Dlaczego nic nie jest szybsze niż światło?

We wrześniu 2011 roku fizyk Antonio Ereditato pogrążył świat w szoku. Jego wypowiedź może zrewolucjonizować nasze rozumienie wszechświata. Jeżeli dane zebrane przez naukowców 160 projektu OPERA były prawidłowe, nie było niesamowite. Cząstek - w tym przypadku - neutrina poruszały się szybciej niż światło. Według Einsteina teorii względności, jest to niemożliwe. A konsekwencje takiego monitoringu byłby niewiarygodny. To może trzeba rozważyć podstawami fizyki.

Chociaż Ereditato powiedział, że on i jego zespół są „bardzo pewny” w wynikach, nie znaczy, że dane były w pełni dokładne. Wręcz przeciwnie, poprosili innych naukowców, aby pomóc im zrozumieć, co się dzieje.

W końcu okazało się, że wyniki OPERA były błędne. Z powodu luźnych przewodów istnieje problem z synchronizacją, a sygnały z satelitów GPS-były niedokładne. Było nieoczekiwane opóźnienia w sygnale. W konsekwencji, pomiar czasu zajęło neutrina pokonać pewną odległość, wykazała dodatkowe 73 nanosekund: wydawało się, że neutrina latający szybciej niż światło.

Pomimo miesiącach rygorystycznym testom przed rozpoczęciem eksperymentu, a następnie ponownie sprawdzić dane, naukowcy poważnie źle. Ereditato zrezygnował, mimo wielu uwag, że takie błędy zawsze się zdarzyć z powodu skrajnej złożoności urządzenia akceleratorów cząstek.

Dlaczego jest założenie - jedna jest tylko przypuszczenie - coś, co może podróżować szybciej niż światło, to spowodował takie zamieszanie? O ile jesteśmy przekonani, że nic nie może pokonać tę barierę?

Niech najpierw przeanalizować drugie z tych pytań. Prędkość światła w próżni jest 299 792,458 km na sekundę - dla wygody, ta liczba jest zaokrąglana do 300.000 kilometrów na sekundę. Jest bardzo szybki. Słońce znajduje się 150 milionów kilometrów od Ziemi, światło z nim przychodzi na Ziemię w zaledwie osiem minut i dwadzieścia sekund.

Mogłyby niektóre nasze kreacje konkurować w wyścigu ze światłem? Jeden z najszybszych obiektów sztucznymi wśród kiedykolwiek zbudowano, sonda kosmiczna „Nowe Horyzonty”, śmignęła obok Plutona i Charona w lipcu 2015 r. Dotarł do rzeczywistej prędkości jazdy 16 km / c. Znacznie mniej niż 300 000 km / s.

Niemniej jednak, mieliśmy drobne cząstki, które poruszają się bardzo szybko. Na początku lat 1960, William Bertozzi w eksperymencie z MIT elektrony przyspieszane do nawet wyższych prędkościach.

Ponieważ elektrony mają ładunek ujemny, mogą rozpraszać - dokładniej odpychają - stosując ten sam ładunek ujemny materiału. Im więcej energii jest stosowana, elektrony są przyspieszane szybciej.

Można by pomyśleć, że wystarczy zwiększyć energię stosowane w celu przyspieszenia do prędkości 300 000 km / s. Ale okazuje się, że elektrony po prostu nie może poruszać się tak szybko. Bertozzi eksperymenty wykazały, że stosowanie większej ilości energii nie prowadzi bezpośrednio do proporcjonalnego wzrostu prędkości elektronów.

Zamiast tego trzeba było umieścić ogromne ilości dodatkowej energii do nawet nieznacznie zmienić prędkość elektronów. Było blisko do prędkości światła jest coraz bliżej, ale nigdy nie została osiągnięta.

Wyobraźmy sobie niewielki ruch do shazhochkami drzwi, z których każda pokonuje połowę odległości od aktualnej pozycji do drzwi. Ściśle mówiąc, nigdy nie można dostać się do drzwi, bo po każdym z etapów będzie musiał zatrzymać się na odległość, które muszą zostać przezwyciężone. O tym problemie Bertozzi napotkał w kontaktach z ich elektronów.

