În septembrie 2011, fizicianul Antonio Ereditato a șocat lumea. Declarația lui ne-ar putea întoarce înțelegerea universului. Dacă datele colectate de cei 160 de oameni de știință OPERA erau corecte, incredibilul a fost observat. Particulele - în acest caz neutrinele - s-au mișcat mai repede decât lumina. Conform teoriei relativității a lui Einstein, acest lucru este imposibil. Iar consecințele unei astfel de observații ar fi incredibile. Poate că tocmai fundamentele fizicii ar trebui revizuite.
În timp ce Ereditato a spus că el și echipa sa au fost „extrem de încrezători” în rezultatele lor, nu au spus că datele sunt perfect exacte. Dimpotrivă, au cerut altor oameni de știință să-i ajute să își dea seama ce se întâmplă.
În final, s-a dovedit că rezultatele OPERA au fost greșite. Un cablu conectat prost a provocat o problemă de sincronizare, iar semnalele de la sateliții GPS erau inexacte. Semnalul a avut loc o întârziere neașteptată. Drept urmare, măsurătorile timpului necesar pentru ca neutrinii să acopere o anumită distanță au arătat 73 de nanosecunde suplimentare: părea că neutrinii zburau mai repede decât lumina.
În ciuda unor luni de cercetare înainte de a începe experimentul și a verifica dublu datele după aceea, oamenii de știință au greșit serios. Ereditato și-a dat demisia, contrar observațiilor multora, că astfel de erori au avut loc întotdeauna din cauza complexității extreme a dispozitivului de acceleratoare de particule.
De ce a presupus - doar presupunerea - că ceva s-ar putea mișca mai repede decât lumina provoca un astfel de zgomot? Cât de încrezători suntem că nimic nu poate depăși această barieră?
Să ne uităm la a doua din aceste întrebări. Viteza luminii într-un vid este de 299.792.458 kilometri pe secundă - pentru comoditate, acest număr este rotunjit până la 300.000 de kilometri pe secundă. Este destul de rapid. Soarele este la 150 de milioane de kilometri de Pământ, iar lumina de la el ajunge pe Pământ în doar opt minute și douăzeci de secunde.
Oare dintre creațiile noastre pot concura în cursa împotriva luminii? Unul dintre cele mai rapide obiecte create de om vreodată, sonda spațială New Horizons a trecut peste Pluto și Charon în iulie 2015. A atins o viteză în raport cu Pământul de 16 km / s. Mult mai puțin de 300.000 km / s.
Cu toate acestea, am avut particule minuscule care se mișcau foarte repede. La începutul anilor 1960, William Bertozzi de la Institutul de Tehnologie din Massachusetts a experimentat electroni acceleranți până la viteze chiar mai mari.
Video promotional:
Deoarece electronii au o sarcină negativă, aceștia pot fi accelerați - mai exact repulsii - aplicând aceeași sarcină negativă asupra materialului. Cu cât este aplicată mai multă energie, cu atât electronii accelerează mai rapid.
S-ar crede că trebuie doar să crești energia aplicată pentru a accelera până la o viteză de 300.000 km / s. Dar se dovedește că electronii nu se pot mișca atât de repede. Experimentele lui Bertozzi au arătat că utilizarea mai multor energii nu duce la o creștere proporțională a vitezei electronilor.
În schimb, trebuiau aplicate cantități uriașe de energie suplimentară pentru a modifica viteza electronilor chiar și ușor. Era din ce în ce mai aproape de viteza luminii, dar nu a ajuns niciodată.
Imaginați-vă că mergeți spre ușă în pași mici, fiecare dintre ei parcurând jumătate din distanța de la poziția dvs. actuală la ușă. Strict vorbind, nu vei ajunge niciodată la ușă, pentru că după fiecare pas pe care îl faci, vei avea o distanță de depășit. Bertozzi s-a confruntat cu o asemenea problemă atunci când se ocupa de electronii săi.
