstaro arī fotonus - milzīgos daudzumos -, kas, protams, veido gaismu, kas dzīvībai uz Zemes dod siltumu, un, diemžēl, gaismu.
Gaisma ir Visuma universālā valoda. Tā ātrums - 299 792,458 km / s - paliek nemainīgs. Tikmēr telpa un laiks ir veidojami. Varbūt mums nevajadzētu domāt par to, kā pārvietoties ātrāk nekā gaisma, bet gan par to, kā ātrāk pārvietoties pa šo telpu un šoreiz? Nobriest saknē, tā sakot?