Ale światło składa się z cząstek zwanych fotonami. Dlaczego są te cząstki mogą poruszać się z prędkością światła i elektronów - nie?

„Jako obiekty poruszają się szybciej i szybciej, stają się trudniejsze - tym trudniejsze stają, tym trudniej jest być rozproszone, więc nigdy nie zyska się z prędkością światła”, mówi Roger Rassoul, fizyk z University of Melbourne w Australii. „Fotony nie mają masy. Gdyby miał dużo, nie mógł poruszać się z prędkością światła. "

Fotony są wyjątkowe. Oni nie tylko nie mają masy, co daje im pełną swobodę przemieszczania się w próżni kosmicznej, ale również nie muszą być przyspieszone. energia naturalna posiadają ruchy w falach, jak oni, dlatego w momencie ich powstania, oni już mają maksymalną prędkość. W pewnym sensie łatwiej jest myśleć o świetle jako energia, a nie jako strumień cząstek, chociaż, prawdę mówiąc, światło i to zarówno.

Jednak światło porusza się znacznie wolniej niż można by się spodziewać. Choć technologia Internet jak mówimy o komunikacji, które działają „na prędkość światła” w światłowodzie, światło porusza się 40% wolniej w szkle włókien niż w próżni.

W rzeczywistości, fotony poruszać się z prędkością 300 000 km / s, a w obliczu pewnej ingerencji, zakłócenia przez inne fotonów emitowanych przez atomy szkła, gdy główna fala przechodzi światło. Rozumiem, że może nie być łatwe, ale przynajmniej próbowaliśmy.

Podobnie, w ramach specjalnych eksperymentów z pojedynczych fotonów, możliwe było ich spowolnić imponująca. Ale w większości przypadków będzie to spora liczba 300 000. Nie widzieliśmy i nie stworzył niczego, co mogłoby poruszać się tak szybko, a nawet szybciej. Istnieją specjalne momenty, ale zanim je dotykać, niech dotknąć innego naszego pytania. Dlaczego jest to tak ważne, że prędkość światła na ogół wykonywane rygorystycznie?

Odpowiedź tkwi w człowieku imieniem Albert Einstein, jak to często bywa w fizyce. Jego szczególna teoria względności, to bada wiele konsekwencji powszechnego ograniczenia prędkości. Jednym z najważniejszych elementów teorii jest przekonanie, że prędkość światła jest stała. Nie ważne gdzie jesteś i jak szybko poruszające, światło zawsze porusza się z tą samą prędkością.

Ale oznacza to kilka problemów pojęciowych.

Wyobraźmy sobie, że światło pada z latarką do lustra na suficie stacjonarnego statku kosmicznego. Światło wpadające do góry, to odbija się od lustra i spada na podłogę statku kosmicznego. Na przykład, pokonuje odległości 10 metrów.

Teraz wyobraź sobie, że statek zaczyna poruszać się z ogromną prędkością tysięcy kilometrów na sekundę. Po włączeniu latarki, światło zachowuje się jak poprzednio: świeci się, uderza lustro i odbija się w podłodze. Ale żeby to zrobić, światło będzie miał do pokonania dystans przekątnej, a nie pionowo. W końcu, lustro jest obecnie porusza się szybko wraz ze statku kosmicznego.

W związku z tym zwiększa się dystans, który pokonuje światło. Na przykład, na 5 metrów. Okazuje się 15 metrów w sumie, a nie 10.

Pomimo tego, chociaż odległość wzrosła, teoria Einsteina twierdzą, że światło będzie nadal poruszać się z taką samą prędkością. Ponieważ prędkość - dystans jest podzielony przez czas, czasy prędkość pozostaje ta sama, a odległość wzrosła, czas musi wzrosnąć. Tak, czas musi rozciągać się. I choć brzmi to dziwnie, ale to zostało potwierdzone doświadczalnie.

Zjawisko to nazywane jest dylatacja czasu. Czas płynie wolniej dla ludzi, którzy przemieszczają się szybko poruszającego się pojazdu, w odniesieniu do tych, którzy są nieruchome.