Dar lumina este formată din particule numite fotoni. De ce aceste particule se pot mișca cu viteza luminii, dar electronii nu pot?
„Pe măsură ce obiectele se mișcă din ce în ce mai repede, ele devin mai grele - cu cât sunt mai grele, cu atât este mai greu să accelereze, deci nu ajungi niciodată la viteza luminii”, spune Roger Rassoul, fizician la Universitatea din Melbourne, în Australia. „Un foton nu are nicio masă. Dacă ar avea masă, nu s-ar putea mișca cu viteza luminii.
Fotonii sunt speciali. Nu numai că le lipsește masa, ceea ce le oferă o libertate deplină de mișcare în vidul spațiului, dar nu trebuie să accelereze. Energia naturală pe care o au la dispoziție se deplasează în valuri, la fel ca și ei, așa că la momentul creării lor au deja viteză maximă. Într-un anumit sens, este mai ușor să gândești lumina ca energie, decât un flux de particule, deși, în adevăr, lumina este ambele.
Cu toate acestea, lumina călătorește mult mai lent decât ne-am putea aștepta. În timp ce tehnologiile de internet doresc să vorbească despre comunicațiile care funcționează la „viteza luminii” în fibre, lumina călătorește cu 40% mai lent în paharul acelei fibre decât în vid.
În realitate, fotonii circulă cu o viteză de 300.000 km / s, dar întâlnesc o anumită cantitate de interferență, interferență cauzată de alți fotoni care sunt emiși de atomii de sticlă când trece unda principală de lumină. Este posibil să nu fie ușor de înțeles, dar cel puțin am încercat.
În același mod, în cadrul experimentelor speciale cu fotoni individuali, a fost posibil să le încetinească destul de impresionant. În majoritatea cazurilor, numărul de 300.000 va fi valabil. Nu am văzut sau nu am creat nimic care să se poată mișca la fel de repede sau chiar mai repede. Există puncte speciale, dar înainte de a le atinge, hai să ne ocupăm de cealaltă întrebare. De ce este atât de important ca regula vitezei luminii să fie respectată cu strictețe?
Răspunsul are legătură cu un bărbat pe nume Albert Einstein, așa cum se întâmplă adesea în fizică. Teoria sa specială a relativității examinează numeroasele consecințe ale limitelor sale universale de viteză. Unul dintre cele mai importante elemente ale teoriei este ideea că viteza luminii este constantă. Indiferent unde te afli sau cât de repede te miști, lumina se mișcă întotdeauna cu aceeași viteză.
Dar aceasta are mai multe probleme conceptuale.
Imaginați-vă lumina căzând dintr-o lanternă pe o oglindă de pe tavanul unei nave spațiale. Lumina se ridică, se reflectă din oglindă și cade pe podeaua navei spațiale. Să zicem că acoperă o distanță de 10 metri.
Acum imaginați-vă că această navă spațială începe să se miște cu o viteză colosală de multe mii de kilometri pe secundă. Când porniți lanterna, lumina se comportă ca înainte: strălucește în sus, lovește oglinda și se reflectă pe podea. Dar pentru a face acest lucru, lumina va trebui să parcurgă o distanță în diagonală, nu una verticală. La urma urmei, acum oglinda se mișcă rapid cu nava spațială.
În consecință, distanța pe care o parcurge lumina crește. Să zicem 5 metri. Se dovedește 15 metri în total, nu 10.
În ciuda acestui fapt, deși distanța a crescut, teoriile lui Einstein susțin că lumina se va mișca în continuare cu aceeași viteză. Deoarece viteza este distanța divizată în timp, deoarece viteza rămâne aceeași și distanța crește, timpul trebuie să crească și el. Da, timpul în sine trebuie să se întindă. Deși sună ciudat, a fost confirmat experimental.
Acest fenomen se numește dilatarea timpului. Timpul se mișcă mai lent pentru persoanele care se deplasează în vehicule cu mișcare rapidă, în raport cu cei care stau în staționare.
