2011. aasta septembris šokeeris maailma füüsik Antonio Ereditato. Tema avaldus võib pöörata meie arusaama universumist tagurpidi. Kui 160 OPERA teadlase kogutud andmed olid õiged, täheldati uskumatut. Osakesed - antud juhul neutriinod - liikusid kiiremini kui valgus. Einsteini relatiivsusteooria kohaselt on see võimatu. Ja sellise vaatluse tagajärjed oleksid uskumatud. Võib-olla tuleks füüsika põhialused üle vaadata.
Ehkki Ereditato ütles, et tema ja tema meeskond olid oma tulemustes “äärmiselt enesekindlad”, ei öelnud nad, et andmed olid täiesti täpsed. Vastupidi, nad palusid teistel teadlastel aidata neil välja mõelda, mis toimub.
Lõpuks selgus, et OPERA tulemused olid valed. Halvasti ühendatud kaabel põhjustas sünkroonimisprobleemi ja GPS-satelliitide signaalid olid ebatäpsed. Signaalil tekkis ootamatu viivitus. Selle tulemusel näitasid neutriinod teatud vahemaa läbimiseks kulunud aja mõõtmised täiendavalt 73 nanosekundit: tundus, et neutriinod lendasid kiiremini kui valgus.
Hoolimata kuudepikkusest kontrollist enne katse alustamist ja andmete kahekordsest kontrollimisest pärast seda, olid teadlased tõsiselt eksinud. Ereditato astus tagasi, vastupidiselt paljude märkustele, et sellised vead ilmnesid alati osakeste kiirendite seadme äärmiselt keeruka seadme tõttu.
Miks põhjustas selline müra oletus - just eeldus -, et midagi võiks liikuda kiiremini kui valgus? Kui kindlad oleme, et miski ei suuda seda tõket ületada?
Vaatame kõigepealt teist neist küsimustest. Valguse kiirus vaakumis on 299 792 458 kilomeetrit sekundis - mugavuse huvides on see arv ümardatud kuni 300 000 kilomeetrit sekundis. See on üsna kiire. Päike asub Maast 150 miljoni kilomeetri kaugusel ja valgus sealt jõuab Maani vaid kaheksa minuti ja kahekümne sekundiga.
Kas mõni meie loomingust saab võistelda valguse vastu? Kosmosesond New Horizons, mis on üks kiireimaid inimese loodud esemeid, mis eales ehitatud, vilistas Pluutost ja Charonist 2015. aasta juulis. Ta jõudis Maa suhtes kiiruseks 16 km / s. Palju vähem kui 300 000 km / s.
Kuid meil oli pisikesi osakesi, mis liikusid väga kiiresti. 1960. aastate alguses katsetas William Bertozzi Massachusettsi tehnoloogiainstituudis elektronide kiirendamist veelgi suurema kiiruseni.
Reklaamvideo:
Kuna elektronidel on negatiivne laeng, saab neid materjalile sama negatiivse laengu rakendamisel kiirendada - täpsemini - tagasi tõrjuda. Mida rohkem energiat rakendatakse, seda kiiremini elektronid kiirenevad.
Võib arvata, et kiiruse 300 000 km / s kiirendamiseks peate lihtsalt suurendama rakendatud energiat. Kuid tuleb välja, et elektronid lihtsalt ei suuda nii kiiresti liikuda. Bertozzi katsed näitasid, et rohkema energia kasutamine ei põhjusta elektronide kiiruse otseselt proportsionaalset suurenemist.
Selle asemel tuli elektronide kiiruse muutmiseks isegi pisut muuta tohutul hulgal lisaenergiat. See jõudis valguse kiirusele lähemale ja lähemale, kuid sinna see kunagi ei jõudnud.
Kujutage ette, et kõnnite ukse poole väikeste sammudega, millest igaüks liigub teie praegusest asukohast poole ukseni. Rangelt öeldes ei pääse te kunagi uksele, sest pärast iga teie astutud sammu on teil läbitav vahemaa. Bertozzi seisis silmitsi oma elektronidega suheldes umbes sellise probleemiga.