Na przykład, czas jest 0.007 sekundy wolniejszy dla astronautów na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, która porusza się z prędkością 7,66 km / s względem Ziemi, w porównaniu z ludźmi na planecie. Innym interesującym sytuacja jak wyżej wymienionych cząstek elektronów, które mogą poruszać się z prędkością bliską prędkości światła. W przypadku tych cząstek, stopień hamowania byłyby ogromne.

Steven Kolthammer, fizykiem eksperymentalnym na Uniwersytecie w Oksfordzie w Wielkiej Brytanii, wskazuje na przykład z cząstek zwanych miony.

Miony są niestabilne: szybko rozpadają się na mniejsze cząstki. Tak szybko, że większość miony opuszczających słońce, muszą rozpaść się po dotarciu do Ziemi. Ale w rzeczywistości, miony przybyć na Ziemię ze Słońca na kolosalną skalę. Fizycy od dawna starają się zrozumieć, dlaczego.

„Odpowiedź na to zagadką jest to, że miony generowane z taką energią, że poruszają się z prędkością bliską światła - mówi Kolthammer. - Ich poczucie czasu, by tak rzec, ich wewnętrzne zegary działają powoli ".

Miony „przeżyć” dłużej niż oczekiwano, w odniesieniu do nas, dzięki temu naturalne krzywizny czasu. Gdy obiekty poruszają się szybko w stosunku do innych obiektów, ich długość jest również zmniejszona kurczyć. Te efekty, rozszerzenie czasu i redukcja długości, są przykładem, w jaki sposób czasoprzestrzeń, w zależności od przepływu rzeczy - ja, ty, czy statek kosmiczny - z masą.

Co jest ważne, jak Einstein powiedział, światło nie ma wpływu, ponieważ nie ma wagi. Dlatego zasady te idą w parze. Jeśli rzeczy mogą poruszać się szybciej niż światło, to oni przestrzegać podstawowych praw, które opisują funkcjonowanie wszechświata. Są to podstawowe zasady. Teraz możemy mówić o kilku wyjątków i odstępstw.

Z jednej strony, mimo, że nie wszystko, co porusza się szybciej niż światło widać, to nie znaczy, że ograniczenie prędkości nie powinny być teoretycznie złamać w bardzo specyficznych warunkach. Na przykład, należy rozważyć rozszerzenie samego wszechświata. Galaxy w świecie usuwa się od siebie z prędkością znacznie przekraczającej światło.

Kolejna ciekawa sytuacja dotyczy cząstki, które mają te same właściwości w tym samym czasie, bez względu na to jak daleko od siebie. Ten tak zwany „kwantowego splątania”. Photon będą obracać się w górę iw dół losowo wybiera z dwóch możliwych stanów, ale wybór kierunku obrotów jest dokładnie widoczne na drugiej fotonu gdziekolwiek indziej, jeśli są zdezorientowani.

Dwóch naukowców, z których każdy zawiera analizę własnego foton będzie miał taki sam wynik w tym samym czasie, szybciej niż mogłoby to umożliwić prędkość światła.

Jednak w obu tych przykładach, że ważne jest, aby pamiętać, że żadna informacja nie porusza się szybciej niż z prędkością światła pomiędzy dwoma obiektami. możemy obliczyć ekspansję wszechświata, ale nie możemy zobaczyć obiekty szybciej niż światło w nim: oni zniknęli z pola widzenia.

Co do dwóch naukowców z ich fotonów, choć mogli uzyskać wynik w tym samym czasie, nie mogli dać mu znać siebie szybciej niż światło podróżuje między nimi.

„To nie stwarza nam żadnych problemów, bo jeśli jesteś w stanie wysyłać sygnały szybciej niż światło, masz dziwny paradoks, zgodnie z którym informacje można jakoś cofnąć się w czasie”, mówi Kolthammer.

Jest jeszcze inny możliwy sposób, aby podróżować szybciej niż światło jest technicznie możliwe: szczeliny w czasoprzestrzeni, które pozwolą uniknąć podróżny zwyczajowe zasady podróżowania.