De exemplu, timpul trece cu 0,007 secunde mai lent pentru astronauții de pe Stația Spațială Internațională, care se deplasează cu o viteză de 7,66 km / s față de Pământ, în comparație cu oamenii de pe planetă. Și mai interesantă este situația cu particule precum electronii menționați mai sus, care pot călători aproape de viteza luminii. În cazul acestor particule, gradul de decelerare va fi enorm.
Stephen Kolthammer, fizician experimental la Universitatea din Oxford din Marea Britanie, arată un exemplu cu particule numite muoni.
Mucii sunt instabili: se descompun rapid în particule mai simple. Atât de repede încât majoritatea muioanelor care părăsesc Soarele ar trebui să se descompună până când ajung pe Pământ. Dar, în realitate, muii ajung pe Pământ de la Soare în volume colosale. Fizicienii au încercat de mult să-și dea seama de ce.
„Răspunsul la acest mister este că muioanele sunt generate cu o astfel de energie încât se mișcă la viteze apropiate de lumină”, spune Kolthammer. „Simțul timpului lor, ca să zic așa, ceasul lor intern rulează încet”.
Mulți „supraviețuiesc” mai mult decât se aștepta față de noi, datorită curburii naturale actuale a timpului. Când obiectele se mișcă rapid în raport cu alte obiecte, lungimea lor scade, de asemenea, contractează. Aceste consecințe, dilatarea timpului și scăderea lungimii sunt exemple ale modului în care spațiul timpului se schimbă în funcție de mișcarea lucrurilor - eu, tu sau nava spațială - cu masă.
Ceea ce este important, așa cum a spus Einstein, nu afectează lumina, deoarece nu are nicio masă. Acesta este motivul pentru care aceste principii merg mână în mână. Dacă obiectele s-ar putea mișca mai repede decât lumina, ele ar urma să se supună legilor fundamentale care descriu modul în care funcționează universul. Acestea sunt principii cheie. Acum putem vorbi despre câteva excepții și derogări.
Pe de o parte, deși nu am văzut nimic care se mișcă mai repede decât lumina, acest lucru nu înseamnă că teoretic această limită de viteză nu poate fi ruptă în condiții foarte specifice. Luăm, de exemplu, extinderea universului în sine. Galaxiile din Univers se îndepărtează unele de altele la viteze mult mai rapide decât lumina.
O altă situație interesantă se referă la particule care au aceleași proprietăți în același timp, indiferent cât de departe unul de celălalt. Aceasta este așa-numita „înțelegere cuantică”. Fotonul se va roti în sus și în jos, alegând la întâmplare din două stări posibile, dar alegerea direcției de rotație se va reflecta cu exactitate pe celălalt foton în altă parte, dacă sunt încurcate.
Doi oameni de știință, fiecare studiind propriul foton, vor obține același rezultat simultan, mai rapid decât ar permite viteza luminii.
Cu toate acestea, în ambele aceste exemple, este important de reținut că nicio informație nu călătorește mai repede decât viteza luminii între două obiecte. Putem calcula expansiunea Universului, dar nu putem observa obiecte mai repede decât lumina din el: acestea au dispărut din câmpul vizual.
În ceea ce privește cei doi oameni de știință cu fotonii lor, deși ar putea obține același rezultat în același timp, nu s-au putut anunța reciproc despre el mai repede decât călătoria lumină între ei.
„Acest lucru nu prezintă nicio problemă pentru noi, pentru că dacă ești capabil să trimiți semnale mai repede decât lumina, primești paradoxuri bizare conform cărora informațiile pot călători cumva înapoi în timp”, spune Kolthammer.
Există un alt mod posibil de a face o călătorie mai rapidă decât ușoară din punct de vedere tehnic: ruptura în spațiu-timp care ar permite călătorului să evite regulile călătoriei normale.