Kuid valgus koosneb osakestest, mida nimetatakse footoniteks. Miks võivad need osakesed liikuda valguse kiirusel, elektronid aga mitte?
"Kuna objektid liiguvad kiiremini ja kiiremini, muutuvad nad raskemaks - mida raskemaks nad saavad, seda raskem on neil kiirendada, nii et te ei jõua kunagi valguse kiirusele," ütleb Austraalia Melbourne'i ülikooli füüsik Roger Rassoul. “Fotonil puudub mass. Kui tal oleks mass, ei saaks ta valguse kiirusel liikuda."
Footonid on erilised. Neil puudub ainult mass, mis annab neile täieliku liikumisvabaduse kosmosevaakumis, samuti ei pea nad kiirendama. Nende käsutuses olev looduslik energia liigub lainetena, nagu ka nemad, nii et loomise ajal on neil juba maksimaalne kiirus. Teatud mõttes on kergem mõelda valgust kui energiast, mitte osakeste voogust, ehkki tõsi, valgus on mõlemad.
Valgus liigub siiski palju aeglasemalt, kui arvata võiksime. Kui Interneti-tehnikutele meeldib rääkida kommunikatsioonist, mis töötab kiu valguse kiirusel, siis valgus liigub selle kiu klaasis 40% aeglasemalt kui vaakumis.
Tegelikkuses liiguvad footonid kiirusega 300 000 km / s, kuid nad puutuvad kokku teatud hulga häiretega, mis on põhjustatud teistest footonitest, mida põhilised valguslained mööduvad klaasiaatomitest. Seda ei pruugi olla kerge mõista, kuid vähemalt proovisime.
Samamoodi oli üksikute footonitega tehtud spetsiaalsete eksperimentide raames võimalik neid üsna muljetavaldavalt aeglustada. Kuid enamikul juhtudel kehtib number 300 000. Me ei ole näinud ega loonud midagi sellist, mis võiks liikuda nii kiiresti või isegi kiiremini. On eripunkte, kuid enne kui me neid puudutame, puudutagem meie muud küsimust. Miks on nii oluline, et valguse kiiruse reeglit järgitaks rangelt?
Vastus on seotud mehega, kelle nimi on Albert Einstein, nagu sageli füüsikas. Tema spetsiaalne relatiivsusteooria uurib tema universaalsete kiirusepiirangute paljusid tagajärgi. Teooria üks olulisemaid elemente on idee, et valguse kiirus on püsiv. Pole tähtis, kus te parasjagu viibite või kui kiiresti liigute, valgus liigub alati sama kiirusega.
Kuid sellel on mitmeid kontseptuaalseid probleeme.
Kujutage ette taskulambi langevat valgust statsionaarse kosmoselaeva laes asuvale peeglile. Valgus tõuseb üles, peegeldub peeglist ja kukub kosmoselaeva põrandale. Ütleme, et ta katab 10 meetrit.
Kujutage nüüd ette, et see kosmoselaev hakkab liikuma kolossaalse kiirusega - tuhandeid kilomeetreid sekundis. Taskulampi sisselülitamisel käitub tuli nagu varem: see paistab ülespoole, lööb peeglisse ja peegeldub põrandal. Kuid selleks peab tuli liikuma diagonaalselt, mitte vertikaalselt. Lõppude lõpuks liigub peegel nüüd kosmoselaevaga kiiresti.
Sellest tulenevalt suureneb valguse läbitav vahemaa. Ütleme, et 5 meetrit. Selgub, et kokku on 15 meetrit, mitte 10.
Vaatamata sellele, kuigi vahemaa on suurenenud, väidavad Einsteini teooriad, et valgus liigub ikkagi sama kiirusega. Kuna kiirus on vahemaa jagatud ajaga, kuna kiirus jääb samaks ja vahemaa suureneb, peab ka aeg suurenema. Jah, aeg ise peab venima. Ehkki see kõlab kummaliselt, on seda eksperimentaalselt kinnitatud.
Seda nähtust nimetatakse aja dilatatsiooniks. Aeg liigub aeglasemalt kiiremini liikuvatel sõidukitel liikuvate inimeste suhtes, võrreldes seisvate inimestega.