Gerald Cleaver z Baylor University w Teksasie, mówi, że pewnego dnia będziemy w stanie zbudować statek kosmiczny podróżują szybciej niż światło. Który przemieszcza się przez tunel. Tunel - pętla w czasoprzestrzeni, że idealnie pasuje do teorii Eynsheyna. Mogli pozwolić na skok astronauta z jednego końca świata na drugi przez anomalię w czasoprzestrzeni, jakąś formę skrótu kosmicznej.

Celem podróży przez tunel nie może przekroczyć prędkości światła, ale teoretycznie może osiągnąć cel szybciej niż światło, które jest w „normalnym” sposób. Ale tunele są na ogół niedostępne dla podróży kosmicznych. Czy może być inny sposób aktywnie zakłócać czasoprzestrzeń poruszać się szybciej 300 000 km / c w stosunku do kogoś innego?

Cleaver zbadaliśmy także ideę „silnika Alcubierre” proponowane przez fizyka teoretyczna Miguel Alcubierre w 1994 roku. Opisuje on sytuację, w której czasoprzestrzeń jest skompresowany przed kosmicznych, popychając ją do przodu, a rozszerza się za nim, i pcha go do przodu. „Ale wtedy - powiedział Cleaver - problem: jak to zrobić i ile będzie potrzebował energii.”

W 2008 roku on i jego student Richard Obouzi obliczyć, ile trzeba energii.

„Przedstawiliśmy statku 10 m x 10 m x 10 m - 1000 metrów sześciennych - i obliczono, że energia potrzebna do rozpoczęcia procesu byłoby równoważne masy całego Jupiter”.

Po tym, energia musi być stale „dodaje, że” proces nie został zakończony. Nikt nie wie, czy będzie to możliwe, lub co będzie wyglądać niezbędnych technologii. „Nie chcę być notowane późniejszych wiekach, choć przewiduje się coś, co nigdy nie będzie - mówi Cleaver. - ale do tej pory nie widzę żadnych rozwiązań”

Tak więc, z prędkością większą niż prędkość światła są fantastyczne w tej chwili. Do tej pory jedynym sposobem, aby odwiedzić egzoplanety z życia - do głębokiej hibernacji. A jednak nie wszystko, co złe. W większości przypadków mówimy o świetle widzialnym. Ale w rzeczywistości, światło - to znacznie więcej niż to. Fal radiowych i mikrofal dla światła widzialnego, promieniowania ultrafioletowego, promieniowania rentgenowskiego i gamma, emitowanego przez atomy w procesie rozpadu - wszystkie te piękne promienie obejmować jeden i ten sam: fotonu.

Różnica w energii, a tym samym - w długości fali. Wszystko razem, te promienie tworzą widma elektromagnetycznego. Fakt, że fale radiowe, na przykład, poruszają się z prędkością światła, niezwykle użyteczne dla komunikacji.

W swoim studium Kolthammer tworzy schemat, który używa fotonów do przesyłania sygnałów z jednej części obwodu do drugiego, więc zasługuje na prawo do wypowiedzenia się na temat przydatności niesamowitą prędkością światła.

„Fakt, że udało nam się zbudować infrastrukturę w Internecie, na przykład, a przed nim, a radio oparte na świetle wiąże się z łatwością, z jaką możemy transmitować,” powiedział. I dodaje, że światło działa jako siła komunikacji wszechświata. Kiedy elektrony w telefonie komórkowym zaczynają drżeć, fotony emitowane są i wynikają z faktu, że elektrony w innym telefonie komórkowym także drżenie. W ten sposób narodził się telefon. Wstrząsy emituje elektrony na słońcu również fotony - w dużych ilościach - co, oczywiście, tworzą światło, które daje życie na ciepło i światło, szum Ziemi.

Light - jest uniwersalnym językiem wszechświata. Jego prędkość - 299 792,458 km / s - pozostaje stała. Tymczasem, przestrzeń i czas są plastyczny. Być może nie powinniśmy myśleć o tym, jak poruszać się szybciej niż światło, i jak szybko poruszać się po tym miejscu i tym czasie? Dojrzewać do korzenia, że ​​tak powiem?