Gerald Cleaver de la Universitatea Baylor din Texas consideră că este posibil să putem construi o navă spațială care să călătorească mai repede decât lumina. Care se deplasează printr-o gaură de vierme. Găurile de vierme sunt bucle în spațiu-timp care se încadrează perfect în teoriile lui Einstein. Aceștia ar putea permite unui astronaut să sară de la un capăt al universului la celălalt folosind o anomalie în spațiu, o formă de scurtătură cosmică.
Un obiect care călătorește printr-o gaură de vierme nu va depăși viteza luminii, dar teoretic ar putea ajunge la destinație mai repede decât lumina care călătorește pe calea „normală”. Dar găurile de vierme s-ar putea să nu fie deloc accesibile pentru călătoriile spațiale. Ar putea exista un alt mod de a denatura activ spațiul timpului pentru a vă deplasa mai repede de 300.000 km / s față de altcineva?
Cleaver a explorat și ideea unui „motor Alcubierre” propus de fizicianul teoretician Miguel Alcubierre în 1994. El descrie o situație în care spațiul temporal se contractă în fața navei spațiale, împingând-o înainte și se extinde în spatele ei, împingând-o și înainte. „Dar atunci”, spune Cleaver, „au apărut probleme: cum să o faci și câtă energie ar fi necesară”.
În 2008, el și studentul său absolvent Richard Aubosie au calculat câtă energie ar fi necesară.
„Ne-am imaginat o navă spațială de 10m x 10m x 10m - 1.000 de metri cubi - și am calculat că cantitatea de energie necesară pentru a începe procesul ar fi echivalentă cu masa unui Jupiter întreg.”
După aceea, energia trebuie „turnată” în mod constant, pentru ca procesul să nu se încheie. Nimeni nu știe dacă acest lucru va fi vreodată posibil sau cum vor fi tehnologiile necesare. „Nu vreau să fiu citat de secole pentru a prezice ceva care nu se va întâmpla niciodată”, spune Cleaver, „dar încă nu văd soluții.”
Deci, călătoriți mai repede decât viteza luminii rămâne în acest moment o fantezie. Până acum, singura modalitate de a vizita un exoplanet în timpul vieții este să te plonjezi într-o animație profundă suspendată. Și totuși, nu este totul rău. În cele mai multe cazuri, am vorbit despre lumină vizibilă. Dar, în realitate, lumina este mult mai mult. De la undele radio și microundele până la lumina vizibilă, radiațiile ultraviolete, razele X și razele gamma emise de atomi în timp ce se descompun, aceste raze frumoase sunt alcătuite din același lucru: fotoni.
Diferența este în energie, ceea ce înseamnă în lungime de undă. Împreună, aceste raze alcătuiesc spectrul electromagnetic. Faptul că undele radio, de exemplu, călătoresc cu viteza luminii este incredibil de util pentru comunicare.
În cercetările sale, Kolthammer creează un circuit care folosește fotoni pentru a transfera semnale dintr-o parte a circuitului în altul, astfel că merită să comenteze utilitatea incredibilă viteză a luminii.
„Faptul că am construit infrastructura Internetului, de exemplu, și înainte de asta, radioul bazat pe lumină, are de a face cu ușurința cu care îl putem transmite”, remarcă el. Și el adaugă că lumina acționează ca forța de comunicare a universului. Când electronii dintr-un telefon mobil încep să se agite, fotonii zboară afară și determină să se agite și electronii din celălalt telefon mobil. Așa se naște un apel telefonic. Tremuratul electronilor din Soare emite și fotoni - în cantități uriașe - care, desigur, formează lumina care dă viață pe Pământ căldură și, ahem, lumină.
Lumina este limbajul universal al universului. Viteza sa - 299 792,458 km / s - rămâne constantă. Între timp, spațiul și timpul sunt maleabile. Poate că nu ar trebui să ne gândim cum să vă mișcați mai repede decât lumina, ci cum să vă deplasați mai repede prin acest spațiu și de această dată? Să te maturizezi la rădăcină, ca să zic așa?