Näiteks möödub aeg rahvusvahelises kosmosejaamas astronautidel, kes liiguvad Maa suhtes kiirusega 7,66 km / s, liikudes 0,007 sekundit aeglasemalt, kui võrrelda planeedi inimestega. Veelgi huvitavam on olukord osakestega, nagu ülalnimetatud elektronid, mis võivad liikuda valguse kiiruse lähedale. Nende osakeste puhul on aeglustusaste tohutu.
Suurbritannias Oxfordi ülikooli eksperimentaalfüüsik Stephen Colthammer osutab osakeste näitele, mida nimetatakse müoniteks.
Kuud on ebastabiilsed: need lagunevad kiiresti lihtsamateks osakesteks. Nii kiiresti, et enamik Päikesest lahkuvaid koone peaks Maale jõudmise ajaks lagunema. Kuid tegelikkuses saabuvad Kuulased Päikesest Maale kolossaalsete mahtudena. Füüsikud on juba ammu püüdnud aru saada, miks.
"Vastus sellele mõistatusele on, et koonid genereeritakse sellise energiaga, et nad liiguvad valgusele lähedase kiirusega," ütleb Kolthammer. "Nende ajataju, niiöelda, töötab nende sisemine kell aeglaselt."
Kuud "elavad" meiega võrreldes oodatust kauem tänu praegusele aja loomulikule kumerusele. Kui objektid liiguvad teiste objektide suhtes kiiresti, väheneb ka nende pikkus, see kahaneb. Need tagajärjed, aja laienemine ja pikkuse vähenemine on näited sellest, kuidas kosmoseaeg muutub sõltuvalt asjade - mina, teie või kosmoselaeva - liikumisest massiga.
Mis on oluline, nagu Einstein ütles, ei mõjuta valgust, kuna sellel pole massi. Seetõttu käivad need põhimõtted käsikäes. Kui objektid saaksid liikuda kiiremini kui valgus, järgiksid nad põhiseadusi, mis kirjeldavad universumi toimimist. Need on peamised põhimõtted. Nüüd võime rääkida mõnedest eranditest ja eranditest.
Ühelt poolt, kuigi me pole näinud, et midagi liiguks kiiremini kui valgus, ei tähenda see, et seda kiirusepiirangut ei saaks teoreetiliselt väga konkreetsetes tingimustes rikkuda. Võtame näiteks universumi enda laienemise. Universumi galaktikad liiguvad üksteisest kiirusega palju kiiremini kui valgus.
Veel üks huvitav olukord on seotud osakestega, millel on samal ajal samad omadused, ükskõik kui kaugel üksteisest. See on nn kvant takerdumine. Footon pöörleb üles ja alla, valides juhuslikult kahe võimaliku oleku hulgast, kuid pöörlemissuuna valimine peegeldab täpselt teist mujal asuvat footonit, kui need on takerdunud.
Kaks teadlast, kes uurivad igaüks oma footonit, saavad ühe ja sama tulemuse samaaegselt kiiremini, kui valguse kiirus lubaks.
Mõlemas näites on aga oluline märkida, et ükski teave ei liigu kiiremini kui valguse kiirus kahe objekti vahel. Me võime küll arvutada Universumi laienemise, kuid me ei saa objekte selles valguses kiiremini jälgida: need on vaateväljast kadunud.
Mis puudutab kaht teadlast oma footonitega, siis kuigi nad võisid saada sama tulemuse samal ajal, ei saanud nad teineteisele sellest kiiremini teada anda, kui valgus nende vahel liigub.
"See ei tekita meile mingit probleemi, sest kui suudate signaale saata kiiremini kui valgust, saate veidraid paradokse, mille kohaselt teave võib kuidagi ajas tagasi rännata," ütleb Kolthammer.
Kergelt kiirema reisi tehniliseks teostamiseks on veel üks viis: aegruumi tühimik, mis võimaldaks reisijal vältida tavalise reisimise reegleid.
Texase Baylori ülikooli Gerald Cleaver usub, et ühel päeval võime ehk ehitada kosmoselaeva, mis liigub kiiremini kui valgus. Mis liigub läbi ussiaugu. Ussiaugud on aegruumis olevad silmused, mis sobivad ideaalselt Einsteini teooriatesse. Need võiksid lubada astronaudil hüpata universumi ühest otsast teise, kasutades kosmose ajal anomaaliat, mis on kosmilise otsetee mingi vorm.
Ussiaugu kaudu liikuv objekt ei ületa valguse kiirust, kuid võib teoreetiliselt jõuda sihtkohta kiiremini kui "normaalset" rada kulgev valgus. Ussiaugud ei pruugi aga kosmosereisidele üldse ligi pääseda. Kas võiks olla veel üks viis, kuidas kosmoseaega aktiivselt moonutada, et liikuda kiiremini kui 300 000 km / s kellegi teise suhtes?
Cleaver uuris ka teoreetilise füüsiku Miguel Alcubierre poolt 1994. aastal välja pakutud "Alcubierre mootori" ideed. Ta kirjeldab olukorda, kus kosmoseaeg kostub kosmoselaeva ees, lükates seda ettepoole, ja laieneb selle taha, lükates ka edasi. "Kuid siis," ütleb Cleaver, "tekkisid probleemid: kuidas seda teha ja kui palju energiat vaja oleks."
2008. aastal arvutas ta koos oma kraadiõppuri Richard Aubosiega, kui palju energiat vaja läheb.
"Kujutasime ette 10m x 10m x 10m kosmoselaeva - 1000 kuupmeetrit - ja arvutasime, et protsessi käivitamiseks vajalik energiakogus oleks võrdne terve Jupiteri massiga."
Pärast seda tuleb energiat pidevalt "valada", nii et protsess ei lõppeks. Keegi ei tea, kas see kunagi võimalik on või millised on vajalikud tehnoloogiad. "Ma ei taha, et mind sajandeid ennustatakse kui midagi sellist, mis kunagi juhtub," ütleb Cleaver, "kuid ma ei näe lahendusi veel."
Niisiis, valguse kiirusest kiirem reisimine jääb praegu fantaasiaks. Siiani on ainus viis eksoplaneedi külastamiseks elu jooksul sukelduda sügavasse riputatud animatsiooni. Ja veel pole see kõik halb. Enamikul juhtudel rääkisime nähtavast valgust. Kuid tegelikult on valgust palju enamat. Alates raadiolainetest ja mikrolainetest kuni nähtava valguse, ultraviolettkiirguse, röntgenikiirguse ja gammakiirteni, mida kiirgavad aatomid kiirgavad, koosnevad need kaunid kiired ühest ja samast asjast: footonitest.
Erinevus on energias, mis tähendab lainepikkuses. Need kiired koos moodustavad elektromagnetilise spektri. See, et näiteks raadiolained liiguvad valguse kiirusel, on suhtlemiseks uskumatult kasulik.
Kolthammer loob oma uurimistöös vooluahela, mis kasutab footoneid signaali ülekandmiseks vooluringi ühest osast teise, nii et ta väärib õigust kommenteerida uskumatu valguse kiiruse kasulikkust.
"Juba asjaolu, et ehitasime näiteks Interneti-infrastruktuuri ja enne seda valguse baasil raadio, on seotud selle edastamise lihtsusega," märgib ta. Ja ta lisab, et valgus toimib universumi suhtlusjõuna. Kui mobiiltelefoni elektronid hakkavad värisema, lenduvad footonid välja ja põhjustavad ka teise mobiiltelefoni elektronide raputamist. Nii sünnib telefonikõne. Päikeses leiduvate elektronide värisemine kiirgab ka footoneid - tohututes kogustes -, mis muidugi moodustavad valguse, mis annab Maale elu soojuse ja, oh, valgust.
Valgus on universumi universaalne keel. Selle kiirus - 299 792,458 km / s - püsib konstantsena. Samal ajal on ruum ja aeg vormitavad. Võib-olla ei peaks me mõtlema sellele, kuidas liikuda kiiremini kui valgus, vaid kuidas liikuda kiiremini läbi selle ruumi ja seekord? Küpseks juuresolekul, niiöelda?
